Ядерные цепные реакции

Ядерные цепные реакции Ядерными реакциями называются реакции, при которых происходит изменение атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.

В 1934 г. итальянский учёный Энрико Ферми со своими сотрудниками начал исследования по облучению элементов нейтронами, которые как нейтральные частицы беспрепятственно проникали в атомные ядра веществ, вызывая их расщепление.

Многим ученым данный эксперимент казался бессмысленным, потому что нейтронов было много меньше, чем альфа-частиц и протонов. Но результаты показали существенную эффективность данного расщепления, которая компенсировала слабость нейтронных источников по сравнению с источниками альфа-частиц и протонов.

В 1939 г. немецкими учеными Отто Ганном и Фрицем Штрассманом была открыта реакция деления урана при бомбардировке их нейтронами.

Рассмотрим механизм протекания данной реакции.

Поглотив лишний нейтрон, ядро возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму.

В ядре действует два вида сил: электростатические силы отталкивания между протонами, стремящиеся разорвать ядро, и ядерные силы притяжения между всеми нуклонами (с лат. nucleus протон и нейтрон), благодаря которым ядро не распадается.

Но ядерные силы — короткодействующие, поэтому в вытянутом ядре они уже не могут удержать сильно удаленные друг от друга части ядра.

Под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на две части, которые разлетаются в разные стороны с огромной скоростью и излучают при этом 2−3 нейтрона.

Получается, что часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся осколков ядра и частиц.

При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей среды и ее температура заметно возрастают. То есть реакция деления ядер урана идет с выделением энергии в окружающую среду.

При этом нельзя не отметить, что в ядрах атомов содержится колоссальное количество энергии. Так при полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделилось бы столько же энергии, сколько выделяется при сгорании 2,5 тонн нефти.

На рисунке показана схема цепной реакции, при которой общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличивается со временем. Резко возрастает число распадающихся ядер и энергия, выделяющаяся в единицу времени. Именно поэтому данная реакция носит взрывной характер.

В производстве электроэнергии используют цепные реакции, не носящие взрывного характера, в которых число свободных нейтронов не меняется с течением времени.

Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов k будет больше или равен единице.

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов, образовавшихся при делении к числу поглощенных нейтронов.

Если k больше или равен 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным и цепная реакция идет. Но для проведения реакции в стационарных условиях, k должен быть равен строго 1. В противном случае мгновенно произойдет взрыв.

Если k строго меньше 1, то нейтронов больше поглощается, чем образуется. Из этого следует, что общее число нейтронов уменьшается, и цепная реакция не протекает.

Для осуществления подобных реакций используют такие факторы как: масса урана, отражающая оболочка, содержание примесей, замедлители нейтронов, ускорители элементарных частиц.

Масса урана атомный ядро нейтрон реакция Не каждый нейтрон, излученный при делении ядра, вызывает деление других ядер. Если масса куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своем пути ядро, вызвать его деление для образования новых нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекратится.

Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определенного значения, называемого критическим.

Значит наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической, при значении которой число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов (поглощенных ядрами без дальнейшего деления и вылетевших за пределы куска).

При таких параметрах общее число нейтронов остается постоянным, и реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.

Отражающая оболочка Уменьшить потерю нейтронов (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) можно с помощью специальной отражающей оболочки. Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны (например, из бериллия). Отражаясь от стенок оболочки, нейтроны возвращаются и вступают во взаимодействие с ядрами атомов урана.

Примеси Если уран содержит в себе избыток примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и процесс не протекает.

Замедлители нейтронов

С наибольшей вероятностью протекают реакции под действием медленных нейтронов, а при делении ядра образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая часть будет захвачена изотопами урана с дальнейшим делением ядер.

В качестве заместителей используются такие вещества, как графит, вода, тяжелая вода (за счет дейтерия, изотопа водорода) и т. д. Эти вещества только замедляют нейтроны, почти не поглощая их.

Ускорители элементарных частиц Первые реакции расщепления осуществлялись при бомбардировке веществ альфа-частицами и протонами.

Ядерные реакции происходят, когда частицы или ядра попадают в сферу действия ядерных сил. Но т.к. одноименно заряженные частицы отталкиваются, то сближение положительно заряженных частиц с ядрами или ядер друг с другом требует сообщения частицам или ядрам большой кинетической энергии.

Данная энергия сообщается протонам и на ускорителях элементарных частиц.

Так в 1932 г. на быстрых протонах удалось расщепить литий на две :