Деление ядер урана

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА

 

 
 
Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов, например, урана.

 

 

 
Ядро урана - 235 имеет форму шара. Поглотив нейтрон, ядро возбуждается и  начинает деформироваться.  
Оно растягивается из стороны в сторону до тех пор, пока кулоновские силы отталкивания между протонами не начнут преобладать над ядерными силами притяжения. После этого ядро разрывается на две части и осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света. При делении ядра образуются еще 2 или 3 нейтрона. 
Появление нейтронов объясняется тем, что число нейтронов в осколках оказывается больше, чем это допустимо.

 
 
Имеющие огромную скорость разлетающиеся  осколки тормозятся окружающей средой.  
Кинетическая энергия осколков превращается во внутреннюю энергию среды, которая нагревается.  
Таким образом, деление ядер урана сопровождается выделением большого количества энергии.

ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ

 
- это процесс, в котором одна  проведенная реакция вызывает  последующие реакции такого же  типа.  
 
При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно.

 

 
Отношение числа образовавшихся нейтронов  в одном акте деления к числу  таких нейтронов в предыдущем акте деления называется коэффициентом размножения нейтронов k. 
 
При k меньше 1 реакция затухает, т.к. число поглщенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся. 
При k больше 1 почти мгновенно происходит взрыв. 
При k равном 1 идет управляемая стационарная цепная реакция. 
 
Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.

 
Для осуществлении цепной реакции  не получается использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов. 
 
Используемый в качестве топлива для атомных реакторов химический элемент уран состоит в природе из двух изотопов: урана-235 и урана - 238.  
 
В природе изотопы урана-235 составляют всего лишь 0,7% от всего запаса урана, однако именно они пригодны для проведения цепной реакции, т.к. делятся под влиянием медленных нейтронов. 
 
Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов). Такую энергию имеют только 60% нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238. Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра. 
 
Условия протекания цепной реакции в уране-235: 
 
- минимальное количество топлива (критическая масса), необходимое для проведения управляемой цепной реакции в атомном реакторе 
- скорость нейтронов должна вызывать деление ядер урана 
- отсутствие примесей, поглощающих нейтроны 
 
Критическая масса: 
 
- если масса урана мала, нейтроны будут вылетать за его пределы, не вступая в реакцию 
- если масса урана велика, возможен взрыв за счет сильного увеличения числа нейтронов 
- если масса соответствует критической, протекает управляемая цепная реакция 
 
Для урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это, например, шар из урана диаметром 9 см). 
 
 
 
 
Первая управляемая цепная реакция - США в 1942 г. (Э.Ферми) 
В СССР - 1946 г. (И.В.Курчатов).

 

 
НЕМНОГО ИЗ ИСТОРИИ

 

В 1930 году в Кембридже Дж. Кокрофт  и Э. Уолсон расщепили атом. Руководитель Кавендишской лаборатории лорд Э. Резерфорд публично высказался по поводу этого эксперимента: «Расщепление атома, это всего лишь наиболее элегантный эксперимент и элегантность его в том и состоит, что он не имеет никакого практического применения».  
___ 
 
Когда во Франции начались работы по созданию атомного оружия и, соответственно, по очистке изотопов урана, внезапно обнаружилось, что уран из окрестностей западноафриканской деревушки Окло вместо 0.71% для урана-235, годного для боеприпасов, содержит только 0.68%. Последовавшее за этим разбирательство привело к открытию уникального, поистине единственного в своем роде объекта – природного ядерного реактора! При этом при работе этого реактора расходовалась часть урана-235. 
___ 
 
Недавно человечество отметило 50-летие атомных бомбардировок Хиросимы и Нагасаки. Путь к этим трагическим событиям проходил и под главной трибуной Чикагского стадиона, где 2-го декабря 1942 года была проведена первая цепная ядерная реакция. 
___ 
 
Из анекдота о том, что такое цепная реакция: «Если кто-то разгуливает неподалеку от сидящей на цепи собаки, она начинает лаять, а следом за ней - и другие собаки».

• История открытия деления урана

Деление ядер урана было открыто  в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.

О. Ган (1879-1968)

Ф. Штрассман (1902-1980)

 

• Капельная модель ядра

Объяснить эту реакцию деления  можно основываясь на капельной  модели ядра. В этой модели ядро рассматривается  как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных  сил, действующих между всеми  нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 1, а).

 

Рис. 1

После захвата ядром нейтрона образуется промежуточное ядро , которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 1, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания γ-кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 1, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два "осколка" (рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные стороны.

 

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми  числами примерно от 90 до 145, возникающих  при делении этого ядра. 

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.

При делении ядер тяжелых атомов () выделяется очень большая энергия — около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов.

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.

• Цепная реакция

Цепная реакция — ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

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. 3.

 

Рис. 3

 

 

 

 
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. Иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

.

Изотоп урана β-радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния тоже радиоактивен, период полураспада около 2 дней.

.

Изотоп плутония относительно стабилен, период полураспада 24000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как . Поэтому с помощью может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов).

Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана.

• Коэффициент размножения нейтронов

Развитие цепной реакции характеризуется  так называемым коэффициентом размножения  нейтронов К, который измеряется отношением числа N_i нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу N_i-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

.

Коэффициент размножения зависит  от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.

Значение критической массы  определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). 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 D₂O. 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.

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива  меньше критической массы, то коэффициент  размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

В результате опытов по облучению  нейтронами урана было найдено, что  под действием нейтронов ядра урана делятся на два ядра (осколка) примерно половинной массы и заряда; этот процесс сопровождается испусканием нескольких (двух-трех) нейтронов. Помимо урана, способны делиться еще некоторые элементы. 
 
Деление ядра урана под действием нейтронов: а) ядро захватывает нейтрон; б) удар нейтрона о ядро приводит последнее в колебания; в) ядро делится на два осколка; при этом испускается еще несколько нейтронов из числа последних элементов периодической системы Менделеева. Эти элементы, так же как и уран, делятся не только под действием нейтронов, но также без внешних воздействий (спонтанно) *). Спонтанное деление было установлено на опыте советскими физиками К. А. Петржаком и Георгием Николаевичем Флеровым (р. 1913) в 1940 г. Оно представляет собой весьма редкий процесс. Так, в 1 г урана происходит всего лишь около 20 спонтанных делений в час. 
 
Благодаря взаимному электростатическому отталкиванию осколки деления разлетаются в противоположные стороны, приобретая огромную кинетическую энергию (около 160 МэВ). Реакция деления происходит, таким образом, со значительным выделением энергии. Быстродвижущиеся осколки интенсивно ионизуют атомы среды. Это свойство осколков используют для обнаружения процессов деления при помощи ионизационной камеры или камеры Вильсона. Фотография следов осколков деления в камере Вильсона приведена на рис. 403. Крайне существенным является то обстоятельство, что нейтроны, испущенные при делении уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана. Благодаря этому можно осуществить цепную реакцию деления: однажды возникнув, реакция в принципе может продолжаться сама 
 
Следы осколков деления урана в камере Вильсона: осколки  разлетаются в противоположные стороны из тонкого слоя урана, нанесенного на пластинке, перегораживающей камеру. Также присутствуют множество более тонких следов, принадлежащих протонам, выбитым нейтронами из молекул водяного пара, содержащегося в камере собой, охватывая все большее число ядер. Осуществление цепной реакции деления на практике не просто; опыт показывает, что в массе природного урана цепная реакция не возникает. Причина этого кроется в потере вторичных нейтронов; в природном уране большая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений. Как выявили исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее распространенном изотопе урана — уране-238 (23892U). Этот изотоп легко поглощает нейтроны по реакции, подобной реакции серебра с нейтронами; при этом образуется искусственно-радиоактивный изотоп 23892U. Делится же 238U с трудом и только под действием быстрых нейтронов.