−

7.4.ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

7.4.1.Деление ядер

В 1938 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман, исследуя состав урана, облученного нейтронами, обнаружили в нем барий. Появление бария, расположенного в середине периодической системы Менделеева, объяснилось впоследствии способностью урана делиться под действием нейтронов на два новых ядра – осколки деления.

При поглощении нейтрона ядро возбуждается и начинает деформировать-

~ 1 МэВ.

При расщеплении ядра урана выделяются вторичные нейтроны в количестве от двух до трех на каждый акт деления. Эти вторичные нейтроны при столкновении с другими ядрами могут ими захватываться и вызывать уже их деление, что при определенных условиях приводит к возникновению цепной реакции деления.

Осколки деления могут быть самыми разнообразными. Всего образуется около 80 различных осколков, но наиболее вероятным является деление на ос-

Энергия, выделяющаяся при делении, может быть рассчитана по дефекту масс. Так, для первой из указанных реакций деления находим

W = [M (U235 )+ mn − M (Xe139 )− M (Sr95 )− 2mn ]931 ≈ 200 МэВ.

Эта энергия распределяется следующим образом:

33 = 27 нейтронов и т.д. Такова схема размножения нейтронов. Реакции с размножением нейтронов являются цепными реакциями. Условие существования цепной реакции выражается через коэффициент размножения К. Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в данном

деления следует, что приращение нейтронов за одно поколение равно N1 – N = N (K – 1). Если τ - среднее время между двумя актами деления, то увели-

чение числа нейтронов за время dt равно dN = N (K −1)dtτ , откуда

−K−1

N = N0e τ . (7.4.1)

Графически эта зависимость изображена на рис. 7.4.2. При K < 1 цепная реакция невозможна, при К = 1 поддерживается цепная реакция с постоянным количеством нейтронов; такая реакция применяется в ядерных реакторах, при К > 1 число нейтронов непрерывно возрастает и реакция может стать взрывной, такая реакция соответствует атомной бомбе.

В действительности не все нейтроны вызывают деление.

Часть нейтронов теряется при радиационном захвате, другая часть вылетает из объема. Эти потери влияют на ход цепной реакции и коэффициент размножения. Чтобы снизить уход нейтронов из объема, надо сократить поверхность делящегося вещества, т.е. придать ему шарообразную форму. Увеличивая массу делящегося вещества, можно достичь такого состояния, при котором К = 1, и реакция деления становится незатухающей. Предельная масса, при которой выполняется такое условие, называется критической массой. Для чисто-

го U235 она составляет 40 кг (для шарообразной формы).

7.4.2. Термоядерные реакции

Получение ядерной энергии возможно и за счет реакции синтеза легких ядер, например, гелия из ядер водорода. Чтобы произошло слияние ядер, необходимо сообщить им достаточную кинетическую энергию для преодоления электрических сил отталкивания. Такая энергия может быть достигнута за счет нагревания до высоких температур, поэтому реакция синтеза называют термоядерными реакциями. Подсчитаем, например, температуру, до которой необхо-

−

димо нагреть водород, чтобы преодолеть силы электростатического отталкивания между ядрами. Для этого необходимо двум протонам сблизиться до рас-

Однако, синтез легких ядер может протекать и при более низких температурах (~107) вследствие туннельного эффекта. В искусственных условиях термоядерный синтез впервые был осуществлен при взрыве водородной бомбы. Высокая температура, необходимая для начала термоядерной реакции, создава-

лась при взрыве обычной атомной бомбы (Т~107 К). Синтез дейтерия 1Н2 и трития 1Н3

1 H2 +1H3→2 He4 + n

сопровождается выделением энергии 17,6 МэВ или ~3,5 МэВ на нуклон. Это значительно больше, чем при реакции деления, где на один нуклон выделяется ~0,85 МэВ.

Вводородной бомбе термоядерная реакция носит неуправляемый характер. Для осуществления управляемой термоядерной реакции необходимо создать и поддерживать очень высокую температуру. При такой температуре вещество представляет полностью ионизированный газ или плазму. Для удержания плазмы в ограниченном объеме изолировано от стенок сосуда используют магнитное поле. Осуществление управляемых термоядерных реакций даст неисчерпаемый источник энергии.

Энергия, выделяемая при этом в расчете на один нуклон, составляет примерно от 1 до 4 МэВ/нуклон, что значительно больше, чем при реакциях деления (0,85 МэВ/нуклон).

Вестественных условиях такие реакции протекают в недрах Солнца и звезд. Солнце и звезды состоят в основном из водорода, поэтому главное зна-

чение в «жизни» звезды имеют реакции синтеза ядер водорода 1Н1 в более тя-

желые ядра, чем 2Н2.

Четыре ядра водорода при слиянии в ядро гелия выделяют два позитрона и огромную энергию (26,7 МэВ). За счет этой энергии термоядерные реакции являются самоподдерживающимися.

В настоящее время считают, что существуют два возможных пути слияния ядер водорода в ядра гелия.

Протонно-протонный цикл состоит из следующей цепочки превращений:

1H1 +1 H1 →1 He2 +β+ + ν 1 H2 +1 H1 →1 H3 + γ