Билет № 27 Ядерные реакции. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор.

Реакции деления ядра – это реакции, при которых ядро подействием нейтронов (или других частиц) делится на несколько более лёгких ядер (осколков), чаще всего два, близких по массе. В результате таких реакций выделяется огромное количество энергии.

Впервые деление ядер урана путём бомбардировки их нейтронами было осуществлено в 1938 г. О.Ганом, Ф.Штрассманом и Л.Мейтнер. реакция шла по схеме:

₉₂²³⁵U+₀¹n₅₆¹⁴⁵Ba+₃₆⁸⁸Kr+3₀¹n+200 МэВ

Выделение большого количества энергии можно объяснить тем, что удельная энергия связи для тяжёлых ядер приблизительно 7,6 МэВ, а для ядер, находящихся в середине таблицы Менделеева – 8,7 МэВ. Поэтому расщепление тяжёлого ядра на два более лёгких должно приводить к выделению энергии порядка 1,1 МэВ на один нуклон. Для урана с числом нуклонов 235 выделяется энергия более 200 МэВ. В основном, энергия выделяется в виде кинетической энергии осколков деления.

Процесс деления ядра можно представить, используя капельную модель ядра. Нуклоны, взаимодействуя со своими ближайшими соседями, стремятся уйти вглубь и создают силы ядерного поверхностного натяжения. Поэтому ядро принимает шарообразную форму, подобно жидкости, находящейся в состоянии невесомости. Нейтрон, поглощённый ядром, сообщает ему дополнительную энергию. Ядро переходит в возбуждённое состояние, при котором нуклоны начинают совершать колебательное движение. Это приводит к тому, что ядро приобретает удлинённую форму типа гантели. Ядерные силы уже не могут удержать все нуклоны вместе, и ядро, вследствие действия кулоновских сил отталкивания, распадается на несколько осколков.

Так как для средних ядер число нейтронов и протонов приблизительно одинаково, а для тяжёлых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов, то в результате реакции деления образуется 2-3 нейтрона с энергией в среднем 2 МэВ. Эти нейтроны могут вызвать деление других ядер урана. Процесс возникновения нейтронов и расщепления ядер нарастает лавинообразно. За короткий промежуток времени высвобождается большое количество энергии. Подобные процессы называются цепными реакциями.

Цепные реакции – это реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций.

Характеристикой реакции деления является коэффициент размножения нейтронов k: отношение числа нейтронов в последующем поколении к числу нейтронов в предыдущем. Так как нейтроны могут поглощаться примесями и покидать область с ядерным веществом, этот коэффициент зависит от количества примесей в уране и от его массы. Для осуществления цепной реакции необходимо минимальное количество вещества, которое называется критической массой.

Если коэффициент размножения k=1, то происходит управляемая цепная реакция деления ядер, осуществляемая в ядерных реакторах.

Если k1, то реакция с течением времени останавливается.

Если k1, то происходит неконтролируемое размножение нейтронов, приводящее к взрыву.