Деление и синтез ядер - Физика атомного ядра - ОСНОВЫ СПЕЦИАЛЬНОЙ ТЕОРИИ ОТНОСИТЕЛЬНОСТИ. КВАНТОВАЯ ФИЗИКА

4.8. Физика атомного ядра

4.8.8. Деление и синтез ядер

Деление ядер — процесс, при котором из одного атомного ядра возникают два (реже три) ядра-осколка, близких по массе.

Этот процесс выгоден для всех β-стабильных ядер с массовым числом А > 100.

Деление ядер урана было обнаружено в 1939 г. Ганом и Штрасманом, которые однозначно доказали, что при бомбардировке нейтронами ядер урана U появляются радиоактивные ядра с массами и зарядами, примерно в два раза меньшими, чем масса и заряд ядра U. В том же году Л. Мейтнер и О. Фриш ввели термин «деление ядер» и отметили, что при этом выделяется огромная энергия, а Ф. Жолио-Кюри и Э. Ферми одновременно обнаружили, что при делении происходит испускание нескольких нейтронов (нейтроны деления). На основании этого была выдвинута идея самоподдерживающейся цепной реакции деления и использования деления ядер в качестве источника энергии. Основой современной ядерной энергетики служит деление ядер 235U и 239Рu под действием нейтронов.

Деление ядра возможно благодаря тому, что масса покоя тяжелого ядра больше суммы масс покоя осколков, возникающих при делении. Из графика на рис. 4.13 понятно, что такой процесс энергетически выгоден.

Механизм деления ядра объясняется на основе капельной модели, согласно которой сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жидкости (рис. 4.17). Ядро удерживают от распада ядерные силы притяжения, большие, чем силы кулоновского отталкивания, действующие между протонами и стремящиеся разорвать ядро.

Ядро 235 U имеет форму шара. После поглощения нейтрона оно возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму (рис. 4.17, б), и растягивается до тех пор, пока силы отталкивания между половинками вытянутого ядра не станут больше сил притяжения, действующих в перешейке (рис. 4.17, в). После этого ядро разрывается на две части (рис. 4.17, г). Осколки под действием кулоновских сил отталкивания разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.

Испускание нейтронов в процессе деления, о котором говорилось выше, объясняется тем, что относительное число нейтронов (по отношению к числу протонов) в ядре растет с увеличением атомного номера, и для образовавшихся при делении осколков число нейтронов оказывается большим, чем это допустимо для ядер атомов с меньшими номерами.

Деление обычно происходит на осколки неравной массы. Эти осколки радиоактивны. После серии β-распадов в конце концов получаются стабильные ионы.

Кроме вынужденного, описанного выше, существует и спонтанное деление ядер урана, открытое в 1940 г. советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком. Период полураспада для спонтанного деления равен 1016 лет, что в два миллиона раз больше периода полураспада при α-распаде урана.

Синтез ядер осуществляется в термоядерных реакциях. Термоядерные реакции — это реакции слияния легких ядер при очень высокой температуре. Выделяющаяся при слиянии (синтезе) энергия оказывается наибольшей при синтезе легких элементов, обладающих минимальной энергией связи. При соединении двух легких ядер, например, дейтерия и трития, образуется более тяжелое яро гелия с большей энергией связи:

При таком процессе ядерного синтеза выделяется значительная энергия (17,6 Мэв), равная разности энергий связи тяжелого ядра и двух легких ядер . Образующийся при реакциях нейтрон приобретает 70% этой энергии. Сравнение энергии, приходящейся на один нуклон в реакциях ядерного деления (0,9 Мэв) и синтеза (17,6 Мэв), показывает, что реакция синтеза легких ядер энергетически более выгодна, чем реакция деления тяжелых.

Слияние ядер происходит под действием сил ядерного притяжения, поэтому они должны сблизиться до расстояний, меньших 10-14 м, на которых действуют ядерные силы. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание положительно заряженных ядер. Оно может быть преодолено только за счет большой кинетической энергии ядер, превышающей энергию их кулоновского отталкивания. Соответствующие расчеты показывают, что кинетическая энергия ядер, необходимая для реакции синтеза, может быть достигнута при температурах порядка сотен миллионов градусов, поэтому эти реакции называются термоядерными.

Термоядерный синтез — реакция, в которой при высокой температуре, большей 107 К, из легких ядер синтезируются более тяжелые.

Термоядерный синтез — источник энергии всех звезд, в том числе, и Солнца.

Основным процессом, при котором происходит освобождение термоядерной энергии в звездах, является превращение водорода в гелий. За счет дефекта массы в этой реакции масса Солнца уменьшается каждую секунду на 4 млн тонн.

Большую кинетическую энергию, необходимую для термоядерного синтеза, ядра водорода получают в результате сильного гравитационного притяжения к центру звезды. Затем при слиянии ядер гелия образуются и более тяжелые элементы.

Термоядерные реакции играют решающую роль в эволюции химического состава вещества во Вселенной. Все эти реакции сопровождаются выделением энергии, излучаемой звездами в виде света на протяжении миллиардов лет.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза предоставило бы человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. И дейтерий, и тритий, необходимые для его осуществления (4.16), вполне доступны. Первый содержится в воде морей и океанов (в количестве, достаточном для использования в течение миллиона лет), второй может быть получен в ядерном реакторе при облучении жидкого лития (запасы которого огромны) нейтронами:

Одним из важнейших преимуществ управляемого термоядерного синтеза является отсутствие радиоактивных отходов при его осуществлении (в отличие от реакций деления тяжелых ядер урана).

Главным препятствием на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза является невозможность удержания высокотемпературной плазмы с помощью сильных магнитных полей в течение 0,1-1с. Однако существует уверенность в том, что рано или поздно термоядерные реакторы будут созданы.

Пока же удалось осуществить лишь неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной бомбе.

Цепные ядерные реакции

Ядерные цепные реакции — это ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Такой реакцией является деление урана и некоторых трансурановых элементов (например, 239Рu) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена Э. Ферми в 1942 г. После открытия деления ядер У. Зинн, Л. Силард и Г. Н. Флеров показали, что при делении ядра урана U вылетает больше одного нейтрона: n + U → А + В +v. Здесь А и В — осколки деления с массовыми числами А от 90 до 150, v — число вторичных нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов. Для течения цепной реакции необходимо, чтобы среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось со временем, или чтобы коэффициент размножения нейтронов k был больше или равен единице.

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов предшествующего поколения. Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого поколения и рождаются новые нейтроны.

Если k ≥ 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным, и цепная реакция идет. При k <1 число нейтронов убывает, и цепная реакция невозможна.

В силу ряда причин из всех ядер, встречающихся в природе, для осуществления цепной ядерной реакции пригодны лишь ядра изотопа . Коэффициент размножения определяется: 1) захватом медленных нейтронов ядрами с последующим делением и захватом быстрых нейтронов ядрами и , также с последующим делением; 2) захватом нейтронов без деления ядрами урана; 3) захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем и конструктивными элементами установки; 4) вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.

Лишь первый процесс сопровождается увеличением числа нейтронов. Для стационарного течения реакции k должно быть равно 1. Уже при k = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв.

Образование плутония. В результате захвата изотопом урана нейтрона образуется радиоактивный изотоп с периодом полураспада 23 мин. При распаде возникает первый трансурановый элемент нептуний:

β-Радиоактивный нептуний (с периодом полураспада около двух дней), испуская электрон, превращается в следующий трансурановый элемент — плутоний:

Период полураспада плутония 24 000 лет, и его важнейшим свойством является способность делиться под влиянием медленных нейтронов так же, как и изотоп . С помощью плутония может быть осуществлена цепная реакция с выделением огромного количества энергии.

Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии: при делении каждого ядра выделяется 200 МэВ. При делении 1 г ядер урана выделяется такая же энергия, как при сжигании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Ядерный реактор

Ядерный реактор — это установка, содержащая ядерное топливо, в которой осуществляется управляемая цепная реакция деления.

Ядра урана, особенно изотопа , наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны, вероятность захвата которых с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используют замедлители нейтронов для повышения коэффициента размножения нейтронов.

Основными элементами ядерного реактора (рис. 4.18) являются: 1) ядерное горючее ( и др.); 2) теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.); 3) устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор — вещества, которые хорошо поглощают нейтроны).

Снаружи реактор окружают защитной оболочкой из бетона с железным наполнителем, задерживающей ɣ-излучение и нейтроны. Лучшим замедлителем считается тяжелая вода. Обычная вода сама захватывает нейтроны и превращается в тяжелую воду. Хорошим замедлителем является графит, ядра которого не поглощают нейтроны.

Критическая масса. Коэффициент размножения k может стать равным единице лишь при условии, что размеры реактора и соответственно масса урана превышают некоторые критические значения. Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция.

Критические размеры системы и соответственно критическая масса определяются типом ядерного горючего, замедлителем и конструктивными особенностями реактора. Для чистого (без замедлителя) , имеющего форму шара, критическая масса приблизительно равна 50 кг. Радиус шара равен примерно 9 см (плотность урана очень велика). Применяя замедлители нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г.

Управление реактором осуществляется введением в активную зону стержней, позволяющих в любой момент приостановить развитие цепной реакции.

Реакторы на быстрых нейтронах работают без замедлителя на обогащенной смеси урана, содержащего не менее 15 % изотопа . Их преимуществом является образование в процессе работы значительного количества плутония, который сам может быть использован в дальнейшем в качестве ядерного топлива. Такие реакторы называются реакторами-размножителями, поскольку они воспроизводят делящийся материал. Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает 1,5. Это означает, что в реакторе при делении 1 кг изотопа получается до 1,5 кг плутония. В обычных реакторах коэффициент воспроизводства достигает 0,6-0,7.