დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია E იზრდება Z 2/A მატებასთან ერთად. მნიშვნელობა Z 2 /A = 17 89 Y-სთვის (იტრიუმი). იმათ. დაშლა ენერგიულად ხელსაყრელია იტრიუმზე მძიმე ყველა ბირთვისთვის. რატომ არის ბირთვების უმეტესობა მდგრადი სპონტანური გახლეჩვის მიმართ? ამ კითხვაზე პასუხის გასაცემად აუცილებელია გაყოფის მექანიზმის გათვალისწინება.

დაშლის დროს იცვლება ბირთვის ფორმა. ბირთვი თანმიმდევრულად გადის შემდეგ ეტაპებს (ნახ. 7.1): ბურთი, ელიფსოიდი, ჰანტელი, ორი მსხლის ფორმის ფრაგმენტი, ორი სფერული ფრაგმენტი. როგორ იცვლება ბირთვის პოტენციური ენერგია დაშლის სხვადასხვა სტადიაზე?
საწყისი ბირთვი გადიდებით რიღებს რევოლუციის სულ უფრო წაგრძელებული ელიფსოიდის ფორმას. ამ შემთხვევაში, ბირთვის ფორმის ევოლუციის გამო, მისი პოტენციური ენერგიის ცვლილება განისაზღვრება ზედაპირისა და კულონის ენერგიების ჯამის ცვლილებით E p + E k. ამ შემთხვევაში, ზედაპირის ენერგია იზრდება, ვინაიდან ბირთვის ზედაპირის ფართობი იზრდება. კულონის ენერგია მცირდება პროტონებს შორის საშუალო მანძილის მატებასთან ერთად. თუ მცირედი დეფორმაციით, რომელიც ხასიათდება მცირე პარამეტრით, საწყისი ბირთვი იღებს ღერძულად სიმეტრიული ელიფსოიდის ფორმას, ზედაპირის ენერგია E" p და კულონის ენერგია E" k დეფორმაციის პარამეტრის ფუნქციების მიხედვით იცვლება შემდეგნაირად:

თანაფარდობით (7.4–7.5) ე n და ე k არის საწყისი სფერული სიმეტრიული ბირთვის ზედაპირი და კულონის ენერგია.
მძიმე ბირთვების რეგიონში 2E n > Ek და ზედაპირისა და კულონის ენერგიების ჯამი იზრდება მატებასთან ერთად. (7.4) და (7.5)-დან გამომდინარეობს, რომ მცირე დეფორმაციების დროს, ზედაპირის ენერგიის ზრდა ხელს უშლის ბირთვის ფორმის შემდგომ ცვლილებას და, შესაბამისად, დაშლას.
კავშირი (7.5) მოქმედებს მცირე შტამებისთვის. თუ დეფორმაცია იმდენად დიდია, რომ ბირთვი ჰანტელის ფორმას იღებს, მაშინ ზედაპირი და კულონის ძალები ბირთვის გამოყოფას და ფრაგმენტებს სფერულ ფორმას აძლევს. ამრიგად, ბირთვის დეფორმაციის თანდათანობითი მატებით, მისი პოტენციური ენერგია გადის მაქსიმუმს. ბირთვის ზედაპირისა და კულონის ენერგიების დიაგრამა r-ის ფუნქციით ნაჩვენებია ნახ. 7.2.

პოტენციური ბარიერის არსებობა ხელს უშლის მყისიერ სპონტანურ ბირთვულ დაშლას. იმისათვის, რომ ბირთვი გაიყოს, მას უნდა მივცეთ ენერგია Q, რომელიც აღემატება დაშლის ბარიერის H სიმაღლეს. გაფანტული ბირთვის E + H (მაგალითად, ოქრო) მაქსიმალური პოტენციური ენერგია ორ იდენტურ ფრაგმენტად არის ≈ 173 მევ. დაყოფის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია E არის 132 მევ . ამრიგად, ოქროს ბირთვის დაშლის დროს აუცილებელია პოტენციური ბარიერის გადალახვა, რომლის სიმაღლეა დაახლოებით 40 მევ.
H დაშლის ბარიერის სიმაღლე რაც უფრო დიდია, მით უფრო მცირეა კულონისა და ზედაპირის ენერგიების შეფარდება E/E p საწყის ბირთვში. ეს თანაფარდობა, თავის მხრივ, იზრდება გაყოფის პარამეტრის Z 2 /A (7.3) ზრდით. რაც უფრო მძიმეა ბირთვი, მით უფრო დაბალია დაშლის H ბარიერის სიმაღლე, რადგან დაშლის პარამეტრი, იმ ვარაუდით, რომ Z პროპორციულია A-სთან, იზრდება მასის რიცხვის გაზრდით:

E k / E p \u003d (a 3 Z 2) / (a ​​2 A) ~ A.

(7.6)

ამიტომ, უფრო მძიმე ბირთვებს ჩვეულებრივ სჭირდებათ ნაკლები ენერგიით მიწოდება, რათა გამოიწვიონ ბირთვული დაშლა.
დაშლის ბარიერის სიმაღლე ქრება 2E p – Ec = 0 (7.5). Ამ შემთხვევაში

2E p / E k \u003d 2 (a 2 A) / (a ​​3 Z 2),

Z 2 /A \u003d 2a 2 / (a ​​3 Z 2) ≈ 49.

ამრიგად, წვეთოვანი მოდელის მიხედვით, ბირთვები Z 2 /A > 49-ით ვერ იარსებებს ბუნებაში, რადგან ისინი სპონტანურად უნდა გაიყოს ორ ფრაგმენტად თითქმის მყისიერად 10-22 წმ-ის რიგის დამახასიათებელ ბირთვულ დროში. პოტენციური H ბარიერის ფორმისა და სიმაღლის, აგრეთვე დაშლის ენერგიის დამოკიდებულება Z 2/A პარამეტრის მნიშვნელობაზე ნაჩვენებია ნახ. 7.3.

ბრინჯი. 7.3. პოტენციური ბარიერის ფორმისა და სიმაღლის რადიალური დამოკიდებულება და დაშლის ენერგია E Z 2/A პარამეტრის სხვადასხვა მნიშვნელობებზე. E p + E k-ის მნიშვნელობა გამოსახულია ვერტიკალურ ღერძზე.

სპონტანური ბირთვული გაყოფა Z 2 /A-ით< 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 წელი 232 Th-დან 0.3 წმ-მდე 260 Rf.
იძულებითი ბირთვული დაშლა Z 2 /A-ით< 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.
ნეიტრონის დაჭერისას წარმოქმნილი ნაერთი ბირთვის E* აგზნების ენერგიის მინიმალური მნიშვნელობა უდრის ამ ბირთვში ε n ნეიტრონის შეკავშირების ენერგიას. ცხრილი 7.1 ადარებს H ბარიერის სიმაღლეს და ნეიტრონის შეკავშირების ენერგიას ε n Th, U, Pu იზოტოპებისთვის, რომლებიც წარმოიქმნება ნეიტრონების დაჭერის შემდეგ. ნეიტრონის შეკავშირების ენერგია დამოკიდებულია ბირთვში ნეიტრონების რაოდენობაზე. დაწყვილების ენერგიის გამო, ლუწი ნეიტრონის შეკვრის ენერგია უფრო მეტია, ვიდრე უცნაური ნეიტრონის შეკავშირების ენერგია.

ცხრილი 7.1

გაყოფის ბარიერის სიმაღლე H, ნეიტრონების შებოჭვის ენერგია ε n

იზოტოპი	გაყოფის ბარიერის სიმაღლე H, MeV	იზოტოპი	ნეიტრონების შებოჭვის ენერგია ε n
232-ე	5.9	233-ე	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

დაშლის დამახასიათებელი თვისებაა ის, რომ ფრაგმენტებს, როგორც წესი, განსხვავებული მასა აქვთ. 235 U-ის ყველაზე სავარაუდო გაყოფის შემთხვევაში ფრაგმენტის მასის თანაფარდობა საშუალოდ ~ 1,5-ია. 235 U დაშლის ფრაგმენტების მასის განაწილება თერმული ნეიტრონების მიერ ნაჩვენებია ნახ. 7.4. ყველაზე სავარაუდო გახლეჩისთვის, მძიმე ფრაგმენტს აქვს მასობრივი რიცხვი 139, მსუბუქის - 95. დაშლის პროდუქტებს შორის არის ფრაგმენტები A = 72 - 161 და Z = 30 - 65. დაშლის ალბათობა ორ ფრაგმენტად. თანაბარი მასა არ არის ნულის ტოლი. თერმული ნეიტრონების მიერ 235 U-ის გაყოფისას, სიმეტრიული დაშლის ალბათობა დაახლოებით სამი რიგით დაბალია, ვიდრე A = 139 და 95 ფრაგმენტებად ყველაზე სავარაუდო გახლეჩვის შემთხვევაში.
ასიმეტრიული გაყოფა აიხსნება ბირთვის გარსის სტრუქტურით. ბირთვი მიდრეკილია გაიყოს ისე, რომ თითოეული ფრაგმენტის ნუკლეონების ძირითადი ნაწილი ქმნის ყველაზე სტაბილურ მაგიურ ბირთვს.
ნეიტრონების რაოდენობის შეფარდება პროტონების რაოდენობასთან 235 U ბირთვში N/Z = 1,55, ხოლო სტაბილური იზოტოპებისთვის, რომელთა მასის რიცხვი ახლოსაა ფრაგმენტების მასის რაოდენობასთან, ეს თანაფარდობაა 1,25 − 1,45. შესაბამისად, დაშლის ფრაგმენტები ძლიერ გადატვირთულია ნეიტრონებით და უნდა იყოს
β - რადიოაქტიური. ამრიგად, დაშლის ფრაგმენტები განიცდიან თანმიმდევრულ β - დაშლას, ხოლო პირველადი ფრაგმენტის მუხტი შეიძლება შეიცვალოს 4-6 ერთეულით. ქვემოთ მოცემულია რადიოაქტიური დაშლის დამახასიათებელი ჯაჭვი 97 Kr - ერთ-ერთი ფრაგმენტი, რომელიც წარმოიქმნება 235 U-ის დაშლის დროს:

ფრაგმენტების აგზნება, გამოწვეული პროტონებისა და ნეიტრონების რაოდენობის თანაფარდობის დარღვევით, რაც დამახასიათებელია სტაბილური ბირთვებისთვის, ასევე ამოღებულია სწრაფი დაშლის ნეიტრონების გამოსხივების გამო. ეს ნეიტრონები გამოიყოფა ფრაგმენტების გადაადგილებით ~ 10-14 წმ-ზე ნაკლებ დროში. საშუალოდ, 2 − 3 სწრაფი ნეიტრონი გამოიყოფა ყოველი დაშლის მოვლენაში. მათი ენერგეტიკული სპექტრი უწყვეტია მაქსიმუმ დაახლოებით 1 მევ. სწრაფი ნეიტრონის საშუალო ენერგია უახლოვდება 2 მევ-ს. ერთზე მეტი ნეიტრონის ემისია თითოეულ დაშლის მოვლენაში შესაძლებელს ხდის ენერგიის მიღებას ბირთვული დაშლის ჯაჭვური რეაქციის მეშვეობით.
თერმული ნეიტრონების მიერ 235 U-ის ყველაზე სავარაუდო გაყოფისას, მსუბუქი ფრაგმენტი (A = 95) იძენს კინეტიკურ ენერგიას ≈ 100 მევ-ს, ხოლო მძიმე (A = 139) იძენს დაახლოებით 67 მევ-ს. ამრიგად, ფრაგმენტების მთლიანი კინეტიკური ენერგია არის ≈ 167 მევ. დაშლის ჯამური ენერგია ამ შემთხვევაში არის 200 მევ. ამრიგად, დარჩენილი ენერგია (33 მევ) ნაწილდება დაშლის სხვა პროდუქტებს შორის (β-ს ნეიტრონები, ელექტრონები და ანტინეიტრინოები - ფრაგმენტების დაშლა, ფრაგმენტების γ-გამოსხივება და მათი დაშლის პროდუქტები). თერმული ნეიტრონების მიერ 235 U-ის დაშლის დროს სხვადასხვა პროდუქტებს შორის დაშლის ენერგიის განაწილება მოცემულია ცხრილში 7.2.

ცხრილი 7.2

დაშლის ენერგიის განაწილება 235 U თერმული ნეიტრონები

ბირთვული დაშლის პროდუქტები (NFs) არის 36 ელემენტის 200-ზე მეტი რადიოაქტიური იზოტოპის კომპლექსური ნარევი (თუთიიდან გადოლინიუმამდე). აქტივობის უმეტესი ნაწილი შედგება ხანმოკლე რადიონუკლიდებისგან. ამრიგად, აფეთქებიდან 7, 49 და 343 დღის შემდეგ, PND-ების აქტივობა მცირდება შესაბამისად 10, 100 და 1000-ჯერ, აფეთქებიდან ერთი საათის შემდეგ აქტივობასთან შედარებით. ბიოლოგიურად ყველაზე მნიშვნელოვანი რადიონუკლიდების გამოსავლიანობა მოცემულია ცხრილში 7.3. PND-ის გარდა, რადიოაქტიური დაბინძურება გამოწვეულია ინდუცირებული აქტივობის რადიონუკლიდებით (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Na, 56 Mn, 59 Fe, 60 Co და სხვ.) და ურანის და პლუტონიუმის განუყოფელი ნაწილი. განსაკუთრებით დიდია ინდუცირებული აქტივობის როლი თერმობირთვულ აფეთქებებში.

ცხრილი 7.3

ზოგიერთი დაშლის პროდუქტის გამოშვება ბირთვული აფეთქების დროს

რადიონუკლიდი	Ნახევარი ცხოვრება	გამომავალი განყოფილებაზე, %	აქტივობა 1 მტ-ზე, 10 15 ბქ
89 სრ	50,5 დღე	2.56	590
90 სრ	29.12 წლის	3.5	3.9
95 ზრ	65 დღე	5.07	920
103 რუ	41 დღე	5.2	1500
106 რუ	365 დღე	2.44	78
131 მე	8.05 დღე	2.9	4200
136Cs	13.2 დღე	0.036	32
137Cs	30 წელი	5.57	5.9
140 ბა	12.8 დღე	5.18	4700
141Cs	32.5 დღე	4.58	1600
144Cs	288 დღე	4.69	190
3სთ	12,3 წლის	0.01	2.6 10 -2

ატმოსფეროში ბირთვული აფეთქებების დროს ნალექების მნიშვნელოვანი ნაწილი (მიწის აფეთქებებში 50%-მდე) მოდის ტესტის ზონასთან. რადიოაქტიური ნივთიერებების ნაწილი ინახება ატმოსფეროს ქვედა ნაწილში და ქარის გავლენის ქვეშ მოძრაობს დიდ მანძილზე, რჩება დაახლოებით იმავე განედზე. დაახლოებით ერთი თვის განმავლობაში ჰაერში ყოფნისას, ამ მოძრაობის დროს რადიოაქტიური ნივთიერებები თანდათან ეცემა დედამიწაზე. რადიონუკლიდების უმეტესობა გამოიყოფა სტრატოსფეროში (10÷15 კმ სიმაღლეზე), სადაც ისინი გლობალურად იშლება და დიდწილად იშლება.
ბირთვული რეაქტორების დიზაინის სხვადასხვა ელემენტებს აქვთ მაღალი აქტივობა ათწლეულების განმავლობაში (ცხრილი 7.4).

ცხრილი 7.4

რეაქტორიდან სამი წლის მუშაობის შემდეგ ამოღებულ საწვავის ელემენტებში ძირითადი დაშლის პროდუქტების სპეციფიკური აქტივობის მნიშვნელობები (Bq/t ურანი).

რადიონუკლიდი	0	1 დღე	120 დღე	1 წელი		10 წელი
85 კრ	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 სრ	4. 04· 10 16	3. 98· 10 16	5. 78· 10 15	2. 7· 10 14	1. 2· 10 10
90 სრ	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 ზრ	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 რუ	7. 08· 10 16	6. 95· 10 16	8. 55· 10 15	1. 14· 10 14	2. 97· 10 8
106 რუ	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 მე	4. 49· 10 16	4. 19· 10 16	1. 5· 10 12	1. 01· 10 3
134Cs	7. 50· 10 15	7. 50· 10 15	6. 71· 10 15	5. 36· 10 15	2. 73· 10 15	2. 6· 10 14
137Cs	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 ბა	7. 93· 10 16	7. 51· 10 16	1. 19· 10 14	2. 03· 10 8
140 ლარი	8. 19· 10 16	8. 05· 10 16	1. 37· 10 14	2. 34· 10 8
141 წ	7. 36· 10 16	7. 25· 10 16	5. 73· 10 15	3. 08· 10 13	5. 33· 10 6
144 წ	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 საათი	6. 77· 10 16	6. 70· 10 16	1. 65· 10 14	6. 11· 10 8
147 საათი	7. 05 10 15	7. 05· 10 15	6. 78· 10 15	5. 68· 10 15	3. 35· 10 14

ბირთვული დაშლის რეაქციები- დაშლის რეაქციები, რომლებიც შედგება იმაში, რომ ნეიტრონების მოქმედების ქვეშ მყოფი მძიმე ბირთვი და, როგორც მოგვიანებით გაირკვა, სხვა ნაწილაკები, იყოფა რამდენიმე მსუბუქ ბირთვად (ფრაგმენტები), ყველაზე ხშირად ორ ბირთვად, რომლებიც ახლოსაა მასით.

ბირთვული დაშლის თავისებურება ის არის, რომ მას თან ახლავს ორი ან სამი მეორადი ნეიტრონის ემისია, ე.წ. დაშლის ნეიტრონები.ვინაიდან საშუალო ბირთვებისთვის ნეიტრონების რაოდენობა დაახლოებით პროტონების რაოდენობის ტოლია ( N/Z ≈ 1), ხოლო მძიმე ბირთვებისთვის, ნეიტრონების რაოდენობა მნიშვნელოვნად აღემატება პროტონების რაოდენობას ( N/Z ≈ 1.6), შემდეგ მიღებული დაშლის ფრაგმენტები გადატვირთულია ნეიტრონებით, რის შედეგადაც ისინი ათავისუფლებენ დაშლის ნეიტრონებს. ამასთან, დაშლის ნეიტრონების ემისია მთლიანად არ გამორიცხავს ფრაგმენტების ბირთვების გადატვირთვას ნეიტრონების მიერ. ეს იწვევს იმ ფაქტს, რომ ფრაგმენტები რადიოაქტიურია. მათ შეუძლიათ განიცადონ β--ტრანსფორმაციების სერია, რომელსაც თან ახლავს γ-კვანტების გამოსხივება. ვინაიდან β-დაშლას თან ახლავს ნეიტრონის პროტონად გადაქცევა, მაშინ β--ტრანსფორმაციების ჯაჭვის შემდეგ, ფრაგმენტში ნეიტრონებსა და პროტონებს შორის თანაფარდობა მიაღწევს სტაბილური იზოტოპის შესაბამის მნიშვნელობას. მაგალითად, ურანის ბირთვის დაშლის დროს U

U+ n → Xe + Sr +2 ნ(265.1)

გაყოფის ნატეხი β - დაშლის სამი მოქმედების შედეგად, Xe იქცევა ლანთანის La-ს სტაბილურ იზოტოპად:

Ჰე ჰ → Cs → ბა → ლა.

დაშლის ფრაგმენტები შეიძლება იყოს მრავალფეროვანი, ამიტომ რეაქცია (265.1) არ არის ერთადერთი, რაც იწვევს U დაშლას.

ნეიტრონების უმეტესობა გამოიყოფა თითქმის მყისიერად დაშლის დროს ( ტ≤ 10 -14 წმ), ხოლო ნაწილი (დაახლოებით 0,7%) გამოიყოფა დაშლის ფრაგმენტებით დაშლის შემდეგ გარკვეული დროის შემდეგ (0,05 წმ ≤ ტ≤ 60 წმ). მათგან პირველს ე.წ მყისიერი,მეორე - გადაიდო.ყოველი დაშლის მოვლენისთვის საშუალოდ 2,5 ნეიტრონი გამოიყოფა. მათ აქვთ შედარებით ფართო ენერგეტიკული სპექტრი, რომელიც მერყეობს 0-დან 7 მევ-მდე, საშუალო ენერგიით დაახლოებით 2 მევ ერთ ნეიტრონს.

გამოთვლები აჩვენებს, რომ ბირთვულ დაშლას ასევე უნდა ახლდეს დიდი რაოდენობით ენერგიის გამოყოფა. მართლაც, საშუალო მასის ბირთვების სპეციფიკური შეკავშირების ენერგია არის დაახლოებით 8,7 მევ, ხოლო მძიმე ბირთვებისთვის ეს არის 7,6 მევ. შესაბამისად, მძიმე ბირთვის ორ ფრაგმენტად დაყოფამ უნდა გაათავისუფლოს ენერგია, რომელიც უდრის დაახლოებით 1,1 მევ-ს თითო ნუკლეონზე.

ატომის ბირთვების დაშლის თეორია (N. Bohr, Ya. I. Frenkel) ეფუძნებოდა ბირთვის წვეთოვან მოდელს. ბირთვი განიხილება, როგორც ელექტრული დამუხტული შეუკუმშველი სითხის წვეთი (ბირთვული სიმკვრივის ტოლი და ექვემდებარება კვანტური მექანიკის კანონებს), რომლის ნაწილაკები, როდესაც ნეიტრონი შედის ბირთვში, იწყებენ რხევას. რის შედეგადაც ბირთვი ორ ნაწილად იშლება და უზარმაზარი ენერგიით იშლება.

ბირთვული დაშლის ალბათობა განისაზღვრება ნეიტრონული ენერგიით. მაგალითად, თუ მაღალი ენერგიის ნეიტრონები იწვევენ თითქმის ყველა ბირთვის დაშლას, მაშინ ნეიტრონები რამდენიმე მეგაელექტრონ-ვოლტის ენერგიით - მხოლოდ მძიმე ბირთვები ( მაგრამ>210), ნეიტრონებით აქტივაციის ენერგია(ბირთვული დაშლის რეაქციის განსახორციელებლად აუცილებელი მინიმალური ენერგია) 1 მევ-ის რიგის, იწვევს ურანის U, თორიუმის Th, პროტაქტინიუმ Pa, პლუტონიუმის Pu ბირთვების დაშლას. ბირთვები U, Pu და U, Th იყოფა თერმული ნეიტრონებით (ბოლო ორი იზოტოპი ბუნებაში არ გვხვდება, ისინი მიიღება ხელოვნურად).

ბირთვული დაშლის დროს გამოსხივებულ მეორად ნეიტრონებს შეუძლიათ გამოიწვიონ ახალი დაშლის მოვლენები, რაც შესაძლებელს ხდის დაშლის ჯაჭვური რეაქცია- ბირთვული რეაქცია, რომელშიც რეაქციის გამომწვევი ნაწილაკები წარმოიქმნება ამ რეაქციის პროდუქტებად. გაყოფის ჯაჭვური რეაქცია ხასიათდება გამრავლების ფაქტორი კნეიტრონები, რაც უდრის მოცემულ თაობაში ნეიტრონების რაოდენობის თანაფარდობას წინა თაობის მათ რიცხვთან. აუცილებელი პირობაგაყოფის ჯაჭვური რეაქციის განვითარებისთვის არის მოთხოვნა k ≥ 1.

გამოდის, რომ ყველა მიღებული მეორადი ნეიტრონი არ იწვევს შემდგომ ბირთვულ დაშლას, რაც იწვევს გამრავლების კოეფიციენტის შემცირებას. პირველ რიგში, სასრული ზომების გამო ბირთვი(სივრცე, სადაც ხდება ღირებული რეაქცია) და ნეიტრონების მაღალი შეღწევადობის ძალას, ზოგიერთი მათგანი დატოვებს ბირთვს მანამ, სანამ რაიმე ბირთვს დაიჭერს. მეორეც, ნეიტრონების ნაწილს იჭერს არადაშლილი მინარევების ბირთვები, რომლებიც ყოველთვის არის ბირთვში, გარდა ამისა, გაყოფასთან ერთად შეიძლება მოხდეს რადიაციის დაჭერისა და არაელასტიური გაფანტვის კონკურენტული პროცესები.

გამრავლების კოეფიციენტი დამოკიდებულია დაშლელი მასალის ბუნებაზე, ხოლო მოცემული იზოტოპისთვის მის რაოდენობაზე, ასევე აქტიური ზონის ზომასა და ფორმაზე. აქტიური ზონის მინიმალური ზომები, რომლებშიც შესაძლებელია ჯაჭვური რეაქცია, ეწოდება კრიტიკული ზომები.დასანერგად აუცილებელი კრიტიკული ზომის სისტემაში განლაგებული დასაშლელი მასალის მინიმალური მასა ჯაჭვური რეაქცია,დაურეკა კრიტიკული მასა.

ჯაჭვური რეაქციების განვითარების ტემპი განსხვავებულია. დაე იყოს T -საშუალო დრო

ერთი თაობის ცხოვრება და ნარის ნეიტრონების რაოდენობა მოცემულ თაობაში. მომავალ თაობაში მათი რიცხვი არის kN, ტ. ე) ნეიტრონების რაოდენობის ზრდა თაობაზე dN = kN – N = N(კ-ერთი). ნეიტრონების რაოდენობის ზრდა დროის ერთეულზე, ანუ ჯაჭვური რეაქციის ზრდის ტემპი,

. (266.1)

ინტეგრირებით (266.1), ვიღებთ

,

სადაც N0არის ნეიტრონების რაოდენობა დროის საწყის მომენტში და ნ- მათი რაოდენობა ერთდროულად ტ. ნგანისაზღვრება ნიშნით ( კ- ერთი). ზე კ> 1 მიდის განვითარებადი პასუხი.განყოფილებების რაოდენობა მუდმივად იზრდება და რეაქცია შეიძლება ფეთქებადი გახდეს. ზე კ=1 მიდის თვითშენარჩუნებული პასუხირომლის დროსაც ნეიტრონების რაოდენობა დროთა განმავლობაში არ იცვლება. ზე კ <1 идет ჩაქრობის რეაქცია,

ჯაჭვური რეაქციები იყოფა კონტროლირებად და უკონტროლოდ. მაგალითად, ატომური ბომბის აფეთქება უკონტროლო რეაქციაა. შენახვის დროს ატომური ბომბის აფეთქების თავიდან ასაცილებლად, მასში U (ან Pu) იყოფა ორ ნაწილად, ერთმანეთისგან შორს, კრიტიკულზე დაბალი მასებით. შემდეგ, ჩვეულებრივი აფეთქების დახმარებით, ეს მასები ერთმანეთს უახლოვდება, დაშლის მასალის მთლიანი მასა უფრო კრიტიკულია და ხდება ფეთქებადი ჯაჭვური რეაქცია, რომელსაც თან ახლავს უზარმაზარი ენერგიის მყისიერი გათავისუფლება და დიდი განადგურება. ფეთქებადი რეაქცია იწყება ხელმისაწვდომი სპონტანური დაშლის ნეიტრონების ან კოსმოსური გამოსხივების ნეიტრონების გამო. კონტროლირებადი ჯაჭვური რეაქციები ტარდება ბირთვულ რეაქტორებში.

ბირთვული რეაქციები.ნაწილაკების ურთიერთქმედებას ატომის ბირთვთან, რომელიც იწვევს ამ ბირთვის ახალ ბირთვად გარდაქმნას მეორადი ნაწილაკების ან გამა კვანტების გამოთავისუფლებით, ეწოდება ბირთვული რეაქცია.

პირველი ბირთვული რეაქცია განხორციელდა რეზერფორდმა 1919 წელს. მან აღმოაჩინა, რომ როდესაც ალფა ნაწილაკები ეჯახება აზოტის ატომების ბირთვებს, წარმოიქმნება სწრაფად მოძრავი პროტონები. ეს ნიშნავს, რომ აზოტის იზოტოპის ბირთვი, ალფა ნაწილაკთან შეჯახების შედეგად, გადაიქცა ჟანგბადის იზოტოპის ბირთვად:

.

ბირთვული რეაქციები შეიძლება გაგრძელდეს ენერგიის გათავისუფლებით ან შთანთქმით. მასასა და ენერგიას შორის ურთიერთობის კანონის გამოყენებით, ბირთვული რეაქციის ენერგეტიკული გამოსავლიანობა შეიძლება განისაზღვროს რეაქციაში შემავალი ნაწილაკების მასებსა და რეაქციის პროდუქტებს შორის განსხვავების პოვნის გზით:

ურანის ბირთვების დაშლის ჯაჭვური რეაქცია.სხვადასხვა ბირთვულ რეაქციებს შორის, ზოგიერთი მძიმე ბირთვის დაშლის ჯაჭვურ რეაქციებს განსაკუთრებული მნიშვნელობა აქვს თანამედროვე ადამიანის საზოგადოების ცხოვრებაში.

ურანის ბირთვების დაშლის რეაქცია ნეიტრონებით დაბომბვის დროს აღმოაჩინეს 1939 წელს. E. Fermi, I. Joliot-Curie, O. Hahn, F. Strassmann, L. Meitner, O. ექსპერიმენტული და თეორიული კვლევების შედეგად. ფრიში, ფ. ჯოლიო-კიური, აღმოჩნდა, რომ როდესაც ერთი ნეიტრონი შედის ურანის ბირთვში, ბირთვი იყოფა ორ ან სამ ნაწილად.

ურანის ერთი ბირთვის დაშლის შედეგად გამოიყოფა დაახლოებით 200 მევ ენერგია. ფრაგმენტების ბირთვების მოძრაობის კინეტიკური ენერგია შეადგენს დაახლოებით 165 მევ, დანარჩენ ენერგიას გამა კვანტები ატარებს.

ერთი ურანის ბირთვის დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ენერგიის გაცნობით, შეგვიძლია გამოვთვალოთ, რომ 1 კგ ურანის ყველა ბირთვის დაშლის შედეგად ენერგიის გამოსავალი არის 80 ათასი მილიარდი ჯოული. ეს რამდენიმე მილიონჯერ მეტია, ვიდრე გამოიყოფა 1 კგ ქვანახშირის ან ნავთობის დაწვისას. აქედან გამომდინარე, ჩატარდა ძიება ბირთვული ენერგიის მნიშვნელოვანი რაოდენობით გამოყოფის გზების პრაქტიკული მიზნებისთვის გამოყენებისთვის.

ფ. ჯოლიო-კიური იყო პირველი, ვინც 1934 წელს გამოთქვა წინადადება ბირთვული ჯაჭვური რეაქციების შესაძლებლობაზე. 1939 წელს ჰ.ჰალბანთან და ლ. კოვარსკთან ერთად მან ექსპერიმენტულად აღმოაჩინა, რომ ურანის ბირთვის დაშლის დროს, გარდა ფრაგმენტები-ბირთვებისა. , 2 -3 თავისუფალი ნეიტრონი. ხელსაყრელ პირობებში, ამ ნეიტრონებს შეუძლიათ ურანის სხვა ბირთვებზე დარტყმა და მათი დაშლა გამოიწვიოს. სამი ურანის ბირთვის დაშლის დროს 6-9 ახალი ნეიტრონი უნდა გამოთავისუფლდეს, ისინი ჩავარდებიან ურანის ახალ ბირთვებში და ა.შ. ურანის ბირთვების დაშლის ჯაჭვური რეაქციის განვითარების სქემა ნაჩვენებია სურათზე 316.

ბრინჯი. 316

ჯაჭვური რეაქციების პრაქტიკული განხორციელება არც ისე მარტივი ამოცანაა, როგორც ეს დიაგრამაში ჩანს. ურანის ბირთვების დაშლის დროს გამოთავისუფლებულ ნეიტრონებს შეუძლიათ გამოიწვიონ მხოლოდ ურანის იზოტოპის ბირთვების დაშლა 235 მასით, ხოლო მათი ენერგია არასაკმარისია 238 მასის მქონე ურანის იზოტოპის ბირთვების განადგურებისთვის. ბუნებრივ ურანში ურანი 238 მასის შემცველობით შეადგენს 99,8%-ს, ხოლო ურანს 235 მასის რაოდენობით შეადგენს მხოლოდ 0,7%-ს. ამრიგად, დაშლის ჯაჭვური რეაქციის განხორციელების პირველი შესაძლო გზა ასოცირდება ურანის იზოტოპების განცალკევებასთან და საკმარისად დიდი რაოდენობით სუფთა იზოტოპის წარმოებასთან. ჯაჭვური რეაქციის განხორციელების აუცილებელი პირობაა საკმარისად დიდი რაოდენობით ურანის არსებობა, ვინაიდან მცირე ნიმუშში ნეიტრონების უმეტესობა ნიმუშში დაფრინავს რაიმე ბირთვზე დარტყმის გარეშე. ურანის მინიმალურ მასას, რომელშიც ჯაჭვური რეაქცია შეიძლება მოხდეს, კრიტიკულ მასას უწოდებენ. ურანი-235-ისთვის კრიტიკული მასა რამდენიმე ათეული კილოგრამია.

ურან-235-ში ჯაჭვური რეაქციის განხორციელების უმარტივესი გზა შემდეგია: მზადდება ურანის ლითონის ორი ცალი, თითოეული მასით ოდნავ ნაკლები კრიტიკულზე. ჯაჭვური რეაქცია თითოეულ მათგანში ცალ-ცალკე შეუძლებელია. ამ ნაწილების სწრაფი შეერთებით ვითარდება ჯაჭვური რეაქცია და გამოიყოფა უზარმაზარი ენერგია. ურანის ტემპერატურა მილიონობით გრადუსს აღწევს, თავად ურანი და ნებისმიერი სხვა ნივთიერება, რომელიც ახლოს არის, ორთქლად იქცევა. ცხელი აირისებრი ბურთი სწრაფად ფართოვდება, იწვის და ანადგურებს ყველაფერს თავის გზაზე. ასე ხდება ბირთვული აფეთქება.

ძალზე რთულია ატომური აფეთქების ენერგიის გამოყენება მშვიდობიანი მიზნებისთვის, ვინაიდან ენერგიის გამოყოფა ამ შემთხვევაში ვერ კონტროლდება. ურანის ბირთვების დაშლის კონტროლირებადი ჯაჭვური რეაქციები ტარდება ბირთვულ რეაქტორებში.

Ბირთვული რეაქტორი.პირველი ბირთვული რეაქტორები იყო ნელი ნეიტრონული რეაქტორები (სურ. 317). ურანის ბირთვების დაშლის დროს გამოთავისუფლებული ნეიტრონების უმეტესობას აქვს 1-2 მევ ენერგია. ამავე დროს, მათი სიჩქარე უდრის დაახლოებით 107 მ / წმ, ამიტომ მათ უწოდებენ სწრაფ ნეიტრონებს. ასეთ ენერგიებში ნეიტრონები ურთიერთქმედებენ ურანისა და ურანის ბირთვებთან დაახლოებით იგივე ეფექტურობით. და რადგან ბუნებრივ ურანში 140-ჯერ მეტი ურანის ბირთვია, ვიდრე ურანის ბირთვები, ამ ნეიტრონების უმეტესობა შეიწოვება ურანის ბირთვებით და ჯაჭვური რეაქცია არ ვითარდება. ნეიტრონებს, რომლებიც მოძრაობენ თერმული მოძრაობის სიჩქარესთან მიახლოებული სიჩქარით (დაახლოებით 2·10 3 მ/წმ) ეწოდება ნელი ან თერმული. ნელი ნეიტრონები კარგად ურთიერთქმედებენ ურანი-235 ბირთვებთან და მათ მიერ 500-ჯერ უფრო ეფექტურად შეიწოვება, ვიდრე სწრაფი. ამიტომ, როდესაც ბუნებრივი ურანი დასხივებულია ნელი ნეიტრონებით, მათი უმეტესობა შეიწოვება არა ურანი-238, არამედ ურანი-235 ბირთვებში და იწვევს მათ დაშლას. შესაბამისად, ბუნებრივ ურანში ჯაჭვური რეაქციის განვითარებისთვის ნეიტრონების სიჩქარე უნდა შემცირდეს თერმულამდე.

ბრინჯი. 317

ნეიტრონები შენელებულია იმ გარემოს ატომურ ბირთვებთან შეჯახების შედეგად, რომელშიც ისინი მოძრაობენ. რეაქტორში ნეიტრონების შენელებისთვის გამოიყენება სპეციალური ნივთიერება, რომელსაც ეწოდება მოდერატორი. მოდერატორი ნივთიერების ატომურ ბირთვებს უნდა ჰქონდეთ შედარებით მცირე მასა, ვინაიდან მსუბუქ ბირთვთან შეჯახებისას ნეიტრონი კარგავს უფრო მეტ ენერგიას, ვიდრე მძიმესთან შეჯახებისას. ყველაზე გავრცელებული მოდერატორებია ჩვეულებრივი წყალი და გრაფიტი.

სივრცეს, რომელშიც ჯაჭვური რეაქცია მიმდინარეობს, რეაქტორის ბირთვი ეწოდება. ნეიტრონების გაჟონვის შესამცირებლად რეაქტორის ბირთვს აკრავს ნეიტრონული რეფლექტორი, რომელიც გამოსხივებული ნეიტრონების მნიშვნელოვან ნაწილს ბირთვში აგდებს. რეფლექტორი, როგორც წესი, იგივე ნივთიერებაა, რომელიც მოდერატორს ემსახურება.

რეაქტორის მუშაობის დროს გამოთავისუფლებული ენერგია ამოღებულია გამაგრილებლის გამოყენებით. გამაგრილებლად შეიძლება გამოყენებულ იქნას მხოლოდ სითხეები და აირები, რომლებსაც არ აქვთ ნეიტრონების შთანთქმის უნარი. ჩვეულებრივი წყალი ფართოდ გამოიყენება როგორც გამაგრილებელი, ზოგჯერ ნახშირორჟანგი და თხევადი მეტალის ნატრიუმიც კი გამოიყენება.

რეაქტორი კონტროლდება რეაქტორის ბირთვში შეყვანილი სპეციალური საკონტროლო (ან საკონტროლო) ღეროების საშუალებით. საკონტროლო წნელები მზადდება ბორის ან კადმიუმის ნაერთებისგან, რომლებიც შთანთქავენ თერმულ ნეიტრონებს ძალიან მაღალი ეფექტურობით. რეაქტორის მუშაობის დაწყებამდე ისინი მთლიანად შეჰყავთ მის ბირთვში. ნეიტრონების მნიშვნელოვანი ნაწილის შთანთქმით ისინი შეუძლებელს ხდიან ჯაჭვური რეაქციის განვითარებას. რეაქტორის დასაწყებად, საკონტროლო ღეროები თანდათან იხსნება ბირთვიდან, სანამ ენერგიის გამოყოფა არ მიაღწევს წინასწარ განსაზღვრულ დონეს. როდესაც სიმძლავრე იზრდება დადგენილ დონეზე მაღლა, ავტომატები ჩართულია, საკონტროლო წნელები აქტიური ზონის სიღრმეში ჩაძირვით.

Ბირთვული ენერგია.ბირთვული ენერგია მშვიდობის სამსახურში პირველად ჩვენს ქვეყანაში დაიდო. აკადემიკოსი იგორ ვასილიევიჩ კურჩატოვი (1903-1960) იყო სსრკ-ში ატომურ მეცნიერებასა და ტექნოლოგიაზე მუშაობის პირველი ორგანიზატორი და ლიდერი.

ამჟამად ყველაზე დიდია სსრკ-სა და ევროპაში, ლენინგრადის ატომური ელექტროსადგური. და. ლენინს აქვს 4000 მეგავატი სიმძლავრე, ე.ი. 800-ჯერ აღემატება პირველ ატომურ ელექტროსადგურს.

დიდ ატომურ ელექტროსადგურებში გამომუშავებული ელექტროენერგიის ღირებულება უფრო დაბალია, ვიდრე თბოელექტროსადგურებში გამომუშავებული ელექტროენერგიის ღირებულება. ამიტომ ბირთვული ენერგია დაჩქარებული ტემპით ვითარდება.

ბირთვული რეაქტორები გამოიყენება როგორც ელექტროსადგურები ზღვის გემებზე. მსოფლიოში პირველი მშვიდობიანი გემი ატომური ელექტროსადგურით, ატომური ენერგიით მომუშავე ყინულმჭრელი Lenin, აშენდა საბჭოთა კავშირში 1959 წელს.

საბჭოთა ატომური ყინულმჭრელი Arktika, რომელიც აშენდა 1975 წელს, გახდა მსოფლიოში პირველი ზედაპირული ხომალდი, რომელმაც მიაღწია ჩრდილოეთ პოლუსს.

თერმობირთვული რეაქცია.ბირთვული ენერგია გამოიყოფა არა მხოლოდ მძიმე ბირთვების ბირთვული დაშლის რეაქციებში, არამედ მსუბუქი ატომური ბირთვების კომბინაციის რეაქციებშიც.

მსგავსი დამუხტული პროტონების დასაკავშირებლად აუცილებელია კულონის მოგერიების ძალების გადალახვა, რაც შესაძლებელია ნაწილაკების შეჯახების საკმარისად მაღალი სიჩქარით. პროტონებისგან ჰელიუმის ბირთვების სინთეზისთვის აუცილებელი პირობები გვხვდება ვარსკვლავების ინტერიერში. დედამიწაზე თერმობირთვული შერწყმის რეაქცია განხორციელდა ექსპერიმენტული თერმობირთვული აფეთქებების დროს.

წყალბადის მსუბუქი იზოტოპიდან ჰელიუმის სინთეზი ხდება დაახლოებით 108 K ტემპერატურაზე, ხოლო წყალბადის მძიმე იზოტოპებიდან ჰელიუმის სინთეზისთვის - დეიტერიუმი და ტრიტიუმი - სქემის მიხედვით.

საჭიროა გათბობა დაახლოებით 5 10 7 K-მდე.

დეიტერიუმიდან და ტრიტიუმიდან 1 გ ჰელიუმის სინთეზის დროს გამოიყოფა 4,2·10 11 ჯ ენერგია.ასეთი ენერგია გამოიყოფა 10 ტონა დიზელის საწვავის დაწვისას.

დედამიწაზე წყალბადის მარაგი პრაქტიკულად ამოუწურავია, ამიტომ თერმობირთვული შერწყმის ენერგიის მშვიდობიანი მიზნებისთვის გამოყენება თანამედროვე მეცნიერებისა და ტექნოლოგიების ერთ-ერთი ყველაზე მნიშვნელოვანი ამოცანაა.

გათბობით მძიმე წყალბადის იზოტოპებიდან ჰელიუმის სინთეზის კონტროლირებადი თერმობირთვული რეაქცია სავარაუდოდ განხორციელდება პლაზმაში ელექტრული დენის გავლის გზით. მაგნიტური ველი გამოიყენება გაცხელებული პლაზმის კამერის კედლებთან შეხების თავიდან ასაცილებლად. ტოკამაკ-10 ექსპერიმენტულ დაწესებულებაში საბჭოთა ფიზიკოსებმა მოახერხეს პლაზმის 13 მილიონი გრადუსამდე გაცხელება. წყალბადის გაცხელება შესაძლებელია მაღალ ტემპერატურაზე ლაზერული გამოსხივების გამოყენებით. ამისთვის რამდენიმე ლაზერის სინათლის სხივი ფოკუსირებული უნდა იყოს მინის ბურთზე, რომლის შიგნით არის დეიტერიუმის და ტრიტიუმის მძიმე იზოტოპების ნაზავი. ლაზერული დანადგარების ექსპერიმენტებში უკვე მიღებულია პლაზმა რამდენიმე ათეული მილიონი გრადუსი ტემპერატურით.

ჯაჭვური ბირთვული რეაქცია. ურანის ნეიტრონების დასხივებაზე ჩატარებული ექსპერიმენტების შედეგად დადგინდა, რომ ნეიტრონების მოქმედებით ურანის ბირთვები იყოფა ორ ბირთვად (ფრაგმენტებად), რომელთა მასა და მუხტი დაახლოებით ნახევარია; ამ პროცესს თან ახლავს რამდენიმე (ორი ან სამი) ნეიტრონის ემისია (სურ. 402). ურანის გარდა, მენდელეევის პერიოდული სისტემის ბოლო ელემენტებს შორის კიდევ რამდენიმე ელემენტს შეუძლია დაშლა. ეს ელემენტები, ისევე როგორც ურანი, იშლება არა მხოლოდ ნეიტრონების გავლენის ქვეშ, არამედ გარე ზემოქმედების გარეშე (სპონტანურად). სპონტანური გაყოფა ექსპერიმენტულად დაადგინეს საბჭოთა ფიზიკოსებმა კ.ა.პეტრჟაკმა და გეორგი ნიკოლაევიჩ ფლეროვმა (დ. 1913 წ.) 1940 წელს. ძალიან იშვიათი პროცესია. ასე რომ, 1 გ ურანში საათში მხოლოდ 20 სპონტანური გაყოფა ხდება.

ბრინჯი. 402. ურანის ბირთვის დაშლა ნეიტრონების გავლენით: ა) ბირთვი იჭერს ნეიტრონს; ბ) ნეიტრონის ზემოქმედება ბირთვზე იწვევს ამ უკანასკნელის რხევას; გ) ბირთვი იყოფა ორ ნაწილად; მეტი ნეიტრონი გამოიყოფა.

ორმხრივი ელექტროსტატიკური მოგერიების გამო, დაშლის ფრაგმენტები იფანტება საპირისპირო მიმართულებით, იძენს უზარმაზარ კინეტიკურ ენერგიას (დაახლოებით). ამრიგად, დაშლის რეაქცია ხდება ენერგიის მნიშვნელოვანი განთავისუფლებით. სწრაფად მოძრავი ფრაგმენტები ინტენსიურად იონიზებს გარემოს ატომებს. ფრაგმენტების ეს თვისება გამოიყენება იონიზაციის კამერის ან ღრუბლის კამერის გამოყენებით დაშლის პროცესების გამოსავლენად. ღრუბლის პალატაში დაშლის ფრაგმენტების კვალის ფოტო ნაჩვენებია ნახ. 403. ძალზე მნიშვნელოვანია, რომ ურანის ბირთვის დაშლის დროს გამოსხივებულ ნეიტრონებს (ე.წ. მეორადი დაშლის ნეიტრონები) შეუძლიათ გამოიწვიონ ახალი ურანის ბირთვების დაშლა. ამის წყალობით, შესაძლებელია განხორციელდეს დაშლის ჯაჭვური რეაქცია: როგორც კი წარმოიქმნება, რეაქცია, პრინციპში, შეიძლება გაგრძელდეს თავისთავად, დაფარავს ბირთვების მზარდ რაოდენობას. ასეთი მზარდი უჯრედის რეაქციის განვითარების სქემა ნაჩვენებია ნახ. 404.

ბრინჯი. 403. ურანის დაშლის ფრაგმენტების კვალის ფოტო ღრუბელ კამერაში: ფრაგმენტები () იფანტება საპირისპირო მიმართულებით კამერის ბლოკირებად ფირფიტაზე დეპონირებული ურანის თხელი ფენისგან. სურათზე ასევე ჩანს ბევრი უფრო თხელი კვალი, რომლებიც მიეკუთვნება კამერაში შემავალი წყლის მანქანის მოლეკულებიდან ნეიტრონების მიერ ამოვარდნილ პროტონებს.

გაყოფის ჯაჭვური რეაქციის განხორციელება პრაქტიკაში ადვილი არ არის; გამოცდილება გვიჩვენებს, რომ ბუნებრივი ურანის მასაში ჯაჭვური რეაქცია არ ხდება. ამის მიზეზი მეორადი ნეიტრონების დაკარგვაშია; ბუნებრივ ურანში ნეიტრონების უმეტესობა თამაშს არ იწვევს დაშლის გამოწვევის გარეშე. როგორც კვლევებმა აჩვენა, ნეიტრონების დაკარგვა ხდება ურანის ყველაზე გავრცელებულ იზოტოპში - ურანი - 238 (). ეს იზოტოპი ადვილად შთანთქავს ნეიტრონებს ნეიტრონებთან ვერცხლის რეაქციის მსგავსი რეაქციაში (იხ. § 222); ეს წარმოქმნის ხელოვნურად რადიოაქტიურ იზოტოპს. ის ძნელად იყოფა და მხოლოდ სწრაფი ნეიტრონების მოქმედებით.

იზოტოპს, რომელიც შეიცავს ბუნებრივ ურანს, აქვს უფრო წარმატებული თვისებები ჯაჭვური რეაქციისთვის. იგი იყოფა ნებისმიერი ენერგიის ნეიტრონების მოქმედებით - სწრაფი და ნელი და რაც უკეთესია, მით უფრო დაბალია ნეიტრონის ენერგია. პროცესი, რომელიც კონკურენციას უწევს გაყოფას - ნეიტრონების მარტივი შთანთქმა - ნაკლებად სავარაუდოა განსხვავებით. ამიტომ, სუფთა ურანი-235-ში შესაძლებელია დაშლის ჯაჭვური რეაქცია, იმ პირობით, რომ ურანი-235-ის მასა საკმარისად დიდია. დაბალი მასის ურანში დაშლის რეაქცია წყდება მისი მატერიის გარეთ მეორადი ნეიტრონების ემისიის გამო.

ბრინჯი. 404. ღირებული დაშლის რეაქციის შემუშავება: პირობითად მიღებულია, რომ ბირთვული დაშლის დროს გამოიყოფა ორი ნეიტრონი და არ არის ნეიტრონის დანაკარგები, ე.ი. ყოველი ნეიტრონი იწვევს ახალ დაშლას; წრეები - დაშლის ფრაგმენტები, ისრები - დაშლის ნეიტრონები

მართლაც, ატომის ბირთვების მცირე ზომის გამო, ნეიტრონი გადის მატერიაში დიდ მანძილზე (იზომება სანტიმეტრებში), სანამ შემთხვევით არ მოხვდება ბირთვში. თუ სხეულის ზომები მცირეა, მაშინ გასასვლელის გზაზე შეჯახების ალბათობა მცირეა. თითქმის ყველა მეორადი დაშლის ნეიტრონი გაფრინდება სხეულის ზედაპირზე ახალი დაშლის გარეშე, ანუ რეაქციის გაგრძელების გარეშე.

დიდი ზომების სხეულიდან, ძირითადად, ნეიტრონები წარმოიქმნება ზედაპირულ ფენაში, რომლებიც გამოფრინდებიან. სხეულის შიგნით წარმოქმნილ ნეიტრონებს წინ აქვთ ურანის საკმარისი სისქე და უმეტესწილად იწვევს ახალ დაშლას, რომელიც აგრძელებს რეაქციას (ნახ. 405). რაც უფრო დიდია ურანის მასა, მით უფრო მცირეა მოცულობის ფრაქცია ზედაპირული ფენა, საიდანაც ბევრი ნეიტრონი იკარგება და უფრო ხელსაყრელი პირობებია ჯაჭვური რეაქციის განვითარებისთვის.

ბრინჯი. 405. გაყოფის ჯაჭვური რეაქციის განვითარება . ა) მცირე მასაში, დაშლის ნეიტრონების უმეტესობა გაფრინდება. ბ) ურანის დიდ მასაში მრავალი დაშლის ნეიტრონი იწვევს ახალი ბირთვების დაშლას; განყოფილებების რაოდენობა თაობიდან თაობას იზრდება. წრეები - დაშლის ფრაგმენტები, ისრები - დაშლის ნეიტრონები

თანხის თანდათან გაზრდით მივაღწევთ კრიტიკულ მასას, ანუ უმცირეს მასას, საიდანაც შესაძლებელია მდგრადი დაშლის ჯაჭვური რეაქცია. მასის შემდგომი მატებასთან ერთად რეაქცია დაიწყებს სწრაფ განვითარებას (იგი დაიწყება სპონტანური დაშლით). როდესაც მასა მცირდება კრიტიკული მნიშვნელობის ქვემოთ, რეაქცია იშლება.

ასე რომ, თქვენ შეგიძლიათ განახორციელოთ დაშლის ჯაჭვური რეაქცია. თუ თქვენ გაქვთ საკმარისი სუფთა, გამოყოფილი.

როგორც §202-ში ვნახეთ, იზოტოპების გამოყოფა რთული და ძვირადღირებული ოპერაციაა, მაგრამ მაინც შესაძლებელია. მართლაც, ბუნებრივი ურანის მოპოვება იყო დაშლის ჯაჭვური რეაქციის პრაქტიკაში დანერგვის ერთ-ერთი გზა.

ამასთან, ჯაჭვური რეაქცია მიღწეული იქნა სხვა გზით, რაც არ მოითხოვდა ურანის იზოტოპების გამოყოფას. ეს მეთოდი პრინციპში გარკვეულწილად უფრო რთულია, მაგრამ უფრო ადვილია განხორციელება. ის იყენებს სწრაფი მეორადი დაშლის ნეიტრონების შენელებას თერმული მოძრაობის სიჩქარემდე. ჩვენ ვნახეთ, რომ ბუნებრივ ურანში უშუალო მეორადი ნეიტრონები ძირითადად შეიწოვება იზოტოპის მიერ. ვინაიდან შეწოვა არ იწვევს დაშლას, რეაქცია წყდება. გაზომვები აჩვენებს, რომ როდესაც ნეიტრონები შენელდება თერმულ სიჩქარემდე, შთამნთქმელი ძალა უფრო მეტად იზრდება, ვიდრე შთანთქმის ძალა. იზოტოპის მიერ ნეიტრონების შეწოვა, რაც იწვევს დაშლას, უპირატესობას იძენს. ამიტომ, თუ დაშლის ნეიტრონები შენელდება, რაც ხელს უშლის მათ აბსორბციას, ჯაჭვური რეაქცია შესაძლებელი გახდება ბუნებრივი ურანის საშუალებით.

ბრინჯი. 406. ბუნებრივი ურანის სისტემა და მოდერატორი, რომელშიც შეიძლება განვითარდეს დაშლის ჯაჭვური რეაქცია

პრაქტიკაში, ეს შედეგი მიიღწევა მოდერატორში იშვიათი გისოსის სახით ბუნებრივი ურანის გამწოვი ღეროების მოთავსებით (სურ. 406). ნივთიერებები, რომლებსაც აქვთ დაბალი ატომური მასა და სუსტად შთამნთქმელი ნეიტრონები, გამოიყენება მოდერატორებად. კარგი მოდერატორია გრაფიტი, მძიმე წყალი, ბერილიუმი.

დაე, ურანის ბირთვის გაყოფა მოხდეს ერთ-ერთ ღეროში. ვინაიდან ღერო შედარებით თხელია, სწრაფი მეორადი ნეიტრონები თითქმის ყველა შემოფრინდება მოდერატორში. ღეროები გისოსებში საკმაოდ იშვიათად მდებარეობს. ახალ ღეროზე დარტყმის წინ გამოსხივებული ნეიტრონი განიცდის მრავალ შეჯახებას მოდერატორის ბირთვებთან და ანელებს თერმული მოძრაობის სიჩქარეს (სურ. 407). ურანის ღეროზე დარტყმის შემდეგ ნეიტრონი დიდი ალბათობით შეიწოვება და გამოიწვევს ახალ გაყოფას, რითაც გააგრძელებს რეაქციას. დაშლის ჯაჭვური რეაქცია პირველად შეერთებულ შტატებში 1942 წელს განხორციელდა. მეცნიერთა ჯგუფი იტალიელი ფიზიკოსის ენრიკო ფერმის (1901-1954) ხელმძღვანელობით ბუნებრივი ურანის სისტემაში. ეს პროცესი დამოუკიდებლად განხორციელდა სსრკ-ში 1946 წელს. აკადემიკოსი იგორ ვასილიევიჩ კურჩატოვი (1903-1960) თანამშრომლებთან ერთად.

ბრინჯი. 407. ღირებული დაშლის რეაქციის შემუშავება ბუნებრივი ურანის და მოდერატორის სისტემაში. სწრაფი ნეიტრონი, რომელიც გამოფრინავს თხელი ღეროდან, ურტყამს მოდერატორს და ანელებს. ისევ ურანში, შენელებული ნეიტრონი, სავარაუდოდ, შეიწოვება ში, რაც იწვევს გაყოფას (სიმბოლო: ორი თეთრი წრე). ზოგიერთი ნეიტრონი შეიწოვება დაშლის გამოწვევის გარეშე (სიმბოლო: შავი წრე)