§6.7 Ядроның бөлiну реакциясы. Трансурандық элемент

Бөлiну реакциясы деп ядроның өзiнен немесе сыртқы қоздырғыштың әсерiнен массалары бір - біріне жуықтау, бiрақ тең емес екi немесе кейде үш жарықшақтарға жіктелуі айтылады. Ядроның бөлiну реакциясы көптеген жағдайларда бөлшектердiң: фотондар, протондар, дейтрондар т.б. әсерлерiнен орындалуы мүмкiн. Ауыр ядролардың жарықшаларға бөлiнуiн зерттеудiң маңызы зор.

Ядроның бөлiну реакциясы кезiнде терең өзгерiстер болады. Олардың бөлiну механизмi басқа ядролық реакция механизмдерiнен өзгеше (ерекше) болады. Ядролық реакциялардың жұмыс iстеу принципi(яғни ядролық энергетика салалары) осы ядролардың нейтрондар әсерiнен орындайтын реакцияға негiзделген.

Әртүрлi изотоптарға протондар, дейтрондар және нейтрондар әсер еткенде орындалатын ядролық реакцияны зерттеу нәтижесiнде ₃Li⁶(p,)₂He³; ₃Li⁷(p,)₂He⁴; ₁D²(,p)₁He³; ₁D²(,n)₂He³; ₁T³(,n)₂He⁴; ₂He³(,p)₂He⁴ т.б. үлкен мөлшерде энергия бөлiнетiндiгi анықталды. Бiрақ осы реакция кезiнде алынған жаңа активтi бөлшектер жоғары энергияға ие болғанымен осы ядролық реакцияны әрi жалғастыру орнына, келесi жаңа ядромен соқтығысқанға дейiн энергиясын жоғалтады. 1939 жылға дейiн осындай ядролық реакция кезiнде энергияның бөлiнуiне байланысты әрi қарай ядролық реакцияны жалғастырып жаңа реакцияны жүзеге асыратындығы, өздiгiнен реакцияны ары жалғастыратын қасиеттерi болатындығы, белгiсiз болды.

1938 жылы Ирэн, Жолио-Кюрилер мен Савичтiң зерттеуiнде уранды нейтронмен атқылағанда лантан (₅₇La¹⁴⁷), ал Ган мен Штрассман зерттеуiнде барий (₅₆Ba¹⁴⁰), бөлінетіні анықталды. Олай болса уран атомын нейтронмен атқылағанда, ураннан ауыр емес, одан екi еседей жеңiл атомдар ядросы пайда болатыны анықталады. Осындай ядроның бөлiну реакциясында өте үлкен энергия бөлiнiп шығады.

Табиғи уран екi изотоптан(U²³⁵ және U²³⁸) тұрады олардың негiзгi массасын U²³⁸ құрайды, ал U²³⁵ қоспаның 0.714% ғана құрайды. Зерттеулерде U²³⁵ баяу нейтрон әсерiнен бөлiнетiндiгi, ал U²³⁸ тек жылдам нейтрондар әсерiнен бөлiнетіндігі анықталды.

Уран U²³⁵ - ядросы бөлiнгенде одан орташа 195 Мэв энергия бөлiнiп шығады да, жарықшалар қарама-қарсы бағытта шашырайды және олар жоғары кинетикалық энергияға ие болады. Бөлiну реакциясы кезiнде екi немесе үш нейтрон бөлiнедi. Олардың бөлiнуi әрi қарай өздiгiнше ядролық реакцияны (тiзбектi) жалғастыру мүмкiндiгiн тудырады.

; (6.7.1)

Уран (U²³⁵) нейтронды қармау кезiнде орнықсыз уран (U²³⁶) ядросын құрайды да ол өздiгiнен екi жарықшаға бөлiнедi. Нәтижесiнде теллур (Те¹³⁷) және цирконийдiң (Zr⁹⁷) радиоактивті изотоптарына жіктеледі. Олар бiрнеше рет радиоактивті түрленуге қатысып, соңында тұрақты Ва¹³⁷ және Мо⁹⁷ ядросының изотоптарына айналады.

; (6.7.2)

Бiрақ бұл реакция жалғыз емес. Яғни уран (U²³⁶) басқа да көптеген мүмкiн болатын түрленуге қатысады.

; (6.7.3)

Негiзiнен U²³⁵ нейтронмен әсерлесу кезiнде, 233 немесе 234 нуклон жарықшақ ядросына кетедi. Егер жарықшаққа 234 нуклон кетсе, онда екi нейтрон бөлiнедi, ал жарықшағы 233 нуклон кетсе, онда үш нейтрон бөлiнедi.

;

немесе

; (6.7.4)

бөлiнедi .

Зерттеулерге байланысты (₉₂U²³⁵) - уран ядросының бөлiну реакциясының өнiмiнде селен мен гольмий арасындағы барлық элемент кездеседi. Сондықтан да ядроның бөлiну моментiндегi шығаратын нейтронның орташа саны 2,5-ке тең. Бұл бөлiнген нейтрондар, одан әрi өздiгiнше реакцияларға қатысып, реакцияны жалғастыра түседi. Бөлiнiп шыққан нейтрондардың энергетикалық спектрiнiң шегi 0-ден 7 Мэв аралығында болады. Орташа бiр нейтронға 2 Мэв энергия сәйкес келедi.

Уран (₉₂U²³⁸) ядросы баяу нейтронды қармау нәтижесiнде, уран 239 (₉₂U²³⁹) ядросына айналады және 5,3 Мэв энергия шығарады. Ол (U²³⁹) орнықсыз ядро, өздiгiнше - бөлшегiн шығарып нәтижесiнде нептунийге айналады. Уран -238 жылулық нейтронды қармау кезiнде жарықшаққа бөлiнбейдi. Уран-238 нейтрон әсерiнен жарықшаққа жiктелу үшiн, нейтронның кинетикалық энергиясы 1,8 Мэв - тан кем болмау керек.

Уран - 239 қармау реакциясының сұлбасын қарастырайық.

- орнықсыз

; (6.7.5.)

Қармау реакциясының нәтижесiнде уран (238) -ден уран (239), одан нептуний, одан плутоний, яғни трансурандық (уран кейiнгi) элементтер алынады. Нептуний (₉₃Np²³⁹) радиоактивті, оның жартылай ыдырау уақыты 2, 3 күн, сондықтан да ол тез, плутонийге айналады, ал плутоний ядросы орнықты, оның жартылай ыдырау уақыты 24 мың жыл. Плутоний - 239 да, уран - 235 сияқты баяу нейтронды қармайды.

6.1-суретте уран - 235 - тiң атом ядросының бөлiнуi көрсетiлген, мұнда соқтығысқан нейтрон әсерiнен Kr⁹¹ мен Ba¹⁴² жарықшақтары және үш нейтрон бөлiнедi.

Атом ядросының бөлiну реакциясын және теориясын Бор, Уилер және Френкель жасады. Осы теория негiзi бойынша уран ядросы сұйық тамшы тәрiздес, оған бөлшектер соқтығысқанда ядро iшiндегi нейтрондар тербеледi, нәтижесiнде ядро үзiлiп, екi жарықшаққа жіктеліп, үлкен энергия бөлінеді (жарықшақтар энергиясының жиынтығы 166 Мэв құрайды). Бөлiну реакциясындағы өнiмнiң жалпы энергиясы шамамен 200 Мэв -қа тең.

6.1-сурет

Бөлiнген кездегi жарықшақтар радиоактивті, олардан бiрiнен кейiн бiрi өтетiн тiзбектi -ыдырау басталады. Жарықшақтардың өздерi де нейтрондар шығарып ыдырайды және басқа ядроға немесе изотоптарға айналады. Мұндай нейтрондар кiшкене нейтрондар деп аталады.

Бөлiну реакциясы, ядро шегiмен нейтрон энергиясына тәуелдi болады. Энергиясы (Е>100 Мэв) жоғары нейтрондар әсерiнен кезкелген жеңiл, орташа және ауыр ядролар бөлiнедi. Ал энергиясы бiрнеше Мэв нейтрондар, ауыр ядроларды (массалық саны А=210нан жоғары) бөле алмайды. Кейбiр ауыр ядролар кезкелген нейтрондардың (энергиясы 0-ден бастап) әсерiнен бөлiнедi. Мұндай ядро қатарына (₉₂U²³³; ₉₂U²³⁵)- уран изотоптары, (₉₄Pu²³⁹; ₉₄Pu²⁴¹)- плутоний изотоптары, (₉₅Am²⁴²; ₉₅Am²⁴⁵) - америций изотоптары және басқа трансурандық элементтер жатады.

Кейбiр ядролар өздiгiнен, сыртқы күштiң әсерiнсiз бөлiнедi. Табиғатта ондай ядролардың үшеуi ғана ₉₉U²³⁸; ₉₀Th²³²; ₉₁Pa²³¹ белгiлi.