Почему реакция деления ядер урана идет. Капельная модель ядра. Как происходит деление ядра 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.
См. также
- Васильев А. Деление урана: от Клапрота до Гана //Квант. - 2001. - № 4. - С. 20-21,30 .
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).
После захвата ядром \(~^{235}_{92}U\) нейтрона образуется промежуточное ядро \(~(^{236}_{92}U)^*\), 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. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:
\(~^{235}_{92}U + \ ^1_0n \ ^{\nearrow}_{\searrow} \ \begin{matrix} ^{144}_{56}Ba + \ ^{89}_{36}Kr + \ 3^1_0n \\ ^{140}_{54}Xe + \ ^{94}_{38}Sr + \ 2^1_0n \end{matrix}\) .
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 (\(~^{235}_{92}U\)) 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.
См. также
- Варламов А.А. Капельная модель ядра //Квант. - 1986. - № 5. - С. 23-24
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.
Уран встречается в природе в виде двух изотопов\[~^{238}_{92}U\] (99,3 %) и \(~^{235}_{92}U\) (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления \(~^{235}_{92}U\) наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра \(~^{238}_{92}U\) вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер \(~^{239}_{92}U\) оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:
\(~^{238}_{92}U + \ ^1_0n \to \ ^{239}_{92}U \to \ ^{239}_{93}Np + \ ^0_{-1}e\) .
Изотоп урана \(~^{238}_{92}U\) β -радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния \(~^{239}_{93}Np\) тоже радиоактивен, период полураспада около 2 дней.
\(~^{239}_{93}Np \to \ ^{239}_{94}Pu + \ ^0_{-1}e\) .
Изотоп плутония \(~^{239}_{94}Np\) относительно стабилен, период полураспада 24000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как \(~^{235}_{92}U\). Поэтому с помощью \(~^{239}_{94}Np\) 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:
\(~K = \dfrac{N_i}{N_{i - 1}}\) .
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 \(~^{235}_{92}U\) 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 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.
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.
Ядерная бомба
В обычном состоянии ядерная бомба не взрывается потому, что ядерный заряд в ней разделен на несколько небольших частей перегородками, поглощающими продукты распада урана, – нейтроны. Цепная ядерная реакция, являющаяся причиной ядерного взрыва, не может поддерживаться в таких условиях. Однако, если фрагменты ядерного заряда соединить вместе, то их суммарная масса станет достаточной для того, чтобы начала развиваться цепная реакция деления урана. В результате происходит ядерный взрыв. При этом мощность взрыва, развиваемая ядерной бомбой сравнительно небольших размеров, эквивалентна мощности, выделяющейся при взрыве миллионов и миллиардов тонн тротила.
Рис. 5. Атомная бомба
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.
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.
Ядерные реакции деления ядра - реакции деления,заключающиеся в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось, и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.
Особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Так как для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов (N/Z ≈ 1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (N/Z ≈ 1,6), то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они и выделяют нейтроны деления. Однако испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпеть ряд β - -превращений, сопровождаемых испусканием γ-квантов. Так как β - -распад сопровождается превращением нейтрона в протон, то после цепочки β - -превращений соотношение между нейтронами и протонами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотопу. Например, при делении ядра урана U
U + n → Хе + Sr +2 n (265.1)
осколок деления Хе в результате трех актов β - -распада превращается в стабильный изотоп лантана La:
Хе → Cs → Ba → La.
Осколки деления могут быть разнообразными, поэтому реакция (265.1) не единственная, приводящая к делению U.
Большинство нейтронов при делении испускается практически мгновенно (t ≤ 10 –14 c), а часть (около 0,7%) испускается осколками деления спустя некоторое время после деления (0,05 c ≤ t ≤ 60 с). Первые из них называются мгновенными, вторые – запаздывающими. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтронов. Они имеют сравнительно широкий энергетический спектр в пределах от 0 до 7 МэВ, причем на один нейтрон в среднем приходится энергия около 2 МэВ.
Расчеты показывают, что деление ядер должно сопровождаться также выделением большого количества энергии. В самом деле, удельная энергия связи для ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ. Следовательно, при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нуклон.
В основу теории деления атомных ядер (Н. Бор, Я. И. Френкель) положена капельная модель ядра. Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законам квантовой механики), частицы которой при попадании нейтрона в ядро приходят в колебательное движение, в результате чего ядро разрывается на две части, разлетающиеся с огромной энергией.
Вероятность деления ядер определяется энергией нейтронов. Например, если высокоэнергетичные нейтроны вызывают деление практически всех ядер, то нейтроны с энергией в несколько мега-электрон-вольт – только тяжелых ядер (А >210), Нейтроны, обладающие энергией активации (минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра) порядка 1 МэВ, вызывают деление ядер урана U, тория Тh, протактиния Pa, плутония Pu. Тепловыми нейтронами делятся ядра U, Pu, и U, Th (два последних изотопа в природе не встречаются, они получаются искусственным путем).
Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления - ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данное поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k ≥ 1.
Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит ценная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.
Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа – от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой.
Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т - среднее время
жизни одного поколения, а N - число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их число равно kN ,т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN = kN – N = N (k – 1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. скорость нарастания цепной реакции,
. (266.1)
Интегрируя (266.1), получим
,
где N 0 – число нейтронов в начальный момент времени, а N - их число в момент времени t . N определяется знаком (k – 1). При k >1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k =1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k <1 идет затухающая реакция,
Цепные реакции дпятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомном бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней U (или Pu) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывная цепная ре акция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах.
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.
