§ 6 Ядерные реакции. Деление тяжелых ядер

Ядерные реакции – превращения одних ядер в другие при взаимодействии исходных ядер с частицами (элементарными) в том числе и гамма-квантами или друг с другом. Реакции делят на три типа:

1. реакции под действием заряженных частиц: протона, альфа-частицы и других;

2. реакции под действие нейтронов;

3. реакции под действием гамма-квантов.

Реакции второго типа являются наиболее эффективными, так как нейтроны – нейтральные частицы, поэтому они обладают большой проникающей способностью (им не нужно преодолевать потенциальный кулоновский барьер при взаимодействии с исходными ядрами).

Кроме того, различают реакции под действием медленных частиц и реакции под действием быстрых частиц. Первые протекают в два этапа. На первом этапе образуется промежуточное ядро (компаундное ядро). На втором этапе это ядро распадается:

В приведенной схеме: – исходное ядро, – легкая частица, взаимодействующая с исходным ядром, – компаундное ядро, и – образовавшиеся в результате реакции ядро и легкая частица.

Ядерные реакции под действием быстрых частиц протекают без образования промежуточного ядра и называются реакциями прямого взаимодействия.

Если масса исходных ядер больше, чем масса конечных ядер, то такая ядерная реакция протекает с выделением энергии, равной

.

Такие реакции называют экзотермическими. Если , то реакции протекают с поглощением энергии и называются эндотермическими.

Экзотермическими реакциями являются деление тяжелых ядер и синтез легких ядер. Наиболее эффективно деление тяжелых ядер происходит под действием нейтронов:

В результате этой реакции выделяется большая энергия 200 МэВ (0,85 МэВ/нуклон). Кроме того, образуются два нейтрона, поэтому можно осуществить цепную ядерную реакцию, которая протекает в атомных бомбах и атомных реакторах. Образовавшиеся ядра и являются радиоактивными осколками и претерпевают цепочку -распадов.

Цепная ядерная реакция может протекать без источника внешних нейтронов, т.е. она может поддерживать себя до тех пор, пока энергии нейтронов, образовавшихся в результате деления урана, будет достаточно, чтобы вызывать деление следующих ядер урана в новом поколении. Под действием исходного нейтрона при делении ядра урана образуются в первом поколении два нейтрона, во втором – 2², в третьем – 2³ и в n-ом поколении – 2ⁿ нейтронов. В результате каждого акта деления выделяется энергия 200 МэВ. Таким образом цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии и носит взрывной характер. Неуправляемая цепная реакция такого типа протекает в атомных бомбах.

В атомных реакторах цепная реакция является регулируемой, так как каждый второй нейтрон, образовавшийся в результате реакции, выводят из активной зоны реактора. Это осуществляется путем введения стержней в активную зону. Стержни должны быть изготовлены из материала, замедляющего нейтроны или поглощающего их. Недорогой материал для стержней – графит, но он является горючим. Хорошими замедлителями нейтронов являются Cd, Be.