§ 72. Деление ядер

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. 72.1, дает относительный выход (в процентах) осколков разной массы, возникающих при делении медленными (тепловыми) нейтронами (масштаб по оси ординат — логарифмический).

Рис. 72.1.

Из этой кривой видно, что относительное число актов деления, при которых образуются два осколка равной массы составляет , в то время как образование осколков с массовыми числами порядка 95 и 140 наблюдается в 7 % случаев.

Удельная энергия связи для ядер средней массы примерно на 1 МэВ больше, чем у тяжелых ядер (см. рис. 67.1). 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 нескольку нейтронов. Большинство нейтронов испускается мгновенно (за время, меньшее ). Часть (около 0,75 %) нейтронов, получившая название запаздывающих нейтронов, испускается не мгновенно, а с запаздыванием от 0,05 с до 1 мин. 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 --превращений, сопровождаемых испусканием -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 скольких сотен МэВ) вызывают деление и более легких ядер. Ядра делятся нейтронами любых энергий, но бенно хорошо медленными нейтронами.

Тепловыми нейтронами делятся также но эти изотопы в природе не встречаются, они получаются искусственным путем.

Ядра делятся только быстрыми нейтронами (с энергиями, не меньшими . При меньших энергиях нейтроны поглощаются ядрами без последующего их деления. В результате образуется ядро энергия возбуждения которого выделяется в виде -фотона. Поэтому такой процесс называется радиационным захватом (реакция ). Эффективное сечение этого процесса резко возрастает при энергии нейтронов, равной примерно 7 эВ, достигая 23000 барн (см. рис. 71.2). Сечение захвата ядром тепловых нейтронов составляет меньше 3 барн.

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

Плутоний -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 -радиоактивен (Т = 162000 лет).

Испускание при делении ядер нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции. Действительно, испущенные при делении одного ядра z нейтронов могут вызвать деление ядер, в результате будет испущено новых нейтронов, которые вызовут, деление 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 МэВ, что соответствует скорости 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 и около 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.

Рис. 72.2.

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 каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием 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 (на рис. 72.2 они обозначены цифрой ). Масса 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 2 (запал), с помощью которого одной частью ядерного заряда выстреливают в другую. Все устройство заключено в массивную оболочку 3 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 количеств 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 (см. § 28 1-го тома). С этой точки зрения идеальным замедлителем должно было бы быть вещество, содержащее обычный водород, иапример 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

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 (С) и бериллия (Be). Для уменьшения энергии нейтрона от 2 МэВ до тепловых энергий в тяжелой воде достаточно около 25 столкновений, в С или — 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. 72.3. Цифрой 1 обозначен замедлитель — графит; 2 — блоки из урана; 3 — стержни, содержащие кадмий или бор.

Рис. 72.3.

Рис. 72.4.

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 изводства 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 (72.1)). После того как в урановых блоках накопится достаточное количество блоки извлекаются из реактора и направо ляются на химическую переработку для выделения из них .

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.

Схема атомной электростанции изображена на рис. 72.4. Энергия, выделяемая в активной зоне реактора 1, снимается теплоносителем, циркулирующим в контуре 2. Циркуляция обеспечивается насосом 3. В качестве теплоносителя применяется вода или лочные металлы с низкой температурой плавления, например натрий ( 98° С). В теплообменнике 4 теплоноситель отдает свое тепло воде, превращая ее в пар, вращающий турбину 5.

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 или 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, являются радиоактивные изотопы многих химических элементов, которые находят разнообразные применения в биологии, медицине и технике.