Реакции деления ядра

В 1938 г. нем. ученые О. Гана и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы – лантан и барий. Объяснение этого явления было дано О. Фришем и Лизой Мейтнер. Они высказали предположение, что ядро урана (а также др. тяжелые ядра) под действием нейтронов (и др. частиц) делится на несколько более легких ядер (осколков). Особенностью реакции деления ядер является то, что она сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Так как для средних ядер N ≈ Z, а для тяжелых - число нейтронов значительно превышает число протонов, то образовавшиеся осколки перегружены нейтронами, в результате чего они испускают нейтроны деления. Однако это не устраняет их перегрузку нейтронами. Осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпеть ряд - превращений, сопровождаемых испусканием γ-квантов. Так как - распад сопровождается превращением нейтрона в протон, то после цепочки - превращений соотношение между нейтронами и протонами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному элементу. Например, при делении

(14.2)

осколок деления в результате 3-х актов - распада превращается в стабильный изотоп лантана :

.

Осколки деления могут быть разнообразными, поэтому реакция (14.2) не единственная, приводящая к делению .

Большинство нейтронов при делении испускается практически мгновенно ( ), а часть (около 0,7%) спустя некоторое время после деления ( ). Первые из них называются мгновенными, а вторые – запаздывающими. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтрона. Они имеют довольно широкий энергетический спектр от 0 до 7 МэВ, причем на один нейтрон приходится энергия около 2 МэВ.

Удельная энергия связи ядер средней массы примерно на 1 МэВ больше, чем у тяжелых. Поэтому деление ядер должно сопровождаться выделением большого количества энергии. Эта энергия распределяется между осколками, нейтронами деления, а также продуктами последующего распада осколков деления. В основу теории деления атомных ядер положена капельная модель ядра (Н. Бор, Я.И. Френкель). Ядро рассматривается как капля электрически заряженной жидкости, частицы которой при попадании в нее нейтрона приходят в колебательное (с плотностью равной ядерной и подчиняющейся законам квантовой механики) движение, в результате чего ядро разрывается на 2 части.

Вероятность деления ядер определяется энергией нейтронов. Если высокоэнергетичные нейтроны вызывают деление практически всех ядер, то нейтроны в несколько мегаэлектрон-вольт – только тяжелых (А>210). Нейтроны, обладающие энергией активации (минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления) порядка 1 МэВ, вызывают деление ядер урана , тория , протактиния и плутония . Тепловыми нейтронами делятся ядра , и , (два последних изотопа в природе не встречаются).

Цепная реакция деления

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления. В результате становится возможным осуществление цепной реакции деления. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является k ≥ 1.

Не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны и большой проникающей способности нейтронов, часть их покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, некоторые нейтроны захватываются ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с процессами деления возможны и конкурирующие процессы радиационного захвата неупругого рассеяния.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа – от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной ядерной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества – критической массой.

Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т – среднее время жизни одного поколения, а N – число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их уже будет kN, т.е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN = kN – N = N (k – 1). Тогда скорость нарастания цепной реакции,

. (14.3)

Интегрируя (14.3), получим

,

где - число нейтронов в начальный момент времени, а N – их число в момент времени t. N определяется знаком (k – 1). При k > 1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k = 1 идет самоподдерживающаяся реакция, число нейтронов с течением времени не изменяется. При k < 1 – затухающая реакция.

Цепные реакции делятся на управляемые (взрыв атомной бомбы) и неуправляемые. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней (или ) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает цепная критическая реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые ядерные реакции осуществляются в ядерных реакторах.

В природе имеются три изотопа, которые могут служить ядерным топливом ( - в естественном уране его порядка 0,7%) или сырьем для его получения ( и - в естественном уране его примерно 99,3%). служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива , а , поглощая нейтроны, посредством двух последовательных - распада превращается в .

(14.4)