Политех в Сети

Сайт для Учебы

Деление ядер

Рейтинг пользователей: / 1
ХудшийЛучший 

В 1938 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из сере­дины периодической системы – барий и лантан. Объяснение этого яв­ления было дано немецкими учеными О. Фришем и Лизой Мейтнер. Они высказали предположение, что захватившее нейтрон ядро урана делит­ся на две примерно равные части, получившие название осколков де­ления.

Дальнейшие исследования показали, что деление может происхо­дить разными путями. Всего образуется около 80 различных осколков причем наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3. Кривая, изображенная на рис. 9 дает относитель­ный выход (в процентах) ос­колков разной массы, возни­кающих при делении медленными (т. е. тепловыми, находящиеся в тепловом равновесии с атомами вещества и имеющие энергию около 0,03 эВ) нейтронами (масштаб по оси ординат - логарифмический).

Р и с. 9

Из этой кривой видно, что относительное число актов деления, при которых образуются два осколка равной массы (А ≈ 117), составляет 10-2 %, в то время как образование осколков с массовыми числами порядка 95 и 140 (95 : 140 ≈ 2 : 3) наблюдается в 7% случаев.

Удельная энергия связи для ядер средней массы примерно на 1 МэВ больше, чем у тяжелых ядер (см. рис. 1). Отсюда следует, что деление ядер должно сопровождаться выделением большого коли­чества энергии. Но особенно важным оказалось то обстоятельство, что при делении каждого ядра высвобождается несколько нейтронов. Относительное количество нейтронов в тяжелых ядрах заметно боль­ше, чем в средних ядрах. Поэтому образовавшиеся осколки оказыва­ются сильно перегруженными нейтронами, в результате чего они вы­деляют по несколько нейтронов. Большинство нейтронов испускает­ся мгновенно (за время, меньшее ~ 10-14 с). Часть (около 0,75 %) нейтронов, получившая название запаздывающих нейтронов, испуска­ется не мгновенно, а с запаздыванием от 0,05 с до 1 мин. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 выделившихся нейтронов.

Выделение мгновенных и запаздывающих нейтронов не устраняет полностью перегрузку осколков деления нейтронами. Поэтому оскол­ки оказываются в большинстве радиоактивными и претерпевают цепоч­ку β- – превращений, сопровождаемых испусканием γ – лучей. По­ясним сказанное примером. Один из путей, которыми осуществляется деление, выглядит следующим образом:

Осколки деления – цезий и рубидий – претерпевают превращения:

Конечные продукты – церий и цирконий – являются стабиль­ными.

Кроме урана, при облучении нейтронами делятся торий () и протактиний (), а также трансурановый элемент плутоний (). Нейтроны сверхвысоких энергий (порядка нескольких сотен МэВ) вызы­вают деление и более легких ядер. Ядра и делятся ней­тронами любых энергий, но особенно хорошо медленными нейтронами. Тепловыми нейтронами делятся также и , но эти изотопы в природе не встречаются, они получаются искусственным путем.

Ядра делятся только быстрыми нейтронами (с энергиями, не меньшими ~ 1 МэВ). При меньших энергиях нейтроны поглощаются ядрами без последующего их деления. В результате образуется ядро , энергия возбуждения которого выделяется в виде γ – фотона. Поэтому такой процесс называется Радиационным захватом (реакция (n, γ)). Эффективное сечение этого процесса резко воз­растает при энергии нейтронов, равной примерно 7 эВ, достигая 23 000 барн (см. рис. 8). Сечение захвата ядром тепловых нейтронов составляет меньше 3 барн.

Образовавшееся в результате захвата нейтрона ядро не­стабильно (период полураспада Т равен 23 мин). Испуская электрон, антинейтрино и γ – фотон, оно превращается в ядро трансураново­го элемента нептуния . Нептуний также претерпевает β- – рас­пад (Т = 2,3 дня), превращаясь в плутоний . Эта цепочка прев­ращений выглядит следующим образом:

Плутоний α – радиоактивен, однако его период полураспада так велик (24 400 лет), что его можно считать практически стабильным.

Радиационный захват нейтронов ядром тория приводит к образованию делящегося изотопа урана , отсутствующего в природном уране:

Уран – 233 α – радиоактивен ( Т = 162 000) лет.

Испускание при делении ядер , и несколь­ких нейтронов делает возможным осуществление Цепной ядерной реак­ции. Действительно, испущенные при делении одного ядра Z ней­тронов могут вызвать деление ядер, в результате будет испуще­но Z2 новых нейтронов, которые вызовут деление Z2 ядер, и т. д. Таким образом, количество нейтронов, рождающихся в каждом поколе­нии, нарастает в геометрической прогрессии. Нейтроны, испускаемые при делении ядер , имеют в среднем энергию ~ 2 МэВ, что соответствует скорости ~ 2·109 см/с. Поэтому время, протекающее между испусканием нейтрона и захватом его новым делящимся ядром, очень мало, так что процесс размножения нейтронов в делящемся веществе протекает весьма быстро.

Нарисованная нами картина является идеальной. Процесс раз­множения нейтронов протекал бы описанным образом при условии, что все выделившиеся нейтроны поглощаются делящимися ядрами. В действительности это далеко не так. Прежде всего из-за конечных размеров делящегося тела и большой проникающей способности ней­тронов многие из них покинут зону реакции прежде, чем будут захва­чены каким-либо ядром и вызовут его деление. Кроме того, часть нейтронов поглотится ядрами неделящихся примесей, вследствие чего выйдет из игры, не вызвав деления и, следовательно, не породив новых нейтронов.

Объем тела растет как куб, а поверхность – как квадрат ли­нейных размеров. Поэтому относительная доля вылетающих наружу ней­тронов уменьшается с ростом массы делящегося вещества.

Природный уран содержит 99,27 % изотопа , 0,72 % и около 0,01 % . Следовательно, на каждое делящееся под действием медленных нейтронов ядро приходится 140 ядер , которые захватывают не слишком быстрые нейтроны без деления. Поэтому в природном уране цепная реакция деления не возникает.

Цепная ядерная реакция в уране может быть осуществлена дву­мя способами. Первый способ заключается в выделении из природно­го урана делящегося изотопа . Вследствие химической нераз­личимости изотопов разделение их представляет собой весьма трудную задачу. Однако она была решена несколькими методами.

В куске чистого (или ) каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием ~ 2,5 новых нейтронов. Однако, если масса такого куска меньше определенного критического значения, то большинство испущенных нейтронов вылетает наружу, не вызвав деления, так что цепная реакция не возникает. При массе, большей критической, нейтроны быстро размножаются, и реакция при­обретает взрывной характер. На этом основано действие атомной бомбы. Ядерный заряд такой бомбы представляет собой два или более кусков почти чистого или . Macca каждого куска меньше критической, вследствие чего цепная реакция не возникает.

В земной атмосфере всегда имеется некоторое количество ней­тронов, рожденных космическими лучами. Поэтому, чтобы вызвать взрыв, достаточно соединить части ядерного заряда в один кусок с массой, большей критической. Это нужно делать очень быстро, и соединение кусков должно быть очень плотным, В противном случае ядерный заряд разлетится на части прежде, чем успеет прореагировать замет­ная доля делящегося вещества. Для соединения используется обычное взрывчатое вещество (за­пал), с помощью которого одной частью ядерно­го заряда выстреливают в другую. Все устрой­ство заключено в массивную оболочку из метал­ла большой плотности. Оболочка служит отражате­лем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления до тех пор, пока максималь­но возможное число его ядер не выделит свою энергию при делении.

Цепная реакция в атомной бомбе идет на быстрых нейтронах. При взрыве успевает прореагиро­вать только часть ядерного заряда.

Иной способ осуществления цепной реакции используется в Ядер­ных реакторах. В качестве делящегося вещества в реакторах служит природный (либо несколько обогащенный изотопом ) уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами (который становится особенно интенсивным при энергии нейтронов, равной при­мерно 7 эВ), сравнительно небольшие блоки делящегося вещества разме­щают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки между бло­ками заполняют замедлителем, т. е. веществом, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Сечение захвата тепловых ней­тронов ядром составляет всего 3 барна, в то время как сече­ние деления тепловыми нейтронами почти в 200 раз больше (580 барн). Поэтому, хотя нейтроны сталкиваются с ядрами в 140 раз чаще, чем с ядрами , радиационный захват происходит реже, чем деление, и при больших критических размерах всего устройства коэффициент размножения нейтронов (т. е. отношение коли­чества нейтронов, рождающихся в двух последующих поколениях) мо­жет достигнуть значений, больших единицы.

Замедление нейтронов осуществляется за счет упругого рассеяния. В этом случае энергия, теряемая замедляемой частицей, зависит от со­отношения масс сталкивающихся частиц. Максимальное количество энер­гии теряется в случае, если обе частицы имеют одинаковую массу. С этой точки зрения идеальным замедлителем должно было бы быть ве­щество, содержащее обычный водород, например вода (массы протона и нейтрона примерно одинаковы). Однако такие вещества оказались непри­годными в качестве замедлителя, потому что протоны поглощают нейтро­ны, вступая с ними в реакцию

P(n, γ) d

Ядра замедлителя должны обладать малым сечением захвата нейтро­нов и большим сечением упругого рассеяния. Этому условию удовлетворя­ют дейтрон (ядро тяжелого водорода – дейтерия D), а также ядра графита (C) и бериллия (Be). Для уменьшения энергии нейтрона от 2МэВ до тепловых энергий в тяжелой воде (D2O) достаточно около 25 столкновений, в С или Be – примерно 100 столкновений.

Первый уран – графитовый реактор был пущен в декабре 1942 г. в Чикагском университете под руководством итальянского физика Э. Ферми. В Советском Союзе реактор такого же типа был пущен под руководством И. В. Курчатова в декабре 1946 г. в Москве.

Схема уран-графитового реактора приведена на рис. 10

Цифрой 1 обозначен замедлитель – графит; 2 – блоки из урана;

3 – стержни, содержащие кадмий или бор. Эти стержни служат для регу­лировки процесса в реакторе. Кадмий и бор интенсивно поглощают
нейтроны. Поэтому введение стержней в реактор уменьшает коэффициент
размножения нейтронов, а выведение – увеличивает.

Специальное автоматическое устройство, управляющее стержнями, позволяет поддерживать развиваемую в реакторе мощность на заданном уровне. Регулирование значительно облегчается тем обстоятельством, что часть нейтронов, как уже отмечалось, испускается при делении ядер не мгновенно, а с запаздыванием до 1 мин.

Первые промышленные реакторы предназначались для производства делящегося материала для атомных бомб – плутония. В таких реакто­рах часть нейтронов, испускаемых при делении ядер , идет на поддержание цепной реакции, часть же претерпевает радиационный захват ядрами , что как мы видели, приводит в конечном итоге к образованию (см. схему ). После того как в урановых бло­ках накопится достаточное количество Pu, блоки извлекаются из реактора и направляются на химическую переработку для выделения из них Pu.

Применение ядерной энергии для мирных целей было впервые осуществлено в СССР под руководством И. В. Курчатова. В 1954 г. в Советском Союзе была введена в эксплуатацию первая атомная электростанция мощностью 5000 кВт. Энергия, выделяемая в активной зоне ре­актора, снимается теплоносителем, циркулирующим в контуре. Циркуляция обеспечивается насосом. В качестве теплоносителя при­меняется вода или щелочные металлы с низкой температурой плавле­ния, например натрий (Тпл=980С). В теплообменнике теплоноси­тель отдает свое тепло воде, превращая ее в пар, вращающий турби­ну.

Реакторы с замедлителем работают на медленных (тепловых) нейтронах. Использовав горючее, обогащенное делящимся изотопом (Или ), можно построить реактор, действующий на быстрых нейтронах. Часть нейтронов в таких реакторах используется для превращения в или В , причем количество образующихся ядер, способных делиться тепловыми нейтронами, может превосходить количество делящихся ядер, израсходованных на поддержание работы реактора. Следовательно, воспроизводится боль­шее количество ядерного горючего, чем выгорает в реакторе. Поэто­му такие ядерные реакторы называют Реакторами-размножителями.

В заключение отметим, что побочными продуктами процессов, протекающих в ядерных реакторах, является радиоактивные изотопы многих химических элементов, которые находят разнообразные приме­нения в биологии, медицине и технике.