- •Ядерная физика
- •51.Состав и характеристика атомного ядра
- •52.Дефект массы и энергии связи ядер
- •53.Ядерные силы
- •54.Закон радиоактивного распада
- •55.Виды радиоактивного излучения
- •56.Взаимодействие ионизирующего излучения с веществом
- •57.Методы наблюдения и регистрации ионизирующих излучений
- •58.Поглощение и экспозиционная доза
- •59.Эквивалентная и эффективная эквивалентная дозы ионизирующих излучений
- •60. Естественные и искусственные источники излучения
- •61.Ядерные реакции
- •62.Цепная реакция деления
- •63.Ядерный реактор
62.Цепная реакция деления
Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новое деление, что приводит к цепной реакции деления — ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении.
Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k1. Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа — от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т — среднее время жизни одного поколения, а N — число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их число равно kN, т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN= kN-N=N(k-1).
При k>1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной.
При k=1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k<1 идет затухающая реакция.
Цепные реакции делятся на управляемые (реакции в ядерных реакторах) и неуправляемые (взрыв атомной бомбы).
Условия для выполнения:1)природный уран должен очищен от примесей; 2)тот уран, который получили должны обогатить 235U; 3)форму активной поверхности должна быть близка к сферической; 4)должна быть критичность массы.
1°. Тяжелые ядра, перегруженные нейтронами, являются неустойчивыми (неустойчивость тяжелых ядер). Это подтверждается меньшей удельной энергией связи тяжелых ядер по сравнению с удельной энергией средних ядер (VI.4.2.2°).
Делением ядра называется ядерная реакция разделения тяжелого ядра (например, урана), возбужденного захватом нейтрона, на две приблизительно равные части, называемые продуктами деления (осколками). Нуклоны исходного составного ядра (VI.4.8.9°) распределяются между осколками деления в соответствии с законами сохранения электрических зарядов и массовых чисел. При этом возможно высвобождение некоторого небольшого числа нейтронов (п. 5°).
2°. Деление тяжелого ядра на два осколка сопровождается выделением огромной энергии. На один нуклон в акте деления «рыхлого», неустойчивого ядра выделяется энергия, равная разности удельных энергий связи в ядрах — продуктах деления и исходного ядра,т.е.8,7МэВ—7,6МэВ= = 1,1 МэВ (VI.4.2.2°). Всего в ядре урана 2e|!U, содержащего 238 нуклонов, при делении выделяется энергия порядка 220 МэВ. При делении ядер, содержащихся в 1 г урана "^U, выделяется энергия 8-Ю10 Дж, или 22 ООО кВт-ч.
3°. Основная часть энергии деления выделяется в форме кинетической энергии осколков деления. При расстоянии г между осколками, превышающем радиус действия ядерных сил (VI.4.3.2°, б), потенциальная энергия П отталкивания
г, ZiZo-e2 гу
заряженных
ядер-осколков равна //=■ 4ne
г , где
Z^e
и
Z2e — заряды этих ядер. В момент завершения деления г=/?1+/?2«2/?, где /?i и R2 — радиусы ядер-осколков, равные /?=1,4-10-1М1/8 (VI.4.1.5°). Считая Z!=Z2=92/2=46 и Ai=A2=238/2= 119, имеем /7«220 МэВ. Потенциальная энергия П осколков переходит в их кинетическую энергию, и они разлетаются с огромными скоростями.
4°. Некоторые ядра могут делиться под действием как быстрых, так и медленных нейтронов. Медленные нейтроны производят деление более эффективно, так как они гораздо легче захватываются исходными ядрами. Тепловые нейтроны (VI.4.9.2°) вызывают деление ядер плутония ^"Ри и изотопа урана ^U. Энергии, необходимые для деления ядер изотопа урана а также ядер изотопов тория и протактиния, существующих в природе, значительно больше и составляют приблизительно 1 МэВ.
5°. Тяжелые делящиеся ядра перегружены нейтронами: для них A//Z«l,6 (VI.4.1.1°). Это означает, что в момент образования осколков деления они также перегружены нейтронами. Но в устойчивых ядрах-осколках N/Z ближе к 1, Следовательно, при делении ядер имеются избыточные
нейтроны, число которых равно разности между числом нейтронов в исходном ядре и их числом в ядрах-осколках (нейтроны деления). Среднее число п нейтронов деления, приходящихся на один акт деления, характеризует процесс размножения нейтронов при делении ядер. Например, при делении ядер плутония "'Ри и урана Ш5U под действием тепловых нейтронов среднее число п равно соответственно 3,0 и 2,5.
6°. Для осуществления реакции деления ядра необходима затрата некоторого количества энергии, которая называется энергией активации деления ядра (порог деления). Ядро -капля (VI.4.3.4°) наиболее устойчиво, если сумма поверхностной энергии, стягивающей каплю (VI.4.3.4°),
а
Рис. VI.4.8
и электростатической энергии отталкивания протонов сферического ядра-капли будет наименьшей. При захвате нейтрона ядро-капля (рис. VI .4.8, а) деформируется и принимает форму эллипсоида (рис. VI.4.8, б). В связи с огромной плотностью ядерного вещества (VI.4.1.6°) объем ядра-капли не изменяется, но поверхность' ее возрастает и возрастает величина поверхностной энергии ядра. Одновременно происходит уменьшение электростатической энергии, ибо при сферической форме ядра протоны максимально сближены и энергия их отталкивания наибольшая. Ядро — заряженная капля при захвате нейтрона приходит в колебания: попеременно то вытягивается, то сжимается. При малых деформациях капли (рис. VI.4.8, в) силы поверхностного натяжения (VI.4.3.4°) не позволяют капле достинуть критического значения деформации (рис. VI.4.8, г), при котором наступает деление (рис. VI.4.8, 5). Промежуточные состояния связаны с образованием и удлинением «перетяжки» в капле (рис. VI.4.8, в, г). При энергиях возбуждения ядра, меньших, чем энергия активации деления, деформация ядра-капли не доходит до критической, ядро не делится и возвращается в основное энергетическое состояние, испустив у- фотон.