Ядерные реакции деления ядра - реакции деления,заключающиеся в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось, и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Особенностью деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Так как для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов (N/Z ≈ 1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (N/Z ≈ 1,6), то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они и выделяют нейтроны деления. Однако испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпеть ряд β - -превращений, сопровождаемых испусканием γ-квантов. Так как β - -распад сопровождается превращением нейтрона в протон, то после цепочки β - -превращений соотношение между нейтронами и протонами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотопу. Например, при делении ядра урана U

U + n → Хе + Sr +2 n (265.1)

осколок деления Хе в результате трех актов β - -распада превращается в стабильный изотоп лантана La:

Хе → Cs → Ba → La.

Осколки деления могут быть разнообразными, поэтому реакция (265.1) не единственная, приводящая к делению U.

Большинство нейтронов при делении испускается практически мгновенно (t ≤ 10 –14 c), а часть (около 0,7%) испускается осколками деления спустя некоторое время после деления (0,05 c ≤ t ≤ 60 с). Первые из них называются мгновенными, вторые – запаздывающими. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтронов. Они имеют сравнительно широкий энергетический спектр в пределах от 0 до 7 МэВ, причем на один нейтрон в среднем приходится энергия около 2 МэВ.

Расчеты показывают, что деление ядер должно сопровождаться также выделением большого количества энергии. В самом деле, удельная энергия связи для ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ. Следовательно, при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия, равная примерно 1,1 МэВ на один нук­лон.

В основу теории деления атомных ядер (Н. Бор, Я. И. Френкель) положена капельная модель ядра. Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости (с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законам квантовой механики), частицы которой при попадании нейтрона в ядро приходят в колебательное движение, в результате чего ядро разрывается на две части, разлетающиеся с огромной энергией.

Вероятность деления ядер определяется энергией нейтронов. Например, если высокоэнергетичные нейтроны вызывают деление практически всех ядер, то нейтроны с энергией в несколько мега-электрон-вольт – только тяжелых ядер (А >210), Нейтроны, обладающие энергией активации (минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра) порядка 1 МэВ, вызывают деление ядер урана U, тория Тh, протактиния Pa, плутония Pu. Тепловыми нейтронами делятся ядра U, Pu, и U, Th (два последних изотопа в природе не встречаются, они получаются искусственным путем).

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление 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 данное поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k ≥ 1.

Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит ценная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.

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). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. скорость нарастания цепной реакции,

. (266.1)

Интегрируя (266.1), получим

,

где N 0 – число нейтронов в начальный момент времени, а N - их число в момент времени t . N определяется знаком (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 дпятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомном бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней U (или Pu) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывная цепная ре акция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах.

Из-за электронейтральности нейтронов.

2. Какую энергию называют энергетическим выходом реакции? Как оценить энергетический выход для реакции деления?

Полный энергетический выход реакции деления - это энергия, которая выделяется при делении одного ядра урана. Удельная энергия связи нуклона в ядре урана 235 примерно равна 7,6 МэВ, осколков реакции - примерно 8,5 МэВ. В результате деления выделяется (8,5 - 7,6) МэВ = 0,9 МэВ (на один нуклон). Всего нуклонов 235, то полный энергетический выход реакции деления равен

3. Какой величиной характеризуют скорость цепной реакции? Запишите необходимое условие для развития цепной реакции.

Коэффициент размножения нейтронов k характеризует скорость цепной реакции. Необходимое условие для развития цепной реакции

4. Какую реакцию деления называют самоподдерживающейся? Когда она возникает?

Возникает самоподдерживающаяся реакция деления ядер, если успевает образоваться новый нейтрон в результате реакции деления за время пролета нейтроном среды с линейным размером l.

5. Проведите оценку критического размера активной зоны и критической массы.

Объем цилиндра равен

N - концентрация ядер. Число столкновений нейтрона с ядрами в единицу времени n.

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра - осколков деления.

См. также

1. Васильев А. Деление урана: от Клапрота до Гана //Квант. - 2001. - № 4. - С. 20-21,30 .

Капельная модель ядра

Объяснить эту реакцию деления можно основываясь на капельной модели ядра. В этой модели ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаемой жидкости. Кроме ядерных сил, действующих между всеми нуклонами ядра, протоны испытывают дополнительное электростатическое отталкивание, вследствие которого они располагаются на периферии ядра. В невозбужденном состоянии силы электростатического отталкивания скомпенсированы, поэтому ядро имеет сферическую форму (рис. 1, а).

После захвата ядром \(~^{235}_{92}U\) нейтрона образуется промежуточное ядро \(~(^{236}_{92}U)^*\), которое находится в возбужденном состоянии. При этом энергия нейтрона равномерно распределяется между всеми нуклонами, а само промежуточное ядро деформируется и начинает колебаться. Если возбуждение невелико, то ядро (рис. 1, б), освобождаясь от излишка энергии путем испускания γ -кванта или нейтрона, возвращается в устойчивое состояние. Если же энергия возбуждения достаточно велика, то деформация ядра при колебаниях может быть настолько большой, что в нем образуется перетяжка (рис. 1, в), аналогичная перетяжке между двумя частями раздваивающейся капли жидкости. Ядерные силы, действующие в узкой перетяжке, уже не могут противостоять значительной кулоновской силе отталкивания частей ядра. Перетяжка разрывается, и ядро распадается на два "осколка" (рис. 1, г), которые разлетаются в противоположные стороны.

uran.swf Flash: Деление урана Увеличить Flash Рис. 2.

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

\(~^{235}_{92}U + \ ^1_0n \ ^{\nearrow}_{\searrow} \ \begin{matrix} ^{144}_{56}Ba + \ ^{89}_{36}Kr + \ 3^1_0n \\ ^{140}_{54}Xe + \ ^{94}_{38}Sr + \ 2^1_0n \end{matrix}\) .

Обратите внимание, что в результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть и другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д.

При делении ядер тяжелых атомов (\(~^{235}_{92}U\)) выделяется очень большая энергия - около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов.

Оценку выделяющей при делении ядра энергии можно сделать с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7,6 МэВ/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90 – 145 удельная энергия примерно равна 8,5 МэВ/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0,9 МэВ/нуклон или приблизительно 210 МэВ на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

См. также

1. Варламов А.А. Капельная модель ядра //Квант. - 1986. - № 5. - С. 23-24

Цепная реакция

Цепная реакция - ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией. Схема развития цепной реакции деления ядер урана представлена на рис. 3.

reakcia.swf Flash: цепная реакция Увеличить Flash Рис. 4.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов\[~^{238}_{92}U\] (99,3 %) и \(~^{235}_{92}U\) (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления \(~^{235}_{92}U\) наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах, в то время как ядра \(~^{238}_{92}U\) вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ. Иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер \(~^{239}_{92}U\) оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

\(~^{238}_{92}U + \ ^1_0n \to \ ^{239}_{92}U \to \ ^{239}_{93}Np + \ ^0_{-1}e\) .

Изотоп урана \(~^{238}_{92}U\) β -радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния \(~^{239}_{93}Np\) тоже радиоактивен, период полураспада около 2 дней.

\(~^{239}_{93}Np \to \ ^{239}_{94}Pu + \ ^0_{-1}e\) .

Изотоп плутония \(~^{239}_{94}Np\) относительно стабилен, период полураспада 24000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как \(~^{235}_{92}U\). Поэтому с помощью \(~^{239}_{94}Np\) может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай. В реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов).

Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана.

Коэффициент размножения нейтронов

Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К , который измеряется отношением числа N i нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу N i-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

\(~K = \dfrac{N_i}{N_{i - 1}}\) .

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К . К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.

Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана \(~^{235}_{92}U\) критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D 2 O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

Ядерная бомба

В обычном состоянии ядерная бомба не взрывается потому, что ядерный заряд в ней разделен на несколько небольших частей перегородками, поглощающими продукты распада урана, – нейтроны. Цепная ядерная реакция, являющаяся причиной ядерного взрыва, не может поддерживаться в таких условиях. Однако, если фрагменты ядерного заряда соединить вместе, то их суммарная масса станет достаточной для того, чтобы начала развиваться цепная реакция деления урана. В результате происходит ядерный взрыв. При этом мощность взрыва, развиваемая ядерной бомбой сравнительно небольших размеров, эквивалентна мощности, выделяющейся при взрыве миллионов и миллиардов тонн тротила.

Рис. 5. Атомная бомба

Реакции деления ядер.

Превращение ядер при взаимодействии с элементар­ными частицами или друг с другом называют ядерными реакциями. Ядерные реакции являются основным методом изучения структуры ядер и их свойств. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения: электрического заряда, барионного заряда, лептонного заряда, энергии, импульса и др. Например, закон сохранения барионного заряда сводится тому, что суммарное число нуклонов не меняется в результате ядерной реакции.

Ядерные реакции могут протекать с выделением или поглощением энергии Q , которая в 10 6 раз превышает энергию химических реакций. Если Q > 0 происходит выделение энергии (экзотермическая реакция ). Например,

При Q < 0 – поглощение энергии (эндотермическая реакция ). Например,

Ядерные реакции характеризуются эффективным сечением реакции (если радиус ядра больше, чем длина волны де Бройля частицы).

Выход ядерной реакции W – отношение числа актов ядерной реакции DN к числу частиц N , упавших на 1 см 2 мишени, т.е.

,

где n – концентрация ядер.

Многие ядерные реакции при невысоких энергиях проходят через стадию образования составного ядра . Так, чтобы нейтрон пролетел сквозь ядро со скоростью 10 7 м/с требуется время порядка t=10 –22 с. Время реакции составляет 10 - 16 –10 - 12 с или (10 6 –10 10)t. Это означает, что между нуклонами в ядре произойдет большое число столкновений и образуется промежуточное состояние – составное ядро. Характерное время t используется при анализе процессов, происходящих в ядре.

При уменьшении скорости нейтрона увеличивается время взаимодействия его с ядром и вероятность его захвата ядром, так как эффективное сечение обратно пропорционально скорости частицы (). Если суммарная энергия нейтрона и исходного ядра лежит в области расположения энергетических полос составного ядра, то вероятность образования квазистационарного уровня энергии составного ядра особенно велика. Сечение ядерных реакций при таких энергиях частиц резко возрас­тает, образуя резонансные максимумы. В таких случаях ядерные реакции называют резонансными . Резонансное сечение захвата тепловых (медленных) нейтронов (kТ » 0,025 эВ) может ~10 6 раз превосходить геометрическое сечение ядра

После захвата частицы, составное ядро находится в возбужденном состоянии в течение ~10 - 14 с, затем испускает какую-либо частицу. Возможно несколько каналов радиоактивного распада составного ядра. Возможен также и конкурирующий процесс – радиационного захвата, когда после захвата ядром частицы оно переходит в возбужденное состояние, затем, испустив g-квант, переходит в основное состояние. При этом также может образоваться составное ядро.

Силы кулоновского отталкивания между положительно заряженными частицами ядра (протонами) не способствуют, а препятствуют выходу этих частиц из ядра. Это связано с влиянием центробежного барьера . Объясняется это тем, что силам отталкивания соответствует положительная энергия. Она увеличивает высоту и ширину кулоновского потенциального барьера. Выход положительно заряженной частицы из ядра есть подбарьерный процесс . Он тем менее вероятен, чем выше и шире потенциальный барьер. Особенно это существенно для средних и тяжелых ядер.

Например, ядро изотопа урана , захватив нейтрон, образует составное ядро , которое затем разделяется на две части. Под действием кулоновских сил отталкивания эти части разлетаются с большой кинетической энергией ~200 МэВ, так как в этом случае электрические силы превосходят ядерные силы притяжения. При этом осколки радиоактивны и находятся в возбужденном состоянии. Переходя в основное состояние, они испускают мгновенные и запаздывающие нейтроны, а также g-кванты и др. частицы. Вылетевшие нейтроны называют вторичными.

Из всех выделяющихся при делении ядер освобождается мгновенно ~99% нейтронов, а на долю запаздывающих нейтронов приходится ~0,75%. Несмотря на это, запаздывающие нейтроны используют в ядерной энергетике, так как они позволяют сделать управляемыми ядерные реакции . Наиболее вероятно деление урана на осколки, один из которых примерно в полтора раза тяжелее другого. Это объясняется влиянием ядерных нейтронных оболочек, так как ядру энергетически выгоднее делиться так, чтобы число нейтронов в каждом из осколков было близко к одному из магических чисел – 50 или 82. В качестве таких осколков могут быть, например, ядра и .

Разность между максимальным значением потенциальной энергии E р (r ) и ее значением при для стабильных ядер называют энергией активации . Поэтому для деления ядра необходимо сообщить ему энергию не меньшую энергии активации. Эту энергию приносят нейтроны, при поглощении которых образуются возбужденные составные ядра.

Исследования показали, что ядра изотопа испытывают деление после захвата любых, в том числе и тепловых, нейтронов. Для деления же изотопа урана требуются быстрые нейтроны с энергией более 1 МэВ. Такое различие в поведении ядер и связывают с эффектом спаривания нуклонов.

Возможно и спонтанное деление радиоактивных ядер при отсутствии внешнего возбуждения, которое наблюдалось в 1940 г. В этом случае деление ядра может произойти путем просачивания продуктов деления через потенциальный барьер в результате туннельного эффекта. Другой характерной особенностью ядерных реакций, протекающих через составное ядро, при определенных условиях, является симметрия в системе центра масс углового распределения разлетающихся частиц, которые образуются при распаде составного ядра.

Возможны и прямые ядерные реакции, например,

которая используется для получения нейтронов.

При делении тяжелых ядер освобождается энергия, равная в среднем ~200 МэВ на каждое делящееся ядро, которую называют ядерной или атомной энергией . Получение такой энергии производится в ядерных реакторах.

Естественный уран содержит 99,3% изотопа и 0,7% изотопа , который и является ядерным горючим. Изотопы урана и тория являются сырьевыми материалами, из которых искусственно получаются изотоп и изотоп , являющиеся также ядерным топливом и в естественном состоянии в природе не встречаются. Изотоп плутония получают, например, в реакции

Изотоп урана получают, например, в реакции

где означает реакцию

.
Изотопы ядер и делятся только быстрыми нейтронами с энергией > 1МэВ.

Важной величиной, характеризующей делящееся ядро, является среднее число вторичных нейтронов, которое для осуществления цепной ядерной реакции деления атомных ядер должно быть не менее 1. В таких реакциях атомных ядер воспроизводятся нейтроны.

Цепная реакция практически осуществляется на обогащенном уране в ядерных реакторах . В обогащенном уране содержание изотопа урана , путем разделения изотопов, доведено до 2-5%. Объем, занимаемый делящимся веществом, называют активной зоной реактора. Для естественного урана коэффициент размножения тепловых нейтронов k =1,32. Для уменьшения скорости быстрых нейтронов до скорости тепловых, используют замедлители (графит, воду, бериллий и др.).

Существуют различные виды ядерных реакторов в зависимости от назначения и мощности. Например, экспериментальные, реакторы для получения новых трансурановых элементов и др.

В настоящее время в ядерной энергетике используют реакторы-размножители (бридерные реакторы), в которых происходит не только выработка энергии, но и расширенное воспроизводство делящегося вещества. В них применяют обогащенный уран с достаточно высоким содержанием (до 30%) изотопа урана .

Такие реакторы – размножители используют для выработки энергии на атомных электростанциях. Основным недостатком атомных электростанций является накопление радиоактивных отходов. Однако по сравнению с электростанциями на угольном топливе атомные электростанции более экологически чистые.