Реакция деления

В 1938 г. немецкие ученые Ган и Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы – барий и лантан.

Объяснение этого явления было дано немецкими учеными Фришем и Мейтнером. Они предположили, что захватившее нейтрон ядро урана делится на две примерно равные части, которые получили название осколков деления.

Дальнейшие исследования показали, что при делении образуется около 80 различных осколков, причем наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Кривая выхода осколков в зависимости от их массы представлена на рисунке.

И з этой кривой видно, что относительное число актов деления, при которых образуются два осколка равной массы (А ≈ 117), составляет 10^-2 %, в то время, как образование осколков с массовыми числами порядка 95 и 140 (95:140 = 2:3) наблюдается в 7 % случаев.

Деление ядра урана на два осколка сопровождается выделением огромной энергии. Как известно, удельная энергия связи, т.е. энергия связи, приходящаяся на один нуклон, в ядрах атомов, расположенных в средней части периодической системы Менделеева, примерно 8,7 МЭВ, в то время, как для тяжелых ядер она равна 7,6 МЭВ.

Это значит, что при делении ядра урана на два осколка должна высвободиться энергия равная 1,1 МЭВ на один нуклон. При делении ядер, содержащихся в 1 г урана , выделяется энергия 8*10¹⁰ Дж или 22000 кВт.ч.

Ядра, образовавшиеся при делении, обладают избыточным количеством нейтронов. Большинство нейтронов испускается мгновенно (за время, меньшее ~ 10^-14 сек). Часть нейтронов (около 0,75%), получившая название запаздывающих нейтронов, испускается не мгновенно, а с запаздыванием от 0,05сек до 1 мин.

Осколки деления оказываются радиоактивными и переходят в стабильное состояние путем цепочки превращений.

Цепная реакция

При каждом акте деления тяжелых ядер, как мы уже говорили, выделяется большое количество энергии и появляется несколько нейтронов. Если каждый из этих нейтронов вызывает в соседних ядрах делящегося вещества реакцию деления, то происходит лавинообразное нарастание числа актов деления. Такая реакция деления называется цепной.

Рассмотрим условия, необходимые для осуществления реакции деления ядер.

Тяжелое ядро претерпевает деление, если нарушается его равновесие. Минимальная энергия, необходимая чтобы вызвать деление ядра, носит название энергии активации. Часть этой энергии идет на нагревание ядра, часть – на его деформацию.

Энергию активации, необходимую ядрам для деления, легче всего передать с помощью нейтронов, которые, приблизившись к ядру, притягиваются к нему ядерными силами. Непременным условием возникновения ценной реакции является наличие размножающихся нейтронов. Введем понятие о коэффициенте размножения нейтронов « k ».

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов, возникших в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предшествующем звене.

Необходимым условием для развития ценной реакции является требование .

С уменьшением размеров активной зоны увеличивается доля нейтронов, выходящих за ее пределы и уменьшается возможность цепной реакции. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно возникновение цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящихся веществ, находящихся в системе критических размеров, называется критической массой.

Одной из наиболее важной характеристик цепной реакции является скорость ее развития, зависящая от времени между двумя последовательными актами деления. Для получения быстрой цепной реакции взрывного типа необходимо уменьшить время между последовательными актами деления, т.е. осуществить процесс размножения на быстрых нейтронах.

Для получения управляемой цепной реакции необходимо увеличивать это время.

Рассмотренные реакции деления осуществляются с изотопом урана , торием , протактинием , плутонием .

Эти элементы носят название ядерного горючего. В куске ядерного горючего каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление ядра, испуская несколько нейтронов. Однако, если масса такого куска меньше определенного критического значения, то большинство испускаемых нейтронов вылетает наружу не вызывая деления. Цепная реакция не возникает. При массе больше критической нейтроны быстро размножаются, и реакция приобретает взрывной характер.

На этом основано действие атомной бомбы. Ядерный заряд ее представляет два куска или (на рисунке они обозначены цифрой 1).

М асса каждого куска меньше критической, поэтому цепная реакция не происходит. В атмосфере земли имеется некоторое количество нейтронов, порожденных космическим излучением. Поэтому для того, чтобы вызвать взрыв, достаточно соединить части ядерного заряда в один кусок с массой больше критической.

Для соединения используют обычное взрывчатое вещество – запал (2), с помощью которого одной частью ядерного заряда выстреливают в другую.

Все устройство заключено в массивную оболочку из металла большой плотности (3). Оболочка служит отражателем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления до тех пор, пока максимально возможное число ядер не выделит свою энергию при делении.

Иной способ осуществления цепной реакции используется в ядерных реакторах.

В качестве делящегося вещества в реакторах используется природный уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами, небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки между ними заполняют замедлителем, т.е. веществом, в котором нейтроны уменьшают свою скорость. Замедление нейтронов осуществляется за счет упругого рассеяния. В качестве замедлителей используют графит, бериллий, дейтерий (или тяжелую воду).

Первый уран-графитовый реактор был пущен в декабре 1942г. в Чикагском университете под руководством выдающегося итальянского физика Э.Ферми.

Схема этого реактора изображена ниже.

Ц ифрой 1 обозначен замедлитель – графит; 2 – блоки из урана; 3 - стержни, содержащие кадмий или бор. Эти стержни служат для регулировки процесса в реакторе. Кадмий и бор интенсивно поглощают нейтроны, поэтому введение их в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов, а выведение – увеличивает. Таким образом, можно регулировать мощность, развиваемую реактором.

Первые промышленные реакторы, построенные в США, предназначались для производства делящегося вещества для атомных бомб – плутония. В них часть нейтронов, испускаемых при делении ядер урана U²³⁵, шла на поддержание цепной реакции, а часть – претерпевала радиационный захват ядрами U²³⁸, что приводило к образованию плутония.

Применение ядерной энергии для мирных целей было впервые осуществлено в СССР. В 1954г. была введена в эксплуатацию атомная электростанция мощностью 5000Вт. Схема атомной электростанции изображена на рисунке.

Э нергия, выделяемая в активной зоне реактора (цифра 1), снимается теплоносителем, циркулирующим в контуре (цифра 2). Циркуляция производится насосом 3. В качестве теплоносителя применяется вода и щелочные металлы с низкой температурой плавления (например, натрий Т_плавл = 98°С). В теплообменнике 4 теплоноситель отдает свое тепло воде, превращая ее в пар, вращающий турбину 5.

В заключение отметим, что побочными продуктами работы ядерных реакторов являются радиоактивные изотопы многих химических элементов, которые находят разнообразные применения в биологии, медицине и технике.