Реакция деления тяжелых ядер

В 1940 году советские ученые Флеров и Петржак обнаружили спонтанное (самопроизвольное) деление ядер урана и тория. Период их полураспада лет. В 1939 году немецкие ученые Штрассман и Ган открыли процесс деления ядер урана при их бомбардировке нейтронами. При этом образуются элементы из середины таблицы Менделеева (латан и барий). Этот процесс положил начало изучения ядерных реакций нового типа – реакций деления тяжелых ядер под действием нейтронов. Замечательной особенностью деления тяжелых ядер является то, что оно сопровождается выделением двух – трех нейтронов, называемых нейтронами деления. Так как у средних атомов отношение числа протонов и числу нейтронов равно единице ( ), а у тяжелых ( ), то образующиеся осколки перегружены нейтронами и поэтому выделяются нейтроны деления. Получившиеся осколки оказываются радиоактивными и могут претерпевать ряд позитронных превращений, сопровождаемых -излучением. Таким образом, продолжается процесс превращения осколков деления в ядра более стабильных элементов. Энергия испускаемых нейтронов меняется от 0 до 7 МэВ. Деление ядер сопровождается выделением большого количества энергии, так как удельная энергия связи ядер средней массы 8,7 МэВ, в то время как у тяжелых 7,6 МэВ. Поэтому при делении атома на два осколка должна выделяться энергия 1,1 МэВ на один нуклон. Экспериментально установлено, что при делении ядра урана выделяется энергия 200 МэВ. Вероятность деления ядер определяется энергией нейтронов. Высокоэнергетические нейтроны вызывают деление практически всех ядер. Нейтроны с меньшей энергией – тяжелых. Ядра урана и плутония делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными (тепловыми) нейтронами (с энергией эВ).

Цепная реакция деления

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны (2,5 штуки на акт деления) могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения нейтронов К, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении . Необходимым условием развития цепной реакции деления является . При меньших реакция невозможна. При реакция идет при постоянном количестве нейтронов (постоянной мощности выделяемой энергии). Это самоподдерживающая реакция. При - затухающая реакция. Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, размеров и формы активной зоны. Минимальная масса делящегося вещества, необходимая для осуществления цепной реакции называется критической. Для критическая масса равна 9 кг, при этом радиус уранового шара равен 4 см.

Схема устройства ядерной бомбы

Цепные реакции бывают управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы является примером неуправляемой реакции. Ядерный заряд такой бомбы два или более кусков почти чистого или . Масса каждого куска меньше критической, поэтому цепная реакция не возникает. Поэтому чтобы произошел взрыв достаточно эти части соединить в один кусок, с массой больше чем критическая. Это нужно сделать очень быстро и соединение кусков должно быть очень плотным. В противном случае ядерный заряд разлетится на части, прежде чем успеет прореагировать. Для соединения используют обычное взрывчатое вещество. Оболочка служит отражателем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления до тех пор, пока максимальное число ядер не выделит всю энергию при делении. Цепная реакция в атомной бомбе идет на быстрых нейтронах. При взрыве успевает прореагировать только часть нейтронов ядерного заряда. Цепная реакция приводит к выделению колоссальной энергии. Температура, развивающаяся при этом, достигает градусов. Разрушительная сила бомбы сброшенной на Хиросиму американцами, была эквивалентна взрыву 20000 тонн тринитротолуола. Образцу нового оружия по мощности в сотни раз превосходят первые. Если к этому добавить, что при атомном взрыве возникает огромное количество осколков деления, в том числе и весьма долгоживущих, то станет очевидным, какую ужасную опасность для человечества представляет это оружие.

Управляемая цепная реакция. Ядерные реакторы.

Изменяя коэффициент размножения нейтронов можно осуществить управляемую цепную реакцию. Устройство, в котором осуществляется управляемая реакция, называется ядерным реактором. В качестве делящегося вещества служит природный или обогащенный уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами урана, сравнительно небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки заполняют веществом, замедляющим нейтроны (замедлителем). Замедление нейтронов осуществляется за счет упругого рассеяния. В этом случае энергия, теряемая замедляемой частицей, зависит от соотношения масс сталкивающихся частиц. Максимальное количество энергии теряется в случае, если частицы имеют одинаковую массу. Этому условию удовлетворяют дейтерий, графит и бериллий. Первый уран-графитовый реактор был запущен в 1942 году в чикагском университете под руководством выдающегося итальянского физика Ферми. Для пояснения принципа работы реактора рассмотрим типичную схему реактора на тепловых нейтронах рис.1.

Рис.1.

В активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы 1 и замедлитель 2, который замедляет нейтроны до тепловых скоростей. Тепловыделяющие элементы (твэлы) представляют собой блоки из делящегося материала, заключенные в герметичную оболочку, слабо поглощающую нейтроны. За счет энергии, выделяющиеся при делении ядер, твэлы разогреваются, а потому, для охлаждения они помещаются в поток теплоносителя (3 – канал теплоносителя). Активная зона окружается отражателем, уменьшающим утечку нейтронов. Управление цепной реакцией осуществляется специальными управляющими стержнями 5 из материалов, сильно поглощающих нейтроны. Параметры реактора рассчитываются так, что при полностью вставленных стержнях реакция заведомо не идет. При постепенном вынимании стержней коэффициент размножения нейтронов растет и при некотором их положении доходит до единицы. В этот момент реактор начинает работать. По мере работы реактора количество делящегося материала в активной зоне уменьшается и происходит ее загрязнение осколками деления, среди которых могут быть сильные поглотители нейтронов. Чтобы реакция не прекратилась, из активной зоны с помощью автоматического устройства постепенно извлекаются управляющие стержни. Подобное управление реакций возможно благодаря существованию запаздывающих нейтронов, испускаемых делящимися ядрами с запаздыванием до 1 мин. Когда ядерное топливо выгорает, реакция прекращается. До нового запуска реактора выгоревшее ядерное топливо извлекают и загружают новое. В реакторе имеются также аварийные стержни, введение которых немедленно обрывает реакцию. Ядерный реактор является мощным источником проникающей радиации, примерно в раз превышает санитарные нормы. Поэтому любой реактор имеет биологическую защиту – систему экранов из защитных материалов (например, бетон, свинец, вода) – располагающуюся за его отражателем, и пульт дистанционного управления.

Впервые ядерная энергия для мирных целей была использована в СССР. В Обнинске в 1954 под руководством Курчатова введена в эксплуатацию первая атомная электростанция мощностью 5 МВт.

Однако, урановые реакторы на тепловых нейтронах могут решить задачу электроснабжения в ограниченном масштабе, который определяется количеством урана .

Наиболее перспективным путем развития атомной энергетики является разработка реакторов на быстрых нейтронах, так называемых реакторов размножителей. Такой реактор производит больше ядерного топлива, чем потребляет. Реакция идет на быстрых нейтронах, поэтому в ней могут участвовать не только но и , который превращается в . Последний химическим путем может быть отделен от . Этот процесс называется воспроизводством ядерного горючего. В специальных бридерных реакторах коэффициент воспроизводства ядерного топлива превышает единицу. Активной зоной бридеров является сплав урана, обогащенного изотопами , с тяжелым металлом, мало поглощающим нейтроны. В бридерных реакторах отсутствует замедлитель. Управление такими реакторами перемещением отражателя или изменением массы делящегося вещества.

Термоядерная реакция синтеза легких ядер

При слиянии ядер выделяется огромная энергия, так как энергия связи более тяжелых ядер больше, чем в легких. Сливающие ядра несут положительные заряды, поэтому испытывают огромные силы кулоновского отталкивания. Энергия такого отталкивания для двух ядер равна:

МэВ.

Такая энергия соответствует температуре К. При сближении ядер до расстояния м начинают действовать ядерные силы притяжения нуклонов.

Для преодоления кулоновских сил отталкивания энергию относительного движения ядер увеличивают путем повышения температур. Поэтому реакции синтеза легких ядер называют термоядерными, потому что протекают при высоких температурах.

При температуре К протекают реакции:

МэВ МэВ

(1)   (2)

Термоядерные реакции с другими смесями начинается при более высокой температуре.

Принципиальная схема устройства термоядерной бомбы

Впервые испытание водородной бомбы проведено в СССР в 1953 году, через полгода в США. В термоядерной бомбе осуществляются реакции (1) и (2). Температуру К можно получить только при взрыве атомной бомбы. Термоядерная (водородная) бомба состоит из прочной металлической оболочки с термоядерным зарядом и атомным запалом (детонатором). В качестве ядерного горючего используются изотопы водорода дейтерий и тритий, а также литий. Запал, зажигающий термоядерную реакцию, представляет обычную атомную бомбу, изготовленную из делящихся материалов: ураном и плутонием. Запал располагается в центре бомбы и окружается термоядерным горючим.

При взрыве атомной бомбы (детонатора) возникает высокая температура, под действием которой возникает термоядерная реакция в тритиево-дейтериевой смеси и в смеси лития и дейтерия. Если первые атомные бомбы имели 20-ти тысячный тротиловый эквивалент, то эквивалент водородной бомбы – миллионы тонн тротила.

Проблемы управления термоядерной реакцией

В целях промышленного использования термоядерной энергии необходимо овладеть управляемыми термоядерными реакциями, интенсивность которых могла бы регулироваться человеком.

Для осуществления управляемых термоядерных реакций необходимо создать и поддержать в некотором объеме температуру К. При столь высоких температурах вещество представляет собой полностью ионизированную плазму. На пути осуществления управляемой термоядерной реакции стоят огромные трудности. Наряду с необходимостью получения высоких температур, возникает проблема удержания плазмы в заданном объеме. Соприкосновение плазмы такой температуры со стенкой вызывает испарение последней. Для удержания плазмы в заданном объеме используется магнитное поле. Силы, действующие на движущиеся заряды в магнитном поле, заставляют их двигаться по траекториям, расположенным в ограниченной части пространства. Для разогрева плазмы используют мощные импульсные электрические разряды, в которых ток достигает величин А. При этом удобно изготовлять тороидальную камеру для удержания плазмы.

Ближе к практическому применению оказалась установка «Токомак», созданная в 1954 году в Советском Союзе. Она имеет следующие характеристики: температура 80 миллионов градусов, плотность плазмы , а время до соприкосновения со стенкой до 0,1с. По расчетам, для зажигания самоподдерживающейся термоядерной реакции, достаточно чтобы плазма с плотностью до , нагретая до температуры 800-1000 миллионов градусов, удерживалась в камере без столкновения со стенкой в течение нескольких секунд.