Деление ядра урана
Деление ядер урана происходит следующим образом: вначале в ядро попадает нейтрон, словно пуля в яблоко. В случае с яблоком пуля проделала бы в нем дыру, либо разнесла бы на куски. Когда же нейтрон попадает в ядро, то он захватывается ядерными силами. Нейтрон, как известно нейтрален, поэтому он не отталкивается электростатическими силами.
Как происходит деление ядра урана
Итак, попав в состав ядра, нейтрон нарушает равновесие, и ядро возбуждается. Оно растягивается в стороны подобно гантели или знаку «бесконечность»: ∞ . Ядерные силы, как известно, действуют на расстоянии, соизмеримом с размерами частиц. Когда ядро растягивается, то действие ядерных сил становится несущественным для крайних частиц «гантели», в то время как электрические силы действуют на таком расстоянии очень мощно, и ядро попросту разрывается на две части. При этом еще излучается два-три нейтрона.
Осколки ядра и выделившиеся нейтроны разлетаются на огромной скорости в разные стороны. Осколки довольно быстро тормозятся окружающей средой, однако их кинетическая энергия огромна. Она преобразуется во внутреннюю энергию среды, которая нагревается. При этом величина выделяющейся энергии огромна. Энергия, полученная при полном делении одного грамма урана примерно равна энергии, получаемой от сжигания 2,5 тонн нефти.
Цепная реакция деления несколькоих ядер
Мы рассмотрели деление одного ядра урана. При делении выделилось несколько (чаще всего два-три) нейтронов. Они на огромной скорости разлетаются в стороны и могут запросто попасть в ядра других атомов, вызвав в них реакцию деления. Это и есть цепная реакция.
То есть полученные в результате деления ядра нейтроны возбуждают и принуждают делиться другие ядра, которые в свою очередь сами излучают нейтроны, которые продолжают стимулировать деление дальше. И так до тех пор, пока не произойдет деление всех ядер урана в непосредственной близости.
При этом цепная реакция может происходить лавинообразно , например, в случае взрыва атомной бомбы. Количество делений ядер увеличивается в геометрической прогрессии за короткий промежуток времени. Однако цепная реакция может происходить и с затуханием .
Дело в том, что не все нейтроны встречают на своем пути ядра, которые они побуждают делиться. Как мы помним, внутри вещества основной объем занимает пустота между частицами. Поэтому некоторые нейтроны пролетают все вещество насквозь, не столкнувшись по пути ни с чем. И если количество делений ядер уменьшается со временем, то реакция постепенно затухает.
Ядерные реакции и критическая масса урана
От чего зависит тип реакции? От массы урана. Чем больше масса - тем больше частиц встретит на своем пути летящий нейтрон и шансов попасть в ядро у него больше. Поэтому различают «критическую массу» урана - это такая минимальная масса, при которой возможно протекание цепной реакции.
Количество образовавшихся нейтронов будет равно количеству улетевших вовне нейтронов. И реакция будет протекать с примерно одинаковой скоростью, пока не выработается весь объем вещества. Это используют на практике на атомных электростанциях и называют управляемой ядерной реакцией.
Деле́ние ядра́ - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер - экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергия связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом .
Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно с очень малой вероятностью. Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления ), препятствующий делению. Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью.
То, что при делении тяжёлых ядер выделяется энергия, непосредственно следует из зависимости удельной энергии связи ε = E св (A,Z)/A от массового числа А.При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра, в которых нуклоны связаны сильнее, и часть энергии при делении высвобождается. Как правило, деление ядер сопровождается вылетом 1 – 4 нейтронов. Выразим энергию деления Q дел через энергии связи начального и конечных ядер. Энергию начального ядра, состоящего из Z протонов и N нейтронов, и имеющего массу M(A,Z) и энергию связи E св (A,Z), запишем в следующем виде:
M(A,Z)c 2 = (Zm p + Nm n)c 2 - E св (A,Z).
Деление ядра (A,Z) на 2 осколка (A 1 ,Z 1) и (А 2 ,Z 2) сопровождается образованием N n = A – A 1 – A 2 мгновенных нейтронов. Если ядро (A,Z) разделилось на осколки с массами M 1 (A 1 ,Z 1), M 2 (A 2 ,Z 2) и энергиями связи E св1 (A 1 ,Z 1), E св2 (A 2 ,Z 2), то для энергии деления имеем выражение:
Q дел = {M(A,Z) – }c 2 = E св 1 (A 1 ,Z 1) + E св (A 2 ,Z 2) – E св (A,Z),
A = A 1 + A 2 + N n , Z = Z 1 + Z 2 .
23. Элементарная теория деления.
В 1939 г. Н. Бор и Дж.Уилер , а также Я. Френкель еще задолго до того, как деление было всесторонне изучено экспериментально, предложили теорию этого процесса, основанную на представлении о ядре как о капле заряженной жидкости.
Энергия, освобождающаяся при делении, может быть получена непосредственно из формулы Вайцзеккера.
Рассчитаем величину энергии, выделяющнйся при делении тяжелого ядра. Подставим в (f.2) выражения для энергий связи ядер (f.1), полагая А 1 =240 и Z 1 = 90. Пренебрегая последним членом в (f.1) вследствие его малости и подставив значения параметров a 2 и a 3 ,получаем
Отсюда получим, что деление энергетически выгодно, когда Z 2 /A > 17. Величина Z 2 /A называется параметром делимости. Энергия Е, освобождающаяся при делении, растет с увеличением Z 2 /A ; Z 2 /A = 17 для ядер в районе иттрия и циркония. Из полученных оценок видно, что деление энергетически выгодно для всех ядер с A > 90. Почему же большинство ядер устойчиво по отношению к самопроизвольному делению? Чтобы ответить на этот вопрос, посмотрим, как меняется форма ядра в процессе деления.
В процессе деления ядро последовательно проходит черезследующие стадии (рис.2): шар, эллипсоид, гантель, два грушевидных осколка, два сферических осколка. Как меняется потенциальная энергия ядра на различных стадиях деления? После того как деление произошло, и осколки находятся друг от друга на расстоянии, много большем их радиуса, потенциальную энергию осколков, определяемую кулоновским взаимодействием между ними, можно считать равной нулю.Рассмотрим начальную стадию деления, когда ядро с увеличением r принимает форму все более вытянутого эллипсоида вращения. На этой стадии деления r - мера отклонения ядра от сферической формы (рис.3). Вследствие эволюции формы ядра изменение его потенциальной энергии определяется изменением суммы поверхностной и кулоновской энергий Е" п + Е" к. Предполагается, что объем ядра в процессе деформации остается неизменным. Поверхностная энергия Е" п при этом возрастает, так как увеличивается площадь поверхности ядра. Кулоновская энергия Е" к уменьшается, так как увеличивается среднее расстояние между нуклонами. Пусть сферическое ядро в результате незначительной деформации, характеризующейся малым параметром, приняло форму аксиально-симметричного эллипсоида. Можно показать, что поверхностная энергия Е" п и кулоновская энергия Е" к в зависимости от меняются следующим образом:
В случае малых эллипсоидальных деформаций рост поверхностной энергии происходит быстрее, чем уменьшение кулоновской энергии. В области тяжелых ядер 2Е п > Е к сумма поверхностной и кулоновской энергий увеличивается с увеличением . Из (f.4) и (f.5) следует, что при малых эллипсоидальных деформациях рост поверхностной энергии препятствует дальнейшему изменению формы ядра, а, следовательно, и делению. Выражение (f.5) справедливо для малых значений(малых деформаций). Если деформация настолько велика, что ядро принимает форму гантели, то силы поверхностного натяжения, как и кулоновские силы, стремятся разделить ядро и придать осколкам шарообразную форму. На этой стадии деления увеличение деформации сопровождается уменьшением как кулоновской, так и поверхностной энергии. Т.е. при постепенном увеличении деформации ядра его потенциальная энергия проходит через максимум. Теперь r имеет смысл расстояния между центрами будущих осколков. При удалении осколков друг от друга, потенциальная энергия их взаимодействия будет уменьшатся, так как уменьшается энергия кулоновского отталкивания Е к. Зависимость потенциальной энергии от расстояния между осколками показана на рис. 4. Нулевой уровень потенциальной энергии соответствует сумме поверхностной и кулоновской энергий двух невзаимодействующих осколков. Наличие потенциального барьера препятствует мгновенному самопроизвольному делению ядер. Для того чтобы ядро мгновенно разделилось, ему необходимо сообщить энергию Q, превышающую высоту барьера Н. Максимум потенциальной энергии делящегося ядра примерно равен е 2 Z 2 /(R 1 +R 2), где R 1 и R 2 - радиусы осколков. Например, при делении ядра золота на два одинаковых осколка е 2 Z 2 /(R 1 +R 2) = 173 МэВ, а величина энергии Е, освобождающейся при делении (см. формулу (f.2) ), равна 132 МэВ. Таким образом, при делении ядра золота необходимо преодолеть потенциальный барьер высотой около 40 Мэв. Высота барьера Н тем больше, чем меньше отношение кулоновской и поверхностной энергии Е к /Е п в начальном ядре. Это отношение, в свою очередь, увеличивается с увеличением параметра делимости Z 2 /А (см. (f.4) ). Чем тяжелее ядро, тем меньше высота барьера Н, так как параметр делимости увеличивается с ростом массового числа:
|
|
Т.е. согласно капельной модели в природе должны отсутствовать ядра с Z 2 /А > 49, так как они практически мгновенно (за характерное ядерное время порядка 10 -22 с) самопроизвольно делятся. Существование атомных ядер с с Z 2 /А > 49 ("остров стабильности") объясняется оболочечной структурой. Зависимость формы, высоты потенциального барьера H и энергии деления E от величины параметра делимости Z 2 /А показана на рис. 5.
Самопроизвольное деление ядер с Z 2 /А < 49, для которых высота барьера Н не равна нулю, с точки зрения классической физики невозможно. С точки зрения квантовой механики такое деление возможно в результате прохождения через потенциальный барьер и носит название спонтанного деления. Вероятность спонтанного деления растет с увеличением параметра делимости Z 2 /А, т.е. с уменьшением высоты барьера. В целом период полураспада относительно спонтанного деления уменьшается при переходе от менее тяжелых ядер к более тяжелым от Т 1/2 > 10 21 лет для 232 Th до 0.3 с для 260 Кu. Вынужденное деление ядер с Z 2 /А < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, дейтронами, -частицами и т.д., если энергия, которую они вносят в ядро достаточна для преодоления барьера деления.
Содержание статьи
ЯДЕР ДЕЛЕНИЕ, ядерная реакция, в которой атомное ядро при бомбардировке нейтронами расщепляется на два или несколько осколков. Полная масса осколков обычно меньше суммы масс исходного ядра и бомбардирующего нейтрона. «Недостающая масса» m превращается в энергию E в соответствии с формулой Эйнштейна E = mc 2 , где c – скорость света. Поскольку скорость света очень велика (299 792 458 м/с), небольшой массе соответствует огромная энергия. Эту энергию можно преобразовать в электричество.
Энергия, выделяющаяся при делении ядер, превращается в теплоту при торможении осколков деления. Скорость тепловыделения зависит от числа ядер, делящихся в единицу времени. Когда в небольшом объеме за короткое время происходит деление большого числа ядер, то реакция имеет характер взрыва. Таков принцип действия атомной бомбы. Если же сравнительно небольшое число ядер делится в большом объеме в течение более длительного времени, то результатом будет выделение теплоты, которую можно использовать. На этом основаны атомные электростанции. На атомных электростанциях теплота, выделяющаяся в ядерных реакторах в результате деления ядер, используется для производства пара, который подается на турбины, вращающие электрогенераторы.
Для практического использования процессов деления больше всего подходят уран и плутоний. У них имеются изотопы (атомы данного элемента с различными массовыми числами), которые делятся при поглощении нейтронов даже с очень небольшими энергиями.
Ключом к практическому использованию энергии деления явилось то обстоятельство, что некоторые элементы испускают нейтроны в процессе деления. Хотя при делении ядра один нейтрон поглощается, эта потеря восполняется благодаря возникновению новых нейтронов в процессе деления. Если устройство, в котором происходит деление, обладает достаточно большой («критической») массой, то за счет новых нейтронов может поддерживаться «цепная реакция». Цепной реакцией можно управлять, регулируя число нейтронов, способных вызывать деление. Если оно больше единицы, то интенсивность деления увеличивается, а если меньше единицы – уменьшается.
ИСТОРИЧЕСКАЯ СПРАВКА
История открытия деления ядер берет начало с работы А.Беккереля (1852–1908). Исследуя в 1896 фосфоресценцию различных материалов, он обнаружил, что минералы, содержащие уран, самопроизвольно испускают излучение, вызывающее почернение фотопластинки даже если между минералом и пластинкой поместить непрозрачное твердое вещество. Различные экспериментаторы установили, что это излучение состоит из альфа-частиц (ядер гелия), бета-частиц (электронов) и гамма-квантов (жесткого электромагнитного излучения).
Первое превращение ядер, искусственно вызванное человеком, осуществил в 1919 Э.Резерфорд, который превратил азот в кислород, облучив азот альфа-частицами урана. Эта реакция сопровождалась поглощением энергии, поскольку масса ее продуктов – кислорода и водорода – превышает массу частиц, вступающих в реакцию, – азота и альфа-частиц. Выделение же ядерной энергии впервые удалось осуществить в 1932 Дж.Кокрофту и Э.Уолтону, бомбардировавшим литий протонами. В этой реакции масса вступавших в реакцию ядер была несколько больше массы продуктов, в результате чего и происходило выделение энергии.
В 1932 Дж.Чедвик открыл нейтрон – нейтральную частицу с массой, примерно равной массе ядра атома водорода. Физики всего мира занялись изучением свойств этой частицы. Предполагалось, что лишенный электрического заряда и не отталкиваемый положительно заряженным ядром нейтрон будет с большей вероятностью вызывать ядерные реакции. Более поздние результаты подтвердили эту догадку. В Риме Э.Ферми с сотрудниками подвергли облучению нейтронами почти все элементы периодической системы и наблюдали ядерные реакции с образованием новых изотопов. Доказательством образования новых изотопов служила «искусственная» радиоактивность в форме гамма и бета-излучений.
Первые указания на возможность деления ядер.
Ферми принадлежит открытие многих нейтронных реакций, известных сегодня. В частности, он пытался получить элемент с порядковым номером 93 (нептуний), бомбардируя нейтронами уран (элемент с порядковым номером 92). При этом он регистрировал электроны, испускаемые в результате захвата нейтронов в предполагаемой реакции
238 U + 1 n ® 239 Np + b –,
где 238 U – изотоп урана-238, 1 n – нейтрон, 239 Np – нептуний и b - – электрон. Однако результаты оказались неоднозначными. Чтобы исключить возможность того, что регистрируемая радиоактивность принадлежит изотопам урана или другим элементам, расположенным в периодической системе перед ураном, пришлось проводить химический анализ радиоактивных элементов.
Результаты анализа показали, что неизвестным элементам соответствуют порядковые номера 93, 94, 95 и 96. Поэтому Ферми сделал вывод, что он получил трансурановые элементы. Однако О.Ган и Ф.Штрасман в Германии, проведя тщательный химический анализ, установили, что среди элементов, возникающих в результате облучения урана нейтронами, присутствует радиоактивный барий. Это означало, что, вероятно, часть ядер урана делится на два крупных осколка.
Подтверждение возможности деления.
После этого Ферми, Дж.Даннинг и Дж.Пеграм из Колумбийского университета провели эксперименты, которые показали, что деление ядер действительно имеет место. Деление урана нейтронами было подтверждено методами пропорциональных счетчиков, камеры Вильсона, а также накопления осколков деления. Первый метод показал, что при приближении источника нейтронов к образцу урана испускаются импульсы большой энергии. В камере Вильсона было видно, что ядро урана, бомбардируемое нейтронами, расщепляется на два осколка. Последний метод позволил установить, что, как и предсказывала теория, осколки радиоактивны. Все это вместе взятое убедительно доказывало, что деление действительно происходит, и давало возможность уверенно судить об энергии, выделяющейся при делении.
Поскольку допустимое отношение числа нейтронов к числу протонов в стабильных ядрах уменьшается с уменьшением размеров ядра, доля нейтронов у осколков должна быть меньше, чем у исходного ядра урана. Таким образом, были все основания предполагать, что процесс деления сопровождается испусканием нейтронов. Вскоре это было экспериментально подтверждено Ф. Жолио-Кюри и его сотрудниками: число нейтронов, испускаемых в процессе деления, было больше числа поглощенных нейтронов. Оказалось, что на один поглощенный нейтрон приходится приблизительно два с половиной новых нейтрона. Сразу стали очевидны возможность цепной реакции и перспективы создания исключительно мощного источника энергии и его использования в военных целях. После этого в ряде стран (особенно в Германии и США) в условиях глубокой секретности начались работы по созданию атомной бомбы.
Разработки в период Второй мировой войны.
С 1940 по 1945 направление разработок определялось военными соображениями. В 1941 были получены небольшие количества плутония и установлен ряд ядерных параметров урана и плутония. В США важнейшие необходимые для этого производственные и научно-исследовательские предприятия были в ведении «Манхаттанского военно-инженерного округа», которому 13 августа 1942 был передан «Урановый проект». В Колумбийском университете (Нью-Йорк) группой сотрудников под руководством Э.Ферми и В.Цинна были проведены первые эксперименты, в которых изучалось размножение нейтронов в решетке из блоков диоксида урана и графита – атомном «котле». В январе 1942 эта работа была перенесена в Чикагский университет, где в июле 1942 были получены результаты, показывавшие возможность осуществления самоподдерживающейся цепной реакции. Первоначально реактор работал на мощности 0,5 Вт, но спустя 10 дней мощность была доведена до 200 Вт. Возможность получения больших количеств ядерной энергии была впервые продемонстрирована 16 июля 1945 при взрыве первой атомной бомбы на полигоне в Аламогордо (шт. Нью-Мексико).
ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ
Ядерный реактор – это установка, в которой возможно осуществление управляемой самоподдерживающейся цепной реакции деления ядер. Реакторы можно классифицировать по используемому топливу (делящимся и сырьевым изотопам), по виду замедлителя, по типу тепловыделяющих элементов и по роду теплоносителя.
Делящиеся изотопы.
Имеются три делящихся изотопа – уран-235, плутоний-239 и уран-233. Уран-235 получают разделением изотопов; плутоний-239 – в реакторах, в которых уран-238 превращается в плутоний, 238 U ® 239 U ® 239 Np ® 239 Pu; уран-233 – в реакторах, в которых торий-232 перерабатывается в уран. Ядерное топливо для энергетического реактора выбирается с учетом его ядерных и химических свойств, а также стоимости.
В приводимой ниже таблице представлены основные параметры делящихся изотопов. Полное сечение характеризует вероятность взаимодействия любого типа между нейтроном и данным ядром. Сечение деления характеризует вероятность деления ядра нейтроном. От того, какая доля ядер не участвует в процессе деления, зависит выход энергии на один поглощенный нейтрон. Число нейтронов, испускаемых в одном акте деления, важно с точки зрения поддержания цепной реакции. Число новых нейтронов, приходящихся на один поглощенный нейтрон, важно, поскольку характеризует интенсивность деления. Доля запаздывающих нейтронов, испускаемых после того, как деление произошло, связана с энергией, запасенной в данном материале.
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕЛЯЩИХСЯ ИЗОТОПОВ
|
ХАРАКТЕРИСТИКИ ДЕЛЯЩИХСЯ ИЗОТОПОВ |
||||||
| Изотоп |
Уран-235 |
Уран-233 |
Плутоний-239 |
|||
| Энергия нейтрона |
1 МэВ |
0,025 эВ |
1 МэВ |
0,025 эВ |
1 МэВ |
0,025 эВ |
| Полное сечение |
6,6 ± 0,1 |
695 ± 10 |
6,2 ± 0,3 |
600 ± 10 |
7,3 ± 0,2 |
1005 ± 5 |
| Сечение деления |
1,25 ± 0,05 |
581 ± 6 |
1,85 ± 0,10 |
526 ± 4 |
1,8 ± 0,1 |
751 ± 10 |
| Доля ядер, неучаствующих в делении |
0,077 ± 0,002 |
0,174 ± 0,01 |
0,057 ± 0,003 |
0,098 ± 0,004 |
0,08 ± 0,1 |
0,37 ± 0,03 |
| Число нейтронов, испускаемых в одном акте деления |
2,6 ± 0,1 |
2,43 ± 0,03 |
2,65 ± 0,1 |
2,50 ± 0,03 |
3,03 ± 0,1 |
2,84 ± 0,06 |
| Число нейтронов на один поглощенный нейтрон |
2,41 ± 0,1 |
2,07 ± 0,02 |
2,51 ± 0,1 |
2,28 ± 0,02 |
2,07 ± 0,04 |
|
| Доля запаздывающих нейтронов, % |
(0,64 ± 0,03) |
(0,65 ± 0,02) |
(0,26 ± 0,02) |
(0,26 ± 0,01) |
(0,21 ± 0,01) |
(0,22 ± 0,01) |
| Энергия деления, МэВ | ||||||
| Все сечения приведены в барнах (10 -28 м 2). | ||||||
Данные таблицы показывают, что каждый делящийся изотоп имеет свои преимущества. Например, в случае изотопа с наибольшим сечением для тепловых нейтронов (с энергией 0,025 эВ) нужно меньше топлива для достижения критической массы при использовании замедлителя нейтронов. Поскольку наибольшее число нейтронов на один поглощенный нейтрон возникает в плутониевом реакторе на быстрых нейтронах (1 МэВ), в режиме воспроизводства лучше использовать плутоний в быстром реакторе или уран-233 в тепловом реакторе, чем уран-235 в реакторе на тепловых нейтронах. Уран-235 более предпочтителен с точки зрения простоты управления, поскольку у него больше доля запаздывающих нейтронов.
Сырьевые изотопы.
Имеются два сырьевых изотопа: торий-232 и уран-238, из которых получаются делящиеся изотопы уран-233 и плутоний-239. Технология использования сырьевых изотопов зависит от разных факторов, например от необходимости обогащения. В урановой руде содержится 0,7% урана-235, а в ториевой нет делящихся изотопов. Поэтому к торию необходимо добавлять обогащенный делящийся изотоп. Важное значение имеет и число новых нейтронов, приходящееся на один поглощенный нейтрон. С учетом этого фактора приходится отдать предпочтение урану-233 в случае тепловых нейтронов (замедленных до энергии 0,025 эВ), поскольку при таких условиях больше число испускаемых нейтронов, а следовательно, и коэффициент преобразования – число новых делящихся ядер на одно «затраченное» делящееся ядро.
Замедлители.
Замедлитель служит для уменьшения энергии нейтронов, испускаемых в процессе деления, примерно от 1 МэВ до тепловых энергий около 0,025 эВ. Поскольку замедление происходит главным образом в результате упругого рассеяния на ядрах неделящихся атомов, масса атомов замедлителя должна быть как можно меньше, чтобы нейтрон мог передавать им максимальную энергию. Кроме того, у атомов замедлителя должно быть мало (по сравнению с сечением рассеяния) сечение захвата, так как нейтрону приходится многократно сталкиваться с атомами замедлителя, прежде чем он замедляется до тепловой энергии.
Наилучшим замедлителем является водород, поскольку его масса почти равна массе нейтрона и, следовательно, нейтрон при соударении с водородом теряет наибольшее количество энергии. Но обычный (легкий) водород слишком сильно поглощает нейтроны, а потому более подходящими замедлителями, несмотря на несколько большую массу, оказываются дейтерий (тяжелый водород) и тяжелая вода, так как они меньше поглощают нейтроны. Хорошим замедлителем можно считать бериллий. У углерода столь малое сечение поглощения нейтронов, что он эффективно замедляет нейтроны, хотя для замедления в нем требуется гораздо больше столкновений, чем в водороде.
Среднее число N упругих столкновений, необходимое для замедления нейтрона от 1 МэВ до 0,025 эВ, при использовании водорода, дейтерия, беррилия и углерода составляет приблизительно 18, 27, 36 и 135 соответственно. Приближенный характер этих значений обусловлен тем, что из-за наличия химической энергии связи в замедлителе столкновения при энергиях ниже 0,3 эВ вряд ли могут быть упругими. При низких энергиях атомная решетка может передавать энергию нейтронам или изменять эффективную массу в столкновении, нарушая этим процесс замедления.
Теплоносители.
В качестве теплоносителей в ядерных реакторах используются вода, тяжелая вода, жидкий натрий, жидкий сплав натрия с калием (NaK), гелий, диоксид углерода и такие органические жидкости, как терфенил. Эти вещества являются хорошими теплоносителями и имеют малые сечения поглощения нейтронов.
Вода представляет собой прекрасный замедлитель и теплоноситель, но слишком сильно поглощает нейтроны и имеет слишком высокое давление паров (14 МПа) при рабочей температуре 336° С. Лучший из известных замедлителей – тяжелая вода. Ее характеристики близки к характеристикам обычной воды, а сечение поглощения нейтронов – меньше. Натрий является прекрасным теплоносителем, но не эффективен как замедлитель нейтронов. Поэтому его используют в реакторах на быстрых нейтронах, где при делении испускается больше нейтронов. Правда, натрий имеет ряд недостатков: в нем наводится радиоактивность, у него низкая теплоемкость, он химически активен и затвердевает при комнатной температуре. Сплав натрия с калием сходен по свойствам с натрием, но остается жидким при комнатной температуре. Гелий – прекрасный теплоноситель, но у него мала удельная теплоемкость. Диоксид углерода представляет собой хороший теплоноситель, и он широко применялся в реакторах с графитовым замедлителем. Терфенил имеет то преимущество перед водой, что у него низкое давление паров при рабочей температуре, но он разлагается и полимеризуется под действием высоких температур и радиационных потоков, характерных для реакторов.
Тепловыделяющие элементы.
Тепловыделяющий элемент (твэл) представляет собой топливный сердечник с герметичной оболочкой. Оболочка предотвращает утечку продуктов деления и взаимодействие топлива с теплоносителем. Материал оболочки должен слабо поглощать нейтроны и обладать приемлемыми механическими, гидравлическими и теплопроводящими характеристиками. Тепловыделяющие элементы – это обычно таблетки спеченного оксида урана в трубках из алюминия, циркония или нержавеющей стали; таблетки сплавов урана с цирконием, молибденом и алюминием, покрытые цирконием или алюминием (в случае алюминиевого сплава); таблетки графита с диспергированным карбидом урана, покрытые непроницаемым графитом.
Все эти твэлы находят свое применение, но для водо-водяных реакторов наиболее предпочтительны таблетки оксида урана в трубках из нержавеющей стали. Диоксид урана не вступает в реакцию с водой, отличается высокой радиационной стойкостью и характеризуется высокой температурой плавления.
Для высокотемпературных газоохлаждаемых реакторов, по-видимому, весьма подходят графитовые топливные элементы, но у них имеется серьезный недостаток – за счет диффузии или из-за дефектов в графите через их оболочку могут проникать газообразные продукты деления.
Органические теплоносители несовместимы с циркониевыми твэлами и поэтому требуют применения алюминиевых сплавов. Перспективы реакторов с органическими теплоносителями зависят от того, будут ли созданы алюминиевые сплавы или изделия порошковой металлургии, которые обладали бы прочностью (при рабочих температурах) и теплопроводностью, необходимыми для применения ребер, повышающих перенос тепла к теплоносителю. Поскольку теплообмен между топливом и органическим теплоносителем за счет теплопроводности мал, желательно использовать поверхностное кипение для увеличения теплопередачи. С поверхностным кипением будут связаны новые проблемы, но они должны быть решены, если использование органических теплоносителей окажется выгодным.
ТИПЫ РЕАКТОРОВ
Теоретически возможны более 100 разных типов реакторов, различающихся топливом, замедлителем и теплоносителями. В большинстве обычных реакторов в качестве теплоносителя используется вода, либо под давлением, либо кипящая.
Реактор с водой под давлением.
В таких реакторах замедлителем и теплоносителем служит вода. Нагретая вода перекачивается под давлением в теплообменник, где тепло передается воде второго контура, в котором вырабатывается пар, вращающий турбину.
Кипящий реактор.
В таком реакторе кипение воды происходит непосредственно в активной зоне реактора и образующийся пар поступает в турбину. В большинстве кипящих реакторов вода используется и как замедлитель, но иногда применяется графитовый замедлитель.
Реактор с жидкометаллическим охлаждением.
В таком реакторе для переноса теплоты, выделяющейся в процессе деления в реакторе, используется жидкий металл, циркулирующий по трубам. Почти во всех реакторах этого типа теплоносителем служит натрий. Пар, образующийся на другой стороны труб первого контура, подается на обычную турбину. В реакторе с жидкометаллическим охлаждением могут использоваться нейтроны со сравнительно высокой энергией (реактор на быстрых нейтронах) либо нейтроны, замедленные в графите или оксиде бериллия. В качестве реакторов-размножителей более предпочтительны реакторы на быстрых нейтронах с жидкометаллическим охлаждением, поскольку в этом случае отсутствуют потери нейтронов, связанные с замедлением.
Газоохлаждаемый реактор.
В таком реакторе теплота, выделяющаяся в процессе деления, переносится в парогенератор газом – диоксидом углерода или гелием. Замедлителем нейтронов обычно служит графит. Газоохлаждаемый реактор может работать при гораздо более высоких температурах, нежели реактор с жидким теплоносителем, а потому пригоден для системы промышленного теплоснабжения и для электростанций с высоким кпд. Небольшие газоохлаждаемые реакторы отличаются повышенной безопасностью в работе, в частности отсутствием риска расплавления реактора.
Гомогенные реакторы.
В активной зоне гомогенных реакторов используется однородная жидкость, содержащая делящийся изотоп урана. Жидкость обычно представляет собой расплавленное соединение урана. Она закачивается в большой сферический сосуд, работающий под давлением, где в критической массе происходит цепная реакция деления. Затем жидкость подается в парогенератор. Гомогенные реакторы не получили распространения из-за конструктивных и технологических трудностей.
РЕАКТИВНОСТЬ И УПРАВЛЕНИЕ
Возможность самоподдерживающейся цепной реакции в ядерном реакторе зависит от того, какова утечка нейтронов из реактора. Нейтроны, возникающие в процессе деления, исчезают в результате поглощения. Кроме того, возможна утечка нейтронов вследствие диффузии через вещество, аналогичной диффузии одного газа сквозь другой.
Чтобы управлять ядерным реактором, нужно иметь возможность регулировать коэффициент размножения нейтронов k , определяемый как отношение числа нейтронов в одном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении. При k = 1 (критический реактор) имеет место стационарная цепная реакция с постоянной интенсивностью. При k > 1 (надкритический реактор) интенсивность процесса нарастает, а при k r = 1 – (1/k ) называется реактивностью.)
Благодаря явлению запаздывающих нейтронов время «рождения» нейтронов увеличивается от 0,001 с до 0,1 с. Это характерное время реакции позволяет управлять ею с помощью механических исполнительных органов – управляющих стержней из материала, поглощающего нейтроны (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd и др.). Постоянная времени регулирования должна быть порядка 0,1 с или больше. Для обеспечения безопасности выбирают такой режим работы реактора, в котором для поддержания стационарной цепной реакции необходимы запаздывающие нейтроны в каждом поколении.
Для обеспечения заданного уровня мощности используются управляющие стержни и отражатели нейтронов, но задачу управления можно значительно упростить правильным расчетом реактора. Например, если реактор спроектировать так, чтобы при увеличении мощности или температуры реактивность уменьшалась, то он будет более устойчивым. Например, при недостаточном замедлении из-за повышения температуры расширяется вода в реакторе, т.е. уменьшается плотность замедлителя. В результате усиливается поглощение нейтронов в уране-238, поскольку они не успевают эффективно замедлиться. В некоторых реакторах используется фактор увеличения утечки нейтронов из реактора вследствие уменьшения плотности воды. Еще один способ стабилизации реактора основан на нагревании «резонансного поглотителя нейтронов», такого, как уран-238, который тогда сильнее поглощает нейтроны.
Системы безопасности.
Безопасность реактора обеспечивается тем или иным механизмом его остановки в случае резкого увеличения мощности. Это может быть механизм физического процесса или действие системы управления и защиты, либо то и другое. При проектировании водо-водяных реакторов предусматриваются аварийные ситуации, связанные с поступлением холодной воды в реактор, падением расхода теплоносителя и слишком большой реактивностью при пуске. Поскольку интенсивность реакции возрастает с понижением температуры, при резком поступлении в реактор холодной воды повышаются реактивность и мощность. В системе защиты обычно предусматривается автоматическая блокировка, предотвращающая поступление холодной воды. При снижении расхода теплоносителя реактор перегревается, даже если его мощность не увеличивается. В таких случаях необходим автоматический останов. Кроме того, насосы теплоносителя должны быть рассчитаны на подачу охлаждающего теплоносителя, необходимую для остановки реактора. Аварийная ситуация может возникнуть при пуске реактора со слишком высокой реактивностью. Из-за низкого уровня мощности реактор не успевает нагреться настолько, чтобы сработала защита по температуре, пока не оказывается слишком поздно. Единственная надежная мера в таких случаях – осторожный пуск реактора.
Избежать перечисленных аварийных ситуаций довольно просто, если руководствоваться следующим правилом: все действия, способные увеличить реактивность системы, должны выполняться осторожно и медленно. Самое важное в вопросе о безопасности реактора – это абсолютная необходимость длительного охлаждения активной зоны реактора после прекращения в нем реакции деления. Дело в том, что радиоактивные продукты деления, остающиеся в топливных кассетах, выделяют тепло. Оно гораздо меньше тепла, выделяющегося в режиме полной мощности, но его достаточно, чтобы в отсутствие необходимого охлаждения расплавить твэлы. Кратковременное прекращение подачи охлаждающей воды привело к значительному повреждению активной зоны и аварии реактора в Три-Майл-Айленде (США). Разрушение активной зоны реактора – это минимальный ущерб в случае подобной аварии. Хуже, если произойдет утечка опасных радиоактивных изотопов. Большинство промышленных реакторов снабжено герметическими страховочными корпусами, которые должны в случае аварии предотвратить выброс изотопов в окружающую среду.
В заключение отметим, что возможность разрушения реактора в значительной степени зависит от его схемы и конструкции. Реакторы могут быть спроектированы таким образом, что снижение расхода теплоносителя не будет приводить к большим неприятностям. Таковы различные типы газоохлаждаемых реакторов.
Делением ядер называется процесс, при котором из одного атомного ядра образуется 2 (иногда 3) ядра-осколка, которые являются близкими по массе.
Этот процесс является выгодным для всех β -стабильных ядер с массовым числом А > 100.
Деление ядер урана было выявлено в 1939 году Ганом и Штрасманом, однозначно доказавшие, что при бомбардировке нейтронами ядер урана U образуются радиоактивные ядра с массами и зарядами, приблизительно в 2 раза меньшими массы и заряда ядра урана. В том же году Л. Мейтнером и О. Фришером был введен термин «деление ядер » и было отмечено, что при этом процессе выделяется огром-ная энергия, а Ф. Жолио-Кюри и Э. Ферми одновременно выяснили, что при делении испускаются несколько нейтронов (нейтроны деления) . Это стало основой для выдвижения идеи самоподдерживающейся цепной реакции деления и использования деления ядер как источника энергии. Основой современной ядерной энергетики является деление ядер 235 U и 239 Pu под действием нейтронов.
Деление ядра может происходить благодаря тому, что масса покоя тяжелого ядра оказывается большей суммы масс покоя осколков, которые возникают в процессе деления.
Из графика видно, что этот процесс оказывается выгодным с энергетической точки зрения.
Механизм деления ядра можно объяснить на основе капельной модели, со-гласно которой сгусток нуклонов напоминает капельку заряженной жид-кости. Ядро удерживают от распада ядерные силы притяже-ния, большие, чем силы кулоновского отталкивания, которые действуют между протонами и стремящиеся разорвать ядро.
Ядро 235 U имеет форму шара. После поглощения нейтрона оно воз-буждается и деформируется, приобретая вытянутую форму (на рисунке б ), и растягивается до тех пор, пока силы отталкивания между половинка-ми вытянутого ядра не станут больше сил притяжения, действующих в перешейке (на рисунке в ). После этого ядро разрывается на две части (на рисунке г ). Осколки под действием кулоновских сил отталкивания раз-летаются со скоростью, равной 1/30 скорости света.
Испускание нейтронов в процессе деления , о котором мы говорили выше, объясняется тем, что относительное число нейтронов (по отношению к числу протонов) в ядре увеличивается с возрастанием атом-ного номера, и для образовавшихся при делении осколков число нейтронов становится большим, чем это возможно для ядер атомов с меньшими номерами.
Деление зачастую происходит на осколки неравной массы. Эти осколки являются радиоактивными. После серии β -распадов в итоге образуются стабильные ионы.
Кроме вынужденного , бывает и спонтанное деление ядер урана , которое было от-крыто в 1940 году советскими физиками Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком. Период полураспада для спонтанного деления соответствует 10 16 годам, что в 2 млн. раз больше периода полураспада при α -распаде урана.
Синтез ядер происходит в термоядерных реакциях. Термоядерные реакции — это реак-ции слияния легких ядер при очень высокой температуре. Энергия, которая выделяется при слиянии (синтезе), будет максимальной при синтезе легких элементов, которые обладают наименьшей энергией связи. При соединении двух легких ядер, например, дейтерия и трития, образуется более тяжелое ядро гелия с большей энергией связи:
При таком процессе ядерного синтеза происходит выделение значительной энергии (17,6 Мэв), равная разности энергий связи тяжелого ядра и двух легких ядер 
. Образующийся при реакциях нейтрон приобретает 70% этой энергии. Сравнение энергии, которая приходится на один нуклон в реакциях ядерного деления (0,9 Мэв) и синтеза (17,6 Мэв), показывает, что реакция синтеза легких ядер энергетически является более выгодной, чем реакция деления тяжелых.
Слияние ядер происходит под действием сил ядерного притяжения, поэтому они должны сблизиться до расстояний, меньших 10 -14 , на которых действуют ядерные силы. Этому сближению препятствует кулоновское отталкивание положительно заряженных ядер. Его можно пре-одолеть лишь за счет большой кинетической энергии ядер, которые превышают энергию их кулоновского отталкивания. Из соответствующих расчетов видно, что кинетическую энергию ядер, которая нужна для реакции синтеза, можно достигнуть при температурах порядка сотен миллионов градусов , поэтому эти реакции имеют название термоядерных .
Термоядерный синтез — реакция, в которой при высокой температуре, большей 10 7 К, из легких ядер синтезируются более тяжелые ядра.
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 , которая нужна для термоядерного синтеза, ядра водорода получают в результате сильного гравитационного притяжения к центру звезды. После этого при слиянии ядер гелия образуются и более тяжелые элементы.
Термоядерные реакции играют одну из главных ролей в эволюции химического состава вещества во Вселенной. Все эти реакции происходят с выделением энергии, которая излучается звездами в виде света на протяжении миллиардов лет.
Осуществление управляемого термоядерного синтеза предоставило бы человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. И дейтерий, и тритий, нужные для его осуществления , 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 0,1-1 . Однако существует уверенность в том, что рано или поздно термоядерные ре-акторы будут созданы.
Пока же получилось произвести только неуправляемую реакцию синтеза взрывного типа в водородной бомбе.
Если гипотетически соединить молибден с лантаном (см. табл. 1.2), то получится элементе массовым числом 235. Это уран-235. В такой реакции результирующий дефект массы не возрастает, а уменьшается, следовательно, для осуществления такой реакции следует затратить энергию. Из этого можно сделать вывод, что если осуществить реакцию деления ядра урана на молибден и лантан, то дефект массы при такой реакции увеличивается, а значит, реакция пойдет с выделением энергии.
После открытия английским ученым Джеймсом Чедвиком нейтрона в феврале 1932 года стало ясно, что новая частица может служить идеальным инструментом для осуществления ядерных реакций, поскольку в этом случае не будет электростатического отталкивания, препятствующего приближению частицы к ядру. Следовательно, даже нейтроны с очень низкой энергией смогут легко взаимодействовать с любым ядром.
В научных лабораториях было поставлено множество экспериментов по облучению нейтронами ядер разных элементов, в том числе урана. Считалось, что добавление нейтронов к ядру урана позволит получить так называемые трансурановые элементы, отсутствующие в природе . Однако в результате радиохимического анализа облученного нейтронами урана элементы с номеров выше 92 не обнаруживались, зато было отмечено появление радиоактивного бария (заряд ядра 56). Немецкие химики Отто Ган (1879-1968) и Фридрих Вильгельм Штрассман (1902-1980) несколько раз перепроверили результаты и чистоту исходного урана, поскольку появление бария могло свидетельствовать только о распаде урана на две части. Многие полагали, что такое невозможно.
Сообщая о своей работе в первых числах января 1939 г., О. Ган и Ф. Штрассман писали: «Мы пришли к следующему выводу: наши изотопы радия обладают свойствами бария... И следует заключить, что мы имеем здесь дело не с радием, а с барием». Однако вследствие неожиданности такого результата они не решились сделать окончательные выводы. «Как химики, - писали они, - мы должны заменить символы Ra, Ас и Th в нашей схеме... на Ва, La и Се, хотя как химики, работающие в области ядерной физики и тесно с ней связанные, мы не можем решиться на этот шаг, противоречащий предыдущим экспериментам» .
Австрийский радиохимик Лиза Мейтнер (1878-1968) и ее племянник Отто Роберт Фриш (1904-1979) обосновали возможность расщепления ядер урана с физической точки зрения сразу же после проведения Ганом и Штрассманом решающего опыта в декабре 1938 года. Мейтнер указала, что при расщеплении ядра урана образуются два более легких ядра, испускаются два-три нейтрона и выделяется огромная энергия.
Нейтронные реакции имеют особое значение для ядерных реакторов. В отличие от заряженных частиц нейтрону не требуется значительной энергии, чтобы проникнуть внутрь ядра. Рассмотрим некоторые типы взаимодействия нейтронов с веществом (нейтронные реакции), которые имеют важное практическое значение:
- упругое рассеяние zX(n,n)?X. При упругом рассеянии происходит перераспределение кинетической энергии: нейтрон отдает часть своей кинетической энергии ядру, кинетическая энергия ядра увеличивается после рассеяния именно на величину этой отдачи, а потенциальная энергия ядра (энергия связи нуклонов) остается прежней. Энергетическое состояние и структура ядра до и после рассеяния остаются неизменными. Упругое рассеяние в большей степени свойственно легким ядрам (с атомной массой менее 20 а. е. м.) при взаимодействии их с нейтронами сравнительно небольших кинетических (менее 0,1 МэВ) энергий (замедление нейтронов деления в замедлителе в активной зоне и в биологической защите, отражение в отражателе);
- неупругое рассеяние уХ[п,п" иу)?Х. При неупругом рассеянии сумма кинетических энергий ядра и нейтрона после рассеяния оказывается меньше, чем до рассеяния. Разница сумм кинетических энергий затрачивается на изменение внутренней структуры исходного ядра, что равноценно переходу ядра в новое квантовое состояние, в котором всегда имеет место избыток энергии сверх уровня устойчивости, который «сбрасывается» ядром в виде испускаемого гамма-кванта. В результате неупругого рассеяния кинетическая энергия системы ядро-нейтрон становится меньше на энергию у-квантов. Неупругое рассеяние - пороговая реакция, происходит только в быстрой области и преимущественно на тяжелых ядрах (замедление нейтронов деления в активной зоне, конструкционных материалах, биологической защите);
- радиационный захват -)Х (л,у) Л " 7 У. В этой реакции получается новый изотоп элемента, а энергия возбужденного составного ядра высвобождается в виде у-квантов. Легкие ядра обычно переходят в основное состояние, излучая один у-квант. Для тяжелых ядер характерен каскадный переход через многие промежуточные возбужденные уровни с излучением нескольких у-квантов различных энергий;
- испускание заряженных частиц у X (л, р) 7 У ; 7 Х (л,а) ? У. В результате первой реакции образуется изобара исходного ядра, поскольку протон уносит один элементарный заряд, а масса ядра практически не меняется (нейтрон привнесен, а протон - унесен). Во втором случае реакция завершается испусканием возбужденным составным ядром а-частицы (лишенного электронной оболочки ядра атома гелия 4 Не);
- деление?Х (я, несколько/? и у) - осколки деления. Основная реакция, в результате которой освобождается энергия, получаемая в ядерных реакторах, и поддерживается цепная реакция. Реакция деления происходит при бомбардировке ядер некоторых тяжелых элементов нейтронами, которые, не обладая даже большой кинетической энергией, вызывают деление этих ядер на два осколка с одновременным освобождением нескольких (обычно 2-3) нейтронов. К делению склонны лишь некоторые четно-нечетные ядра тяжелых элементов (например, 233 U, 235 U, 239 Pu, 24l Pu, 25l C0. При бомбардировке ядер урана или других тяжелых элементов нейтронами больших энергий (Е п > ЮМэВ), например нейтронами космического излучения, они могут разделить ядра на несколько осколков, и при этом вылетают (освобождаются) десятки нейтронов;
- реакция удвоения нейтронов?Х (n,2n)zX. Реакция с испусканием возбужденным составным ядром двух нейтронов, в результате которой образуется изотоп исходного элемента, с массой ядра на единицу меньшей массы исходного ядра. Для того чтобы составное ядро смогло выбросить два нейтрона, его энергия возбуждения должна быть не меньше энергии связи двух нейтронов в ядре. Энергия порога (/?, 2п) - реакции особенно низка в реакции ""Be (л, 2/?) s Be: она равна 1,63 МэВ. Для большинства изотопов энергия порога лежит в интервале от 6 до 8 МэВ.
Процесс деления удобно рассматривать по капельной модели ядра. При поглощении нейтрона ядром внутренний баланс сил в ядре нарушается, так как нейтрон вносит помимо своей кинетической энергии еще и энергию связи Е св, которая является разностью энергий свободного нейтрона и нейтрона в ядре. Сферическая форма возбужденного составного ядра начинает деформироваться и может принять форму эллипсоида (см. рис. 1.4), при этом поверхностные силы стремятся вернуть ядро к исходной форме. Если это произойдет, то ядро испустит у-квант и перейдет в основное состояние, т. е. будет иметь место реакция радиационного захвата нейтрона.
Рис. 1.4.
Если же энергия связи (возбуждения) окажется больше энергии порога деления Е сп > Е лел, то ядро может принять форму гантели и под действием кулоновских сил отталкивания разорваться по перемычке на два новых ядра - осколки деления, представляющие собой ядра различных нуклидов, находящихся в средней части Периодической системы элементов. Если энергия связи меньше порога деления, то нейтрон должен иметь кинетическую энергию > Е яел -Е св, чтобы произошло деление ядра (табл. 1.3). В противном случае он будет просто захватываться ядром, не вызывая его деления.
Таблица 1.3
Ядерно-физические характеристики некоторых нуклидов
Энергия возбуждения каждого из новых ядер существенно больше энергии связи нейтрона в этих ядрах, поэтому при переходе в основное энергетическое состояние они испускают один или несколько нейтронов, а затем у-кванты. Нейтроны и у-кванты, испускаемые возбужденными ядрами, называют мгновенными.
Ядра делящихся изотопов, находящихся в конце Периодической системы, имеют нейтронов значительно больше, чем протонов, по сравнению с ядрами нуклидов, находящихся в середине системы (для 23;> и отношение числа нейтронов к числу протонов N/Z= 1,56, а для ядер нуклидов, где Л = 70-Н60, это отношение равно 1,3-1,45). Поэтому ядра продуктов деления перенасыщены нейтронами и являются (3‘-радиоактивными.
После (3" распада ядер продуктов деления возможно образование дочерних ядер с энергией возбуждения, превышающей энергию связи нейтронов в них. В результате возбужденные дочерние ядра испускают нейтроны, которые называют запаздывающими (см. рис. 1.5). Время их выхода после акта деления определяется периодами распада этих ядер и составляет от нескольких долей секунды до 1 мин. В настоящее время известно большое количество продуктов деления, испускающих при распаде запаздывающие нейтроны, из которых основными являются изотопы йода и брома. Для практических целей наибольшее распространение нашло использование шести групп запаздывающих нейтронов. Каждая из шести групп запаздывающих нейтронов характеризуется периодом полураспада Т„ или постоянной распада X, и долей запаздывающих нейтронов в данной группе р„ или относительным выходом запаздывающих нейтронов а,. Причем la, = 1, a ip, =р - физической доле запаздывающих нейтронов. Если представить все запаздывающие нейтроны одной эквивалентной группой, то свойства этой группы будут определяться средним временем жизни ее т 3 и долей всех запаздывающих нейтронов р. Для 235 U значение т 3 = 12,4 с и р = 0,0064.
Вклад запаздывающих нейтронов в среднее число нейтронов, выделяющихся в одном акте деления, мал. Однако запаздывающие нейтроны играют решающую роль в обеспечении безопасной работы и в управлении ядерных реакторов.
Появление при делении одного ядра двух-трех нейтронов создает условия для деления других ядер (см. рис. 1.6). Реакции с размножением нейтронов протекают аналогично цепным химическим реакциям, поэтому они также названы цепными.
Рис. 1.5.
Рис. 1.6.
Необходимое условие поддержания цепной реакции заключается в том, чтобы при делении каждого ядра производился в среднем по крайней мере один нейтрон, вызывающий деление другого ядра. Это условие удобно выразить, вводя коэффициент размножения к , определяемый как отношение числа нейтронов какого-либо одного поколения к числу нейтронов в предшествующем поколении. Если коэффициент размножения к равен единице или немного больше, то цепная реакция возможна; если же? к = 1 к началу второго поколения будет 200 нейтронов, третьего - 200 и т. д. Если к > 1, например к = 1,03, то, начав с 200 нейтронов, к началу второго поколения будет 200-1,03 = 206 нейтронов, третьего - 206-1,03 нейтронов, к началу п- го поколения - 200- (1,03)п - 1, т. е., например, в сотом поколении будет 3731 нейтрон. В ядерном реакторе среднее время существования нейтронов от момента рождения до их поглощения очень мало и составляет 10 -4 - 10 _3 с, т. е. за 1 с произойдут последовательно деления в 1 000-10000 поколениях нейтронов. Таким образом, нескольких нейтронов может быть достаточно для начала быстро растущей цепной реакции. Чтобы такая система не вышла из-под контроля, необходимо ввести в нее поглотитель нейтронов. Если же к 1 и равен, например, 0,9, то число нейтронов к следующему поколению уменьшится от 200 до 180, к третьему до 180-0,9, и т.д. К началу 50-го поколения останется один нейтрон, способный вызвать деление. Следовательно, цепная реакция при таких условиях протекать не может.
Однако в реальных условиях не все нейтроны вызывают деление. Часть нейтронов теряется при захвате неделящимися ядрами (урана-238, замедлителя, конструкционных материалов и т. п.), другая часть вылетает из объема делящегося материала наружу (утечка нейтронов). Эти потери нейтронов влияют на ход цепной реакции деления ядер.
Энергия нейтронов в момент их рождения очень высока - они движутся со скоростью несколько тысяч километров в секунду, поэтому их называют быстрыми нейтронами. Энергетический спектр нейтронов деления довольно широк - примерно от 0,01 до 10 МэВ. При этом средняя энергия вторичных нейтронов около 2 МэВ. В результате столкновений нейтронов с ядрами окружающих атомов их скорость быстро уменьшается. Этот процесс называется замедлением нейтронов. Особенно эффективно замедляются нейтроны при соударении с ядрами легких элементов (упругое столкновение). При взаимодействии с ядрами тяжелых элементов происходит неупругое столкновение, и нейтрон замедляется менее эффективно. Здесь для иллюстрации можно провести аналогию с теннисным шариком: при ударе о стенку он отскакивает почти с такой же скоростью, а при ударе о такой же шарик он сильно замедляет свою скорость. Вследствие этого в качестве замедлителей в ядерных реакторах 1 (в дальнейшем - реактор) используют воду, тяжелую воду или графит.
В результате столкновений с ядрами замедлителя нейтрон может замедлиться до скорости теплового движения атомов, т. е. до нескольких километров в секунду. Такие замедленные нейтроны в ядерной физике принято называть тепловыми или медленными. Чем медленнее нейтрон, тем больше вероятность того, что он не пролетит мимо ядра атома. Причина такой зависимости сечения ядра от скорости налетающих нейтронов лежит в двойственной природе самого нейтрона. В ряде явлений и процессов нейтрон ведет себя как частица, однако в некоторых случаях он представляет собой сгусток волн. При этом оказывается, что чем меньше его скорость, тем больше длина его волны и его размер. Если нейтрон очень медленный, то его размер может оказаться в несколько тысяч раз больше размера ядра, поэтому так сильно возрастает площадь, попав в которую нейтрон взаимодействует с ядром. Физики называют эту плошадь сечением ядра (а не налетающего нейтрона).
Тяжелая вода (D20) - разновидность воды, в которой обыкновенный водородзаменен его тяжелым изотопом - дейтерием, содержание которой в обычной водесоставляет 0,015%. Плотность тяжелой воды равна 1,108 (по сравнению с 1,000 дляобычной воды); тяжелая вода замерзает при 3,82 "С и кипит при 101,42 "С, тогда каксоответствующие температуры для обычной воды 0 и 100 °С. Таким образом, различие физических свойств легкой и тяжелой воды довольно значительно.
