Класс

Урок № 42-43

Цепная реакция деления ядер урана. Ядерная энергетика и экология. Радиоактивность. Период полураспада.

Ядерные реакции

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер (см. § 9.5). Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами. При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:

При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения : импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам сохранения при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (то есть числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:

где M A и M B – массы исходных продуктов, M C и M D – массы конечных продуктов реакции. Величина ΔM называется дефектом масс . Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии.

1. Деление тяжелых ядер . В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана. Продолжая исследования, начатые Ферми, они установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) и др.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов: (99,3 %) и (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.

Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 МэВ. Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90–145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Продукты деления ядра урана нестабильны, так как в них содержится значительное избыточное число нейтронов. Действительно, отношение N / Z для наиболее тяжелых ядер порядка 1,6 (рис. 9.6.2), для ядер с массовыми числами от 90 до 145 это отношение порядка 1,3–1,4. Поэтому ядра-осколки испытывают серию последовательных β – -распадов, в результате которых число протонов в ядре увеличивается, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 9.8.1.
Рисунок 9.8.1. Схема развития цепной реакции.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы так называемый коэффициент размножения нейтронов был больше единицы. Другими словами, в каждом последующем поколении нейтронов должно быть больше, чем в предыдущем. Коэффициент размножения определяется не только числом нейтронов, образующихся в каждом элементарном акте, но и условиями, в которых протекает реакция – часть нейтронов может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции. Нейтроны, освободившиеся при делении ядер урана-235, способны вызвать деление лишь ядер этого же урана, на долю которого в природном уране приходится всего лишь 0,7 %. Такая концентрация оказывается недостаточной для начала цепной реакции. Изотоп также может поглощать нейтроны, но при этом не возникает цепной реакции.

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг. Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D 2 O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

В атомных бомбах цепная неуправляемая ядерная реакция возникает при быстром соединении двух кусков урана-235, каждый из которых имеет массу несколько ниже критической.

Устройство, в котором поддерживается управляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным ) реактором . Схема ядерного реактора на медленных нейтронах приведена на рис. 9.8.2.
Рисунок 9.8.2. Схема устройства ядерного реактора.

Ядерная реакция протекает в активной зоне реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями, содержащими обогащенную смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.

Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления. Пар направляется в турбину, соединенную с электрогенератором. Из турбины пар поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции является тепловой машиной, определяющей в соответствии со вторым законом термодинамики общую эффективность станции. У современных атомных электростанций коэффициент полезного действия приблизительно равен Следовательно, для производства 1000 МВт электрической мощности тепловая мощность реактора должна достигать 3000 МВт. 2000 МВт должны уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности людей, работающих на атомных электростанциях, и предотвращении случайных выбросов радиоактивных веществ, которые в большом количестве накапливаются в активной зоне реактора. При разработке ядерных реакторов этой проблеме уделяется большое внимание. Тем не менее, после аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г.) и на Чернобыльской АЭС (1986 г.), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой.

Наряду с описанным выше ядерным реактором, работающим на медленных нейтронах, большой практический интерес представляют реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа Преимущество реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β – -распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива:

Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5, то есть на 1 кг урана-235 получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах также образуется плутоний, но в гораздо меньших количествах.

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Курчатова.

2. Термоядерные реакции . Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A (рис. 9.6.1). Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2·10 –15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 10 8 –10 9 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой .

Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития

выделяется 3,5 МэВ/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17,6 МэВ. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Термоядерные реакции играют чрезвычайно важную роль в эволюции Вселенной. Энергия излучения Солнца и звезд имеет термоядерное происхождение.

Радиоактивность

Почти 90 % из известных 2500 атомных ядер нестабильны. Нестабильное ядро самопроизвольно превращается в другие ядра с испусканием частиц. Это свойство ядер называется радиоактивностью . У больших ядер нестабильность возникает вследствие конкуренции между притяжением нуклонов ядерными силами и кулоновским отталкиванием протонов. Не существует стабильных ядер с зарядовым числом Z > 83 и массовым числом A > 209. Но радиоактивными могут оказаться и ядра атомов с существенно меньшими значениями чисел Z и A. Если ядро содержит значительно больше протонов, чем нейтронов, то нестабильность обуславливается избытком энергии кулоновского взаимодействия. Ядра, которые содержали бы большой избыток нейтронов над числом протонов, оказываются нестабильными вследствие того, что масса нейтрона превышает массу протона. Увеличение массы ядра приводит к увеличению его энергии.

Явление радиоактивности было открыто в 1896 году французским физиком А. Беккерелем, который обнаружил, что соли урана испускают неизвестное излучение, способное проникать через непрозрачные для света преграды и вызывать почернение фотоэмульсии. Через два года французские физики М. и П. Кюри обнаружили радиоактивность тория и открыли два новых радиоактивных элемента – полоний и радий

В последующие годы исследованием природы радиоактивных излучений занимались многие физики, в том числе Э. Резерфорд и его ученики. Было выяснено, что радиоактивные ядра могут испускать частицы трех видов: положительно и отрицательно заряженные и нейтральные. Эти три вида излучений были названы α-, β- и γ-излучениями. На рис. 9.7.1 изображена схема эксперимента, позволяющая обнаружить сложный состав радиоактивного излучения. В магнитном поле α- и β-лучи испытывают отклонения в противоположные стороны, причем β-лучи отклоняются значительно больше. γ-лучи в магнитном поле вообще не отклоняются.

Эти три вида радиоактивных излучений сильно отличаются друг от друга по способности ионизировать атомы вещества и, следовательно, по проникающей способности. Наименьшей проникающей способностью обладает α-излучение. В воздухе при нормальных условиях α-лучи проходят путь в несколько сантиметров. β-лучи гораздо меньше поглощаются веществом. Они способны пройти через слой алюминия толщиной в несколько миллиметров. Наибольшей проникающей способностью обладают γ-лучи, способные проходить через слой свинца толщиной 5–10 см.

Во втором десятилетии XX века после открытия Э. Резерфордом ядерного строения атомов было твердо установлено, что радиоактивность – это свойство атомных ядер . Исследования показали, что α-лучи представляют поток α-частиц – ядер гелия , β-лучи – это поток электронов, γ-лучи представляют собой коротковолновое электромагнитное излучение с чрезвычайно малой длиной волны λ < 10 –10 м и вследствие этого – ярко выраженными корпускулярными свойствами, то есть является потоком частиц – γ-квантов.

Альфа-распад . Альфа-распадом называется самопроизвольное превращение атомного ядра с числом протонов Z и нейтронов N в другое (дочернее) ядро, содержащее число протонов Z – 2 и нейтронов N – 2. При этом испускается α-частица – ядро атома гелия . Примером такого процесса может служить α-распад радия:

Альфа-частицы, испускаемые ядрами атомов радия, использовались Резерфордом в опытах по рассеянию на ядрах тяжелых элементов. Скорость α-частиц, испускаемых при α-распаде ядер радия, измеренная по кривизне траектории в магнитном поле, приблизительно равна 1,5·10 7 м/с, а соответствующая кинетическая энергия около 7,5·10 –13 Дж (приблизительно 4,8 МэВ). Эта величина легко может быть определена по известным значениям масс материнского и дочернего ядер и ядра гелия. Хотя скорость вылетающей α-частицы огромна, но она все же составляет только 5 % от скорости света, поэтому при расчете можно пользоваться нерелятивистским выражением для кинетической энергии.

Исследования показали, что радиоактивное вещество может испускать α-частицы с несколькими дискретными значениями энергий. Это объясняется тем, что ядра могут находиться, подобно атомам, в разных возбужденных состояниях. В одном из таких возбужденных состояний может оказаться дочернее ядро при α-распаде. При последующем переходе этого ядра в основное состояние испускается γ-квант. Схема α-распада радия с испусканием α-частиц с двумя значениями кинетических энергий приведена на рис. 9.7.2.

Таким образом, α-распад ядер во многих случаях сопровождается γ-излучением.

В теории α-распада предполагается, что внутри ядер могут образовываться группы, состоящие из двух протонов и двух нейтронов, то есть α-частица. Материнское ядро является для α-частиц потенциальной ямой , которая ограничена потенциальным барьером . Энергия α-частицы в ядре недостаточна для преодоления этого барьера (рис. 9.7.3). Вылет α-частицы из ядра оказывается возможным только благодаря квантово-механическому явлению, которое называется туннельным эффектом . Согласно квантовой механике, существуют отличная от нуля вероятность прохождения частицы под потенциальным барьером. Явление туннелирования имеет вероятностный характер.

Бета-распад. При бета-распаде из ядра вылетает электрон. Внутри ядер электроны существовать не могут (см. § 9.5), они возникают при β-распаде в результате превращения нейтрона в протон. Этот процесс может происходить не только внутри ядра, но и со свободными нейтронами. Среднее время жизни свободного нейтрона составляет около 15 минут. При распаде нейтрон превращается в протон и электрон

Измерения показали, что в этом процессе наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новая частица получила название нейтрино (маленький нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона возникает частица, которая называется электронным антинейтрино . Она обозначается символом Поэтому реакция распада нейтрона записывается в виде

Аналогичный процесс происходит и внутри ядер при β-распаде. Электрон, образующийся в результате распада одного из ядерных нейтронов, немедленно выбрасывается из «родительского дома» (ядра) с огромной скоростью, которая может отличаться от скорости света лишь на доли процента. Так как распределение энергии, выделяющейся при β-распаде, между электроном, нейтрино и дочерним ядром носит случайный характер, β-электроны могут иметь различные скорости в широком интервале.

При β-распаде зарядовое число Z увеличивается на единицу, а массовое число A остается неизменным. Дочернее ядро оказывается ядром одного из изотопов элемента, порядковый номер которого в таблице Менделеева на единицу превышает порядковый номер исходного ядра. Типичным примером β-распада может служить превращение изотона тория возникающего при α-распаде урана в палладий

Гамма-распад . В отличие от α- и β-радиоактивности γ-радиоактивность ядер не связана с изменением внутренней структуры ядра и не сопровождается изменением зарядового или массового чисел. Как при α-, так и при β-распаде дочернее ядро может оказаться в некотором возбужденном состоянии и иметь избыток энергии. Переход ядра из возбужденного состояния в основное сопровождается испусканием одного или нескольких γ-квантов, энергия которых может достигать нескольких МэВ.

Закон радиоактивного распада . В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N(t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада.

Пусть за малый промежуток времени Δt количество нераспавшихся ядер N(t) изменилось на ΔN < 0. Так как вероятность распада каждого ядра неизменна во времени, что число распадов будет пропорционально количеству ядер N(t) и промежутку времени Δt:

Коэффициент пропорциональности λ – это вероятность распада ядра за время Δt = 1 с. Эта формула означает, что скорость изменения функции N(t) прямо пропорциональна самой функции.

где N 0 – начальное число радиоактивных ядер при t = 0. За время τ = 1 / λ количество нераспавшихся ядер уменьшится в e ≈ 2,7 раза. Величину τ называют средним временем жизни радиоактивного ядра.

Для практического использования закон радиоактивного распада удобно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e:

Величина T называется периодом полураспада . За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Величины T и τ связаны соотношением

Период полураспада – основная величина, характеризующая скорость радиоактивного распада. Чем меньше период полураспада, тем интенсивнее протекает распад. Так, для урана T ≈ 4,5 млрд лет, а для радия T ≈ 1600 лет. Поэтому активность радия значительно выше, чем урана. Существуют радиоактивные элементы с периодом полураспада в доли секунды.

Не обнаруженного в естественных условиях, и заканчивается на висмуте Эта серия радиоактивных распадов возникает в ядерных реакторах .

Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода возникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом Растения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот с периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода в останках древних организмов можно определить время их гибели.

Радиоактивное излучение всех видов (альфа, бета, гамма, нейтроны), а также электромагнитная радиация (рентгеновское излучение) оказывают очень сильное биологическое воздействие на живые организмы, которое заключается в процессах возбуждения и ионизации атомов и молекул, входящих в состав живых клеток. Под действием ионизирующей радиации разрушаются сложные молекулы и клеточные структуры, что приводит к лучевому поражению организма. Поэтому при работе с любым источником радиации необходимо принимать все меры по радиационной защите людей, которые могут попасть в зону действия излучения.

Однако человек может подвергаться действию ионизирующей радиации и в бытовых условиях. Серьезную опасность для здоровья человека может представлять инертный, бесцветный, радиоактивный газ радон Как видно из схемы, изображенной на рис. 9.7.5, радон является продуктом α-распада радия и имеет период полураспада T = 3,82 сут. Радий в небольших количествах содержится в почве, в камнях, в различных строительных конструкциях. Несмотря на сравнительно небольшое время жизни, концентрация радона непрерывно восполняется за счет новых распадов ядер радия, поэтому радон может накапливаться в закрытых помещениях. Попадая в легкие, радон испускает α-частицы и превращается в полоний который не является химически инертным веществом. Далее следует цепь радиоактивных превращений серии урана (рис. 9.7.5). По данным Американской комиссии радиационной безопасности и контроля, человек в среднем получает 55 % ионизирующей радиации за счет радона и только 11 % за счет медицинских обслуживаний. Вклад космических лучей составляет примерно 8 %. Общая доза облучения, которую получает человек за жизнь, во много раз меньше предельно допустимой дозы (ПДД), которая устанавливается для людей некоторых профессий, подвергающихся дополнительному облучению ионизирующей радиацией.

Деле́ние ядра́ - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер - экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергия связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом .

Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью. Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления ), препятствующий делению. Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью.

То, что при делении тяжёлых ядер выделяется энергия, непосредственно следует из зависимости удельной энергии связи ε = E св (A,Z)/A от массового числа А.При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра, в которых нуклоны связаны сильнее, и часть энергии при делении высвобождается. Как правило, деление ядер сопровождается вылетом 1 – 4 нейтронов. Выразим энергию деления Q дел через энергии связи начального и конечных ядер. Энергию начального ядра, состоящего из Z протонов и N нейтронов, и имеющего массу M(A,Z) и энергию связи E св (A,Z), запишем в следующем виде:

M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E св (A,Z).

Деление ядра (A,Z) на 2 осколка (A 1 ,Z 1) и (А 2 ,Z 2) сопровождается образованием N n = A – A 1 – A 2 мгновенных нейтронов. Если ядро (A,Z) разделилось на осколки с массами M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) и энергиями связи E св1 (A 1 ,Z 1), E св2 (A 2 ,Z 2), то для энергии деления имеем выражение:

Q дел = {M(A,Z) – }c 2 = E св 1 (A 1 ,Z 1) + E св (A 2 ,Z 2) – E св (A,Z),

A = A 1 + A 2 + N n , Z = Z 1 + Z 2 .

23. Элементарная теория деления.

В 1939 г. Н. Бор и Дж.Уилер , а также Я. Френкель еще задолго до того, как деление было всесторонне изучено экспериментально, предложили теорию этого процесса, основанную на представлении о ядре как о капле заряженной жидкости.

Энергия, освобождающаяся при делении, может быть получена непосредственно из формулы Вайцзеккера.

Рассчитаем величину энергии, выделяющнйся при делении тяжелого ядра. Подставим в (f.2) выражения для энергий связи ядер (f.1), полагая А 1 =240 и Z 1 = 90. Пренебрегая последним членом в (f.1) вследствие его малости и подставив значения параметров a 2 и a 3 ,получаем

Отсюда получим, что деление энергетически выгодно, когда Z 2 /A > 17. Величина Z 2 /A называется параметром делимости. Энергия Е, освобождающаяся при делении, растет с увеличением Z 2 /A ; Z 2 /A = 17 для ядер в районе иттрия и циркония. Из полученных оценок видно, что деление энергетически выгодно для всех ядер с A > 90. Почему же большинство ядер устойчиво по отношению к самопроизвольному делению? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как меняется форма ядра в процессе деления.

В процессе деления ядро последовательно проходит черезследующие стадии (рис.2): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. Как меняется потенциальная энергия ядра на различных стадиях деления? После того как деление произошло, и осколки находятся друг от друга на расстоянии, много большем их радиуса, потенциальную энергию осколков, определяемую кулоновским взаимодействием между ними, можно считать равной нулю.

Рассмотрим начальную стадию деления, когда ядро с увеличением r принимает форму все более вытянутого эллипсоида вращения. На этой стадии деления r - мера отклонения ядра от сферической формы (рис.3). Вследствие эволюции формы ядра изменение его потенциальной энергии определяется изменением суммы поверхностной и кулоновской энергий Е" п + Е" к. Предполагается, что объем ядра в процессе деформации остается неизменным. Поверхностная энергия Е" п при этом возрастает, так как увеличивается площадь поверхности ядра. Кулоновская энергия Е" к уменьшается, так как увеличивается среднее расстояние между нуклонами. Пусть сферическое ядро в результате незначительной деформации, характеризующейся малым параметром, приняло форму аксиально-симметричного эллипсоида. Можно показать, что поверхностная энергия Е" п и кулоновская энергия Е" к в зависимости от меняются следующим образом:

В случае малых эллипсоидальных деформаций рост поверхностной энергии происходит быстрее, чем уменьшение кулоновской энергии. В области тяжелых ядер 2Е п > Е к сумма поверхностной и кулоновской энергий увеличивается с увеличением . Из (f.4) и (f.5) следует, что при малых эллипсоидальных деформациях рост поверхностной энергии препятствует дальнейшему изменению формы ядра, а, следовательно, и делению. Выражение (f.5) справедливо для малых значений(малых деформаций). Если деформация настолько велика, что ядро принимает форму гантели, то силы поверхностного натяжения, как и кулоновские силы, стремятся разделить ядро и придать осколкам шарообразную форму. На этой стадии деления увеличение деформации сопровождается уменьшением как кулоновской, так и поверхностной энергии. Т.е. при постепенном увеличении деформации ядра его потенциальная энергия проходит через максимум. Теперь r имеет смысл расстояния между центрами будущих осколков. При удалении осколков друг от друга, потенциальная энергия их взаимодействия будет уменьшатся, так как уменьшается энергия кулоновского отталкивания Е к. Зависимость потенциальной энергии от расстояния между осколками показана на рис. 4. Нулевой уровень потенциальной энергии соответствует сумме поверхностной и кулоновской энергий двух невзаимодействующих осколков. Наличие потенциального барьера препятствует мгновенному самопроизвольному делению ядер. Для того чтобы ядро мгновенно разделилось, ему необходимо сообщить энергию Q, превышающую высоту барьера Н. Максимум потенциальной энергии делящегося ядра примерно равен е 2 Z 2 /(R 1 +R 2), где R 1 и R 2 - радиусы осколков. Например, при делении ядра золота на два одинаковых осколка е 2 Z 2 /(R 1 +R 2) = 173 МэВ, а величина энергии Е, освобождающейся при делении (см. формулу (f.2) ), равна 132 МэВ. Таким образом, при делении ядра золота необходимо преодолеть потенциальный барьер высотой около 40 Мэв. Высота барьера Н тем больше, чем меньше отношение кулоновской и поверхностной энергии Е к /Е п в начальном ядре. Это отношение, в свою очередь, увеличивается с увеличением параметра делимости Z 2 /А (см. (f.4) ). Чем тяжелее ядро, тем меньше высота барьера Н, так как параметр делимости увеличивается с ростом массового числа:

Т.е. согласно капельной модели в природе должны отсутствовать ядра с Z 2 /А > 49, так как они практически мгновенно (за характерное ядерное время порядка 10 -22 с) самопроизвольно делятся. Существование атомных ядер с с Z 2 /А > 49 ("остров стабильности") объясняется оболочечной структурой. Зависимость формы, высоты потенциального барьера H и энергии деления E от величины параметра делимости Z 2 /А показана на рис. 5.

Самопроизвольное деление ядер с Z 2 /А < 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 лет для 232 Th до 0.3 с для 260 Кu. Вынужденное деление ядер с Z 2 /А < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.

В 1934 г. Э. Ферми решил получить трансурановые элементы, облучая 238 U нейтронами. Идея Э. Ферми заключалась в том, что в результате β - -распада изотопа 239 U образуется химический элемент с порядковым номером Z = 93. Однако идентифицировать образование 93-его элемента не удавалось. Вместо этого в результате радиохимического анализа радиоактивных элементов, выполненного О.Ганом и Ф.Штрассманом, было показано, что одним из продуктов облучения урана нейтронами является барий (Z = 56) – химический элемент среднего атомного веса, в то время как согласно предположению теории Ферми должны были получаться трансурановые элементы.
Л. Мейтнер и О. Фриш высказали предположение, что в результате захвата нейтрона ядром урана происходит развал составного ядра на две части

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Процесс деления урана сопровождается появлением вторичных нейтронов (x > 1), способных вызвать деление других ядер урана, что открывает потенциальную возможность возникновения цепной реакции деления – один нейтрон может дать начало разветвленной цепи делений ядер урана. При этом число разделившихся ядер должно возрастать экспоненциально. Н. Бор и Дж. Уиллер рассчитали критическую энергию необходимую, чтобы ядро 236 U, образовавшееся в результате захвата нейтрона изотопом 235 U, разделилось. Эта величина равна 6,2 МэВ, что меньше энергии возбуждения изотопа 236 U, образующегося при захвате теплового нейтрона 235 U. Поэтому при захвате тепловых нейтронов возможна цепная реакция деления 235 U. Для наиболее распространенного изотопа 238 U критическая энергия равна 5,9 МэВ, в то время как при захвате теплового нейтрона энергия возбуждения образовавшегося ядра 239 U составляет только 5,2 МэВ. Поэтому цепная реакция деления наиболее распространенного в природе изотопа 238 U под действием тепловых нейтронов оказывается невозможной. В одном акте деления высвобождается энергия ≈ 200 МэВ (для сравнения в химических реакциях горения в одном акте реакции выделяется энергия ≈ 10 эВ). Возможности создания условий для цепной реакции деления открыли перспективы использования энергии цепной реакции для создания атомных реакторов и атомного оружия. Первый ядерный реактор был построен Э.Ферми в США в 1942 г. В СССР первый ядерный реактор был запущен под руководством И.Курчатова в 1946 г. В 1954 г. в г. Обнинске начала работать первая в мире атомная электро­станция. В настоящее время электрическая энергия вырабатывается примерно в 440 ядерных реакторах в 30 странах мира.
В 1940 г. Г.Флеров и К.Петржак открыли спонтанное деление урана. О сложности проведения эксперимента свидетельствуют следующие цифры. Парциальный период полураспада по отношению спонтанному делению изотопа 238 U составляет 10 16 –10 17 лет, в то время как период распада изотопа 238 U составляет 4.5∙10 9 лет. Основным каналом распада изотопа 238 U является α-распад. Для того, чтобы наблюдать спонтанное деление изотопа 238 U, нужно было регистрировать один акт деления на фоне 10 7 –10 8 актов α-распада.
Вероятность спонтанного деления в основном определяется проницаемостью барьера деления. Вероятность спонтанного деления увеличивается с увеличением заряда ядра, т.к. при этом увеличивается параметр деления Z 2 /A. В изотопах Z < 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z > 100 преобладает симметричное деление с образованием одинаковых по массе осколков. С увеличением заряда ядра доля спонтанного деления по сравнению с α-распадом увеличивается.

Изотоп Период полураспада Каналы распада
235 U 7.04·10 8 лет α (100%), SF (7·10 -9 %)
238 U 4.47·10 9 лет α (100%), SF (5.5·10 -5 %)
240 Pu 6.56·10 3 лет α (100%), SF (5.7·10 -6 %)
242 Pu 3.75·10 5 лет α (100%), SF (5.5·10 -4 %)
246 Cm 4.76·10 3 лет α (99,97%), SF (0.03%)
252 Cf 2.64 лет α (96,91%), SF (3.09%)
254 Cf 60.5 лет α (0,31%), SF (99.69%)
256 Cf 12.3 лет α (7.04·10 -8 %), SF (100%)

Деление ядер. История

1934 г. − Э. Ферми, облучая уран тепловыми нейтронами, обнаружил среди продуктов реакции радиоактивные ядра, природу которых установить не удалось.
Л. Сциллард выдвинул идею цепной ядерной реакции.

1939 г. − О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили среди продуктов реакций барий.
Л. Мейтнер и О. Фриш впервые объявили, что под действием нейтронов происходило деление урана на два сравнимых по массе осколка.
Н. Бор и Дж. Уилер дали количественную интерпретацию деления ядра, введя параметр деления.
Я. Френкель развил капельную теорию деления ядер медленными нейтронами.
Л. Сциллард, Э. Вигнер, Э. Ферми, Дж. Уилер, Ф. Жолио-Кюри, Я. Зельдович, Ю. Харитон обосновали возможность протекания в уране цепной ядерной реакции деления.

1940 г. − Г. Флеров и К. Петржак открыли явление спонтанного деления ядер урана U.

1942 г. − Э. Ферми осуществил управляемую цепную реакцию деления в первом атомного реакторе.

1945 г. − Первое испытание ядерного оружия (штат Невада, США). На японские города Хиросима (6 августа) и Нагасаки (9 августа) американскими войсками были сброшены атомные бомбы.

1946 г. − Под руководством И.В. Курчатова был пущен первый в Европе реактор.

1954 г. − Запущена первая в мире атомная электростанция (г. Обнинск, СССР).

Деление ядер. С 1934 г. Э.Ферми стал применять нейтроны для бомбардировки атомов. С тех пор количество устойчивых или радиоактивных ядер, полученных путем искусственного превращения, возросло до многих сотен, и почти все места периодической системы заполнились изотопами.
Атомы, возникающие во всех этих ядерных реак­циях, занимали в периодической системе то же место, что и бомбардированный атом, или соседние места. Поэтому произвело большую сенсацию доказательство Ганом и Штрассманом в 1938 г. того, что при обстреле нейтронами последнего элемента периодической системы − урана − происходит распад на элементы, которые стоят в средних частях периодической системы. Здесь выступают различные виды распада. Возникаю­щие атомы в большинстве своем неустойчивы и тотчас же распадаются дальше; у некоторых время полурас­пада измеряется секундами, так что Ган должен был применить аналитический метод Кюри для продления такого быстрого процесса. Важно отметить, что стоя­щие перед ураном элементы, протактиний и торий, также обнаруживают подобный распад под действием нейтронов, хотя для того, чтобы распад начался, требуется более высокая энергия нейтронов, чем в случае урана. Наряду с этим в 1940 г. Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обнаружили спонтанное расщепление уранового ядра с самым большим из известных до тех пор периодом полураспада: около 2 ·10 15 лет; этот факт становится явным благодаря освобождающимся при этом нейтронам. Так явилась возможность понять, почему «естественная» периодическая система заканчивается тремя названными элементами. Теперь стали известны трансурановые элементы, но они настолько неустойчивы, что быстро распадаются.
Расщепление урана посредством нейтронов дает те­перь возможность того использования атомной энер­гии, которое уже многим мерещилось, как «мечта Жюля Верна».

М. Лауэ, «История физики»

1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман, облучая соли урана тепловыми нейтронами, обнаружили среди продуктов реакции барий (Z = 56)


Отто Ганн
(1879 – 1968)

Деление ядер – расщепление ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, которые называют осколками деления. При делении возникают и другие частицы – нейтроны, электроны, α-частицы. В результате деления высвобождается энергия ~200 МэВ. Деление может быть спонтанным либо вынужденным под действием других частиц, чаще всего нейтронов.
Характерной особенностью деления является то, что осколки деления, как правило, существенно различаются по массам, т. е. преобладает асимметричное деление. Так, в случае наиболее вероятного деления изотопа урана 236 U, отношение масс осколков равно 1.46. Тяжёлый осколок имеет при этом массовое число 139 (ксенон), а легкий – 95 (стронций). С учётом испускания двух мгновенных нейтронов рассматриваемая реакция деления имеет вид

Нобелевская премия по химии
1944 г. – О. Ган.
За открытие реакции деления ядер урана нейтронами.

Осколки деления


Зависимость средних масс легкой и тяжелой групп осколков от массы делящегося ядра.

Открытие деления ядер. 1939 г.

Я приехал в Швецию, где Лизе Мейтнер страдала от одиночества, и я, как преданный племянник, решил навестить ее на рождество. Она жила в маленьком отеле Кунгэльв около Гетеборга. Я застал ее за завтраком. Она обдумывала письмо, только что полученное ею от Гана. Я был весьма скептически настроен относительно содержания письма, в котором сообщалось об образовании бария при облучении урана нейтронами. Однако ее привлекла такая возможность. Мы гуляли по снегу, она пешком, я на лыжах (она сказала, что может проделать этот путь, не отстав от меня, и доказала это). К концу прогулки мы уже могли сформулировать некоторые выводы; ядро не раскалывалось, и от него не отлетали куски, а это был процесс, скорее напоминавший капельную модель ядра Бора; подобно капле ядро могло удлиняться и делиться. Затем я исследовал, каким образом электрический заряд нуклонов уменьшает поверхностное натяжение, которое, как мне удалось установить, падает до нуля при Z = 100 и, возможно, весьма мало для урана. Лизе Мейтнер занималась определением энергии, выделяющейся при каждом распаде из-за дефекта массы. Она очень ясно представляла себе кривую дефекта масс. Оказалось, что за счет электростатического отталкивания элементы деления приобрели бы энергию около 200 МэВ, а это как раз соответствовало энергии, связанной с дефектом массы. Поэтому процесс мог идти чисто классически без привлечения понятия прохождения через потенциальный барьер, которое, конечно, оказалось бы тут бесполезным.
Мы провели вместе два или три дня на рождество. Затем я вернулся в Копенгаген и едва успел сообщить Бору о нашей идее в тот самый момент, когда он уже садился на пароход, отправляющийся в США. Я помню, как он хлопнул себя по лбу, едва я начал говорить, и воскликнул: «О, какие мы были дураки! Мы должны были заметить это раньше». Но он не заметил, и никто не заметил.
Мы с Лизе Мейтнер написали статью. При этом мы постоянно поддерживали связь по междугородному телефону Копенгаген – Стокгольм.

О. Фриш, Воспоминания. УФН. 1968. Т. 96, вып.4, с. 697.

Спонтанное деление ядер

В описанных ниже опытах мы использовали метод, впервые предложенный Фришем для регистрации процессов деления ядер. Ионизационная камера с пластинами, покрытыми слоем окиси урана, соединяется с линейным усилителем, настроенным таким образом, что α частицы, вылетающие из урана, не регистрируются системой; импульсы же от осколков, намного превышающие по величине импульсы от α-частиц, отпирают выходной тиратрон и считаются механическим реле.
Была специально сконструирована ионизационная камера в виде многослойного плоского конденсатора с общей площадью 15 пластин в 1000 см. Пластины, расположенные друг от друга на расстоянии 3 мм, были покрыты слоем окиси урана 10-20 мг/см 2 .
В первых же опытах с настроенным для счета осколков усилителем удалось наблюдать самопроизвольные (в отсутствие источника нейтронов) импульсы на реле и осциллографе. Число этих импульсов было невелико (6 в 1 час), и вполне понятно поэтому, что это явление не могло наблю­даться с камерами обычного типа…
Мы склонны думать, что наблюдаемый нами эффект следует приписать осколкам, получающимся в результате спонтанного деления урана…

Спонтанное деление следует приписать одному из невозбужденных изотопов U с периодами полураспада, полученными из оценки наших результатов:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 лет,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 лет,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 лет.

Распад изотопа 238 U

Спонтанное деление ядер


Периоды полураспада спонтанно делящихся изотопов Z = 92 - 100

Первая экспериментальная система с уран-графитовой решёткой была построена в 1941 г. под руководством Э. Ферми. Она представляла собой графитовый куб с ребром длиной 2,5 м, содержащий около 7 т окиси урана, заключенной в железные сосуды, которые были размещены в кубе на одинаковых расстояниях друг от друга. На дне уран-графитовой решётки был помещён RaBe источник нейтронов. Коэффициент размножения в такой системе был ≈ 0.7. Окись урана содержала от 2 до 5% примесей. Дальнейшие усилия были направлены на получение более чистых материалов и к маю 1942 г. была получены окись урана, в которой примесь составляла меньше 1%. Чтобы обеспечить цепную реакцию деления, было необходимо использовать большое количество графита и урана – порядка нескольких тонн. Примеси должны были составлять меньше нескольких миллионных долей. Реактор, собранный к концу 1942 г. Ферми в Чикагском университете, имел форму срезанного сверху неполного сфероида. Он содержал 40 т урана и 385 т графита. Вечером 2 декабря 1942 г. после того, как были убраны стержни нейтронного поглотителя, было обнаружено, что внутри реактора происходит цепная ядерная реакция. Измеренный коэффициент составлял 1.0006. Вначале реактор работал на уровне мощности 0.5 Вт. К 12 декабря его мощность была увеличена до 200 Вт. В дальнейшем реактор был перенесен в более безопасное место, и мощность его была повышена до нескольких кВт. При этом реактор потреблял 0.002 г урана-235 в день.

Первый ядерный реактор в СССР

Здание для первого в СССР исследовательского ядерного реактора Ф-1 было готово к июню 1946 г.
После того как были проведены все необходимые эксперименты, раз­работана система управления и защиты реактора, установлены размеры реактора, проведены все необходимые опыты с моделями реактора, определена плотность нейтронов на нескольких моделях, получены графитовые блоки (так называемой ядерной чистоты) и (после нейтронно-физической проверки) урановые блочки, в ноябре 1946 г. приступили к сооружению реактора Ф-1.
Общий радиус реактора был 3,8 м. Для него потребовалось 400 т графита и 45 т урана. Реактор собирали слоями и в 15 ч 25 декабря 1946 г. был собран последний, 62-й слой. После извлечения так называемых аварийных стержней был произведен подъем регулирующего стержня, начался отсчет плотности нейтронов, и в 18 ч 25 декабря 1946 г. ожил, заработал первый в СССР реактор. Это была волнующая победа ученых - создателей ядерного реактора и всего советского народа. А через полтора года, 10 июня 1948 г., промышленный реактор с водой в каналах достиг критического состояния и вскоре началось промышленное производство нового вида ядерного горючего − плутония.

Ядерные реакции. Взаимодействие частицы с атомным ядром, приводящее к превращению этого ядра в новое ядро с выделением вторичных частиц или гамма-квантов, называется ядерной реакцией.

Первая ядерная реакция была осуществлена Резерфордом в 1919 г. Он обнаружил, что при столкновениях альфа-частиц с ядрами атомов азота образуются быстро движущиеся протоны. Это означало, что ядро изотопа азота в результате столкновения с альфа-частицей превращалось в ядро изотопа кислорода :

.

Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии. Используя закон взаимосвязи массы и энергии, энергетический выход ядерной реакции можно определить, найдя разность масс частиц, вступающих в реакцию, и продуктов реакции:

Цепная реакция деления ядер урана. Среди различных ядерных реакций особо важное значение в жизни современного человеческого общества имеют цепные реакции деления некоторых тяжелых ядер.

Реакция деления ядер урана при бомбардировке их нейтронами была открыта в 1939 г. В результате экспериментальных и теоретических исследований, выполненных Э. Ферми, И. Жолио-Кюри, О. Ганом, Ф. Штрассманом, Л. Мейтнер, О. Фришем, Ф. Жолио-Кюри, было установлено, что при попадании в ядро урана одного нейтрона ядро делится на две-три части.

При делении одного ядра урана освобождается около 200 МэВ энергии. На кинетическую энергию движения ядер-осколков приходится примерно 165 МэВ, остальную энергию уносят гамма-кванты.

Зная энергию, выделяющуюся при делении одного ядра урана, можно подсчитать, что выход энергии при делении всех ядер 1 кг урана составляет 80 тысяч миллиардов джоулей. Это в несколько миллионов раз больше, чем выделяется при сжигании 1 кг каменного угля или нефти. Поэтому были предприняты поиски путей освобождения ядерной энергии в значительных количествах для использования ее в практических целях.

Впервые предположение о возможности осуществления цепных ядерных реакций высказал Ф. Жолио-Кюри в 1934 г. Он же в 1939 г. вместе с X. Xалбаном и Л. Коварски экспериментально обнаружил, что при делении ядра урана, кроме осколков-ядер, вылетают также 2-3 свободных нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. При делении трех ядер урана должно освободиться 6-9 новых нейтронов, они попадут в новые ядра урана и т.д. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рисунке 316.

Рис. 316

Практическое осуществление цепных реакций - не такая простая задача, как это выглядит на схеме. Нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, способны вызывать деление лишь ядер изотопа урана с массовым числом 235, для разрушения же ядер изотопа урана с массовым числом 238 их энергия оказывается недостаточной. В природном уране на долю урана с массовым числом 238 приходится 99,8%, а на долю урана с массовым числом 235 - всего лишь 0,7%. Поэтому первый возможный путь осуществления цепной реакции деления связан с разделением изотопов урана и получением в чистом виде в достаточно больших количествах изотопа . Необходимое условие для осуществления цепной реакции - наличие достаточно большого количества урана, так как в образце малых размеров большинство нейтронов пролетает сквозь образец, не попав ни в одно ядро. Минимальная масса урана, в котором может возникнуть цепная реакция, называется критической массой. Критическая масса для урана-235 - несколько десятков килограммов.



Простейшим способом осуществления цепной реакции в уране-235 является следующий: изготавливают два куска металлического урана, каждый с массой, несколько меньшей критической. Цепная реакция в каждом из них в отдельности идти не может. При быстром соединении этих кусков развивается цепная реакция и выделяется колоссальная энергия. Температура урана достигает миллионов градусов, сам уран и любые другие вещества, находящиеся поблизости, превращаются в пар. Раскаленный газообразный шар быстро расширяется, сжигая и разрушая все на своем пути. Так происходит ядерный взрыв.

Использовать энергию ядерного взрыва в мирных целях очень трудно, так как выделение энергии при этом не поддается контролю. Управляемые цепные реакции деления ядер урана осуществляются в ядерных реакторах.

Ядерный реактор. Первыми ядерными реакторами были реакторы на медленных нейтронах (рис. 317). Большинство нейтронов, освобождающихся при делении ядер урана, обладают энергией 1-2 МэВ. Скорости их при этом равны примерно 107 м/с, поэтому их называют быстрыми нейтронами. При таких энергиях нейтроны взаимодействуют с ядрами урана и урана примерно с одинаковой эффективностью. А так как ядер урана в природном уране в 140 раз больше, чем ядер урана , большая часть этих нейтронов поглощается ядрами урана и цепная реакция не развивается. Нейтроны, движущиеся со скоростями, близкими к скорости теплового движения (около 2·10 3 м/с), называются медленными или тепловыми. Медленные нейтроны хорошо взаимодействуют с ядрами урана-235 и поглощаются ими в 500 раз эффективнее, чем быстрые. Поэтому при облучении природного урана медленными нейтронами большая часть их поглощается не в ядрах урана-238, а в ядрах урана-235 и вызывает их деление. Следовательно, для развития цепной реакции в природном уране скорости нейтронов должны быть уменьшены до тепловых.

Рис. 317

Замедление нейтронов происходит в результате столкновения с атомными ядрами среды, в которой они движутся. Для замедления нейтронов в реакторе используется специальное вещество, называемое замедлителем. Ядра атомов вещества-замедлителя должны обладать сравнительно небольшой массой, так как при столкновении с легким ядром нейтрон теряет энергию большую, чем при столкновении с тяжелым. Наиболее распространенными замедлителями являются обычная вода и графит.

Пространство, в котором протекает цепная реакция, называется активной зоной реактора. Для уменьшения утечки нейтронов активную зону реактора окружают отражателем нейтронов, отбрасывающим значительную часть вылетающих нейтронов внутрь активной зоны. В качестве отражателя используют обычно то же вещество, которое служит замедлителем.

Энергия, выделяющаяся при работе реактора, выводится при помощи теплоносителя. В качестве теплоносителя могут использоваться лишь жидкости и газы, не обладающие способностью поглощать нейтроны. Широко применяется в качестве теплоносителя обычная вода, иногда применяются углекислый газ и даже жидкий металлический натрий.

Управление реактором осуществляется с помощью специальных управляющих (или регулирующих) стержней, вводимых в активную зону реактора. Управляющие стержни изготавливаются из соединений бора или кадмия, поглощающих тепловые нейтроны с очень большой эффективностью. Перед началом работы реактора их полностью вводят в его активную зону. Поглощая значительную часть нейтронов, они делают невозможным развитие цепной реакции. Для запуска реактора управляющие стержни постепенно выводят из активной зоны до тех пор, пока выделение энергии не достигнет заданного уровня. При увеличении мощности свыше установленного уровня включаются автоматы, погружающие управляющие стержни в глубь активной зоны.

Ядерная энергетика. Ядерная энергия на службу мира была поставлена впервые в нашей стране. Первым организатором и руководителем работ по атомной науке и технике в СССР был академик Игорь Васильевич Курчатов (1903-1960).

В настоящее время крупнейшая в СССР и в Европе Ленинградская АЭС им. В.И. Ленина имеет мощность 4000 МВт, т.е. в 800 раз большую мощности первой АЭС.

Себестоимость электроэнергии, вырабатываемой на крупных атомных электростанциях, ниже себестоимости электроэнергии, вырабатываемой на тепловых электростанциях. Поэтому атомная энергетика развивается ускоренными темпами.

Ядерные реакторы применяются в качестве силовых установок на морских кораблях. Первый в мире мирный корабль с ядерной силовой установкой - атомный ледокол "Ленин" - был построен в Советском Союзе в 1959 г.

Советский атомный ледокол "Арктика", построенный в 1975 г., стал первым в мире надводным кораблем, достигшим Северного полюса.

Термоядерная реакция. Ядерная энергия освобождается не только в ядерных реакциях деления тяжелых ядер, но и в реакциях соединения легких атомных ядер.

Для соединения одноименно заряженных протонов необходимо преодолеть кулоновские силы отталкивания, что возможно при достаточно больших скоростях сталкивающихся частиц. Необходимые условия для синтеза ядер гелия из протонов имеются в недрах звезд. На Земле термоядерная реакция синтеза осуществлена при экспериментальных термоядерных взрывах.

Синтез гелия из легкого изотопа водорода происходит при температуре около 108 К, а для синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода - дейтерия и трития - по схеме

требуется нагревание примерно до 5·10 7 К.

При синтезе 1 г гелия из дейтерия и трития выделяется энергия 4,2·10 11 Дж. Такая энергия выделяется при сжигании 10 тонн дизельного топлива.

Запасы водорода на Земле практически неисчерпаемы, поэтому использование энергии термоядерного синтеза в мирных целях является одной из важнейших задач современной науки и техники.

Управляемую термоядерную реакцию синтеза гелия из тяжелых изотопов водорода путем нагревания предполагается осуществить путем пропускания электрического тока через плазму. Для удержания нагретой плазмы от соприкосновения со стенками камеры применяется магнитное поле. На экспериментальной установке "Токамак-10" советским физикам удалось нагреть плазму до температуры 13 млн. градусов. До более высоких температур водород может быть нагрет с помощью лазерного излучения. Для этого световые пучки от нескольких лазеров должны быть сфокусированы на стеклянном шарике, внутри которого заключена смесь тяжелых изотопов дейтерия и трития. В экспериментах на лазерных установках уже получена плазма с температурой в несколько десятков миллионов градусов.

Энергия E, высвобождающаяся при делении, растет с увеличением Z 2 /A. Величина Z 2 /A = 17 для 89 Y (иттрия). Т.е. деление энергетически выгодно для всех ядер тяжелее иттрия. Почему же большинство ядер устойчиво по отношению к самопроизвольному делению? Чтобы ответить на этот вопрос, необходимо рассмотреть механизм деления.

В процессе деления происходит изменение формы ядра. Ядро последовательно проходит через следующие стадии (рис. 7.1): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. Как при этом изменяется потенциальная энергия ядра на различных стадиях деления?
Первоначальное ядро с увеличением r принимает форму все более вытянутого эллипсоида вращения. В этом случае вследствие эволюции формы ядра изменение его потенциальной энергии определяется изменением суммы поверхностной и кулоновской энергий E п + E к. Поверхностная энергия при этом возрастает, так как увеличивается площадь поверхности ядра. Кулоновская энергия уменьшается, так как увеличивается среднее расстояние между протонами. Если при незначительной деформации, характеризующейся малым параметром , исходное ядро приняло форму аксиально симметричного эллипсоида, поверхностная энергия E" п и кулоновская энергия E" к как функции параметра деформации изменяются следующим образом:

В соотношениях (7.4–7.5) E п и E к – поверхностная и кулоновская энергии исходного сферически симметричного ядра.
В области тяжелых ядер 2E п > E к и сумма поверхностной и кулоновской энергий растет с увеличением . Из (7.4) и (7.5) следует, что при малых деформациях рост поверхностной энергии препятствует дальнейшему изменению формы ядра, а следовательно, и делению.
Соотношение (7.5) справедливо для малых деформаций . Если деформация настолько велика, что ядро принимает форму гантели, то поверхностные и кулоновские силы, стремятся разделить ядро и придать осколкам сферическую форму. Таким образом, при постепенном увеличении деформации ядра его потенциальная энергия проходит через максимум. График изменения поверхностной и кулоновской энергий ядра в зависимости от r показан на рис. 7.2.

Наличие потенциального барьера препятствует мгновенному самопроизвольному делению ядер. Для того чтобы ядро разделилось, ему необходимо сообщить энергию Q, превышающую высоту барьера деления H. Максимум потенциальной энергии делящегося ядра E + H (например золота) на два одинаковых осколка ≈ 173 МэВ, а величина энергии E, освобождающейся при делении, равна 132 МэВ. Таким образом, при делении ядра золота необходимо преодолеть потенциальный барьер высотой около 40 МэВ.
Высота барьера деления H тем больше, чем меньше отношение кулоновской и поверхностной энергии Е к /Е п в начальном ядре. Это отношение, в свою очередь, увеличивается с увеличением параметра деления Z 2 /А (7.3). Чем тяжелее ядро, тем меньше высота барьера деления H, так как параметр деления в предположении, что Z пропорционально A, увеличивается с ростом массового числа:

Е к /Е п = (a 3 Z 2)/(a 2 A) ~ A. (7.6)

Поэтому более тяжелым ядрам, как правило, нужно сообщить меньшую энергию, чтобы вызвать деление ядра.
Высота барьера деления обращается в нуль при 2E п – E к = 0 (7.5). В этом случае

2E п /E к = 2(a 2 A)/(a 3 Z 2),

Z 2 /A = 2a 2 /(a 3 Z 2) ≈ 49.

Таким образом, согласно капельной модели в природе не могут существовать ядра с Z 2 /A > 49, так как они должны практически мгновенно за характерное ядерное время порядка 10 –22 с самопроизвольно разде­литься на два осколка. Зависимости формы и высоты потенциального барьера H, а также энергии деления от величины параметра Z 2 /A показаны на рис. 7.3.

Рис. 7.3. Радиальная зависимость формы и высоты потенциального барьера и энергии деления E при различных величинах параметра Z 2 /A. На вертикальной оси отложена величина E п + E к.

Самопроизвольное деление ядер с Z 2 /A < 49, для которых высота барьера H не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. Однако в квантовой механике такое деление возможно за счет туннельного эффекта – прохождения осколков деления через потенциальный барьер. Оно носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра деления Z 2 /A, т. е. с уменьшением высоты барьера деления. В целом период спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от T 1/2 > 10 21 лет для 232 Th до 0,3 с для 260 Rf.
Вынужденное деление ядер с Z 2 /A < 49 может быть вызвано их возбуждением фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, a частицами и другими частицами, если вносимая в ядро энергия достаточна для преодоления барьера деления.
Минимальное значение энергии возбуждения составного ядра E*, образующегося при захвате нейтрона равно энергии связи нейтрона в этом ядре ε n . В таблице 7.1 сравниваются высота барьера H и энергия связи нейтрона ε n для изотопов Th, U, Pu, образующихся после захвата нейтрона. Энергия связи нейтрона зависит от числа нейтронов в ядре. За счёт энергии спаривания энергия связи четного нейтрона больше энергии связи нечетного нейтрона.

Таблица 7.1

Высота барьера деления H, энергия связи нейтрона ε n

Изотоп Высота барьера деления H, МэВ Изотоп Энергия связи нейтрона ε n
232 Th 5.9 233 Th 4.79
233 U 5.5 234 U 6.84
235 U 5.75 236 U 6.55
238 U 5.85 239 U 4.80
239 Pu 5.5 240 Pu 6.53

Характерной особенностью деления является то, что осколки, как правило, имеют различные массы. В случае наиболее вероятного деления 235 U отношение масс осколков в среднем равно ~ 1.5. Распределение по массам осколков деления 235 U тепловыми нейтронами показано на рис. 7.4. Для наиболее вероятного деления тяжелый осколок имеет массовое число 139, легкий – 95. Среди продуктов деления имеются осколки с A = 72 – 161 и Z = 30 – 65. Вероятность деления на два равных по массе осколка не равна нулю. При делении 235 U тепловыми нейтронами вероятность симметричного деления примерно на три порядка меньше, чем в случае наиболее вероятного деления на осколки с A = 139 и 95.
Асимметричное деление объясняется оболочечной структурой ядра. Ядро стремится разделиться таким образом, чтобы основная часть нуклонов каждого осколка образовала наиболее устойчивый магический остов.
Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре 235 U N/Z = 1.55, в то время как у стабильных изотопов, имеющих массовое число, близкое к массовому числу осколков, это отношение 1.25 − 1.45. Следовательно, осколки деления оказываются сильно перегружеными нейтронами и должны быть
β - радиоактивны. Поэтому, осколки деления испытывают последовательные β - -распады, причем заряд первичного осколка может изменяться на 4 − 6 единиц. Ниже приведена характерная цепочка радиоактивных распадов 97 Kr – одного из осколков, образующегося при делении 235 U:

Возбуждение осколков, вызванное нарушением соотношения числа протонов и нейтронов, характерного для стабильных ядер, снимается также за счет вылета мгновенных нейтронов деления. Эти нейтроны испускаются движущимися осколками за время, меньшее, чем ~ 10 -14 с. В среднем в каждом акте деления испускается 2 − 3 мгновенных нейтрона. Их энергетический спектр непрерывный с максимумом около 1 МэВ. Средняя энергия мгновенного нейтрона близка к 2 МэВ. Испускание более чем одного нейтрона, в каждом акте деления делает возможным получение энергии за счет цепной ядерной реакции деления.
При наиболее вероятном делении 235 U тепловыми нейтронами лёгкий осколок (A = 95) приобретает кинетическую энергию ≈ 100 МэВ, а тяжёлый (A = 139) – около 67 МэВ. Таким образом, суммарная кинетическая энергия осколков ≈ 167 МэВ. Полная энергия деления в данном случае составляет 200 МэВ. Таким образом, оставшаяся энергия (33 МэВ) распределяется между другими продуктами деления (нейтроны, электроны и антинейтрино β - -распада осколков, γ-излучение осколков и продуктов их распада). Распределение энергии деления между различными продуктами при делении 235 U тепловыми нейтронами дано в таблице 7.2.

Таблица 7.2

Распределение энергии деления 235 U тепловыми нейтронами

Продукты ядерного деления (ПЯД) представляют собой сложную смесь более чем 200 радиоактивных изотопов 36 элементов (от цинка до гадолиния). Большую часть ак­тивности составляют короткоживущие радионуклиды. Так, через 7, через 49 и через 343 суток после взрыва активность ПЯД снижается соответственно в 10, 100 и 1000 раз по сравнению с активностью через час после взрыва. Выход наиболее биологически зна­чимых радионуклидов приведен в таблице 7.3. Кроме ПЯД радиоактивное загрязнение обусловлено радионуклидами наведенной активности (3 H, 14 C, 28 Al, 24 Nа, 56 Mn, 59 Fe , 60 Cо и др.) и неразделившейся частью урана и плутония. Особенно велика роль наведен­ной активности при термоядерных взрывах.

Таблица 7.3

Выход некоторых продуктов деления при ядерном взрыве

Радио­нуклид Период полураспада Выход на одно деление, % Активность на 1 Мт,
10 15 Бк
89 Sr 50.5 сут. 2.56 590
90 Sr 29.12 лет 3.5 3.9
95 Zr 65 сут. 5.07 920
103 Ru 41 сут. 5.2 1500
106 Ru 365 сут. 2.44 78
131 I 8.05 сут. 2.9 4200
136 Cs 13.2 сут. 0.036 32
137 Cs 30 лет 5.57 5.9
140 Ba 12.8 сут. 5.18 4700
141 Cs 32.5 сут. 4.58 1600
144 Cs 288 сут. 4.69 190
3 H 12.3 лет 0.01 2.6·10 -2

При ядерных взрывах в атмосфере значительная часть осадков (при наземных взрывах до 50%) выпадает вблизи района испытаний. Часть радиоактивных веществ задерживается в нижней части атмосферы и под действием ветра перемещается на большие расстояния, оставаясь примерно на одной и той же широте. Находясь в воздухе примерно месяц, радиоактивные вещества во время этого перемещения постепенно выпадают на Землю. Большая часть радионуклидов выбрасывается в стратосферу (на высоту 10÷15 км), где происходит их глобальное рассеивание и в значительной степени распад.
Высокую активность в течение десятков лет имеют различные элементы конструкции ядерных реакторов (таблица 7.4)

Таблица 7.4

Значения удельной активности (Бк/т урана) основных продуктов деления в тепловыделяющих элементах, извлеченных из реактора после трехлетней эксплуатации

Радионуклид 0 1 сут. 120 сут. 1 год 10 лет
85 Kr 5. 78· 10 14 5. 78· 10 14 5. 66· 10 14 5. 42· 10 14

4. 7· 10 14

 3. 03· 10 14
89 Sr 4. 04· 10 16 3. 98· 10 16 5. 78· 10 15 2. 7· 10 14

1. 2· 10 10
90 Sr 3. 51· 10 15 3. 51· 10 15 3. 48· 10 15 3. 43· 10 15

3. 26· 10 15

 2. 75· 10 15
95 Zr 7. 29· 10 16 7. 21· 10 16 1. 99· 10 16 1. 4· 10 15 5. 14· 10 11
95 Nb 7. 23· 10 16 7. 23· 10 16 3. 57· 10 16 3. 03· 10 15 1. 14· 10 12
103 Ru 7. 08· 10 16 6. 95· 10 16 8. 55· 10 15 1. 14· 10 14 2. 97· 10 8
106 Ru 2. 37· 10 16 2. 37· 10 16 1. 89· 10 16 1. 19· 10 16 3. 02· 10 15 2. 46· 10 13
131 I 4. 49· 10 16 4. 19· 10 16 1. 5· 10 12 1. 01· 10 3
134 Cs 7. 50· 10 15 7. 50· 10 15 6. 71· 10 15 5. 36· 10 15 2. 73· 10 15 2. 6· 10 14
137 Cs 4. 69· 10 15 4. 69· 10 15 4. 65· 10 15 4. 58· 10 15 4. 38· 10 15 3. 73· 10 15
140 Ba 7. 93· 10 16 7. 51· 10 16 1. 19· 10 14 2. 03· 10 8
140 La 8. 19· 10 16 8. 05· 10 16 1. 37· 10 14 2. 34· 10 8
141 Ce 7. 36· 10 16 7. 25· 10 16 5. 73· 10 15 3. 08· 10 13 5. 33· 10 6
144 Ce 5. 44· 10 16 5. 44· 10 16 4. 06· 10 16 2. 24· 10 16 3. 77· 10 15 7. 43· 10 12
143 Pm 6. 77· 10 16 6. 70· 10 16 1. 65· 10 14 6. 11· 10 8
147 Pm 7. 05·10 15 7. 05· 10 15 6. 78· 10 15 5. 68· 10 15

3. 35· 10 14