ბირთვული ენერგეტიკა

დღეისათვის ძალიან მნიშვნელოვანია ენერგიის ახალი და იაფი წყაროს მოძებნა, რადგანაც ნავთობის მარაგს მსოფლიო მალე ამოწურავს და საჭირო იქნება ახალი საწვავის მოძიება. ამ მხრივ პერსპექტივა გააჩნია ბირთვულ ენერგეტიკას. ბირთვული რეაქციების შედეგად გამოყოფილი ენერგია გაცილებით დიდია ნებისმიერი ქიმიური რეაქციისას მიღებულ ენერგიაზე, რაც ბირთვული ენერგეტიკის პერსპექტივაზე მიუთითებს, მაგრამ ეგზოთერმული (რეაქცია, რომლის დროსაც ენერგია გამოიყოფა) ბირთვული რეაქცია შეუძლებელია გამოყენებული იქნეს მხოლოდ საჭირო რაოდენობის ენერგიის მისაღებად, რაც მის უარყოფით მხარეს წარმოადგენს, ამასთან რეაქციისთვის საჭირო ნედლეული არ არის იაფი საშუალება.

ეხლა კონკრეტულად განვიხილოთ ბირთვული რეაქციების შედეგად ენერგიის მიღების მექანიზმი:
ექსპერიმენტულად დადგენილია, რომ ქიმიურ ელემენტებს გააჩნიათ მასის სიჭარბე, ანუ ქიმიური ელემენტის ბირთვის მასა განსხვავებულია ბირთვის შემადგენელი ნუკლონების(ნეიტრონების და პროტონების) ცალცალკე მასათა ჯამისგან. სწორედ მასის სიჭარბეზე არის დამოკიდებული გამოყოფილი ენერგიის რაოდენობა. მსუბუქი ბირთვებისგან ენერგიის მისაღებად საჭიროა მათი შეერთება, ხოლო მძიმე ბირთვები უნდა დაიშალონ, რათა ენერგია გამოიყოს. მაგალითად ²₁H +³₁H → ⁴₂He + n + 17.6მევ
ამ რეაქციის დროს ერთდება დეიტრონი (²₁H) და ტრიტიუმი (³₁H ) , შედეგად მიიღება ჰელიუმის ბირთვი ( ⁴₂He) , ნეიტრონი და გამოიყოფა 17.6 მევ - ენერგია. დეიტრონი და ტრიტიუმი წარმოადგენენ მსუბუქ ბირთვებს, ენერგიის გამოყოფა მოხდება იმის გამო, რომ დეიტრონის და ტრიტიუმის ბირთვების მასათა ჯამი მეტია, ვიდრე მათი ნაერთის, ანუ რეაქციის პროდუქტის მასა.  განვიხილოთ მძიმე ბირთვის დაშლა: 
n +²³⁵₉₂U → ²³⁶₉₂U→¹⁴⁰₅₅Cs + ⁹⁴₃₇Rb + 2n + 200მევ   ამ რეაქციის დროს ²³⁵₉₂U  ბირთვი შთანთქავს ნეიტრონს, შეიქმნება ²³⁶₉₂U - ბირთვი, რომელიც დაიშლება ცეზიუმის და რუბიდიუმის ბირთვებად, ამ დროს ასევე გამოიყოფა ორი ნეიტრონი და 200მევ - ენერგია, რაც გაცილებით დიდია მსუბუქი ბირთვების შეერთებით მიღებულ ენერგიაზე.

მსუბუქი ბირთვების შეერთება გარკვეულ პრობლემებთან არის დაკავშირებული, კერძოდ ბირთვებს გააჩნიათ ერთნაირი მუხტი, დადებითი მუხტი, რის გამოც ისინი განიზიდავენ ერთმანეთს და აძნელებს მათ ერთმანეთთან დაახლოებას. ამიტომაც ასეთი რეაქციებს განხორციელება ხდება მსუბუქი ელემენტების ნარევის გაცხელებით რამდენიმე ასეულ მილიონ გრადუს ტემპერატურაზე, ამიტომაც ასეთ რეაქციებს ეწოდებათ თერმობირთვული სინთეზი. თერმობირთვული რეაქციების ხიბლი იმაში მდგომარეობს, რომ რეაქციის პროდუქტი არ წარმოადგენს რადიოაქტიურ ნივთიერებას და არ აბინძურებს გარემოს, ასევე საფრთხეს არ უქმნის ადამიანის ჯანმრთელობას. მაგრამ ასეთი რეაქციების განხორციელება დიდ პრობლემებთან არის დაკავშირებული: როგორც ზემოთ ავნიშნე საჭიროა  მსუბუქი ელემენტების ნარევის გაცხელება ასეული მილიონ გრადუს ტემპერატურაზე, ასეთ თემპერატურაზე კი ნებისმიერი ნივთიერება გადადის იონიზირებულ პლაზმაში, რომლის შენარჩუნება მცირე დროის განმავლობაშიც კი დიდ პრობლემას წარმოადგენს.
თერმობირთვული სინთეზის განხორციელების და სასურველი შედეგის მიღების მეთოდების კვლევა დღესაც მიმდინარეობს.

ბირთვული რეაქციების მეორე მეთოდს წარმოადგენს ჯაჭვური რეაქციები, რომლებიც მიმდინარეობს მძიმე ბირთვების დაშლის შედეგად. თუ გარემო შეიცავს , ვთქვათ, ²³⁵₉₂U-ის ბირთვებს, მაშინ ასეთ გარემოს ეწოდება აქტიური ზონა. როგორც ზემოთ ავღნიშნე მძიმე ბირთვებისგან ენერგიის მისაღებად საჭიროა მათი დაშლა, მძიმე ბირთვების დაშლა კი შესაძლებელია მათზე ნეიტრონების დაჯახებით. თუ აქტიურ ზონაში მოხდება ერთი ბირთვის დაშლა ნაიტრონით, ამ დროს ზემოთ მოყვანილი რეაქციიდან სჩანს, რომ მოხდება ნეიტრონების გამრავლება, რეაქციის შედეგად წარმოქმნილი ნეიტრონები კი კვლავ გამოიწვევენ ახალი ბირთვების დაშლას და წავა ჯაჭვური რეაქცია. ე.ი აქტიური ზონის მახასიათებელს წარმოადგენს k-პარამეტრი, რომელიც განიმარტება როგორც ერთი თაობის ნეიტრონების შეფარდება წინა თაობის ნეიტრონების რაოდენობასთან. განმარტებიდან გამომდინარეობს, რომ თუ k მეტია, ან ტოლია ერთის, მაშინ ჯაჭვური რეაქცია განხორციელდება. აქტიური ზონის k-პარამეტრს განსაზღვრავს ამ ზონაში რეალურად ყოველთვი არსებული ჯაჭვური რეაქციისათვის გამოუსადეგარი ბირთვები, მაგალითად ²³⁸₉₂U  ბირთვები, რომლებიც შთანთქავენ ნეიტრონებს და ხელს უშლიან ჯაჭვური რეაქციის განხორციელებას. აქტიურ ზონასთან დაკავშირებულია ასევე მნიშვნელოვანი ცნებები, კრიტიკული ზომა და კრიტიკული მასა. კრიტიკული ზომა ეწოდება ისეთი აქტიური ზონის ზომას, რომლისთვისაც k=1. კრიტიკული ზომის მქონე აქტიური ზონის მასას ეწოდება კრიტიკული მასა.  კრიტიკული მასა ბევრ ფაქტორზეა დამოკიდებული. მაგალითად თუ აქტიური ზონა შეიცავს მხოლოდ ²³⁵₉₂U ბირთვებს, მაშინ ასეთი აქტიური ზონის კრიტიკულ მასას წარმოადგენს 47კგ. , მაგრამ თუ ასეთ აქტიურ ზონას მოვათავსებთ ნეიტრონების ამრეკლ კორპუსში , მაშინ კრიტიკული მასა დაიყვანება 250გ-მდე.

ჯაჭვური რეაქციები მიმდინარეობს ე. წ. ატომურ ბომბში.  განვიხილოთ უმარტივესი ატომური ბომბი:

მოცემულ სქემაზე ნაჩვენებია დიდი სიმკვრივის მეტალის კორპუსში მოთავსებული ქიმიური ფეთქებადი ნივთიერება და ბირთვული ნივთიერების ,  ²³⁵₉₂U  ან  ²³⁹₉₄Pu -ის ორი კრიტიკულ მასაზე ნაკლები მასის მქონე ნაჭერი. ქიმიური ნივთიერების აფეთქების შედეგად წარმოქმნილი წნევის გავლენით ეს ორი ბირთვული ნივთიერების ნაჭერი შეერთდება და გახდება მათი საერთო მასა კრიტიკულ მასაზე მეტი. გარემოში ყოველთვის არსებული შემთხვევითი ნეიტრონის გავლენით კი დაიწყება ჯაჭვური რეაქციები და მოხდება აფეთქება.

ჯაჭვური რეაქციების მექანიზმია გამოყენებული ბირთვულ რეაქტორებში, სადაც ჯაჭვური რეაქციებით მიღებულ სითბოთი ხდება წყალის აორთქლება, რომელიც ამუშავებს ტურბინას და ხდება ელექტრო-ენერგიის გამომუშავება. მაგრამ ასეთი პროცესების შედეგად ხდება რადიოაქტიური ნივთიერებების წარმოქმნა, რაც საფრთხეს უქმნის ადამინათა ჯანმრთელობას.

ზემოთ განხილული ორი ტიპის რეაქციებისგან განსხვავებით უფრო დიდი ენერგიების მიღება შესაძლებელი იქნებოდა თუ მოვახდენდით ნუკლონების დაშლას უფრო მსუბუქ ნაწილაკებად, მაგრამ ეს აკრძალულია ბარიონული მუხტის შენახვის კანონით. ასევე დიდი ეფექტი ექნება ნუკლონ-ანტინუკლონის ანიჰილაციას, მაგრამ ბუნებაში ანტინაწილაკები მზა სახით არ არსებობენ, ხოლო მათი წარმოქმნა ენერგეტიკულად არახელსაყრელია, მიუხედავად ამისა არაა გამორიცხული, რომ მომავლში  ეს უკანასკნელი მექანიზმი გამოიყენონ შორეული კოსმოსური მოგზაურობებისთვის...