Я́дерні техноло́гії () — сукупність інженерних рішень, що дозволяють використовувати ядерні реакції або іонізуюче випромінювання, яке виникає у результаті їх перебігу. Традиційні сфери застосування ядерних технологій ядерна енергетика, ядерна медицина, ядерна зброя.

Ядерні технології включають у собі декілька різнорідних напрямів: технології, що ґрунтуються на здатності ядер деяких хімічних елементів до поділу або сполучення з виділенням енергії; технології, основою яких є отримання та використання іонізуючого випромінювання; специфічні для галузі технології отримання речовин з потрібними властивостями також часто відносять до ядерних.

Наукові основи

Атомні ядра складаються з двох типів нуклонів — протонів і нейтронів. Їх утримує разом так звана сильна взаємодія. При цьому енергія зв'язку кожного нуклона з іншими залежить від загальної кількості нуклонів у ядрі, як показано на графіку праворуч. З графіка видно, що у легких ядер із збільшенням кількості нуклонів енергія зв'язку зростає, а у важких спадає. Якщо додавати нуклони у легкі ядра або видаляти нуклони з важких атомів, то ця різниця в енергії зв'язку буде виділятись у вигляді кінетичної енергії частинок що вивільняються у результаті цих дій. Кінетична енергія (енергія руху) частинок переходить у тепловий рух атомів після співудару частинок з атомами. Отже ядерна енергія проявляється у виді нагрівання.

Змінена складу ядра називається ядерним перетворенням або ядерною реакцією. Ядерна реакція із збільшенням кількості нуклонів у ядрі називається термоядерною реакцією або ядерним синтезом. Ядерна реакція із зменшенням кількості нуклонів у ядрі називають ядерним розпадом або поділом ядра.

Поділ ядра

Поділ ядра може бути самовільним (спонтанним) і викликаним зовнішнім впливом (індукованим).

Спонтанний поділ

Сучасна наука вважає що всі хімічні елементи які важчі від водню були синтезовані в результаті термоядерних реакцій всередині зірок. Залежно від кількості протонів і нейтронів ядро може бути стабільним або проявляти схильність до самовільного поділу на декілька частин. Після закінчення життя зірок стабільні атоми утворили відомий нам світ, а нестабільні поступово розпадалися до утворення стабільних. На Землі до наших днів в промислових кількостях збереглося тільки два таких нестабільних (радіоактивних) хімічних елементи — уран і торій. Інші нестабільні елементи отримують штучно в прискорювачах або реакторах.

Спонтанний поділ часто використовується для отримання іонізуючих випромінювань або як джерело тепла, наприклад в радіоізотопних генераторах.

Ланцюгова реакція

Деякі важкі ядра легко приєднують зовнішній вільний нейтрон, стають при цьому нестабільними і розпадаються, викидаючи декілька нових вільних нейтронів. У свою чергу ці вивільнені нейтрони можуть потрапити в сусідні ядра і також викликати їх розпад з виходом чергових вільних нейтронів. Такий процес називається ланцюговою реакцією. Щоб ланцюгова реакція відбулася, потрібно створити специфічні умови: сконцентрувати в одному місці досить багато речовини, здатної до ланцюгової реакції. Щільність і обсяг цієї речовини повинні бути достатні щоб вільні нейтрони не встигали покинути речовину, взаємодіючи з ядрами з високою ймовірністю. Цю ймовірність характеризує ефективний коефіцієнт розмноження нейтронів. Коли об'єм, щільність і конфігурація речовини дозволять коефіцієнту розмноження нейтронів досягти одиниці, то почнеться самопідтримна ланцюгова реакція, а таку масу речовини, ядра атомів якої зазнають поділу називають «критична маса».

Очевидно, що кожний розпад у цьому ланцюзі приводить до виділення енергії.

Людство навчились здійснювати ланцюгову реакцію у спеціальних конструкціях. Залежно від потрібних темпів ланцюгової реакції та її тепловиділення ці конструкції називаються ядерною зброєю або ядерними реакторами. У ядерній зброї відбувається лавиноподібна некерована ланцюгова реакція з максимально досяжним коефіцієнтом розмноження нейтронів щоб досягти максимального енерговиділення перш ніж настане теплове руйнування конструкції.

Керована ланцюгова реакція В ядерних реакторах створюють умови для перебігу керованої ланцюгової реакції. Ланцюгова реакція є дуже швидким лавиноподібним процесом, надійно керувати ним безпосередньо практично неможливо. Тому для управління ланцюговою реакцією величезне значення мають запізнілі нейтрони — нейтрони, які утворюються при спонтанному розпаді нестабільних ізотопів, що утворилися в результаті первинних розпадів ядер атомів матеріалу поділу. Час від первинного розпаду до появи запізнілих нейтронів варіюється від мілісекунд до хвилин, а частка запізнілих нейтронів у нейтронному балансі реактора досягає декількох відсотків. Такі значення часу вже дозволяють регулювати процес механічними методами. Коефіцієнт розмноження нейтронів з урахуванням запізнілих нейтронів називають ефективним коефіцієнтом розмноження нейтронів, а замість критичної маси ввели поняття «реактивність ядерного реактора».

На динаміку керованої ланцюгової реакції також впливають інші продукти поділу, деякі з яких можуть ефективно поглинати нейтрони (так звані нейтронні отрути). Після початку ланцюгової реакції вони накопичуються в реакторі, зменшуючи ефективний коефіцієнт розмноження нейтронів і реактивність реактора. Через деякий час настає баланс накопичення і розпаду таких ізотопів і реактор входить у стабільний режим. Якщо заглушити реактор то нейтронні отрути ще довгий час зберігаються в реакторі, ускладнюючи його повторний запуск. Характерний час життя нейтронних отрут в ланцюжку розпаду урану досягає до пів-доби. Нейтронні отрути заважають ядерним реакторам швидко змінювати потужність.

Ядерний синтез

Протони у ядрі мають електричний заряд, а отже, зазнають кулонівського відштовхування. У ядрі це відштовхування компенсується сильною взаємодією, що утримує нуклони разом. Але сильна взаємодія має радіус дії значно менший від кулонівського відштовхування. Тому для злиття нуклонів двох ядер воєдино потрібно спочатку їх зблизити, подолавши кулонівське відштовхування. Відомі декілька таких способів. У надрах зірок це гравітаційні сили. У прискорювачах — кінетична енергія розігнаних ядер або елементарних частинок. У термоядерних реакторах та термоядерній зброї — енергія теплового руху.

Іонізуючі випромінювання Потоки розігнаних атомних ядер, елементарних частинок або високоенергетичних фотонів називаються іонізуючим випромінюванням. Найчастіше іонізуюче випромінювання є наслідком ядерних реакцій або отримується у прискорювачах заряджених частинок. Розрізняють багато видів іонізуючого випромінювання залежно від виду частинок та їх енергії.

Найчастіше зустрічається рентгенівське або гамма-випромінювання — потоки високоенергетичних фотонів. Рентгенівське випромінювання отримують у невеликих спеціальних прискорювачах електронів, так званих рентгенівськими трубками. Широко відомо застосування рентгенівського випромінювання в медичних діагностичних цілях і для пошуку дефектів металевих конструкцій. Гамма-випромінювання складається з більш енергійних фотонів і отримується при спонтанному розпаді деяких штучних ізотопів. Найвідоміше застосування гамма-випромінювання — стерилізація медичних інструментів та харчових консервів.

Нейтронне випромінювання є характерною ознакою ланцюгової реакції та є значимим при ядерних вибухах та у ядерних реакторах. Нейтрони легко приєднуються атомними ядрами, роблячи їх нестабільними (радіоактивними).

Нейтрона фізика

Нейтронна фізика — розділ фізики елементарних частинок, що займається дослідженням нейтронів, їх властивостей і структури (часу життя, магнітного моменту тощо), методів отримання, а також можливостями використання у прикладних та науково-дослідницьких цілях.

Вільні нейтрони є рушійною силою ланцюгової реакції, тому фізика їх взаємодії з ядрами атомів добре вивчена, а принципи роботи з нейтронними потоками — один з наріжних каменів ядерних технологій.

Перетин взаємодії Нейтрон може взаємодіяти з речовиною за декількома сценаріями: Пружне розсіювання, при якому ядро зберігає цілісність. Нейтрон і ядро змінюють свою кінетичну енергію за законами механіки. Непружне розсіювання, при якому ядро руйнується під ударом нейтрона. Ядерна реакція, при якій ядро поглинає нейтрон (захоплення нейтронів). Схема конкретної взаємодії має ймовірнісний характер, кожному з можливих сценаріїв відповідає своя імовірність, що характеризується перетином взаємодії. Перетин взаємодії залежить від нуклонного складу ядра і кінетичної енергії нейтрона. На графіку дано приклад залежності імовірності ядерної реакції з нейтроном від його енергії для ізотопів 235U та 239Pu. На даному графіку показано повний перетин взаємодії (тобто імовірність того що ядерна реакція відбудеться) і перетин поділу (тобто імовірність того, що ядерна реакція закінчиться розпадом ядра).

Так як є можливою значна кількість різноманітних сценаріїв розвитку ядерної реакції, то для кожного ізотопу накопичено величезний масив експериментальних даних з ймовірностями (перетинами) кожного із сценаріїв. Існують публічні бази експериментальних даних взаємодії нейтрона з різними ізотопамиNEA — Nuclear Data Services — Evaluated Nuclear Data Library Descriptions . Також доступними є он-лайн інструменти перегляду даних з деяких базENDFPLOT: online graph plot for neutron cross section .

Нейтронний спектр Розподіл енергій нейтронів в нейтронному потоці прийнято називати спектром нейтронів. Енергія нейтрона визначає схему взаємодії нейтрона з ядром. Прийнято виділяти декілька діапазонів енергій нейтронів, з яких для ядерних технологій значущими є: Теплові нейтрони. Названо так оскільки знаходяться в енергетичній рівновазі з тепловими коливаннями атомів і не передають їм свою енергію при пружних взаємодіях. Резонансні нейтрони. Названо так оскільки перетин взаємодії деяких ізотопів з нейтронами цих енергій має яскраво виражені нерівномірності. Швидкі нейтрони. Нейтрони цих енергій зазвичай отримуються в результаті ядерних реакцій.

Миттєві і запізнілі нейтрони Ланцюгова реакція є дуже швидким процесом. Час життя одного покоління нейтронів (тобто середній час від виникнення вільного нейтрона до його поглинання наступним атомом й виділення наступних вільних нейтронів) набагато менший від мікросекунди. Такі нейтрони називають миттєвими. При ланцюговій реакції з коефіцієнтом розмноження 1,1 через 6 мкс кількість миттєвих нейтронів і енергія, що виділяється зростуть у 1026 разів. Надійно керувати таким швидким процесом неможливо. Тому для керування ланцюговою реакцією величезне значення мають запізнілі нейтрони. Запізнілі нейтрони виникають при самовільному розпаді осколків поділу, що залишились після первинних ядерних реакцій.

Матеріалознавство

Ізотопи

У навколишній природі люди зазвичай стикаються з властивостями речовин, зумовленими структурою електронних оболонок атомів. Наприклад, саме електронні оболонки цілком відповідають за хімічні властивості атома. Тому до ядерної ери наука не поділяла речовини за масою ядра, а лише за його електричним зарядом. Однак з появою ядерних технологій з'ясувалося що всі добре відомі прості хімічні елементи мають багато — іноді десятки — різновидів з різною кількістю нейтронів у ядрі і, відповідно, абсолютно різними ядерними властивостями. Ці різновиди стали називати ізотопами хімічних елементів. Більшість хімічних елементів, що зустрічаються в природі є сумішами декількох різних ізотопів.

Переважна більшість відомих ізотопів є нестабільними і в природі не зустрічаються. Їх отримують штучно для вивчення або використання у ядерних технологіях. Відокремлення ізотопів одного хімічного елемента, штучне отримання ізотопів, вивчення властивостей цих ізотопів — одні з основних завдань ядерних технологій.

Ізотопи у природі Деякі ізотопи є нестабільними і розпадаються. Однак розпад відбувається не відразу після синтезу ізотопу а через деякий характерний для цього ізотопу час, який називається періодом напіврозпаду. З назви очевидно що це час, за який розпадається половина наявних ядер нестабільного ізотопу.