Цепная ядерная реакция

Открытие деления ядер урана и некоторых других тяжелых элементов дало возможность практического осуществления цепной ядерной' реакции. В § 233 было указано, что при делении ядра урана кроме ядер-осколков вылетают 2—3 нейтрона. При благоприятных условиях вылетевшие нейтроны могут попасть в другие ядра урана, вызывая их деление. При делении 2—3 ядер урана освобождается уже 4—9 нейтронов, которые могут вызывать деление новых ядер урана с образованием от 8 до 27 нейтронов и т. д. (рис. 22.10); возникает самоподдерживающийся процесс деления, который и называют цепной ядерной реакцией.

Цепная реакция сопровождается значительным выделением энергии, т. е. является экзотермической. В предыдущем параграфе было показано, что при делении одного ядра урана выделяется энергия 200 МэВ. Определим, какая энергия освобождается при делении всех ядер, содержащихся в 1 кг

(2,5 •10 ядер) урана-235:

Е ~ 2 • 10 МэВ • 2,5 • 10 =5 • 10 МэВ = 8 • 10 Дж

Это эквивалентно той энергии, которая получается от сгорания примерно 1800 т бензина или 2500 т каменного угля. Огромное значение освобождаемой энергии побудило ученых и инженеров искать пути использования цепной ядерной реакции в практических (как мирных, так и военных) целях. Практическое осуществление цепных ядерных реакций не является такой простой зада чей, как это кажется на первый взгляд. Дело в том, что природный уран в основном состоит из двух изотопов: 99,3% U и 0,7% U. Теоретические и экспериментальные данные показывают, что нейтроны, освобождающиеся при делении ядер урана, вызывают деление лишь ядер изотопа урана-235, ядрами урана-238 они лишь поглощаются, не вызывая их деления, т. е. ядра урана-238 не принимают участия в развитии цепной реакции. Это является причиной отсутствия цепных реакций в природном уране. Следовательно, для образования цепной ядерной реакции необходимо решить задачу разделения природного урана на два его изотопа.

В настоящее время эта сложная и трудоемкая задача решена.

Как же практически может быть осуществлена цепная реакция? Если все образовавшиеся в процессе деления вторичные нейтроны участвуют в последующих актах деления, то число нейтронов возрастает в геометрической прогрессии; следовательно, важнейшей характеристикой развития цепной ядерной реакции является коэффициент размножения нейтронов

(22.15)

где Ni — число нейтронов, вызывающих деление на одном из этапов реакции; Ni-1 — число нейтронов, вызывающих деление ядер на предшествующем этапе. Коэффициент размножения определяет также число делений ядер, вызванное одним делением предыдущего звена реакции. Если k< 1, то реакция быстро затухает. Если k=1, то цепной процесс идет с постоянной интенсивностью, называемой критической. Систему с k>1 называют надкритической; в этом случае цепной процесс развивается лавинно к приводит к ядерному взрыву.