2. Какую энергию называют энергетическим выходом реакции? Как оценить энергетический выход для реакции деления?

3. Какой величиной характеризуют скорость цепной реакции? Запишите необходимое условие для развития цепной реакции.

4. Какую реакцию деления называют самоподдерживающейся? Когда она возникает?

5. Проведите оценку критического размера активной зоны и критической массы.

N - концентрация ядер. Число столкновений нейтрона с ядрами в единицу времени n.

Реакции деления ядер.

Превращение ядер при взаимодействии с элементар­ными частицами или друг с другом называют ядерными реакциями. Ядерные реакции являются основным методом изучения структуры ядер и их свойств. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения: электрического заряда, барионного заряда, лептонного заряда, энергии, импульса и др. Например, закон сохранения барионного заряда сводится тому, что суммарное число нуклонов не меняется в результате ядерной реакции.

Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии Q , которая в 10 6 раз превышает энергию химических реакций. Если Q > 0 происходит выделение энергии (экзотермическая реакция ). Например,

При Q < 0 – поглощение энергии (эндотермическая реакция ). Например,

Ядерные реакции характеризуются эффективным сечением реакции (если радиус ядра больше, чем длина волны де Бройля частицы).

Выход ядерной реакции W – отношение числа актов ядерной реакции DN к числу частиц N , упавших на 1 см 2 мишени, т.е.

,

где n – концентрация ядер.

Многие ядерные реакции при невысоких энергиях проходят через стадию образования составного ядра . Так, чтобы нейтрон пролетел сквозь ядро со скоростью 10 7 м/с требуется время порядка t=10 –22 с. Время реакции составляет 10 - 16 –10 - 12 с или (10 6 –10 10)t. Это означает, что между нуклонами в ядре произойдет большое число столкновений и образуется промежуточное состояние – составное ядро. Характерное время t используется при анализе процессов, происходящих в ядре.

При уменьшении скорости нейтрона увеличивается время взаимодействия его с ядром и вероятность его захвата ядром, так как эффективное сечение обратно пропорционально скорости частицы (). Если суммарная энергия нейтрона и исходного ядра лежит в области расположения энергетических полос составного ядра, то вероятность образования квазистационарного уровня энергии составного ядра особенно велика. Сечение ядерных реакций при таких энергиях частиц резко возрас­тает, образуя резонансные максимумы. В таких случаях ядерные реакции называют резонансными . Резонансное сечение захвата тепловых (медленных) нейтронов (kТ » 0,025 эВ) может ~10 6 раз превосходить геометрическое сечение ядра

После захвата частицы, составное ядро находится в возбужденном состоянии в течение ~10 - 14 с, затем испускает какую-либо частицу. Возможно несколько каналов радиоактивного распада составного ядра. Возможен также и конкурирующий процесс – радиационного захвата, когда после захвата ядром частицы оно переходит в возбужденное состояние, затем, испустив g-квант, переходит в основное состояние. При этом также может образоваться составное ядро.

Силы кулоновского отталкивания между положительно заряженными частицами ядра (протонами) не способствуют, а препятствуют выходу этих частиц из ядра. Это связано с влиянием центробежного барьера . Объясняется это тем, что силам отталкивания соответствует положительная энергия. Она увеличивает высоту и ширину кулоновского потенциального барьера. Выход положительно заряженной частицы из ядра есть подбарьерный процесс . Он тем менее вероятен, чем выше и шире потенциальный барьер. Особенно это существенно для средних и тяжелых ядер.

Например, ядро изотопа урана , захватив нейтрон, образует составное ядро , которое затем разделяется на две части. Под действием кулоновских сил отталкивания эти части разлетаются с большой кинетической энергией ~200 МэВ, так как в этом случае электрические силы превосходят ядерные силы притяжения. При этом осколки радиоактивны и находятся в возбужденном состоянии. Переходя в основное состояние, они испускают мгновенные и запаздывающие нейтроны, а также g-кванты и др. частицы. Вылетевшие нейтроны называют вторичными.

Из всех выделяющихся при делении ядер освобождается мгновенно ~99% нейтронов, а на долю запаздывающих нейтронов приходится ~0,75%. Несмотря на это, запаздывающие нейтроны используют в ядерной энергетике, так как они позволяют сделать управляемыми ядерные реакции . Наиболее вероятно деление урана на осколки, один из которых примерно в полтора раза тяжелее другого. Это объясняется влиянием ядерных нейтронных оболочек, так как ядру энергетически выгоднее делиться так, чтобы число нейтронов в каждом из осколков было близко к одному из магических чисел – 50 или 82. В качестве таких осколков могут быть, например, ядра и .

Разность между максимальным значением потенциальной энергии E р (r ) и ее значением при для стабильных ядер называют энергией активации . Поэтому для деления ядра необходимо сообщить ему энергию не меньшую энергии активации. Эту энергию приносят нейтроны, при поглощении которых образуются возбужденные составные ядра.

Исследования показали, что ядра изотопа испытывают деление после захвата любых, в том числе и тепловых, нейтронов. Для деления же изотопа урана требуются быстрые нейтроны с энергией более 1 МэВ. Такое различие в поведении ядер и связывают с эффектом спаривания нуклонов.

Возможно и спонтанное деление радиоактивных ядер при отсутствии внешнего возбуждения, которое наблюдалось в 1940 г. В этом случае деление ядра может произойти путем просачивания продуктов деления через потенциальный барьер в результате туннельного эффекта. Другой характерной особенностью ядерных реакций, протекающих через составное ядро, при определенных условиях, является симметрия в системе центра масс углового распределения разлетающихся частиц, которые образуются при распаде составного ядра.

Возможны и прямые ядерные реакции, например,

которая используется для получения нейтронов.

При делении тяжелых ядер освобождается энергия, равная в среднем ~200 МэВ на каждое делящееся ядро, которую называют ядерной или атомной энергией . Получение такой энергии производится в ядерных реакторах.

Естественный уран содержит 99,3% изотопа и 0,7% изотопа , который и является ядерным горючим. Изотопы урана и тория являются сырьевыми материалами, из которых искусственно получаются изотоп и изотоп , являющиеся также ядерным топливом и в естественном состоянии в природе не встречаются. Изотоп плутония получают, например, в реакции

Изотоп урана получают, например, в реакции

где означает реакцию

.
Изотопы ядер и делятся только быстрыми нейтронами с энергией > 1МэВ.

Важной величиной, характеризующей делящееся ядро, является среднее число вторичных нейтронов, которое для осуществления цепной ядерной реакции деления атомных ядер должно быть не менее 1. В таких реакциях атомных ядер воспроизводятся нейтроны.

Цепная реакция практически осуществляется на обогащенном уране в ядерных реакторах . В обогащенном уране содержание изотопа урана , путем разделения изотопов, доведено до 2-5%. Объем, занимаемый делящимся веществом, называют активной зоной реактора. Для естественного урана коэффициент размножения тепловых нейтронов k =1,32. Для уменьшения скорости быстрых нейтронов до скорости тепловых, используют замедлители (графит, воду, бериллий и др.).

Существуют различные виды ядерных реакторов в зависимости от назначения и мощности. Например, экспериментальные, реакторы для получения новых трансурановых элементов и др.

В настоящее время в ядерной энергетике используют реакторы-размножители (бридерные реакторы), в которых происходит не только выработка энергии, но и расширенное воспроизводство делящегося вещества. В них применяют обогащенный уран с достаточно высоким содержанием (до 30%) изотопа урана .

Такие реакторы – размножители используют для выработки энергии на атомных электростанциях. Основным недостатком атомных электростанций является накопление радиоактивных отходов. Однако по сравнению с электростанциями на угольном топливе атомные электростанции более экологически чистые.

Деление ядер урана при бомбардировке их нейтронами было открыто в 1939 г. немецкими учёными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом.

Oттo Ган (1879-1968)
Немецкий физик, учёный-новатор в области радиохимии. Открыл расщепление урана, ряд радиоактивных элементов

Фриц Штрассман (1902-1980)
Немецкий физик и химик. Работы относятся к ядерной химии, ядерному делению. Дал химическое доказательство процессу деления

Рассмотрим механизм этого явления. На рисунке 162, а условно изображено ядро атома урана . Поглотив лишний нейтрон, ядро возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму (рис. 162, б).

Рис. 162. Процесс деления ядра урана под воздействием попавшего в него нейтрона

Вы уже знаете, что в ядре действует два вида сил: электростатические силы отталкивания между протонами, стремящиеся разорвать ядро, и ядерные силы притяжения между всеми нуклонами, благодаря которым ядро не распадается. Но ядерные силы - короткодействующие, поэтому в вытянутом ядре они уже не могут удержать сильно удалённые друг от друга части ядра. Под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части (рис. 162, в), которые разлетаются в разные стороны с огромной скоростью и излучают при этом 2-3 нейтрона.

Получается, что часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков и частиц. Осколки быстро тормозятся в окружающей среде, в результате чего их кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю энергию среды (т. е. в энергию взаимодействия и теплового движения составляющих её частиц).

При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей уран среды и соответственно её температура заметно возрастают (т. е. среда нагревается).

Таким образом, реакция деления ядер урана идёт с выделением энергии в окружающую среду.

Энергия, заключённая в ядрах атомов, колоссальна. Например, при полном делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 т нефти. Для преобразования внутренней энергии атомных ядер в электрическую на атомных электростанциях используют так называемые цепные реакции деления ядер .

Рассмотрим механизм протекания цепной реакции деления ядра изотопа урана . Ядро атома урана (рис. 163) в результате захвата нейтрона разделилось на две части, излучив при этом три нейтрона. Два из этих нейтронов вызвали реакцию деления ещё двух ядер, при этом образовалось уже четыре нейтрона. Эти, в свою очередь, вызвали деление четырёх ядер, после чего образовалось девять нейтронов и т. д.

Цепная реакция возможна благодаря тому, что при делении каждого ядра образуется 2-3 нейтрона, которые могут принять участие в делении других ядер.

На рисунке 163 показана схема цепной реакции, при которой общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличивается со временем. Соответственно резко возрастает число делений ядер и энергия, выделяющаяся в единицу времени. Поэтому такая реакция носит взрывной характер (она протекает в атомной бомбе).

Рис. 163. Цепная реакция деления ядер урана

Возможен другой вариант, при котором число свободных нейтронов уменьшается со временем. В этом случае цепная реакция прекращается. Следовательно, такую реакцию тоже нельзя использовать для производства электроэнергии.

В мирных целях возможно использовать энергию только такой цепной реакции, в которой число нейтронов не меняется с течением времени.

Как же добиться того, чтобы число нейтронов всё время оставалось постоянным? Для решения этой проблемы нужно знать, какие факторы влияют на увеличение и на уменьшение общего числа свободных нейтронов в куске урана, в котором протекает цепная реакция.

Одним из таких факторов является масса урана. Дело в том, что не каждый нейтрон, излучённый при делении ядра, вызывает деление других ядер (см. рис. 163). Если масса (и соответственно размеры) куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своём пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекратится. Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определённого значения, называемого критическим .

Почему при увеличении массы цепная реакция становится возможной? Чем больше масса куска, тем больше его размеры и тем длиннее путь, который проходят в нём нейтроны. При этом вероятность встречи нейтронов с ядрами возрастает. Соответственно увеличивается число делений ядер и число излучаемых нейтронов.

При критической массе урана число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов (т. е. захваченных ядрами без деления и вылетевших за пределы куска).

Поэтому их общее число остаётся неизменным. При этом цепная реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.

• Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой

Если масса урана больше критической, то в результате резкого увеличения числа свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву, а если меньше критической, то реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов.

Уменьшить потерю нейтронов (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) можно не только за счет увеличения массы урана, но и с помощью специальной отражающей оболочки. Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны (например, из бериллия). Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер.

Существует ещё несколько факторов, от которых зависит возможность протекания цепной реакции. Например, если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается.

Наличие в уране так называемого замедлителя нейтронов также влияет на ход реакции. Дело в том, что ядра урана-235 с наибольшей вероятностью делятся под действием медленных нейтронов. А при делении ядер образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением этих ядер. В качестве замедлителей используются такие вещества, как графит, вода, тяжёлая вода (в состав которой входит дейтерий - изотоп водорода с массовым числом 2), и некоторые другие. Эти вещества только замедляют нейтроны, почти не поглощая их.

Таким образом, возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нём, наличием оболочки и замедлителя и некоторыми другими факторами.

Критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50 кг. При этом его радиус составляет всего 9 см, поскольку уран имеет очень большую плотность.

Применяя замедлитель и отражающую оболочку и уменьшая количество примесей, удаётся снизить критическую массу урана до 0,8 кг.

Вопросы

1. Почему деление ядра может начаться только тогда, когда оно деформируется под действием поглощённого им нейтрона?
2. Что образуется в результате деления ядра?
3. В какую энергию переходит часть внутренней энергии ядра при его делении; кинетическая энергия осколков ядра урана при их торможении в окружающей среде?
4. Как идёт реакция деления ядер урана - с выделением энергии в окружающую среду или, наоборот, с поглощением энергии?
5. Расскажите о механизме протекания цепной реакции, используя рисунок 163.
6. Что называется критической массой урана?
7. Возможно ли протекание цепной реакции, если масса урана меньше критической; больше критической? Почему?

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)