1 2.6. Деление ядер

При облучении урана нейтронами об­разуются элементы из середины периодической систе­мы—барий и лантан. Захватившее нейтрон ядро ура­на делится на две примерно равные части, получившие название осколков деления.

Д еление мо­жет происходить разными путями. Всего образуется около 80 различных осколков, причем наиболее вероят­ным является деление на осколки, массы которых отно­сятся как 2:3. Кривая нa рис.12.10 дает относительный выход (в процентах) осколков разной массы, возникающих при делении U²³⁸ медленными (тепловыми) нейтронами (масштаб по оси ординат — логарифмиче­ский). Из этой кривой видно, что относительное число актов деления, при которых образуются два осколка равной массы (А ≈ 117), составляет 1%, в то время как образование осколков с массовыми числами поряд­ка 95 и 140 (95: 140 ≈ 2:3) наблюдается в 7% случаев.

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, для ядер средней массы значительно больше, чем у тяжелых ядер, следовательно, деление ядер должно сопровождаться выделением большого количе­ства энергии. 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 ~10^-14 с). Часть (около 0,75%) нейтронов, получившая название запаздывающих нейтронов, испускается не мгновенно, а с запазды­ванием от 0,05с до 1 мин. В 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 β-превра­щений, сопровождаемых испусканием γ-лучей.

Один из путей, которыми осуществляется деление, выглядит следующим об­разом: . Осколки деления — цезий и рубидий — претерпевают превращения:

.

Конечные продукты — церий Се¹⁴⁰ и цирконий Zr⁹⁴ — являются стабильными. Образовавшееся в результате захвата нейтрона ядро U²³⁹ нестабильно (период полураспада Т равен 25 мин). Испуская электрон, антинейтрино и γ-фотон, оно превращается в ядро трансуранового элемента нептуния Np²³⁹. Нептуний также претерпевает β -распад (Т ≈ 2,3 дня), превращаясь в плутонии Рu²³⁹. Эта цепочка превращений может быть представлена следующим об­разом: .

Плутоний α-радиоактивен, однако его период полу­распада велик (24 400 лет), и его можно считать практически стабильным.

Радиационный захват нейтронов ядром тория Th²³² приводит к образованию делящегося изотопа урана U²³³, отсутствующего в природном уране: . Уран-233 α-радиоактивен (T = 162000 лет).

Возникновение при делении ядер U²³⁵, Рu²³⁹ и U²³³ нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции. Действительно, испущенные при делении одного ядра z нейтронов могут вызвать де­ление z ядер, в результате будет испущено z² новых нейтронов, которые вызовут деление z² ядер, и т. д. Та­ким образом, количество нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрес­сии. Нейтроны, испускаемые при делении ядер U²³⁵, имеют в среднем энергию 2 МэВ, что соответствует скорости 2·10⁹ см/с. Поэтому время, протекающее между рождением нейтрона и захватом его новым деля­щимся ядром, очень мало, так что процесс размноже­ния нейтронов в делящемся веществе протекает весьма быстро.

Процесс размножения нейтронов протекал бы описан­ным образом при условии, что все выделившиеся ней­троны поглощаются делящимися ядрами. В реальных условиях это не так из-за конеч­ных размеров делящегося тела и большой проникаю­щей способности нейтронов, которые могут покинуть зону реакции прежде, чем будут захвачены каким-либо ядром и вызовут его деление. Кроме того, часть нейтро­нов поглотится ядрами неделящихся примесей и выйдет из игры, не вызвав деления и не породив новых нейтронов.

Поверхность тела растет как квадрат, а объем — как куб линейных размеров. Поэтому относительная доля вылетающих наружу нейтронов уменьшается с ростом массы делящегося вещества.

Цепная ядерная реакция в уране может быть осуществлена двумя способами. Первый способ заклю­чается в выделении из природного урана делящегося изотопа U²³⁶. Вследствие химической неразличимости изотопов разделение их представляет собой весьма труд­ную задачу. Однако она была решена несколькими ме­тодами. Промышленное значение приобрел диффузион­ный (точнее, эффузионный) метод разделения, при ко­тором летучее соединение урана UF₆ (гексафторид урана) многократно пропускается через перегородку с очень малыми порами. В куске чистого вещества U²³⁵ (или Рu²³⁹) каждый захвачен­ный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием ~2,5 новых нейтронов. Однако, если масса такого кус­ка меньше определенного критического значения (со­ставляющего для U²³⁵ примерно 9кг), 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

. Другой способ осуществления цепной ре­акции используется в ядерных реакто­рах (называемых также атомными котлами). В качестве делящегося вещества в реакторах служит природный (либо несколько обогащенный изотопом U²³⁵) уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами U²³⁸ (который становится особенно интенсивным при энергии нейтро­нов ~ 7эВ), сравнительно небольшие блоки (куски) 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 U²³⁸ составляет все­го 3 барна, в то время как сечение деления U²³⁵ тепло­выми нейтронами почти в 200 раз больше (580 барн). Поэтому, хотя нейтроны сталкиваются с ядрами U²³⁸ в 140 раз чаще, чем с ядрами U²³⁵, радиационный захват происходит реже, чем деление, и при размерах всего устройства больших критиче­ского коэффициент размножения нейтронов 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. С этой точки зрения идеальным замедлителем должно было бы быть вещество, содержа­щее обычный водород, например вода (массы протона и нейтрона примерно одинаковы). Однако такие ве­щества оказались непригодными в качестве замедли­теля, потому что обычный водород поглощает нейтроны, вступая с ними в реакцию: .

Ядра замедлителя должны обладать малым сечением захвата нейтронов и большим сечением упругого рас­сеяния. Этому условию удовлет­воряют дейтерий D, а также ядра графита (С) и бериллия (Be). Для уменьшения энергии нейтрона от 2 МэВ до тепловых энергий в тяжелой воде D₂О достаточно около 25 столкнове­ний, в С или Be — примерно 100 столкновений.

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.