§ 143. Реакция деления. Цепная реакция. Ядерный реактор

Делиться, т. е. распадаться на две части, может только возбужденное ядро. Для возбуждения ядра необходимо сообщить ему достаточное количество энергии (энергии возбуждения), что можно сделать путем обстрела ядра, например -частицами или протонами. Наиболее эффективными «снарядами» являются, как уже отмечалось, нейтроны, поскольку они будучи электрически нейтральными, не испытывают электростатического отталкивания со стороны ядра.

Рис. 387

В 1938-1939 гг. благодаря работам ряда ученых была открыта реакция деления ядер урана, обстреливаемых нейтронами. Основываясь на капельной модели ядра, можно описать эту реакцию следующим образом.

Захватив нейтрон ядро урана становится возбужденным и деформируется (рис. 387). Если возбуждение невелико, то ядро, освобождаясь от излишка энергии путем испускания -фотона или нейтрона возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то в ядре образуется перетяжка, аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания одноименно заряженных частей ядра. Перетяжка разрывается и ядро распадается на два «осколка», разлетающихся с огромными скоростями в противоположные стороны. Кроме того, в момент деления из ядра выбрасываются 2—3 нейтрона, называемые мгновенными.

Энергетический спектр мгновенных нейтронов простирается от очень малых энергий — порядка и менее (соответствующих тепловому движению нейтронов при нормальной температуре), примерно до Большинство мгновенных нейтронов имеет энергию Нейтроны, обладающие энергией, большей называются быстрыми, нейтроны меньшей энергии — медленными (нейтроны с очень малыми энергиями носят название тепловых).

Осколки разделившегося ядра являются радиоактивными: они испускают -фотоны, -частицы и нейтроны; эти нейтроны в отличие

от мгновенных называются запаздывающими (выбрасываются в течение нескольких минут после акта деления). Число запаздывающих нейтронов составляет около всех нейтронов, образующихся при делении.

Способностью делиться на две части под действием нейтронов обладают ядра всех тяжелых элементов. Наиболее важными в практическом отношении делящимися материалами являются уран , актиноуран искусственный изотоп урана и плутоний Ядра делятся под действием как быстрых, так и медленных (в том числе и тепловых) нейтронов, а ядра только под действием быстрых нейтронов. Медленные нейтроны поглощаются ураном-238, не вызывая деления Продукты деления тяжелых ядер разнообразны: их массовые числа лежат в пределах от 70 до 160. Однако чаще всего массы осколков данного ядра относятся как 2 к 3. Примером такого деления может служить распад актино-урана на изотопы криптона и бария с испусканием трех нейтронов:

Наряду с делением под действием нейтронов имеет место самопроизвольное деление тяжелых ядер, правда, в очень незначительной мере; например, в урана происходит всего лишь около 20 самопроизвольных распадов в час. Это явление было открыто в 1940 г. советскими физиками К. А. Петржаком и . Флеровым.

Энергия, освобождающаяся при делении тяжелого ядра, составляет около причем примерно 80% этой величины выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20% приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов.

Если учесть, что энергия нейтрона, вызывающего деление ядра затрачиваемая энергия), не превышает а обычно бывает значительно, меньшей, то окажется, что ядерно делящиеся материалы могут служить источником колоссальных энергий. Например, энергия, освобождающаяся при делении всех ядер, содержащихся в урана-235, равна примерно Для сравнения укажем, что такое количество энергии выделяется при сгорании бензина, или каменного угля, или, наконец, при взрыве тринитротолуола (тротила).

Следует, однако, иметь в виду, что для выделения больших количеств ядерной энергии необходимо, чтобы делению подвергалась значительная часть ядер, содержащихся в массе «ядерного горючего». Поэтому реакция деления должна быть саморазвивающейся, или цепной. при каждом акте деления должны появляться новые нейтроны, из которых хотя бы один вызывал следующий акт деления.

Наиболее просто цепная реакция осуществляется в веществе, ядра которого делятся под действием медленных нейтронов, например в уране-235. В самом деле, достаточно какому-нибудь случайному («блуждающему») нейтрону попасть в одно из ядер урана-235, как произойдет деление данного ядра (рис. 388). Возникающие при этом 2—3 мгновенных нейтрона попадут в 2—3 других ядра урана, вызвав их деление. В результате появится 4—9 мгновенных нейтронов, способных вызвать деление следующих 4—9 ядер, и т. д.

Рис. 388

Несмотря на то что при делении каждого ядра урана возникает 2—3 нейтрона, не все они вызывают деление других ядер; часть нейтронов может быть захвачена ядрами неделящихся (или трудно делящихся) примесей, присутствующих в ядерном горючем, часть нейтронов может вылететь через поверхность объема горючего материала, не успев столкнуться с его ядрами. Существуют и другие причины, уменьшающие число нейтронов, активно участвующих в цепной реакции.

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

Например, цепной реакции, изображенной на рис. 388, соответствует коэффициент размножения нейтронов

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества и от геометрической формы занимаемого им объехма. Одно и то же количество данного вещества имеет наибольшее значение коэффициента К при шарообразной форме объема, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность объема будет наименьшей (шар имеет минимальную поверхность при данном объеме).

Масса делящегося вещества, в которой цепная реакция идет с коэффициентом называется критической массой данного вещества, Для чистого актиноурана критическая масса составляет около 40 кг (при шарообразной форме объема).

Если масса ядерного горючего меньше критической, то и реакция деления не будет развиваться (затухнет). Если масса горючего равна критической, то и цепная реакция будет идти с постоянной интенсивностью; такая реакция применяется в ядерных реакторах. Если же масса горючего больше критической, то в этом случае цепная реакция будет бурно развиваться и может привести к взрыву. Такая реакция имеет место в атомной бомбе.

В атомную бомбу заложена масса делящегося вещества (например, актиноурана), превышающая критическую, но разделенная на несколько частей, каждая из которых меньше критической. Бомба взрывается после того, как эти части быстро сближаются и объединяются (посредством взрыва обычного взрывчатого вещества).

В зоне взрыва атомной бомбы температура повышается до десятков миллионов кельвинов, а давление достигает сотен миллиардов Паскалей. Взрыв сопровождается интенсивным испусканием -фотонов и нейтронов. Кроме того, местность в окрестностях взрыва заражается радиоактивными продуктами деления ядер (ядерными осколками). В дальнейшем это заражение распространяется на огромные территории (посредством воздушных и водных течений).

Для промышленного получения ядерной энергии необходимо управлять цепной реакцией, поддерживая значение коэффициента размножения нейтронов равным единице. Это осуществляется путем введения в массу ядерного горючего подвижных управляющих стержней, содержащих кадмий или бор, которые являются сильными поглотителями нейтронов. Вначале управляющие стержни выдвигаются из котла с ядерным горючим и цепная реакция идет при Затем, когда нейтроны размножатся в достаточном количестве, управляющие стержни вдвигаются в котел и, поглощая часть нейтронов, замедляют цепную реакцию. Глубина погружения стержней автоматически регулируется так, чтобы При этом реакция стабилизируется: число нейтронов, образующихся в единицу времени, остается постоянным.

Установки, предназначенные для промышленного получения ядерной Эхчергии, называются ядерными реакторами.

На рис, 389 изображена схема ядерного реактора, работающего на природном уране, предварительно обогащенном ураном-235 до 5% (природный уран состоит на 99,3% из и на 0,7% из ). Уран вводится в реактор в виде стержней.

Цепная реакция ведется на медленных (тепловых) нейтронах, которые хорошо поглощаются ядрами урана-235, вызывая их деление, и сравнительно слабо поглощаются ядрами урана-238. Для этого пространство между урановыми стержнями заполняется замедлителем нейтронов, в качестве которого используется, например, графит.

Осколки урановых ядер, образующиеся в процессе цепной реакции, затормаживаются замедлителем, отдавая ему свою кинетическую энергию. Благодаря этому температура в активной зоне реактора повышается до 800—900 К. Посредством теплоносителя (тяжелой воды или расплавленного металла, циркулирующего по трубам) теплота отводится из активной зоны реактора и превращается в механическую и затем в электрическую энергию.

Наряду с выделением энергии в ядерном реакторе происходит образование и накопление нового ядерного топлива — плутония

Рис. 389

Дело в том, что ядро поглотив медленный нейтрон, превращается, испуская -фотон, в ядро радиоактивного изотопа с периодом полураспада мин. В свою очередь это ядро испускает -частицу и превращается в ядро радиоактивного трансуранового элемента нептуния с периодом полураспада дня. Ядро нептуния, испуская -частицу, превращается в ядро трансуранового элемента плутония Описанная реакция идет по схеме

Плутоний-239 является хорошим ядерным топливом: его ядра делятся под действием медленных нейтронов, подобно ядрам урана-235. Плутоний радиоактивен: он испускает и -лучи. Его период полураспада лет, благодаря чему плутоний можно накапливать в больших количествах.

Ядерный реактор является мощным источником нейтронных потоков и радиоактивных излучений, используемых для изготовления искусственных радиоактивных изотопов. Вещества, которые надо подвергнуть облучению, помещаются в специальные каналы, проделанные в защитном корпусе реактора (см. рис. 389).