Деление ядер урана. Цепная реакция

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 удельной энергии связи нуклонов.

Для тяжёлых ядер, например таких, как уран-235, удельная энергия связи, приходящаяся на нуклон, составляет примерно 7,6 МэВ. Ядра химических элементов из середины периодической системы элементов Менделеева обладают максимальной удельной энергией связи — до 8,8 МэВ на нуклон. Таким образом, при расщеплении тяжёлого ядра на два три более лёгких осколка энергия связи, приходящаяся на каждый нуклон, увеличится на величину порядка 1 МэВ. А исходя из закона 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. Так, например, число нуклонов в каждом ядре изотопа урана равно 235. Значит, реакция расщепления одного ядра приводит к выделению более 200 МэВ энергии. Даже учитывая всевозможные потери, это число несравнимо с энергией в 1 эВ, выделяемой в химических реакциях окисления.

Выводы теоретиков нашли своё подтверждение в ходе многочисленных экспериментов в середине 20 века. Основной вопрос заключался в том, как заставить ядро делиться? Бомбардировка α-частицами или протонами неэффективна ввиду их сильного отталкивания ядром. Поскольку электроны представляют собой слишком лёгкие снаряды, то выбор пал на нейтроны. Они достаточно тяжёлые (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. А попав в сферу действия ядерных сил притяжения, нейтрон проникает в ядро. В 1934 году Энрико Ферми, обстреливавший уран нейтронами, предположил, что при этом образуются трансурановые элементы, порядковый номер которых больше 92. И это предположение было общепризнанным, а распад тяжёлых ядер на более лёгкие элементы считался невозможным вплоть до 1938 года. В этом году немецкие учёные Отто Ган и Фриц Штрассман при поиске трансурановых элементов облучали уран нейтронами и в продуктах реакции нашли следы бария. 17 декабря 1938 года они провели решающий опыт, на основании которого Ган заключил, что ядро урана «лопается», распадаясь на более лёгкие элементы.

Вскоре после этого Отто Фриш и Лиза Мейтнер дали физическое объяснение процесса деления ядра урана, о чём Фриш незамедлительно сообщил Нильсу Бору, который на знаменитой конференции по теоретической физике в Вашингтоне 26 января 1939 года сообщил об открытии деления урана. Интересно, что многие физики, принимавшие участие в этой конференции, не дожидаясь конца доклада, один за другим стали покидать заседание, чтобы проверить сообщение в своих лабораториях.

Так было открыто расщепление ядра. Чтобы понять, почему ядро урана под действием нейтрона начинает делиться, представим его себе в виде капли заряженной жидкости. Тогда, согласно капельной модели, нейтрон при поглощении ядром передаёт ему дополнительную энергию (подобно нагреву капли жидкости), которая распределяется между всеми входящими в состав ядра нуклонами. Образуется новое промежуточное ядро, находящееся в возбуждённом состоянии. Ядерная «жидкость» начинает совершать колебания и ядро приобретает удлинённую форму типа гантели. Ядерные силы уже не в состоянии удержать все нуклоны вместе. И как только крайние части ядра во время колебаний отдаляются на расстояние, где ядерные силы уменьшаются, тогда ядро разделяется. При этом, как правило, образуется два тяжёлых осколка и два-три нейтрона, а также высвобождается двести мегаэлектронвольт энергии.

В 1940 году советские физики Георгий Николаевич Флёров и Константин Антонович Петржак обнаружили новый вид радиоактивных превращений — спонтанное деление ядер урана-238. Но для данного изотопа самопроизвольное деление — это очень редкий процесс. Например, в одном грамме такого урана происходит всего около 20 таких делений в час. Поэтому, что бы распалась хотя бы половина изначального количества ядер в данной массе, может потребоваться около 4,5 миллиардов лет.

При работе же крупной ядерной установки одновременно делится очень большое число ядер урана, поэтому выделяется огромная энергия. Но где взять необходимое для такого деления ядер число нейтронов? Эти нейтроны поставляет сам уран. Вспомните, что при делении изотопа урана-235, кроме двух тяжёлых осколков деления, выделяются и два-три нейтрона…

Теперь представим себе, что у нас есть некоторое количество ядер урана. Образовавшиеся в результате первого деления нейтроны смогут разделить новые ядра урана. Так, при определённых условиях процесс, начавшись однажды с одного нейтрона, может принять характер цепной реакции: за одним делением последуют другие и так далее.

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

Первая управляемая цепная ядерная реакция была осуществлена Энрико Ферми в США в 1942 году. А в СССР первая цепная реакция была осуществлена Игорем Васильевичем Курчатовым в 1946 году.

Но осуществление цепной реакции деления — это очень сложная техническая задача. Например, в природном уране на долю изотопа урана-235 приходится всего лишь 0,7 %, а более 99 % — это изотоп урана-238. Вызвать же деление урана при попадании в него нейтрона можно только у изотопов с массовым числом 235, так как ядро урана-238 поглощает нейтрон, а деление не происходит.

Итак, какие же условия необходимы для цепных ядерных реакций?

Во-первых, число вторичных нейтронов должно быть больше одного. А энергия нейтронов, выделяющихся при делении, должна быть достаточной чтобы вызвать деление ядер. Ещё должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны. А также необходимо иметь минимальное количество вещества, чтобы нейтроны успели возбудить ядро до выхода из области деления ядер.

Минимальная масса вещества, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Если масса образца недостаточна, то нейтроны деления пролетают через него практически без возбуждения новых ядер.

Для урана критическая масса составляет примерно 48 кг — это шарик, радиус которого примерно равен 8,5 сантиметрам. А для изотопа плутония-239 критическая масса составляет уже 17 кг, что соответствует шарику радиусом 6 сантиметров.

Если масса урана больше критической, то процесс деления ядер начнёт лавинообразно нарастать. Так запускается цепная реакция деления, неконтролируемое развитие которой приводит к освобождению колоссального количества энергии за очень короткий промежуток времени — происходит ядерный взрыв.

Если же масса урана будет меньше критической, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своём пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов.

Соответственно, при критической массе урана цепная ядерная реакция будет самоподдерживающейся, то есть количество нейтронов в каждом следующем поколении становится равным числу потерянных нейтронов. Поэтому их общее число остаётся неизменным, а реакция будет идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.

Уменьшить потерю нейтронов, которые вылетают из урана не прореагировав с ядрами, можно не только за счёт увеличения массы, но и с помощью специальных отражателей. Так, например, если между слоями урана положить многочисленные тонкие полиэтиленовые плёнки и окружить его бериллиевой оболочкой, то критическая масса снижается до 242 грамм, а это шарик радиусом всего 1,5 сантиметра.

Полиэтиленовые плёнки в данном случае будут служить так называемыми замедлителями нейтронов. Зачем это нужно? Дело в том, что изотоп урана-235 очень хорошо делится именно под действием медленных нейтронов. А при делении ядра образуются нейтроны быстрые — их скорость достигает 10⁶ м/с.

Поэтому, если их замедлить, то они с большей вероятностью захватятся ядром урана и вызовут акт деления. Чаще всего в качестве замедлителей выступают графит и тяжёлая вода, в состав которой входит дейтерий.

Таким образом, возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нём, наличием оболочки и замедлителя, а также некоторыми другими факторами.

В заключении урока отметим, что управляемая цепная реакция деления ядер осуществляется в специальных технических устройствах, которые называют ядерными реакторами.