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 k³ 1. 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> 1идет 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.