Ядерная реакция

13

Ядра-"осколки" разлетаются в разные стороны  с большой скоростью. Как показал Ф. Жолио-Кюри, "осколки", несмотря на их сравнительно большую величину, способны пробегать в воздухе до 2,1 см, что свидетельствует о наличии у них огромной энергии. Измеряя пробеги "осколков", нашли, что их кинетическая энергия составляет около 162 Мэв, Сталкиваясь с атомами окружающей среды, ядра-"осколки" передают им свою кинетическую энергию, 'вследствие чего происходит сильное нагревание среды.

Однако  этим не исчерпывается количество выделяющейся энергии. Следует еще учесть энергию вторичных нейтронов, гамма-излучения, испускаемого в процессе самого деления (мгновенное гамма-излучение), и, наконец, энергию радиоактивных излучений "осколков", поскольку они получаются всегда радиоактивными и в дальнейшем уже после деления 'распадаются, испуская бега- и гамма-лучи и нейтрино. Примерное распределение энергии, выделяющейся при делении одного ядраурана-235, таково:

Кинетическая  энергия „осколков" 162         Мзв

Кинетическая  энергия нейтронов  6        Мэв

  Энергия мгновенного гамма-излучения.... 6         Мае Энергия радиоактивного излучения „осколков" (бета-, гамма-лучи и нейтрино)

      21  Мзв

Полная энергия  деления... 195      Мэв

Рис.2.

|Таким  образом, общее количество энергии,  выделяющейся при делении одного  ядраурана-235, составляет почти 200 Мэв. В расчете на 1 кг урана, содержащий 2,6-10 атомов, это дает огромную энергию, равную примерно 23 млн. квт-ч. Если эту энергию выразить в

14

килокалориях, то мы получим 21 млрд. ккал, что в 3 млн. раз превосходит го количество тепла, которое выделяется при сжигании 1 кг хорошего каменного угля (7000 ккал). Количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 кг топлива, называется, как известно, теплотворной способностью топлива. По аналогии с этим количество энергии, которое выделяется в результате ядерной реакции деления 1 кг урана, называют теплотворной способностью ядерного горючего. Уран-235 и некоторые другие вещества, ядра которых делятся с высвобождением энергии, называют ядерным горючим.

Заметим, что полный запас энергии в 1 кг любого вещества, в том числе и урана, составляет около 21«10³ млрд. ккал. Сравнивая эту величину с приведенной выше теплотворной способностью урана, мы найдем, что при делении ядер урана освобождается около одной тысячной доли всей той энергии, которая в них заключена

Природный уран представляет собой смесь в  основном двух изотопов: изотопа с  массовым числом 238 (уран-238) и изотопа с массовым числом 235 (уран-235). Главную массу (около 99,3%) составляет уран-238; на долю урана-235 приходится 0,7%. Другими словами, на каждые 140 атомов урана-238 приходится всего лишь один атом урана-235. Свойства этих изотопов в отношении деления, вызываемого нейтронами, несколько различны. Это обусловлено тем, что энергия, которую нужно сообщить ядру для того, чтобы вызвать его деление, составляет 6,5 Мэв для урана-235 и 7,0 Мэв для урана-238. Эту энергию обычно называют критической энер гией деления или энергией активации ядра.

Чтобы лучше представить себе, что такое  энергия активации, обратимся к  знакомому явлению выстрела. Известно, что, для того чтобы освободить химическую энергию пороха в патроне и произвести выстрел, необходимо сначала сообщить пороху некоторую добавочную энергию, произведя взрыв капсюля патрона ударом бойка ударника. Так и атомному ядру надо сообщить добавочную энергию, чтобы оно поделилось и высвободило значительно большее количество скрытой в нем энергии. Наименьшая энергия, необходимая для этого, и есть энергия активации. Роль капсюля выполняет здесь нейтрон.

Энергия, которую приносит ядру нейтрон, называется энергией возбуждения ядра. Чем больше ско рость нейтрона, тем больше энергия возбуждения.

Важную  роль в ядерной энергетике играют медленные, гак называемые тепловые нейтроны.

Энергия возбуждения, сообщаемая ядру попадающим в него тепловым нейтроном, имеет разную величину для различных изотопов урана

Как видим, тепловой нейтрон сообщает ядрам урана-238 'и 235 разную энергию. Это различие объясняется тем, что нейтрон вносит в ядро не только кинетическую энергию (в обоих случаях одинаковую), но и свою энергию связи с ядром, которая для урана-235 составляет большую величину, чем для урана-238.

С другой стороны, из таблицы видно, что энергия возбуждения заметно больше критической энергии в случае урана-235 (6,8 против 6,5) и значительно меньше в случае урана-238 (5,5 против 7,0). Отсюда следует, как это и наблюдается на

15

практике, что ядра атомов урана - 235 могут делиться как быстрыми, так и тепловыми нейтронами, в то время как ядра урана- 238 делятся лишь весьма быстрыми нейтронами.

Как показали советские физики Г. Н. Флёров и К. А. Пегржак, деление ядер урана-238 могут  вызвать только нейтроны, имеющие энергию больше 1,1 Мэв, что соответствует скорости свыше 14 тыс. км/сек. Такие же нейтроны, которые имеют меньшую скорость, ядрами этого урана захватываются без деления. В последующем эти ядра превращаются в результате радиоактивного распада в ядра атомов химического элемента плутония, имеющего атомный вес 239 и занимающего в таблице Менделеева 94-е место.

Рассмотрим  теперь поближе явление испускания нейтронов при делении и радиоактивность получающихся при этом "осколков". Мы уже знаем, что ядра урана-235 не отличаются большой устойчивостью. Поэтому нейтрон, попавший в такое ядро, легко вызывает его деление. Особенность этого явления состоит в том, что "осколки" деления могут быть самыми различными. В одном случае это будут ядра ксенона и стронция, в другом—ядра бария и криптона, в третьем случае деление даст ядра атомов редкого металла - - палладия и т. д. Деление ядер урана-235, вызываемое нейтронами, осуществляется десятками вариантов. Поэтому среди "осколков" встречаются изотопы более чем 30 элементов периодической системы Менделеева, начиная с селена (2 = 34) и кончая лантаном (2=57); их массовые числа колеблются от 72 до 162. Интересно отметить, что деление ядер урана на две равные части происходит сравнительно редко. Чаще всего они делятся на два различных ядра-"осколка", массовые числа которых относятся как три к двум.

Ядро  атома урана-235, захватив попавший в  него нейтрон, будет иметь 236 "уклонов (92 протона и 144 нейтрона). Допустим теперь, что оно делится на два равных "осколка". Тогда в каждом гаком "осколке" будет по 46 протонов и по 72 нейтрона. Это будут ядра атомов палладия (2 = 46) с массовым числом 118. Но самый тяжелый изотоп палладия, существующий в природе, т. е. самый тяжелый устойчивый изотоп этого элемента, имеет массовое число 110 и содержит в своем ядре всего 64 нейтрона против 72. Таким образом, в каждом ядре палладия, образовавшемся в результате деления, получится до 10 лишних нейтронов, в силу чего такое ядро не может быть устойчивым. Подобное положение бывает и в других ядрах-"о с колках". Вот почему часть лишних нейтронов освобождается (испаряется) в процессе самого деления. Такие нейтроны называют мгновенными; они составляют более 99 % общего числа нейтронов, вылетающих при делении. Часть нейтронов испускается уже после деления с запаздыванием 0,6—80 сек. Эти нейтроны называются запаздывающими; они 'составляют около 0,7% общего числа нейтронов деления. На опыте установлено, что при делении урана-235 медленными нейтронами на каждое ядро, испытывающее деление, приходится в среднем всего 2,5 вторичных нейтронов; средняя кинетическая энергия каждого из них - порядка 2 Мэв. Среднее число вторичных нейтронов не является целым, потому что массовые числа "осколков", получающихся при делении ядер урана, оказываются, как мы уже знаем, весьма разнообразными. В соответствии с этим число нейтронов, 

16

вылетающих  в каждом индивидуальном акте деления, оказывается различным и колеблется от 1 до 3.

Как видим, число вылетающих нейтронов невелико. Поэтому и после испускания нейтронов ядра-"о сколки" обладают еще большим избытком нейтронов. Это ведет к тому, что в дальнейшем лишние нейтроны последовательно превращаются внутри ядра-"осколка" в протоны, что сопровождается, как 'известно, испусканием бета-частиц и нейтрино и во многих случаях гамма-лучей. Внутриядерное превращение нейтронов в протоны происходит до тех пор, пока не установится такое соотношение между ними, при котором ядро делается устойчивым (стабильным). 

Стронций 

Иттрий 

Царм&нии 

Рис.3,

Каждое  радиоактивное ядро-"осколок" имеет свою характерную цепочку бета-распадов. Две радиоактивные цепочки, принадлежащие барию и стронцию, приведены для примера на 'рис. 3.

Период  полураспада бария-143, получающегося  при делении, около 1 мин; распадаясь с испусканием бета-частиц, он превращается в лантан. Лантан тоже радиоактивен, период его полураспада 15 мин.; распадаясь, он превращается в церий, который превращается в дальнейшем в празеодим, и т. д. Цепочка заканчивается ста бильным изотопом неодима

Стронций-94 дает короткую цепочку, заканчивающуюся стабильным изотопом циркония.

Цепная  реакция деления  тяжелых ядер

Как указано  выше, при делении ядра урана получается несколько (в среднем 2,5) новых свободных нейтронов. Эта особенность деления ядер урана, обнаруженная в 1939 г. Ф. Жолио-Кюри 'и затем подтвержденная другими физиками, имеет исключительно важное значение. Благодаря испусканию вторичных нейтронов, способных в свою очередь вызвать деление других ядер, реакция деления может протекать при определенных условиях самостоятельно, сама собой, стоит только ее начать. Такая сам о поддерживающаяся ядерная реакция деления и есть цепная. 
 
 
 

п

Чтобы реакцию деления ядер урана-235 осуществить  как цепную, нужно только взять достаточно большой ку сок чистого урана-23 5.

Как показали в 1940 г. Г. Н. Флёров и К. А. Петржак, 'небольшое число ядер урана делится с испусканием нейтронов самопроизвольно. Самопроизвольные деления происходят редко—в одном грамме обычного урана наблюдается всего около 23 делений в час. Но получающихся в результате этого свободных нейтронов будет достаточно для того, чтобы начать ("зажечь") цепную реакцию в куске урана. В результате деления какого-либо ядра урана одним из блуждающих нейтронов, всегда имеющихся в уране, появятся новые нейтроны и притом в большем количестве. Эти нейтроны смогут вызвать новые деления, вследствие чего число делящихся ядер и число нейтронов будет само лавинообразно уве личиваться.

Таким образом, один нейтрон даст начало целой  цепочке делений, причем количество ядер, подвергающихся делению, нарастает чрезвычайно быстро. Схема цепной реакции приведена на рис. 4. Заштрихованные кружки изображают ядра среднего веса, получающиеся при делении ("осколки" деления).

В большом  куске урана процесс деления  большинства ядер осуществляется всего  за 2—3 миллионные доли секунды, в течение которых в весьма малом объеме выделится огромное количество ядерной энергии. В результате получится взрыв колоссальной силы, называемый ядерным взрывом. Предельное количество энергии, которое может выделиться в ядерном взрыве

1 кг урана-235 при делении всех его ядер, приблизительно равно энергии взрыва 20 тыс. т обычного взрывчатого вещества—тротила (тола). Однако энергии фактически выделяется значительно меньше вследствие того, что не весь уран успевает прореагировать и часть его разбра сывается.

В малых  кусках урана-235 цепная реакция невозможна, и если даже ее начать, то она все  равно тотчас же затухнет, гак как  большая часть вторичных нейтронов  вылетит за пределы куска, не успев  столкнуться с новыми ядрами и  вызвать их деление (рис. 5). Это объясняется тем, что ядра занимают в веществе ничтожно малую часть его объема. Напомним, что диаметр атома равен в среднем одной стомиллионной доле сантиметра, а диаметр ядра еще меньше в десятки тысяч раз.

Следует также иметь в виду, что часть  нейтронов может быть потеряна для деления вследствие их захвата ядрами атомов посторонних примесей и самого урана без деления.

Если  размеры куска урана, в котором  происходит деление, увеличивать, то 
пробег нейтрона в веществе возрастает, отчего шансы его столкнуться с ядром и 
произвести деление увеличиваются. Поэтому при увеличении размеров куска 
урана относительная потеря нейтронов за счет утечки их наружу уменьшается и 
при некотором объеме куска наступает момент, когда начавшаяся реакция будет

развиваться дальше самостоятельно, сама себя поддерживая. Наименьшее 
 
 

о) блуждающий нейтрон

новое ядро („осколок *Э

  

Рис.4.

количество  урана или плутония, при котором  возможна цепная реакция, называется критической массой. При этой массе один из вторичных нейтронов каждого делящегося ядра обязательно вызовет новое деление. Поэтому-то реакция и