14.1 Ядроның бөліну реакциясы

Ядроның бөліну реакциясы деп нейтрондардың (немесе басқа бөлшектердің) әсерінен ауыр ядро бірнеше жеңіл ядроларға (көп жағдайда бар болғаны екіге) бөлінуін айтады. Пайда болған ядролар сынықтар деп аталады. Ядроның мұндай бөлінуі бөліну нейтрондары деп аталатын екі-үш нейтрондарды шығарумен байланысты өтеді. Бөлінген сынықтар радиоактивті болады. Сынықтардың радиоактивті болу себебін қарастырайық. Уранның нейтрондар санының протондар санына қатынасы . Оларда сынықтардың пайда болу кезінде де сондай қатынасболуы мүмкін. Бірақ, массалық саны 100-140 (бөлінген сынықтар да осы интервал шамасында массалық сандарға ие болады) болатын қалыпты ядролардың қатынасыболады, яғни сынықтар нейтрондардың артық санын құрайды._қал болатын ядролар радиоактивті болатындығы белгілі. Сондықтан, сынықтар бірқатар -алмасуына кезігуі мүмкін (бұл кезде нейтрондар протондарға ауысады), нәтижесінде сынықтардағы қатынасы қалыпты изотоптардағы сияқты болады. бөліну реакциясын жазайық:

. (14.1)

Ксенонның қалыпты изотопы 124-тен 136-ға дейінгі массалық санға ие болады, яғни бұл сынықта ең кемінде үш артық нейтрон құралады, сондықтан радиоактивті болып табылдады. Үшыдырау нәтижесінделантанныңқалыпты изотопына ауысады.алмасуының толық тізбегі

.

Бөліну сынықтары әртүрлі болуы мүмкін, мынадай реакция болуы да мүмкін

.

Шығарылып жіберілген нейтрондар кең энергетикалық спектрлерге (0-ден 7 МэВ-қа дейін) ие болады. Бір нейтронға шамамен 2 МэВ энергия келеді. Ядролардың бөлінуі үлкен энергия мөлшерінің бөлінуімен сипатталады – мәселен, әрбір бөлінген ядроға 200 МэВ энергия келеді. 1 г изотопы (2,56·10²³ ядро) бөліну кезінде 8,1∙10^-10 Дж энергия беріледі. Энергия бөлінуінің негізгі бөлігі сынықтардың кинетикалық энергия түрінде бөлінуі арқылы өтеді. Сынықтарды тоқтату кезінде заттың өте жұқа қабатында бұл энергияның бөлігі жылуға тез айналады, ол бөліну аймағындағы заттың қабатын қыздырады. Ядролардың бөліну ықтималдығы нейтрондардың энергиясымен анықталады. Энергиясы жоғары болатын нейтрондар (Е >10⁸÷10¹⁰ эВ) практикалық түрде барлық ядролардың бөлінуіне келтіреді, ал энергиясы бірнеше мегаэлектронвольт болатын нейтрондар массалық сандары А > 210 болатын ядроларды, яғни ауыр ядроларды, бөліп шығарады. ядроларды бөлу, энергиясы 1 МэВ-тан артық (активизация энергиясы) болатын нейтрондардың әсерінен болады. Жылулық нейтрондардың әсеріненядро изотоптары бөлінеді.

14.2 Бөлінудің тізбекті реакциясы

Ауыр атом ядроларының бөлінуі кезінде өте үлкен энергия (шамамен 200 МэВ) бөлінетіндігі және екінші нейтрондар ұшып шығатындығы белгілі. Бір ядроның бөліну кезіндегі нейтрондардың саны (2-3 нейтрондар) бірден үлкен болады. Мұндай жағдай бөлінудің тізбекті реакциясын іске асыруға, яғни практикалық жағдайда ядролық энергияны пайдалануға мүмкіндік берді. Тізбекті ядролық реакцияның идеалды сұлбасы былай болады: ядроның бөлінуі кезінде айталық 2 нейтрон бөлінсін, оның әрқайсысы келесі бір уран ядросына еніп, бұл ядроның да бөлінуін тудырады. Ядро бөлінеді, бұл кезде екі жаңа нейтрон пайда болады. Олар уран ядроларымен қармаланады, нәтижесінде 4 нейтрон бөлініп шығады. Келесі сатысында 8 нейтрон, одан 16 нейтрон және т.с.с. Сонымен, нейтрондардың мөлшері және бөлінетін ядролардың мөлшері үздіксіз өседі. Тізбекті ядролық реакция шығады. Мұнда, біз идеалды сұлбаны қарастырдық. Практика жүзінде екінші ретті нейтрондардың барлығы бөлінетін заттың ядросына түсе бермейді және бөлінетін заттың ядросына енген барлық нейтрондар бөлуді тудыра бермейді. Неге? Активті зона (бөлінетін зат тұрған және тізбекті реакция өтетін кеңістік) шекті мөлшерге ие болады және өте үлкен өтімділігі бар нейтрондар активті зонаны тастап кетеді, ядролармен жұтылмайды. Активті зонада бөлінуші заттан басқа бөлінбейтін қоспалар (баяулатқыштар, жылу тасымалдаушылар, қорғаушы қабаттар және т.б.) болады. Бұл заттың ядросына ене отырып, нейтрондар олардың бөлінуін шығармайды. Сонымен бірге нейтронның бөлінуіне байланысты ядроны қармауы кезінде рационалдық қармау және серпімсіз шашырау процестері орын алады.

Бөлінудің тізбекті реакциясын сипаттау үшін нейтрондардың көбею коэффициенті деп аталатын түсінік енгізіледі. Көбею коэффициенті осы буындағы нейтрондар санының бұдан алдыңғы буындағы нейтрондар санына қатынасына тең. көбею коэффициенті тізбекті реакция дамуының шапшаңдығымен анықталады. Тізбекті реакция дамуы үшін k1 болуы керек.

Нейтрондардың көбею коэффициенті бөлінетін заттың табиғатына, берілген изотоптың мөлшері, активті зонаның мөлшері мен пішініне байланысты. Активті зонаның кризистік өлшемі деп тізбекті реакцияны тудыруға мүмкіншілігі бар активті зонаның минималь өлшемін айтады. Берілген активті зонаны құрайтын, бөлінетін заттың массасын кризистік масса деп атайды.

Тізбекті реакцияның жылдамдығын анықтайық. Айталық бөліну кезінен ядролармен бөлетін заттардың екінші ретті нейтрондармен қармалатын кезеңге дейін аралықтағы орташа уақыт аралығы Т болсын (бір буынның орташа өмір сүру уақыты), ал – берілген буындағы нейтрондар саны. Келесі буындағы нейтрондар саныk. Бір буын кезіндегі нейтрондардың өсімі . Тізбекті реакцияның өсу жылдамдығы (уақыт бірлігі ішіндегі нейтрондар санының өсімі)

.

Берілген өрнекті интегралдап мынаны аламыз:

(14.2)

мұндағы – бастапқы уақыт мезетіндегі нейтрондар саны, ал N – t уақыт мезетіндегі бар нейтрондар саны. N-нің мәні (k-1) таңбасымен анықталады.

Егер немесеболса, онда уақыт өткен сайын нейтрондар саны өзгермейді, бұл реакцияөзін қолдаушы деп аталады. Егер немесеболса, онданейтрондардың уақыт бойынша бөліну саны кемиді. Реакция өшетін реакция деп аталады.

Тізбекті реакция басқарылатын және басқарылмайтын болып бөлінеді. Атом бомбасының жарылуы – басқарылмайтын реакция. Басқарылатын тізбекті реакция ядролық реакторларда іске асады.