§ 40. Деление тяжелых ядер. Цепные ядерные реакции

Открытие деления урана означало появление нового вида топлива —
самой массы материи.

Д. Юз 

Особое место среди ядерных реакций занимают цепные ядерные реакции деления, которые привели к созданию, с одной стороны, новых источников энергии, а с другой — к появлению нового типа оружия, обладающего колоссальной мощностью. Выясним основные закономерности данного типа реакций и условия их возникновения.

Энергия, высвобождающаяся при ядерной реакции, называется энергетическим выходом ядерной реакции.

Особый тип ядерных реакций представляют ядерные реакции деления элементов, расположенных в конце периодической системы химических элементов. В результате таких реакций выделяется огромное количество энергии. Почему это происходит?     

Обратимся к графику, изображенному на рисунке 211 (§ 37). Для тяжелых ядер, например таких как , энергия связи, приходящаяся на нуклон, составляет величину . Если двигаться вдоль кривой на графике зависимости энергии связи от  к месту, где находятся ядра химических элементов из середины периодической системы элементов Менделеева, то видно, что энергия связи возрастает от   до  на нуклон.

Таким образом, при делении тяжелого ядра на 2—3 более легких осколка, энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличится на величину порядка .  Согласно закону сохранения энергии такое же количество энергии выделится при делении ядра. Следовательно, в ходе ядерной реакции, приводящей к появлению ядер с большей удельной энергией связи, должна выделяться энергия. Число нуклонов в каждом ядре урана равно . Таким образом, реакция деления одного ядра приводит к выделению около 200 МэВ энергии. Даже учитывая всевозможные потери, это число несравнимо с энергией , выделяемой в химических реакциях окисления (горения топлива).

Такие выводы нашли свое подтверждение в ходе многочисленных экспериментов в первой половине ХХ века. Основной вопрос заключался в том, как заставить ядро делиться. Бомбардировка α-частицами или протонами неэффективна ввиду их сильного отталкивания ядром. Электроны слишком легкие «снаряды». Выбор пал на нейтроны. Они достаточно тяжелые (по сравнению с электронами) и в то же время электрически нейтральны. Вследствие этого нейтроны могут беспрепятственно подлетать к ядру-мишени, двигаясь со сколь угодно малой скоростью. Попав в сферу действия ядерных сил притяжения, нейтрон проникает в ядро.

В 1938 г. немецкие радиохимики Отто Ган, Фриц Штрассман, Лизе Мейтнер, Отто Фриш впервые осуществили реакцию деления  нейтронами:

.

Отметим, что сама идея деления ядра была столь необычна, что ученый мир вначале не воспринял результаты их экспериментов. И только спустя некоторое время было осознано, что ядро урана распадается главным образом на два осколка. В результате деления могут образоваться различные радиоизотопы. В большинстве случаев ядро делится на неравные части: массовое число большего ядра колеблется в пределах от 135-145, а меньшего — от 90-100. В каждом акте деления ядра урана высвобождаются 2-3 нейтрона. Кинетическая энергия разлетающихся осколков составляет величину порядка 165 МэВ, а остальная часть энергии приходится на нейтроны и гамма-кванты. Данная реакция изображена на рисунке 220.

В 1940 г. советские физики Георгий Флеров и Константин Петржак обнаружили новый вид радиоактивных превращений — спонтанное деление ядер урана .        В процессе деления образуются осколки — изотопы элементов середины периодической системы со значениями Z от 34 (изотоп селена ) до 67 (изотоп гольмия ).

Новое явление было названо делением ядра из-за сходства с делением клетки в биологии. Наиболее вероятным является деления ядра на два осколка. Отношение их масс составляет примерно 3:2. Вероятность деления на три осколка составляет величину от вероятности деления на два. Реакции деления ядер обычно являются экзоэнергетическими с выделением энергии  в каждом акте реакции.

Наглядно процесс деления можно изобразить, представив ядро в виде капли заряженной жидкости (рис. 220-1). Вследствие того что ядерные силы являются короткодействующими, они действуют только на расстояниях . Поэтому нуклоны взаимодействуют только со своими ближайшими соседями. Вещество ядра практически несжимаемо. Между протонами в ядре, кроме ядерных сил притяжения, действуют, в отличие от нейтронов, еще и электростатические силы отталкивания. Так как ядро устойчиво, то ядерные силы и силы электростатического отталкивания в нем скомпенсированы. Поэтому ядро стремится принять шарообразную форму, аналогично капле жидкости в состоянии невесомости (рис. 220-1, а).

Согласно капельной модели нейтрон при поглощении ядром передает ему дополнительную энергию (подобно нагреву капли жидкости), которая распределяется между всеми входящими в состав ядра нуклонами. Образуется новое промежуточное ядро, находящееся в возбужденном состоянии :

.

Ядерная «жидкость» начинает совершать колебания, ядро приобретает удлиненную форму типа гантели (рис. 220-1, б, в, г). Ядерные силы уже не в состоянии удержать все нуклоны вместе. Вследствие электростатического отталкивания двух сгустков ядерной «жидкости» ядро расщепляется на части (рис. 220-1, д), которые называются осколками деления. Деление сопровождается испусканием нейтронов (рис. 220-1, е).

При делении ядра урана один нейтрон вызывает деление одного ядра. Два осколка деления, уже не связанные мощными, но короткодействующими ядерными силами, с большими скоростями разлетаются за счет сил электростатического отталкивания. Суммарная кинетическая энергия осколков () составляет основную долю всей энергии, освобождаемой при делении ядра ().

Появление осколков — не единственный результат деления ядра. Начальное отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре-осколке заметно больше значения этой величины для стабильных ядер сравнимой массы.

На каждый акт деления ядра образуется в среднем 2—3 новых нейтрона, каждый с энергией в среднем  (). Они испускаются ядром урана сразу после деления и называются мгновенными. Образовавшиеся осколки являются  - радиоактивными. Поэтому после ряда их  -распадов они превращаются в стабильные изотопы. Чаще всего дочернее ядро, образовавшееся после  - распада, оказывается возбужденным и переходит в основное энергетическое состояние с испусканием γ-кванта или нейтрона, которые испускаются через несколько минут после деления ядра и называются запаздывающими. Такие нейтроны составляют около 0,75 % образующихся нейтронов.

Используемые в качестве сырья для получения искусственного горючего уран  и торий начинают делиться при энергии нейтронов свыше 1 МэВ:

,

.

Особенность изотопов ,  и  состоит в том, что они делятся тепловыми нейтронами. В этом и заключается смысл термина «делящийся».

Поскольку деление ядер вызывают нейтроны, а в результате деления опять рождаются нейтроны, то при определенных условиях процесс, начавшись однажды с одного нейтрона, может принять характер цепной реакции: за одним делением последуют другие и т.д.

Ядерная реакция деления, в которой частицы (нейтроны), вызывающие реакцию, образуются и как продукты этой же реакции, называется цепной.

Какие же условия необходимы для цепных ядерных реакций?

Вследствие большой проникающей способности нейтронов и из-за конечных размеров зоны (активной зоны), в которой находится делящееся вещество, многие из нейтронов покидают ее, и цепная реакция не происходит. Поэтому для осуществления цепной реакции определяющее значение имеют размеры зоны, которую называют активной, в которой происходит реакция. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной ядерной реакции, называются критическими размерами.  От чего же зависят эти размеры?

Критические размеры зависят от природы делящегося вещества, ее формы. Чем больше размеры активной зоны, тем выше вероятность поглощения внутри нее нейтронов. Для урана  меньше вероятность вылета нейтронов за пределы зоны до их поглощения, т.е. ее размеры будут меньше, чем для зоны с . Кроме того, размер зоны будет меньше вследствие того, что для расщепления  можно использовать медленные нейтроны.

Критические размеры уменьшатся, если вокруг активной зоны поместить замедлитель (графит, воду), так как вылетающие из нее нейтроны будут отражаться от него и возвращаться обратно в нее. Эффективность их отражения значительно увеличивается при толщине отражателя превышающей среднюю длину пробега нейтронов в нем.

Оценим критическую массу делящегося вещества в такой зоне. Наименьшие размеры и массу имеет вещество шарообразной формы, так как для него отношение площади поверхности к объему минимально. Радиус шара должен быть больше длины пробега нейтрона до соударения с ядром. Тогда критическую массу урана  можно оценить, и она составляет примерно 48 кг. При плотности урана  радиус шара такой массы равен примерно 8,5 см . Для изотопа плутония критическая масса составляет уже 17 кг, что соответствует шару радиуса 6,0 см.

Вновь образованные при ядерной реакции деления два или три нейтрона вызовут дополнительные акты деления, так что процесс лавинообразно нарастает (рис. 221).

Так запускается цепная реакция деления, при которой вновь образовавшиеся нейтроны вызывают процесс деления новых ядер, подобно тому, как ряд поставленных домино «заваливается друг на друга».

Подобное   неконтролируемое (неуправляемое) развитие цепной реакции приводит к освобождению колоссального количества энергии за очень короткий промежуток времени. Именно такие  процессы происходят при ядерном взрыве  (рис. 222).

Количество нейтронов, возникающих в одном акте деления, называется поколением нейтронов.

Количественной характеристикой цепной реакции деления является коэффициент размножения нейтронов:

,

где  — число нейтронов в данном поколении,  — число нейтронов в предыдущем поколении. Если коэффициент размножения , то число нейтронов в нем все время остается неизменным. При  общее число нейтронов в реакторе увеличивается со временем и возможно их неконтролируемое размножение, приводящее к взрыву. При  число нейтронов уменьшается, и реакция с течением времени прекращается.

Нейтроны могут поглощаться различными примесями, покидать область, в которой происходит реакция, терять свою энергию в результате большого числа актов рассеяния. С учетом всех возможных потерь коэффициент размножения  k должен быть больше единицы для цепной ядерной реакции.

Цепная ядерная реакция будет самоподдерживающейся, если количество нейтронов в каждом следующем поколении не уменьшается.

Таким образом, для цепных самоподдерживающихся ядерных реакций необходимы следующие условия:

1)  необходимо иметь минимальное количество вещества, чтобы нейтроны успели; возбудить ядро до выхода из области, занимаемой делящимся веществом;
2)  энергия нейтронов, возникающих при делении, должна быть достаточной, чтобы вызвать деление ядер;
3)  коэффициент размножения нейтронов
4)  отсутствие примесей, поглощающих образующиеся нейтроныю.

Ядерное «горючее» в атомной бомбе содержится в виде разделенных друг от друга порций докритической массы. Обычный (тротиловый) взрыв соединяет горючее в единый образец, масса которого превышает критическую. После этого через ничтожно малое время следует ядерный взрыв. Цепная ядерная реакция впервые была осуществлена  в США Энрико Ферми в 1942 г., в СССР — Игорем Курчатовым в 1946 г

Называя энергию, выделяющуюся при делении ядра, атомной, мы допускаем двойную неточность. Во-первых, делится не атом, а ядро, а во-вторых, выражение «атомная энергия» в буквальном смысле означает «энергия неделимого». Правильно ее называть ядерной энергией.