IV.Реакция деления.

Рассмотрим условия, необходимые для осуществления реакций деления ядер. Наличие в системе запаса энергии (которая может быть отдана) само по себе не означает абсолютно неустойчивой системы. Ядро претерпит деление, если это равновесие нарушить. Минимальная энергия, необходимая для деления, называется энергией активации.

Энергию активации, необходимую ядрам для деления легче всего передать с помощью нейтронов.

Нейтрон, приблизившийся к ядру, притягивается к нему ядерными силами. Работа ядерных сил составляет величину ~ 7 МэВ. Если энергия активации образовавшегося ядра меньше этой величины (т.е. < 7 МэВ), то этой энергии достаточно, чтобы вызвать деление ядра. Причем Е активации уменьшается с ростом А.) Для практического использования необходимо, чтобы сами ядра были достаточно устойчивы в смысле самопроизвольного радиоактивного распада, т.е. с большим периодом полураспада.

Необходимо отметить, что сам механизм деления ядра можно представить на примере деления большой капли жидкости (ртути) на две капли меньших размеров. Образовавшиеся ядра меньшей массы (как правило отличающиеся друг от друга и зарядом и массовым числом), разлетаются с очень большими скоростями (результат кулоновского отталкивания) и при этом выбрасываются по 1-2 нейтронов от каждого куска т.е. с уменьшением атомного веса А уменьшается и процентное содержание нейтронов в устойчивых ядрах. Более 80% энергии, отдаваемой при делении тяжелых ядер, выделяется в виде W_kосколков (~80 МэВ каждого); несколько МэВ уносят нейтроны, остальная энергия выделяется во время радиоактивного-распада продуктов деления и с-излучением возбужденных продуктов деления.

Пример: при делении 1 кг урана выделяется энергия:

,

где Е_я– энергия выделяемая при делении 1 ядра.

Энергия 8·10²³Дж эквивалентна энергии, выделяемой при сжигании 2.500.000 кг каменного угля.

Поэтому были предприняты поиски путей освобождения ядерной энергии в значительных количествах для использования в практических целях.

V.Цепная ядерная реакция.Коэффициент размножения нейтронов.

Рассмотренный пример показывает, что 1 кг урана может заменить 2.500.000 кг угля. Но как освободить эту энергию? Первые предположения 1934-1939 годах (Супруги Кюри, Хальбан, Коваровский и д.р.). В настоящее время широко используются три типа ядер, удовлетворяющих нужным условиям ;;.

Очень удобно то обстоятельство, что эти ядра при делении являются источниками нейтронов и задача сводится лишь к тому, чтобы избежать чрезмерных потерь. При этом раз начавшаяся реакция может продолжаться до тех пор, пока имеются делящиеся ядра и поток нейтронов не прекращается. Такие реакции называются цепными.

Пример:

Таким образом, возникает саморазвивающаяся цепная реакция деления. Если развитие реакциями не ограничивается, то происходит ядерный взрыв; если ограничить число нейтронов, выделяющихся при реакциях в единицу времени будет иметь место цепная ядерная реакция, называемая регулируемая цепная реакция.

Но как узнать число нейтронов, необходимых для осуществления управляемой реакции? Оценку можно произвести следующим образом.

Пусть N – общее число нейтронов в объеме V к моменту t.

f+ 1 – число нейтронов, выбрасываемых в среднем одним разделившимся ядром.

 – время от возникновения до поглощения нейтронов.

Тогда: – число новых нейтронов возникающих в объеме за единицу времени.

q– часть нейтронов, поглощаемая неделящимися примесями (например²³⁸U).

Тогда: – число поглощаемых нейтронов в единице объема за единицу времени.

Часть нейтронов выходит через поверхность S, ограничивающую объем V. Если– концентрация нейтронов, аv– средняя скорость их вылета, то число теряемых в единицу времени нейтронов равно:

,

где D– минимальный размер объёма.

Итак уравнение баланса нейтронов, характеризующее изменение числа частиц за единицу времени:

(1)

Как видно из этого качественного уравнения характер протекания процесса зависит от величины и знака множителя k, называемогокоэффициентом размножения нейтронов:

(2)

Рассмотрим несколько случаев:

a) пусть k < 0. Интегрируя (1), получим:

;

т.е. число нейтронов, первоначально находившихся в объеме, непрерывно уменьшается и цепная реакция будет затухать (I),затухающая реакция.

, где – время от возникновения до поглощения нейтронов. : приq>f– реакция не поддерживается, если q<f– то затухание зависит отD: K< 0 приили

Dk– называетсякритическим размероми зависит от свойств ядерного горючего, а масса, соответствующаяD_kназывается критической массой.

б) пусть k> 0, тогда интегрирование уравнения (1) даст:

;

здесь число производимых нейтронов будет возрастать (II), реакция называетсянеуправляемой(взрыв) – используется в атомных бомбах.

в) пусть k= 0, тогда;N=Conts=N₀и число реакций деления в единицу времени постоянно (III),управляемая реакция.

Таким образом управлять реакцией удается лишь в том случае, если окажется возможным величину К менять достаточно медленно и плавно.