Вопрос 2. Искусственная радиоактивность

Новый период в развитии ядерной физики начался фундаментальными открытиями. 15 января 1934г. на заседании Парижской академии наук Ф.Жолио – Кюри и Ирен Кюри сообщили об открытии ими нового вида радиоактивности. «Нам удалось доказать методом камеры Вильсона, сообщили они, - что некоторые легкие элементы (бериллий, бор, алюминий) испускают положительные электроны при бомбардировке их - частицами полония»:

(7)

Изотоп фосфора является радиоактивным. Он обладает периодом полураспада 2,5 мин и испускает положительный электрон (позитрон):

(8)

Шведская академия наук оценила принципиальную важность открытия супругов Жолио - Кюри и присудила им в 1935г. Нобелевскую премию.

Искусственная радиоактивность – распад изотопов, полученных искусственным путем.

Принципиальной разницы между искусственной и естественной радиоактивностью не существует, так как свойства изотопа не зависят от способа его образования в изотоп, полученный искусственным путем, ничем не отличается от такого же природного изотопа. Искусственная радиоактивность связана с нарушением стабильности атомного ядра.

Стабильными являются ядра элементов, у которых число протонов равно числу нейтронов.

В промышленном масштабе искусственно - радиоактивные изотопы получают путем облучения (главным образом нейтронного) соответствующих химических элементов в ядерном реакторе.

К настоящему времени получено по несколько изотопов для каждого химического элемента; их общее число более 1500. Многие из них используются в качестве меченых атомов в различных отраслях человеческой деятельности.

С помощью искусственно – радиоактивных изотопов

исследуются процессы сельскохозяйственных растений и животных, миграция насекомых, фотосинтез, передвижение грунтовых вод, проводится радиоактивное облучение семян, ведется борьба с вредителями сельскохозяйственных растений и т.п.

Вопрос 3. Реакция деления. Ценная реакция

Деление ядер урана было открыто в 1938 - 1939гг. немецкими физиками О. Ганом и Ф. Штрассманом. Их статья в журнале «Naturwissenschaften» в январе 1939г. под заглавием «О доказательстве возникновения щелочноземельных металлов при облучении урана нейтронами и их свойствах» позволила установить, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части Периодической системы: барий, криптон и другие. Австрийский физик Лизе Мейтнер, эмигрировавшая в Швецию после захвата Австрии Гитлером, с приехавшим к ней на рождественские каникулы племянником Отто Фришем, работавшим в Копенгагене у Н.Бора, во время лыжной прогулки решили задачу: ядро урана делится на осколки, приобретающие под действием электростатического отталкивания энергию около 200 МэВ, что как раз составляло энергию, связанную с дефектом массы.

16 января 1939г. О.Фриш и Л.Мейтнер опубликовали статью, в которой, в частности, был впервые употреблен термин «деление», подсказанный О.Фришу американским биологом Арнольдом. 26 января 1939г. в Вашингтоне на конференции по теоретической физике Н.Бор сообщил об открытии и деления урана. Образующиеся при делении ядер U новые ядра стали называться осколками деления. Например, реакция деления ядра урана – 235:

(8)

Процесс деления ядер протекает очень быстро с. Как уже указывалось выше, энергия за один акт деления урана – 235 составляет МэВ.

В общем случае реакцию деления ядра урана – 235 можно записать в виде:

(9)

Объяснить механизм реакции деления можно в рамках гидродинамической модели ядра. Согласно нее при поглощении нейтрона ядром урана (рис.1) оно переходит в возбужденное состояние.

Избыточная энергия, которую получает ядро вследствие поглощения нейтрона, вызывает более интенсивное движение нуклонов. В результате ядро деформируется (рис.2), что приводит к ослаблению короткодействующего ядерного взаимодействия, и приобретает гантелеобразную форму (рис.3).

рис.2 рис.3

Если энергия возбуждения ядра больше некоторой энергии, называемой энергией активации, то под влиянием электростатического отталкивания протонов ядро расщепляется на две части (рис.4) с испусканием нейтронов деления.

рис.4

Если энергия возбуждения при поглощении нейтрона меньше энергии активации, то ядро не доходит до критической стадии деления и, испустив - квант, возвращается в основное состояние.

Если учесть, что энергия нейтрона, вызывающая деление ядра (т.е. затрачиваемая энергия), не превышает ( ) МэВ, а обычно бывает значительно меньшей, то окажется, что ядерно делящиеся материалы могут служить источником колоссальных энергий.

Например, энергия, освобождающаяся при делении всех ядер, содержащихся в 1кг урана – 235, равна . Такая энергия выделяется при сгорании кг бензина, или кг каменного угля, или при взрыве кг тротила.

Однако следует иметь в виду, что для выделения больших количеств ядерной энергии необходимо, чтобы делению подвергалась значительная часть ядер, содержащихся в массе «ядерного горючего». Поэтому реакция деления должна быть саморазвивающейся или цепной.

Цепная реакция - ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

Впервые Н.Бор теоретически доказал, а затем было экспериментально подтверждено, что деление ядер урана обязано именно изотопу , который в естественном уране составляет всего 1/140 долю от более распространенного . При этом деление вызывают медленные нейтроны (рис.5).

рис.5

Оказалось, что ядра урана тоже могут делиться, но для этого нужны быстрые нейтроны, обладающие энергией более 1,1МэВ, иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер , оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

(10)

т.е. проходит – распад (электронный). Изотоп урана – 239 радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния – 239 также радиоактивен, период полураспада около 2 дней:

(11)

также происходит – распад. Изотоп – относительно стабилен, период полураспада плутония – 239 ~24000 лет. С помощью плутония – 239 также может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема деления ядер урана (схема цепной реакции) – идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывают неделящиеся ядра посторонних атомов, другие вылетают из куска урана наружу (утечка нейтронов).

Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не во всяком куске урана.

Развитие цепной реакции характеризуется коэффициентом размножения нейтронов – К.

Коэффициент размножения нейтронов измеряется отношением числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

(12)

Например, цепной реакции ядер урана – 235 соответствует коэффициент размножения нейтронов .

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества и от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет наибольшие значение К при шарообразной форме объема, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с К=1, называется критической массой.

Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Например, для охлаждения активной зоны; системы регулирования цепной реакции и радиоактивной защиты.

Мощность ядерного реактора 1 МэВ соответствует цепной реакции, в которой происходит 3-1016 актов деления за 1с. Для характеристики цепной реакции используется понятие коэффициент размножение нейтронов – К (рассмотрено выше). Состояние ядерного реактора определяет с помощью понятия реактивности – р:

(13)

При К=1, р=0 – реактор находится в критическом состоянии, протекает стационарный процесс и количество делений ядер в среднем постоянно во времени; При К>1, р>0 – реактор находится в надкритическом состоянии; Если К<1, то реакция затухает, а ядерный реактор подкритичен, р<0.

Как правило, ядерный реактор работает на природном уране – 238, предварительно обогащенном ураном – 235 до 5% (99,3% уран – 238 и 0,7% уран – 235). Уран вводится в реактор в виде стержней.

На рис.6 изображена упрощенная схема устройства уран-графитового реактора, испускаемого на атомных электростанциях.

рис.6

А – активная зона реактора;

В – отражатель нейтронов;

С – биологическая защита;

1 – ТВЭЛЫ;

2 – графит (замедлитель);

3 – управляющий стержень;

4 – аварийный стержень.

ТВЭЛЫ – металлические пеналы, содержащие уран – 235.

Осколки урановых ядер, образующиеся в процессе цепной реакции, затормаживаются замедлителем, отдавая ему свою кинетическую энергию.

Поэтому температура в активной зоне реактора повышается до (800 – 900)К. Теплоноситель отводит теплоту из активной зоны реактора и превращается в механическую, а затем в электрическую энергию.

Наряду с выделением энергии в ядерном реакторе происходит образование и накопление нового ядерного топлива – плутония – 239 по следующей схеме:

(14)

где

Плутоний – 239 является хорошим ядерным топливом, он радиоактивен, так как испускает – лучи. Его период полураспада лет, благодаря чему плутоний можно накапливать в больших количествах.

Поскольку ядерный реактор - мощный источник нейтронных потоков и радиоактивных излучений, то он может использоваться для изготовления искусственно – радиоактивных изотопов. Вещества, которые надо подвергнуть облучению, помещаются в специальные каналы, проделанные в защитном корпусе реактора, сферы чистого урана – 235 критическая масса равна 47кг, а это шар диаметром 17см.

При К=1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим характерен для ядерных реакторов. Если масса ядерного горючего меньше критической массы, то К<1 и реакция деления затухнет. Если К>1, то цепная реакция бурно развивается, что может привести к взрыву. Такая реакция имеет место в атомной бомбе. Атомная бомба была создана группой ученых из разных стран мира, работавших в Лос-Анджелесе (США) под руководством Р.Оппенгеймера. Испытание было впервые произведено 16 июля 1945 г. В штате Нью-Мексико.

В атомную бомбу заложена масса делящегося вещества, например актиноурана, превышающая критическую, но разделенная на несколько частей, каждая из которых меньше критической. Бомба взрывается после того, как эти части быстро сближаются и объединяются посредством взрыва обычного взрывчатого вещества.