Деление тяжелых ядер и цепная реакция делнния

В настоящее время многие природные легкодоступные ресурсы планеты исчерпываются. Добывать сырье приходится на большой глубине или на морских шельфах. Ограниченные мировые запасы нефти и газа, казалось бы, ставят человечество перед перспективой энергетического кризиса. Однако использование ядерной энергии и угля дает человечеству возможность избежать этого. Результаты фундаментальных исследований физики атомного ядра позволяют отвести угрозу энергетического кризиса путем использования энергии, выделяемой при некоторых реакциях деления атомных ядер.

Между нуклонами, составляющими ядро атома, действуют особого рода силы, называемые ядерными. Они действуют на очень малых расстояниях – только между соседними нуклонами – и по величине намного больше гравитационных и электромагнитных сил, поэтому ядра большей части химических элементов чрезвычайно прочны.

Прочность ядер характеризуется энергией связи, которая зависит от общего числа нуклонов в ядре, а также от количественного соотношения в нем протонов и нейтронов. Например, U – в ядре содержит 92 протона и 146 нейтронов, U – в ядре содержит 92 протона и 143 нейтрона. Известно, что U делится в ядерных реакторах под действием медленных и быстрых нейтронов, а U не делится.

Чем больше по абсолютной величине удельная энергия связи, тем прочнее ядро. Поэтому всякое превращение одних атомов в другие, связанное с изменением числа нуклонов в их ядрах, должно сопровождаться выделением энергии, если ядра получаются более прочные (с большей энергией связи), или поглощением энергии, если образуемые ядра будут менее прочны по сравнению с исходными. Отсюда следует, что если разделить тяжелое ядро на две части (осколки) или соединить два легких ядра, то в обоих случаях должна выделиться энергия. Например, при делении ядра U (энергия связи Е₁ = 1750 МэВ) на два примерно равных по массе осколка (энергия связи Е₂ = 1950 МэВ) должна выделится энергия равная разности Е₂ – Е₁ = 1950 – 1750 = 200 МэВ.

Энергия, освобождаемая при различных превращениях ядер, называется ядерной.

Оба пути получения ядерной энергии – деление тяжелых ядер и соединение (синтез) легких ядер – используются в настоящее время. Первый путь применяется в ядерных реакциях с тяжелыми элементами, например с изотопами урана, второй – в термоядерных реакциях с легкими элементами, например с изотопами водорода (дейтерием, тритием).

Деление ядер атомов может происходить самопроизвольно или при воздействии на них различных элементарных частиц и легких ядер.

Самопроизвольный распад ядер происходит в естественных условиях, при этом интенсивность процесса не поддается управлению и определяется исключительно индивидуальными физическими свойствами самих радионуклидов и не зависит от внешних условий.

В атомных реакторах и ядерных боеприпасах деление ядер атомов (делящихся) веществ осуществляется при помощи нейтронов. Эти ядерные частицы способны сравнительно легко проникать в ядро, поскольку им не приходится преодолевать при этом электростатические силы отталкивания ядра.

Механизм деления тяжелых ядер под действием нейтронов состоит в следующем (на примере деления U, рис. 18).

Нейтрон захватывается ядром U, при этом образуется неустойчивое промежуточное ядро ( U), в следствии получения ядром дополнительной энергии (энергии возбуждения), равной сумме энергии связи нуклонов в ядре и кинетической энергии захваченного нейтрона n.

Рис. 18. Механизм деления тяжелых ядер

Из всех известных реакций деления тяжелых ядер нейтронами наибольший интерес представляют реакции деления ядер атомов U, U и Pu. При захвате ядрами этих изотопов нейтронов даже с очень небольшой энергией (медленных нейтронов) происходит деление ядер на два осколка, обладающих большей энергией, чем исходные ядра. Кроме того, в момент деления испускаются 2–3 нейтрона, которые способны разделить 2–3 новых ядра этих же изотопов, в результате чего могут появиться еще 2–3 нейтрона на каждое разделившееся ядро и т.д. (рис. 19).

Следовательно, в большой массе этих изотопов создаются условия для возникновения саморазвивающейся цепной ядерной реакции деления, при которой число делящихся ядер будет нарастать лавинообразно и в течение весьма малого промежутка времени выделится огромное количество энергии. Так при делении всех ядер атомов, находящихся в 1 г U, освобождается такое же количество энергии, как при взрыве тротилового заряда весом 20 т.

В других изотопах урана и плутония саморазвивающаяся цепная реакция деления осуществлена быть не может, т.к. энергия нейтронов, образующихся при делении ядер атомов этих изотопов, недостаточна для последующих делений. Так, например, для деления ядра U требуются нейтроны с кинетической энергией не менее 0,9 МэВ.

Вещества, в которых возможно осуществление саморазвивающейся цепной ядерной реакции деления, называют делящимися веществамиилиядерным горючим.

Рис. 19. Цепная ядерная реакция деления U

Саморазвивающаяся (цепная) реакция деления на тепловых нейтронах может носить неуправляемый (взрывной) характер, при этом она служит источником энергии в ядерных боеприпасах, и управляемый характер – служит источником получения тепловой энергии в ядерных реакторах.

Для получения управляемой цепной ядерной реакции, очевидно, необходимо создать такие условия, чтобы каждое ядро, поглотившее нейтрон, при делении выделяло в среднем один нейтрон идущего на деление второго тяжелого ядра.

Основное количество энергии ядерных реакций выделяется в виде теплоты. Так, например, температура в области ядерного взрыва достигает 10 млн. градусов Цельсия.

В ядерных реакторах используются не чистые изотопы, а их смеси, например природный уран ( U), обогащенный изотопами U (до 5 %). С помощью специальных поглотителей нейтронов число делений в единицу времени поддерживается на заданном уровне, не приводящем к перегреву и разрушению реактора.

Процесс деления может происходить различными путями. Наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся приблизительно как 2:3. Например, реакция деления U выглядит так:

,

,

.

Другим способом получения ядерной энергии является соединение легких ядер (реакция синтеза). Осуществить реакцию синтеза значительно труднее, чем реакцию деления. Это объясняется тем, что соединению ядер препятствует их взаимное электростатическое отталкивание. Соединиться могут только ядра, обладающие большим запасом кинетической энергии. Такие ядра, двигаясь с огромной скоростью, могут сближаться настолько, что между ними начнут действовать ядерные силы взаимного притяжения, которые обусловливают соединение легких ядер, сопровождающееся выделением быстрых нейтронов. Необходимую скорость движения ядра могут приобрести при температуре порядка миллионов градусов. По этой причине реакции синтеза ядер называются термоядерными реакциями.

В природе термоядерные реакции существуют в недрах Солнца и Звезд, где температура достигает десятков миллионов градусов. В земных условиях температура, необходимая для протекания реакции синтеза ядер, пока что достигается только в зоне ядерного взрыва, основанного на делении тяжелых ядер. Создание высокой температуры с помощью внешнего источника необходимо лишь для начала реакции, а затем она сможет поддерживаться за счет собственной энергии. Если энергетические потери окажутся большими, чем выделяющаяся энергия, то температура понизится и термоядерная реакция прекратится.

С точки зрения получения энергии представляют интерес следующие реакции:

МэВ,

МэВ,

МэВ.

Наибольшее значение имеет реакция соединения дейтерия ( H) и трития ( H), которая может обеспечить максимальное выделение энергии и испускание нейтронов высоких энергий, способных вызвать деление изотопа U, составляющего в природной смеси урана более 99 %.

Оценка энергетического эффекта термоядерной реакции показывает, что при синтезе 1 кг выделяется в 5 раз больше энергии, чем при делении 1 кг U.

Если для реакции термоядерного синтеза использовать гидрид лития (LiH), то реакция протекает по схеме

.

Далее образовавшийся тритий вступает в реакцию с дейтерием и выделяется основное количество энергии:

.

Применение гидрида лития в качестве термоядерного горючего дает возможность отказаться от непосредственного использования дорогого радиоактивного трития.