Энергия E, высвобождающаяся при делении, растет с увеличением Z 2 /A. Величина Z 2 /A = 17 для 89 Y (иттрия). Т.е. деление энергетически выгодно для всех ядер тяжелее иттрия. Почему же большинство ядер устойчиво по отношению к самопроизвольному делению? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть механизм деления.
В процессе деления происходит изменение формы ядра.
Ядро последовательно проходит через следующие стадии (рис. 7.1): шар, эллипсоид,
гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. Как при этом
изменяется потенциальная энергия ядра на различных стадиях деления?
Первоначальное ядро с увеличением r
принимает форму все более вытянутого эллипсоида вращения. В этом случае
вследствие эволюции формы ядра изменение его потенциальной энергии определяется
изменением суммы поверхностной и кулоновской энергий
E п + E к.
Поверхностная энергия при этом возрастает, так как увеличивается площадь
поверхности ядра. Кулоновская энергия уменьшается, так как увеличивается среднее
расстояние между протонами. Если при незначительной деформации,
характеризующейся малым параметром , исходное ядро приняло форму аксиально симметричного
эллипсоида, поверхностная энергия E" п
и кулоновская энергия
E" к
как функции параметра деформации
изменяются следующим образом:
В соотношениях (7.4–7.5) E
п
и E
к
– поверхностная и кулоновская энергии исходного сферически симметричного ядра.
В области тяжелых ядер 2E п > E к
и сумма поверхностной и кулоновской энергий растет с увеличением . Из (7.4) и (7.5) следует, что при малых
деформациях рост поверхностной энергии препятствует дальнейшему изменению формы
ядра, а следовательно, и делению.
Соотношение (7.5) справедливо для малых деформаций . Если деформация настолько велика, что ядро
принимает форму гантели, то поверхностные и кулоновские силы, стремятся
разделить ядро и придать осколкам сферическую форму. Таким образом, при
постепенном увеличении деформации ядра его потенциальная энергия проходит через
максимум. График изменения поверхностной и кулоновской энергий ядра в
зависимости от r показан на рис. 7.2.
Наличие потенциального барьера препятствует мгновенному
самопроизвольному делению ядер. Для того чтобы ядро разделилось, ему необходимо
сообщить энергию Q, превышающую
высоту барьера деления H.
Максимум потенциальной энергии делящегося ядра E + H (например золота) на два одинаковых осколка ≈ 173 МэВ,
а величина энергии E,
освобождающейся при делении, равна 132 МэВ.
Таким образом, при делении ядра золота необходимо преодолеть потенциальный
барьер высотой около 40 МэВ.
Высота барьера деления H
тем больше, чем меньше отношение кулоновской и поверхностной энергии
Е к /Е п
в начальном ядре. Это отношение, в свою очередь, увеличивается с увеличением
параметра деления Z 2 /А
(7.3). Чем тяжелее ядро, тем меньше высота барьера деления
H, так как параметр деления в предположении, что
Z
пропорционально A, увеличивается
с ростом массового числа:
| Е к /Е п = (a 3 Z 2)/(a 2 A) ~ A. | (7.6) |
Поэтому более тяжелым ядрам, как правило, нужно сообщить меньшую
энергию, чтобы вызвать деление ядра.
Высота барьера деления обращается в нуль при 2E п – E к = 0
(7.5). В этом случае
2E п /E к = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),
Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.
Таким образом, согласно капельной модели в природе не могут существовать ядра с Z 2 /A > 49, так как они должны практически мгновенно за характерное ядерное время порядка 10 –22 с самопроизвольно разделиться на два осколка. Зависимости формы и высоты потенциального барьера H, а также энергии деления от величины параметра Z 2 /A показаны на рис. 7.3.
Рис. 7.3. Радиальная зависимость формы и высоты потенциального барьера и энергии деления E при различных величинах параметра Z 2 /A. На вертикальной оси отложена величина E п + E к.
Самопроизвольное деление ядер с
Z 2 /A < 49,
для которых высота барьера H
не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой
механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения
осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного
деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления
Z 2 /A,
т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления
уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от
T 1/2 > 10 21 лет
для
232 Th
до 0,3 с для
260 Rf.
Вынужденное деление ядер с Z 2 /A < 49
может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами,
a частицами и другими частицами, если вносимая в
ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Минимальное значение энергии возбуждения составного ядра
E*,
образующегося при захвате нейтрона равно энергии связи нейтрона в этом ядре
ε n .
В таблице 7.1 сравниваются высота барьера
H
и энергия связи нейтрона
ε n
для изотопов Th, U, Pu, образующихся после захвата нейтрона. Энергия связи
нейтрона зависит от числа нейтронов в ядре. За счёт энергии спаривания энергия
связи четного нейтрона больше энергии связи нечетного нейтрона.
Таблица 7.1
Высота барьера деления H, энергия связи нейтрона ε n
| Изотоп | Высота барьера деления H, МэВ | Изотоп | Энергия связи нейтрона ε n |
|---|---|---|---|
| 232 Th | 5.9 | 233 Th | 4.79 |
| 233 U | 5.5 | 234 U | 6.84 |
| 235 U | 5.75 | 236 U | 6.55 |
| 238 U | 5.85 | 239 U | 4.80 |
| 239 Pu | 5.5 | 240 Pu | 6.53 |
Характерной особенностью деления является то, что осколки, как
правило, имеют различные массы. В случае наиболее вероятного деления
235 U
отношение масс осколков в среднем равно ~ 1.5. Распределение по массам осколков
деления 235 U
тепловыми нейтронами показано на рис. 7.4. Для наиболее вероятного деления
тяжелый осколок имеет массовое число 139, легкий – 95. Среди продуктов деления
имеются осколки с A = 72 – 161
и Z = 30 – 65.
Вероятность деления на два равных по массе осколка не равна нулю. При делении
235 U
тепловыми нейтронами вероятность симметричного деления примерно на три порядка
меньше, чем в случае наиболее вероятного деления на осколки с A = 139
и 95.
Асимметричное деление объясняется оболочечной структурой ядра. Ядро
стремится разделиться таким образом, чтобы основная часть нуклонов каждого
осколка образовала наиболее устойчивый магический остов.
Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре
235 U N/Z = 1.55,
в то время как у стабильных изотопов, имеющих массовое число, близкое к
массовому числу осколков, это отношение 1.25 − 1.45. Следовательно, осколки
деления оказываются сильно перегружеными нейтронами и должны быть
β - радиоактивны.
Поэтому, осколки деления испытывают последовательные β - -распады,
причем заряд первичного осколка может изменяться на 4 − 6 единиц. Ниже приведена
характерная цепочка радиоактивных распадов 97 Kr
– одного из осколков, образующегося при делении
235 U:
Возбуждение осколков, вызванное нарушением
соотношения числа протонов и нейтронов, характерного для стабильных ядер,
снимается также за счет вылета мгновенных нейтронов деления. Эти нейтроны
испускаются движущимися осколками за время, меньшее, чем ~ 10 -14 с.
В среднем в каждом акте деления испускается 2 − 3 мгновенных нейтрона. Их
энергетический спектр непрерывный с максимумом около 1 МэВ. Средняя энергия
мгновенного нейтрона близка к 2 МэВ. Испускание более чем одного нейтрона, в
каждом акте деления делает возможным получение энергии за счет цепной ядерной
реакции деления.
При наиболее вероятном делении 235 U
тепловыми нейтронами лёгкий осколок (A
=
95) приобретает кинетическую энергию ≈ 100 МэВ, а тяжёлый (A
=
139) – около 67 МэВ. Таким образом, суммарная кинетическая энергия осколков ≈ 167 МэВ. Полная энергия деления в данном случае составляет 200 МэВ. Таким
образом, оставшаяся энергия (33 МэВ) распределяется между другими продуктами
деления (нейтроны, электроны и антинейтрино β - -распада
осколков, γ-излучение
осколков и продуктов их распада). Распределение энергии деления между различными
продуктами при делении 235 U
тепловыми нейтронами дано в таблице 7.2.
Таблица 7.2
Распределение энергии деления 235 U тепловыми нейтронами
Продукты ядерного деления (ПЯД) представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов (от цинка до гадолиния). Большую часть активности составляют короткоживущие радионуклиды. Так, через 7, через 49 и через 343 суток после взрыва активность ПЯД снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Выход наиболее биологически значимых радионуклидов приведен в таблице 7.3. Кроме ПЯД радиоактивное загрязнение обусловлено радионуклидами наведенной активности (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Nа, 56 Mn, 59 Fe , 60 Cо и др.) и неразделившейся частью урана и плутония. Особенно велика роль наведенной активности при термоядерных взрывах.
Таблица 7.3
Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве
| Радионуклид | Период полураспада | Выход на одно деление, % |
Активность на 1 Мт,
10 15 Бк |
|---|---|---|---|
| 89 Sr | 50.5 сут. | 2.56 | 590 |
| 90 Sr | 29.12 лет | 3.5 | 3.9 |
| 95 Zr | 65 сут. | 5.07 | 920 |
| 103 Ru | 41 сут. | 5.2 | 1500 |
| 106 Ru | 365 сут. | 2.44 | 78 |
| 131 I | 8.05 сут. | 2.9 | 4200 |
| 136 Cs | 13.2 сут. | 0.036 | 32 |
| 137 Cs | 30 лет | 5.57 | 5.9 |
| 140 Ba | 12.8 сут. | 5.18 | 4700 |
| 141 Cs | 32.5 сут. | 4.58 | 1600 |
| 144 Cs | 288 сут. | 4.69 | 190 |
| 3 H | 12.3 лет | 0.01 | 2.6·10 -2 |
При ядерных взрывах в атмосфере значительная часть осадков (при
наземных взрывах до 50%) выпадает вблизи района испытаний. Часть радиоактивных
веществ задерживается в нижней части атмосферы и под действием ветра
перемещается на большие расстояния, оставаясь примерно на одной и той же широте.
Находясь в воздухе примерно месяц, радиоактивные вещества во время этого
перемещения постепенно выпадают на Землю. Большая часть радионуклидов
выбрасывается в стратосферу (на высоту 10÷15 км), где происходит их глобальное
рассеивание и в значительной степени распад.
Высокую активность в течение десятков лет имеют различные элементы
конструкции ядерных реакторов (таблица 7.4)
Таблица 7.4
Значения удельной активности (Бк/т урана) основных продуктов деления в тепловыделяющих элементах, извлеченных из реактора после трехлетней эксплуатации
| Радионуклид | 0 | 1 сут. | 120 сут. | 1 год | 10 лет | |
|---|---|---|---|---|---|---|
| 85 Kr | 5. 78· 10 14 | 5. 78· 10 14 | 5. 66· 10 14 | 5. 42· 10 14 |
4. 7· 10 14 |
3. 03· 10 14 |
| 89 Sr | 4. 04· 10 16 | 3. 98· 10 16 | 5. 78· 10 15 | 2. 7· 10 14 |
1. 2· 10 10 |
|
| 90 Sr | 3. 51· 10 15 | 3. 51· 10 15 | 3. 48· 10 15 | 3. 43· 10 15 |
3. 26· 10 15 |
2. 75· 10 15 |
| 95 Zr | 7. 29· 10 16 | 7. 21· 10 16 | 1. 99· 10 16 | 1. 4· 10 15 | 5. 14· 10 11 | |
| 95 Nb | 7. 23· 10 16 | 7. 23· 10 16 | 3. 57· 10 16 | 3. 03· 10 15 | 1. 14· 10 12 | |
| 103 Ru | 7. 08· 10 16 | 6. 95· 10 16 | 8. 55· 10 15 | 1. 14· 10 14 | 2. 97· 10 8 | |
| 106 Ru | 2. 37· 10 16 | 2. 37· 10 16 | 1. 89· 10 16 | 1. 19· 10 16 | 3. 02· 10 15 | 2. 46· 10 13 |
| 131 I | 4. 49· 10 16 | 4. 19· 10 16 | 1. 5· 10 12 | 1. 01· 10 3 | ||
| 134 Cs | 7. 50· 10 15 | 7. 50· 10 15 | 6. 71· 10 15 | 5. 36· 10 15 | 2. 73· 10 15 | 2. 6· 10 14 |
| 137 Cs | 4. 69· 10 15 | 4. 69· 10 15 | 4. 65· 10 15 | 4. 58· 10 15 | 4. 38· 10 15 | 3. 73· 10 15 |
| 140 Ba | 7. 93· 10 16 | 7. 51· 10 16 | 1. 19· 10 14 | 2. 03· 10 8 | ||
| 140 La | 8. 19· 10 16 | 8. 05· 10 16 | 1. 37· 10 14 | 2. 34· 10 8 | ||
| 141 Ce | 7. 36· 10 16 | 7. 25· 10 16 | 5. 73· 10 15 | 3. 08· 10 13 | 5. 33· 10 6 | |
| 144 Ce | 5. 44· 10 16 | 5. 44· 10 16 | 4. 06· 10 16 | 2. 24· 10 16 | 3. 77· 10 15 | 7. 43· 10 12 |
| 143 Pm | 6. 77· 10 16 | 6. 70· 10 16 | 1. 65· 10 14 | 6. 11· 10 8 | ||
| 147 Pm | 7. 05·10 15 | 7. 05· 10 15 | 6. 78· 10 15 | 5. 68· 10 15 |
3. 35· 10 14 |
Ядерные реакции деления ядра - реакции деления,заключающиеся в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось, и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.
Особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Так как для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов (N/Z ≈ 1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (N/Z ≈ 1,6), то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они и выделяют нейтроны деления. Однако испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпеть ряд β - -превращений, сопровождаемых испусканием γ-квантов. Так как β - -распад сопровождается превращением нейтрона в протон, то после цепочки β - -превращений соотношение между нейтронами и протонами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотопу. Например, при делении ядра урана U
U + n → Хе + Sr +2 n (265.1)
осколок деления Хе в результате трех актов β - -распада превращается в стабильный изотоп лантана La:
Хе → Cs → Ba → La.
Осколки деления могут быть разнообразными, поэтому реакция (265.1) не единственная, приводящая к делению U.
Большинство нейтронов при делении испускается практически мгновенно (t ≤ 10 –14 c), а часть (около 0,7%) испускается осколками деления спустя некоторое время после деления (0,05 c ≤ t ≤ 60 с). Первые из них называются мгновенными, вторые – запаздывающими. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтронов. Они имеют сравнительно широкий энергетический спектр в пределах от 0 до 7 МэВ, причем на один нейтрон в среднем приходится энергия около 2 МэВ.
Расчеты показывают, что деление ядер должно сопровождаться также выделением большого количества энергии. В самом деле, удельная энергия связи для ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ. Следовательно, при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон.
В основу теории деления атомных ядер (Н. Бор, Я. И. Френкель) положена капельная модель ядра. Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законам квантовой механики), частицы которой при попадании нейтрона в ядро приходят в колебательное движение, в результате чего ядро разрывается на две части, разлетающиеся с огромной энергией.
Вероятность деления ядер определяется энергией нейтронов. Например, если высокоэнергетичные нейтроны вызывают деление практически всех ядер, то нейтроны с энергией в несколько мега-электрон-вольт – только тяжелых ядер (А >210), Нейтроны, обладающие энергией активации (минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра) порядка 1 МэВ, вызывают деление ядер урана U, тория Тh, протактиния Pa, плутония Pu. Тепловыми нейтронами делятся ядра U, Pu, и U, Th (два последних изотопа в природе не встречаются, они получаются искусственным путем).
Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления - ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данное поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k ≥ 1.
Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит ценная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.
Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа – от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой.
Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т - среднее время
жизни одного поколения, а N - число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их число равно kN ,т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN = kN – N = N (k – 1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. скорость нарастания цепной реакции,
. (266.1)
Интегрируя (266.1), получим
,
где N 0 – число нейтронов в начальный момент времени, а N - их число в момент времени t . N определяется знаком (k – 1). При k >1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k =1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k <1 идет затухающая реакция,
Цепные реакции дпятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомном бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней U (или Pu) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывная цепная ре акция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах.
Ядерные реакции. Взаимодействие частицы с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро с выделением вторичных частиц или гамма-квантов, называется ядерной реакцией.
Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. Он обнаружил, что при столкновениях альфа-частиц с ядрами атомов азота образуются быстро движущиеся протоны. Это означало, что ядро изотопа азота в результате столкновения с альфа-частицей превращалось в ядро изотопа кислорода :
.
Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии. Используя закон взаимосвязи массы и энергии, энергетический выход ядерной реакции можно определить, найдя разность масс частиц, вступающих в реакцию, и продуктов реакции:
Цепная реакция деления ядер урана. Среди различных ядерных реакций особо важное значение в жизни современного человеческого общества имеют цепные реакции деления некоторых тяжелых ядер.
Реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в 1939 г. В результате экспериментальных и теоретических исследований, выполненных Э. Ферми, И. Жолио-Кюри, О. Ганом, Ф. Штрассманом, Л. Мейтнер, О. Фришем, Ф. Жолио-Кюри, было установлено, что при попадании в ядро урана одного нейтрона ядро делится на две-три части.
При делении одного ядра урана освобождается около 200 МэВ энергии. На кинетическую энергию движения ядер-осколков приходится примерно 165 МэВ, остальную энергию уносят гамма-кванты.
Зная энергию, выделяющуюся при делении одного ядра урана, можно подсчитать, что выход энергии при делении всех ядер 1 кг урана составляет 80 тысяч миллиардов джоулей. Это в несколько миллионов раз больше, чем выделяется при сжигании 1 кг каменного угля или нефти. Поэтому были предприняты поиски путей освобождения ядерной энергии в значительных количествах для использования ее в практических целях.
Впервые предположение о возможности осуществления цепных ядерных реакций высказал Ф. Жолио-Кюри в 1934 г. Он же в 1939 г. вместе с X. Xалбаном и Л. Коварски экспериментально обнаружил, что при делении ядра урана, кроме осколков-ядер, вылетают также 2-3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. При делении трех ядер урана должно освободиться 6-9 новых нейтронов, они попадут в новые ядра урана и т.д. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рисунке 316.
Рис. 316
Практическое осуществление цепных реакций - не такая простая задача, как это выглядит на схеме. Нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызывать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, для разрушения же ядер изотопа урана с массовым числом 238 их энергия оказывается недостаточной. В природном уране на долю урана с массовым числом 238 приходится 99,8%, а на долю урана с массовым числом 235 - всего лишь 0,7%. Поэтому первый возможный путь осуществления цепной реакции деления связан с разделением изотопов урана и получением в чистом виде в достаточно больших количествах изотопа . Необходимое условие для осуществления цепной реакции - наличие достаточно большого количества урана, так как в образце малых размеров большинство нейтронов пролетает сквозь образец, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, в котором может возникнуть цепная реакция, называется критической массой. Критическая масса для урана-235 - несколько десятков килограммов.
Простейшим способом осуществления цепной реакции в уране-235 является следующий: изготавливают два куска металлического урана, каждый с массой, несколько меньшей критической. Цепная реакция в каждом из них в отдельности идти не может. При быстром соединении этих кусков развивается цепная реакция и выделяется колоссальная энергия. Температура урана достигает миллионов градусов, сам уран и любые другие вещества, находящиеся поблизости, превращаются в пар. Раскаленный газообразный шар быстро расширяется, сжигая и разрушая все на своем пути. Так происходит ядерный взрыв.
Использовать энергию ядерного взрыва в мирных целях очень трудно, так как выделение энергии при этом не поддается контролю. Управляемые цепные реакции деления ядер урана осуществляются в ядерных реакторах.
Ядерный реактор. Первыми ядерными реакторами были реакторы на медленных нейтронах (рис. 317). Большинство нейтронов, освобождающихся при делении ядер урана, обладают энергией 1-2 МэВ. Скорости их при этом равны примерно 107 м/с, поэтому их называют быстрыми нейтронами. При таких энергиях нейтроны взаимодействуют с ядрами урана и урана примерно с одинаковой эффективностью. А так как ядер урана в природном уране в 140 раз больше, чем ядер урана , большая часть этих нейтронов поглощается ядрами урана и цепная реакция не развивается. Нейтроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости теплового движения (около 2·10 3 м/с), называются медленными или тепловыми. Медленные нейтроны хорошо взаимодействуют с ядрами урана-235 и поглощаются ими в 500 раз эффективнее, чем быстрые. Поэтому при облучении природного урана медленными нейтронами большая часть их поглощается не в ядрах урана-238, а в ядрах урана-235 и вызывает их деление. Следовательно, для развития цепной реакции в природном уране скорости нейтронов должны быть уменьшены до тепловых.
Рис. 317
Замедление нейтронов происходит в результате столкновения с атомными ядрами среды, в которой они движутся. Для замедления нейтронов в реакторе используется специальное вещество, называемое замедлителем. Ядра атомов вещества-замедлителя должны обладать сравнительно небольшой массой, так как при столкновении с легким ядром нейтрон теряет энергию большую, чем при столкновении с тяжелым. Наиболее распространенными замедлителями являются обычная вода и графит.
Пространство, в котором протекает цепная реакция, называется активной зоной реактора. Для уменьшения утечки нейтронов активную зону реактора окружают отражателем нейтронов, отбрасывающим значительную часть вылетающих нейтронов внутрь активной зоны. В качестве отражателя используют обычно то же вещество, которое служит замедлителем.
Энергия, выделяющаяся при работе реактора, выводится при помощи теплоносителя. В качестве теплоносителя могут использоваться лишь жидкости и газы, не обладающие способностью поглощать нейтроны. Широко применяется в качестве теплоносителя обычная вода, иногда применяются углекислый газ и даже жидкий металлический натрий.
Управление реактором осуществляется с помощью специальных управляющих (или регулирующих) стержней, вводимых в активную зону реактора. Управляющие стержни изготавливаются из соединений бора или кадмия, поглощающих тепловые нейтроны с очень большой эффективностью. Перед началом работы реактора их полностью вводят в его активную зону. Поглощая значительную часть нейтронов, они делают невозможным развитие цепной реакции. Для запуска реактора управляющие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока выделение энергии не достигнет заданного уровня. При увеличении мощности свыше установленного уровня включаются автоматы, погружающие управляющие стержни в глубь активной зоны.
Ядерная энергетика. Ядерная энергия на службу мира была поставлена впервые в нашей стране. Первым организатором и руководителем работ по атомной науке и технике в СССР был академик Игорь Васильевич Курчатов (1903-1960).
В настоящее время крупнейшая в СССР и в Европе Ленинградская АЭС им. В.И. Ленина имеет мощность 4000 МВт, т.е. в 800 раз большую мощности первой АЭС.
Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на крупных атомных электростанциях, ниже себестоимости электроэнергии, вырабатываемой на тепловых электростанциях. Поэтому атомная энергетика развивается ускоренными темпами.
Ядерные реакторы применяются в качестве силовых установок на морских кораблях. Первый в мире мирный корабль с ядерной силовой установкой - атомный ледокол "Ленин" - был построен в Советском Союзе в 1959 г.
Советский атомный ледокол "Арктика", построенный в 1975 г., стал первым в мире надводным кораблем, достигшим Северного полюса.
Термоядерная реакция. Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных ядер.
Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц. Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах.
Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температуре около 108 К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода - дейтерия и трития - по схеме
требуется нагревание примерно до 5·10 7 К.
При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2·10 11 Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.
Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и техники.
Управляемую термоядерную реакцию синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода путем нагревания предполагается осуществить путем пропускания электрического тока через плазму. Для удержания нагретой плазмы от соприкосновения со стенками камеры применяется магнитное поле. На экспериментальной установке "Токамак-10" советским физикам удалось нагреть плазму до температуры 13 млн. градусов. До более высоких температур водород может быть нагрет с помощью лазерного излучения. Для этого световые пучки от нескольких лазеров должны быть сфокусированы на стеклянном шарике, внутри которого заключена смесь тяжелых изотопов дейтерия и трития. В экспериментах на лазерных установках уже получена плазма с температурой в несколько десятков миллионов градусов.
Цепная ядерная реакция. В результате опытов по облучению нейтронами урану было найдено, что под действием нейтронов ядра урана делятся на два ядра (осколка) примерно половинной массы и заряда; этот процесс сопровождается испусканием нескольких (двух-трех) нейтронов (рис. 402). Помимо урана, способны делиться еще некоторые элементы из числа последних элементов периодической системы Менделеева. Эти элементы, так же как и уран, делятся не только под действием нейтронов, но также без внешних воздействий (спонтанно). Спонтанное деление было установлено на опыте советскими физиками К. А. Петржаком и Георгием Николаевичем Флеровым (р. 1913) в 1940г. Оно представляет собой весьма редкий процесс. Так, в 1г урана происходит всего лишь около 20 спонтанных делений в час.
Рис. 402. Деление ядра урана под действием нейтронов: а) ядро захватывает нейтрон; б) удар нейтрона о ядро приводит последнее в колебания; в) ядро делится на два осколка; при этом испускается еще несколько нейтронов
Благодаря взаимному электростатическому отталкиванию осколки деления разлетаются в противоположные стороны, приобретая огромную кинетическую энергию (около ). Реакция деления происходит, таким образом, со значительным выделением энергии. Быстродвижущиеся осколки интенсивно ионизуют атомы среды. Это свойство осколков используют для обнаружения процессов деления при помощи ионизационной камеры или камеры Вильсона. Фотография следов осколков деления в камере Вильсона приведена на рис. 403. Крайне существенным является то обстоятельство, что нейтроны, испущенные при делении уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана. Благодаря этому можно осуществить цепную реакцию деления: однажды возникнув, реакция в принципе может продолжаться сама собой, охватывая все большее число ядер. Схема развития такой нарастающей целлон реакции изображена на рис. 404.
Рис. 403. Фотография следов осколков деления урана в камере Вильсона: осколки () разлетаются в противоположные стороны из тонкого слоя урана, нанесенного на пластинке, перегораживающей камеру. На снимке видно также множество более тонких следов, принадлежащих протонам, выбитым нейтронами из молекул водяного кара, содержащегося в камере
Осуществление цепной реакции деления на практике не просто; опыт показывает, что в массе природного урана цепная реакция не возникает. Причина этого кроется в потере вторичных нейтронов; в природном уране большая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений. Как выявили исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее распространенном изотопе урана - уране - 238 (). Этот изотоп легко поглощает нейтроны по реакции, подобно реакции серебра с нейтронами (см. § 222); при этом образуется искусственно-радиоактивный изотоп . Делится же с трудом и только под действием быстрых нейтронов.
Более удачными для цепной реакции свойствами обладает изотоп , который содержится в природном уране в количестве . Он делится под действием нейтронов любой энергии - быстрых и медленных и тем лучше, чем меньше энергия нейтронов. Конкурирующий с делением процесс - простое поглощение нейтронов - мало вероятен в в отличие от . Поэтому в чистом уране - 235 возможна цепная реакция деления при условии, однако, что масса урана-235 достаточно велика. В уране малой массы реакция деления обрывается из-за вылета вторичных нейтронов за пределы его вещества.
Рис. 404. Развитие ценной реакции деления: условно принято, что при делении ядра испускается два нейтрона и потерь нейтронов нет, т.е. каждый нейтрон вызывает новое деление; кружочки - осколки деления, стрелки - нейтроны деления
В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер нейтрон проходит в веществе значительный путь (измеряемый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкновения на пути до выхода наружу мала. Почти все вторичные нейтроны деления вылетают через поверхность тела, не вызывая новых делений, т. е. не продолжая реакции.
Из тела больших размеров вылетают наружу главным образом нейтроны, образовавшиеся в поверхностном слое. Нейтроны, образовавшиеся внутри тела, имеют перед собой достаточную толщу урана и в большинстве своем вызывают новые деления, продолжая реакцию (рис. 405). Чем больше масса урана, тем меньшую долю объема составляет поверхностный слой, из которого теряется много нейтронов, и тем благоприятнее условия для развития цепной реакции.
Рис. 405. Развитие цепной реакции деления в . а) В малой массе большинство нейтронов деления вылетает наружу. б) В большой массе урана многие нейтроны деления вызывают деления новых ядер; число делений возрастает от поколения к поколению. Кружочки - осколки деления, стрелки - нейтроны деления
Увеличивая постепенно количество , мы достигнем критической массы, т. е. наименьшей массы, начиная с которой возможна незатухающая цепная реакция деления в . При дальнейшем увеличении массы реакция начнет бурно развиваться (начало ей положат спонтанные деления). При уменьшении массы ниже критической реакция затухает.
Итак, можно осуществить цепную реакцию деления. Если располагать достаточным количеством чистого , отделенного от .
Как мы видели в §202, разделение изотопов представляет собой хотя сложную и дорогую, но все же выполнимую операцию. И действительно, извлечение из природного урана явилось одним из тех способов, при помощи которых цепная реакция деления была осуществлена на практике.
Наряду с этим цепная реакция была достигнута и другим способом, не требующим разделения изотопов урана. Этот способ несколько более сложен в принципе, но зато более прост в осуществлении. Он использует замедление быстрых вторичных нейтронов деления до скоростей теплового движения. Мы видели, что в природном уране незамедленные вторичные нейтроны поглощаются главным образом изотопом . Так как поглощение в не приводит к делению, то реакция обрывается. Как показывают измерения, при замедлении нейтронов до тепловых скоростей поглощающая способность возрастает сильнее поглощающей способности . Поглощение нейтронов изотопом , ведущее к делению, получает перевес. Поэтому, если замедлить нейтроны деления, не дав им поглотится в , цепная реакция станет возможной и с природным ураном.
Рис. 406. Система из природного урана и замедлителя, в которой может развиваться цепная реакция деления
На практике такого результата добиваются, помещая топкие стержни из природного урана в виде редкой решетки в замедлитель (рис. 406). В качестве замедлителей используют вещества, обладающие малой атомной массой и слабо поглощающие нейтроны. Хорошими замедлителями являются графит, тяжелая вода, бериллий.
Пусть в одном из стержней произошло деление ядра урана. Так как стержень сравнительно тонкий, то быстрые вторичные нейтроны вылетят почти все в замедлитель. Стержни расположены в решетке довольно редко. Вылетевший нейтрон до попадания в новый стержень испытывает много соударений с ядрами замедлителя и замедляется до скорости теплового движения (рис. 407). Попав затем в урановый стержень, нейтрон поглотится скорее всего в и вызовет новое деление, продолжая тем самым реакцию. Цепная реакция деления была впервые осуществлена в США в 1942г. группой ученых под руководством итальянского физика Энрико Ферми (1901-1954) в системе с природным ураном. Независимо этот процесс был реализован в СССР в 1946г. академиком Игорем Васильевичем Курчатовым (1903-1960) с сотрудниками.
Рис. 407. Развитие ценной реакции деления в системе из природного урана и замедлителя. Быстрый нейтрон, вылетев из тонкого стержня, попадет в замедлитель и замедляется. Попав снова в уран, замедленный нейтрон скорее всего поглощается в , вызывая деление (обозначение: два белых кружка). Некоторые нейтроны поглощаются в , не вызывая деления (обозначение: черный кружок)
