optics_atomic_and_nuclear_physics / 5_Ядерная физика / Лекция 13_1

Кафедра общей физики ПетрГУ

Лекция 13. ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ АТОМНОГО ЯДРА

(продолжение)

1.Деление тяжелых ядер.

2.Термоядерный синтез.

§1. Деление тяжелых ядер

Ключевые понятия:

деление ядер

цепная реакция

критическая масса

Среди ядерных процессов особое место занимает деление тяжелых ядер на осколки приблизительно равной массы, имеющее огромное значение в современной науке и технике. Ядра урана при бомбардировке нейтронами распадаются на осколки радиоактивных изотопов. Нейтроны не имеют электрического заряда — для них не существует кулоновского потенциального барьера. Поэтому им легче проникать внутрь ядра и вызывать различные ядерные превращения, чем заряженным частицам.

13.1.1. РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР. Э. Ферми начал опыты по облучению урана медленными нейтронами (1934). Целью этих опытов был поиск неизвестных трансурановых элементов. Новые радиоактивные продукты были найдены, однако исследования показали, что свойства "новых элементов" отличались от ожидаемых. Это была реакция совершенно нового типа. В результате тщательного химического анализа О. Ганн и Ф. Штрассман (1938) обнаружили, что при бомбардировке ядра урана нейтронами образуются элементы среднего атомного веса. Типичная реакция деления выглядит так (рис. 13.1):

U235 + 0 n1 → Kr92 + Ba142 +20 n1 + 179,4 МэВ.

(13.1)

Рис. 13.1. Реакция деления ядра урана

Объяснение этому явлению было дано австрийским физиком Л. Мейтнер и английским физиком О. Фришем (1939). Реакция деления ядра заключается в том, что тяжёлое ядро под действием нейтронов и других частиц делится на 2 ядра-осколка и сопровождается испусканием 2- 3 вторичных нейтронов. Пользуясь данными по удельным энергиям связи, можно оценить энергию, которая освобождается в одном акте деления. Пусть ядро с массовым числом А1 = 240 делится на два равных осколка с А2 = 120. В этом случае удельная энергия связи осколков по

сравнению с	удельной	энергией		связи	начального	ядра	увеличивается на Е 0,8 МэВ (от
1 7,6 МэВ	для ядра	с	А1 = 240 до		2 8,4 МэВ	для	ядра с А2 = 120). При этом должна
выделяться энергия
	Е = А1		1 - 2А2	2 = А1( 2 - 1) 240(8,4-7,6) МэВ 200 МэВ.

Оптика и квантовая физика

1

Кафедра общей физики ПетрГУ

13.1.2. РАСПРЕДЕЛЕНИЕ ЭНЕРГИИ ПРИ ДЕЛЕНИИ 235U ТЕПЛОВЫМИ НЕЙТРОНАМИ:

Кинетическая энергия осколков	~167 МэВ
Мгновенные нейтроны деления	~5 МэВ
Электроны бета-распада	~5 МэВ
Антинейтрино бета-распада	~10 МэВ
Мгновенные гамма-кванты	~7 МэВ
Гамма-излучение продуктов деления	~6 МэВ
Всего	~200 МэВ

13.1.3. МЕХАНИЗМ ДЕЛЕНИЯ ТЯЖЕЛОГО ЯДРА 235U92. Механизм деления ядра был предложен А. И. Френкелем, Н. Бором и Дж. Уиллером (1939) на основе капельной модели ядра. Модель, классическая в своей основе, основана на предположении о том, что ядерное вещество является бесструктурной (аморфной) материей подобно капле заряженной жидкости. В ядерной капле силы поверхностного натяжения, препятствующие силам электрического (кулоновского) расталкивания протонов, определяют её сферическую форму. Ситуация меняется по мере увеличения числа протонов или заряда ядра, когда силы поверхностного натяжения становятся сопоставимыми с силами кулоновского отталкивания. Если в процессе противоборства этих двух сил капля достигнет некоторой критической деформации, то это приведёт к её разделению на две части.

Динамика деления тяжелого ядра 235U

Динамика деления ядра урана представлена на рис. 13.2. Ядро урана-235 имеет форму шара (рис. 13.2а). Поглотив лишний нейтрон, оно возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму (рис. 13.2б, в). Ядро будет растягиваться до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке (рис. 13.2г). После этого оно разрывается на две части (рис. 13.2д). Под действием кулоновских сил отталкивания эти осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света. Кинетическая энергия осколков преобразуется во внутреннюю энергию среды. У осколков деления относительное число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов, находящихся в середине таблицы Менделеева. В результате несколько нейтронов освобождается в процессе деления. Их энергия имеет различные значения — от нескольких миллионов электронвольт до совсем малых, близких к нулю. Деление обычно происходит на осколки неравной массы. Осколки эти сильно радиоактивны, так как содержат избыточное количество нейтронов. В результате серии последовательных 3-х распадов в конце концов получаются стабильные изотопы.

а

б

в

г

д

Рис. 13.2. Динамика деления тяжелого ядра 235U:

а) ядро имеет сферическую форму; б) поглощение ядром 235U нейтрона приводит к образованию ядра 236U в возбужденном состоянии; в) возникновение колебаний в возбужденном ядре; г) ядро 236U теряет устойчивость; д) ядро делится на два ядра-осколка промежуточной массы и испускает несколько нейтронов.

13.1.4. ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ. Деление урана сопровождается выделением огромной энергии (1г урана энергетически эквивалентен 2,5 т угля). Для поддержания реакции деления требуется подводить нейтроны. При каждом акте деления освобождается несколько нейтронов (в среднем

Оптика и квантовая физика

2

Кафедра общей физики ПетрГУ

2,5), которые, в свою очередь, вызвав акт деления, создадут еще избыточные нейтроны. Число нейтронов растет в геометрической прогрессии, и таким образом поддерживается цепная реакция.

Деление атомных ядер может происходить самопроизвольно или при воздействии на них элементарных частиц и легких ядер. Осколки деления радиоактивны и распадаются. Заранее предсказать элементы, которые будут продуктами распада, невозможно, так как каждый раз ядро урана разбивается по-разному. Важнейшим практическим свойством реакции деления является то, что для деления ядра урана достаточно одного нейтрона, а в результате деления появляется несколько новых. Если они попадают в ядра, то появится большее количество нейтронов, происходит лавинообразное нарастание актов деления. Возникает цепная реакция, которая может привести к взрыву. Энергия нейтронов, испускаемых при реакции деления, различна – от долей

Рис. 13.3. Цепная термоядерная реакция

электронвольта до 10 МэВ. Соответственно нейтроны называются медленными (тепловыми) и быстрыми. Деление изотопа 92U235 вызывают лучше всего медленные нейтроны.

13.1.5. УПРАВЛЯЕМАЯ ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ. Выделение при делении урана более одного нейтрона открыло перспективы использования цепной реакции деления в двух направлениях:

1)управляемая ядерная реакция деления – создание атомных реакторов;

2)неуправляемая ядерная реакция деления – создание атомного оружия.

Регулируя условия протекания реакции деления, скорость выделения энергии можно поддерживать на одном уровне. Так действуют ядерные реакторы. Отношение числа образовавшихся нейтронов Nк в одном акте деления к числу таких нейтронов в предыдущем акте деления Nк-1 называется коэффициентом размножения нейтронов k:

k = Nк / Nк-1.

(13.2)

Именно коэффициент размножения определяет ход цепной реакции:

При k < 1 цепная реакция затухает, т.к. число поглощенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся.

При k > 1 цепной процесс развивается лавинно и почти мгновенно происходит ядерный взрыв.

При k = 1 идет управляемая стационарная цепная реакция (ядерный реактор). Коэффициент размножения k может стать равным единице лишь при условии, что размеры реактора и, соответственно, масса урана превышают некоторые критические значения. Минимальная масса урана, при которой возможна цепная реакция, называется критической массой:

если масса урана мала, нейтроны будут вылетать за его пределы, не вступая в реакцию;

если масса урана велика, возможен взрыв за счет сильного увеличения числа нейтронов;

Оптика и квантовая физика

3

Кафедра общей физики ПетрГУ

если масса соответствует критической, протекает управляемая цепная реакция.

Для чистого (без замедлителя) урана U235, имеющего форму шара, критическая масса примерно равна 50 кг. При этом радиус шара равен примерно 9 см (уран - очень тяжелое вещество). Применяя замедлители нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г.

Развитие цепной реакции зависит от результата соревнования четырёх процессов:

(1)вылет нейтронов из урана,

(2)захват нейтронов ураном без деления,

(3)захват нейтронов примесями,

(4)захват нейтронов ураном с делением.

13.1.6.ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР. Делящихся нуклидов, пригодных для изготовления атомного оружия, много, но почти всё оружие работает на двух изотопах - U235 и Pu239. При этом уран хорошо пригоден для использования в атомной энергетике, т.к. позволяет управлять своей цепной реакцией, но он не эффективен для осуществления неуправляемой цепной реакции - атомного взрыва: у него меньшая скорость самопроизвольного деления ядер и больше критическая масса.

Плутоний, наоборот, более пригоден для ядерного оружия: у него большая скорость самопроизвольного деления ядер и гораздо меньше критическая масса. Pu239 не позволяет надёжно управлять своей цепной реакцией, и поэтому мало применяется в атомной энергетике.

В основу ядерного оружия положена неуправляемая цепная реакция деления ядра. Существуют две схемы: «пушечная» (баллистическая) и имплозионная. «Пушечная» схема характерна для самых примитивных моделей ядерного оружия первого поколения, а также артиллерийских и стрелковых ядерных боеприпасов, имеющих ограничения по калибру оружия. Суть её заключается в «выстреливании» навстречу друг другу двух блоков делящегося вещества докритической массы. Данный способ детонации возможен только в урановых боеприпасах, так как плутоний имеет более высокий нейтронный фон, что приводит к увеличению требующейся скорости соединения частей заряда, превышающей технически достижимую. Вторая схема подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом обычной химической взрывчатки, которой для фокусировки придаётся весьма сложная форма, и подрыв производится одновременно в нескольких точках с прецизионной точностью.

В любом ядерном реакторе имеются следующие основные части (рис. 13.4): активная зона, где находится ядерное топливо, протекает цепная реакция деления ядер и выделяется энергия; отражатель нейтронов, окружающий активную зону; теплоноситель, отводящий выделяющуюся энергию; система регулирования цепной реакции; радиационная защита.

Рис. 13.4. Принципиальная схема ядерного реактора

Оптика и квантовая физика

4

Кафедра общей физики ПетрГУ

1.Опишите механизм деления ядер урана.

2.Расскажите о механизме протекания цепной ядерной реакции.

3.Приведите пример ядерной реакции деления ядра урана.

4.Охарактеризуйте нейтроны деления. Какие они бывают?

5.Что называется критической массой?

6.Как идет цепная реакция в уране, если его масса меньше критической / больше критической?

7.Чему равна критическая масса урана 295? Можно ли уменьшить критическую массу?

8.Какими способами можно изменить ход цепной ядерной реакции?

9.С какой целью замедляют быстрые нейтроны?

10.Какие вещества используют в качестве замедлителей?

11.За счет каких факторов можно увеличить число свободных нейтронов в куске урана, обеспечив тем самым возможность протекания в нем реакции?

Оптика и квантовая физика

5