Фізіка. 11 клас

Адкрыццё дзялення ўрану азначала з’яўленне новага віду паліва — самой масы матэрыі.

Д. Юз 

Асобае месца сярод ядзерных рэакцый займаюць ланцуговыя ядзерныя рэакцыі дзялення, якія прывялі да стварэння, з аднаго боку, новых крыніц энергіі, а з другога — да з’яўлення новага тыпу зброі, якая мае каласальную магутнасць. Высветлім асноўныя заканамернасці дадзенага тыпу рэакцый і ўмовы іх узнікнення.

Асобы тып ядзерных рэакцый складаюць ядзерныя рэакцыі дзялення элементаў, размешчаных у канцы перыядычнай сістэмы хімічных элементаў. У выніку такіх рэакцый вылучаецца велізарная колькасць энергіі. Чаму гэта адбываецца? 

Звернемся да графіка, паказанага на малюнку 211 (§ 37). Для цяжкіх ядзер, напрыклад такіх як  энергія сувязі, што прыпадае на нуклон, складае велічыню . Калі рухацца ўздоўж крывой на графіку залежнасці энергіі сувязі ад  да месца, дзе знаходзяцца ядры хімічных элементаў з сярэдзіны перыядычнай сістэмы элементаў Мен­дзялеева, то бачна, што энергія сувязі нарастае ад ~7,5 МэВ да ~8,8 МэВ на нуклон.

Такім чынам, пры дзяленні цяжкага ядра на 2—3 больш легкія асколкі энергія сувязі, якая прыпадае на кожны нуклон, павялічваецца на велічыню парадку 1 МэВ. Паводле закону захавання энергіі такая ж колькасць энергіі вылучаецца пры дзяленні ядра. Такім чынам, падчас ядзернай рэакцыі, якая прыводзіць да з’яўлення ядзер з большай удзельнай энергіяй сувязі, павінна вылучацца энергія. Лік нуклонаў у кожным ядры ўрану роўны N = 235. Такім чынам, рэакцыя дзялення аднаго ядра прыводзіць да вылучэння каля 200 МэВ энергіі. Нават улічваючы разнастайныя страты, гэты лік непараўнальны з энергіяй ~1—5 эВ, вылучаемай у хімічных рэакцыях акіслення (гарэння
паліва).

Такія вывады знайшлі сваё пацверджанне падчас шматлікіх экс­перыментаў у першай палове ХХ ст. Асноўнае пытанне было ў тым, як прымусіць ядро дзяліцца. Бамбардзіроўка a-часціцамі ці пратонамі неэфектыўная з прычыны іх моцнага адштурхвання ядром. Электроны — занадта лёгкія «снарады». Выбар упаў на нейтроны. Яны дастаткова цяжкія (у параўнанні з электронамі) і ў той жа час электрычна нейтральныя. З прычыны гэтага нейтроны могуць бесперашкодна падлятаць да ядра-мішэні, рухаючыся з найменшай скорасцю. Патрапіўшы ў сферу дзеяння ядзерных сіл прыцягнення, нейтрон пранікае ў ядро. 

У 1938 г. нямецкія радыехімікі Ота Ган, Фрыц Штрасман, Лізэ Мэйтнер, Ота Фрыш упершыню ажыццявілі рэакцыю дзялення  нейтронамі:

.

Адзначым, што сама ідэя дзялення ядра была такой незвычайнай, што навуковы свет спачатку не ўспрыняў вынікі іх эксперыментаў. І толькі праз некаторы час было ўсвядомлена, што ядро ўрану распадаецца галоўным чынам на два асколкі. У выніку дзялення могуць утварыцца розныя радыеізатопы. У большасці выпадкаў ядро дзеліцца на няроўныя асколкі (ядры): масавы лік большага ядра вагаецца ў межах ад 135—145, а меншага — ад 90—100. У кожным акце дзялення ядра ўрану вызваляюцца 2—3 нейтроны. Кінетычная энергія асколкаў, якія разлятаюцца, складае велічыню ~165 МэВ, а астатняя частка энергіі прыпадае на нейтроны і гама-кванты. Дадзеная рэакцыя паказана на малюнку 220.

У 1940 г. савецкія фізікі Георгій Флёраў і Канстанцін Пятржак выявілі новы від радыеактыўных ператварэнняў — спантаннае дзяленне ядзер урану  У працэсе дзялення ўтвараюцца асколкі — ізатопы элементаў сярэдзіны перыядычнай сістэмы са значэннямі Z ад 34 (ізатоп селену   да 67 (ізатоп гольмію ))

Новая з’ява была названа дзяленнем ядра з-за падабенства з дзяленнем клеткі ў біялогіі. Найбольш верагодным з’яўляецца дзяленне ядра на два асколкі. Адносіна іх мас складае прыкладна 3  :  2. Верагоднасць дзялення на тры асколкі складае велічыню 10^–2—10^–8 ад верагоднасці дзялення на два. Рэакцыі дзялення ядзер звычайна з’яўляюцца экзаэнергетычнымі з вылучэннем энергіі ~200 МэВ у кожным акце рэакцыі.

Наглядна працэс дзялення можна паказаць, прадставіўшы ядро ў выглядзе кроплі зараджанай вадкасці (мал. 220-1). З прычыны таго што ядзерныя сілы з'яўляюцца кароткадзеючымі, яны дзейнічаюць толькі на адлегласцях . Таму нуклоны ўзаемадзейнічаюць толькі са сваімі бліжэйшымі суседзямі. Рэчыва ядра практычна несціскаемае. Паміж пратонамі ў ядры, акрамя ядзерных сіл прыцягнення, дзейнічаюць, у адрозненне ад нейтронаў, яшчэ і электрастатычныя сілы адштурхвання. Паколькі ядро ўстойлівае, то ядзерныя сілы і сілы электрастатычнага адштурхвання ў ім скампенсаваны. Таму ядро імкнецца прыняць шарападобную форму, аналагічна кроплі вадкасці ў стане бязважкасці (мал. 220-1, а).

Згодна з кропельнай мадэллю нейтрон пры паглынанні ядром перадае яму дадатковую энергію (падобна нагрэву кроплі вадкасці), якая размяркоўваецца паміж усімі нуклонамі, што ўваходзяць у склад ядра. Утвараецца новае прамежкавае ядро, якое знаходзіцца ва ўзбуджаным стане :

.

Ядзерная «вадкасць» пачынае выконваць ваганні, ядро набывае падоўжаную форму тыпу гантэлі (мал. 220-1, б, в, г). Ядзерныя сілы ўжо не ў стане ўтрымліваць усе нуклоны разам. З прычыны электрастатычнага адштурхвання двух згусткаў ядзернай «вадкасці» ядро расшчапляецца на часткі (мал. 220-1, д), якія называюцца асколкамі дзялення. Дзяленне суправаджаецца выпусканнем нейтронаў (мал. 220-1, е).

Пры дзяленні ядра ўрану адзін нейтрон выклікае дзяленне аднаго ядра. Два асколкі дзялення, ужо не злучаныя магутнымі, але караткадзеючымі ядзернымі сіламі, з вялікімі скарасцямі разлятаюцца за кошт сіл электрастатычнага адштурхвання. Сумарная кінетычная энергія асколкаў  складае асноўную долю ўсёй энергіі, вызваляемай пры дзяленні ядра  ()

З’яўленне асколкаў — не адзіны вынік дзялення ядра. Пачатковая адносіна ліку нейтронаў да ліку пратонаў у ядры-асколку прыкметна большая за значэнне гэтай велічыні для стабільных ядзер параўнальнай масы. 

За кожны акт дзялення ядра ўтвараюцца ў сярэднім 2—3 новыя нейтроны, кожны з энергіяй у сярэднім  (). Яны выпускаюцца ядром урану адразу пасля дзялення і называюцца імгненнымі. Асколкі, што ўтварыліся, з’яўляюцца β⁻-радыеактыўнымі. Таму пасля шэрага іх β⁻-распадаў яны ператвараюцца ў стабільныя ізатопы. Часцей за ўсё даччынае ядро, якое ўтварылася пасля b⁻-распаду, аказваецца ўзбуджаным і пераходзіць у асноўны энергетычны стан з выпусканнем γ-кванта або нейтрона, што выпускаюцца праз некалькі мінут пасля дзялення ядра і называюцца запазняльнымі. Такія нейтроны складаюць каля 0,75 % утвораных нейтронаў. 

Уран  і торый , якія выкарыстоўваюцца ў якасці сыравіны для атрымання штучнага паліва , пачынаюць дзяліцца пры энергіі нейтронаў, вышэйшай за 1 МэВ: 

, .

Асаблівасць ізатопаў  ,  і  заключаецца ў тым, што яны дзеляцца цеплавымі нейтронамі. У гэтым і заключаецца сэнс тэрміна «які дзеліцца».

Паколькі дзяленне ядзер выклікаюць нейтроны, а ў выніку дзялення зноў нараджаюцца нейтроны, то пры пэўных умовах працэс, пачаўшыся аднойчы з аднаго нейтрона, можа прыняць характар ланцуговай рэакцыі: за адным дзяленнем пойдуць следам іншыя і г. д. 

Ядзерная рэакцыя дзялення, у якой часціцы (нейтроны), што выклікаюць рэакцыю, утвараюцца і як прадукты гэтай жа рэакцыі, называецца ланцуговай.

Якія ж умовы неабходны для ланцуговых ядзерных рэакцый?

З прычыны вялікай пранікальнай здольнасці нейтронаў і з-за канчатковых памераў зоны (актыўнай зоны), у якой знаходзіцца рэчыва, што дзеліцца, многія з нейтронаў пакідаюць яе, і ланцуговая рэакцыя не адбываецца. Таму для ажыццяўлення ланцуговай рэакцыі вызначальнае значэнне маюць памеры зоны, якую называюць актыўнай, у якой адбываецца рэакцыя. Мінімальныя памеры актыўнай зоны, пры якіх магчыма ажыццяўленне ланцуговай ядзернай рэакцыі, называюцца крытычнымі памерамі. Ад чаго ж залежаць гэтыя памеры?

Крытычныя памеры залежаць ад прыроды рэчыва, якое дзеліцца, яго формы. Чым большыя памеры актыўнай зоны, тым вышэй верагоднасць паглынання ўнутры яе нейтронаў. Для ўрану  меншая верагоднасць вылету нейтронаў за межы зоны да іх паглынання, г. зн. яе памеры будуць меншымі, чым для зоны з  Акрамя таго, памер зоны будзе меншы з прычыны таго, што для расшчаплення  можна выкарыстоўваць павольныя нейтроны. 

Крытычныя памеры паменшацца, калі вакол актыўнай зоны змясціць запавольнік (графіт, ваду), паколькі нейтроны, якія вылятаюць з яе, будуць адбівацца ад яго і вяртацца назад у яе. Эфектыўнасць іх адбіцця значна павялічваецца пры таўшчыні адбівальніка, якая перавышае сярэднюю даўжыню прабегу нейтронаў у ім. 

Ацэнім крытычную масу рэчыва, што дзеліцца, у такой зоне. Найменшыя памеры і масу мае рэчыва шарападобнай формы, паколькі для яго адносіна плошчы паверхні да аб’ёму мінімальная. Радыус шара павінен быць большы за даўжыню прабегу нейтрона да сутыкнення з ядром. Тады крытычную масу ўрану  можна ацаніць, і яна складае прыкладна 48 кг. Пры шчыльнасці ўрану   радыус шара такой масы роўны прыкладна 8,5 см. Для ізатопа плутонію  крытычная маса складае ўжо 17 кг, што адпавядае шару радыусам 6,0 см.

Нанава ўтвораныя пры ядзернай рэакцыі дзялення два ці тры нейтроны выклічуць дадатковыя акты дзялення, таму працэс будзе лавіна­падобна нарастаць (мал. 221). 

Так запускаецца ланцуговая рэакцыя дзялення, пры якой нанава ўтвораныя нейтроны выклікаюць працэс дзялення новых ядзер, падобна таму, як пастаўленыя ў шэраг косці даміно «завальваюцца адна на адну».

Падобнае некантралюемае (не­кіруемае) развіццё ланцуговай рэакцыі прыводзіць да вызвалення каласальнай колькасці энергіі за вельмі кароткі прамежак часу. Менавіта такія працэсы адбываюцца пры ядзерным выбуху (мал. 222).

Колькасць нейтронаў, якія ўзні­каюць у адным акце дзялення, называецца пакаленнем нейтронаў.

Колькаснай характарыстыкай ланцуговай рэакцыі дзялення з’яў­ляецца каэфіцыент размнажэння нейтронаў: 

,

дзе n₂ — лік нейтронаў у дадзеным пакаленні, n₁ — лік нейтронаў у папярэднім пакаленні. Калі каэфіцыент размнажэння k = 1, то лік нейтронаў у ім увесь час застаецца нязменным. Пры k > 1 агульны лік нейтронаў у рэактары павялічваецца з цягам часу і магчыма іх некантралюемае размнажэнне, што прыводзіць да выбуху. Пры k < 1 лік нейтронаў памяншаецца, і рэакцыя з цягам часу спыняецца.

Нейтроны могуць паглынацца рознымі прымесямі, пакідаць абсяг, у якім адбываецца рэакцыя, губляць сваю энергію ў выніку вялікага ліку актаў рассейвання. З улікам усіх магчымых страт каэфіцыент размнажэння k павінен быць большы за адзінку для ланцуговай ядзернай рэакцыі.

Ланцуговая ядзерная рэакцыя будзе самападтрымліваемай, калі колькасць нейтронаў у кожным наступным пакаленні не памяншаецца.

Такім чынам, для ланцуговых самападтрымліваемых ядзерных рэакцый неабходны наступныя ўмовы:

1) неабходна мець мінімальную колькасць рэчыва, каб нейтроны паспелі ўзбудзіць ядро да выхаду з абсягу, які займае рэчыва, што дзеліцца;

2) энергія нейтронаў, што ўзнікаюць пры дзяленні, павінна быць дастатковай, каб выклікаць дзяленне ядзер;

3) каэфіцыент размнажэння нейтронаў k > 1;

4) адсутнасць прымесей, паглынаючых утвораныя нейтроны.