§ 4.4 Реакция деления

Открытие нейтрона привело к возникновению новых направлений в ядерных исследованиях. Поглощение нейтрона большинством ядер атомов сопровождается радиационным захватом, когда энергия возбуждения выделяется в виде  - излучения.

В некоторых тяжелых элементах, в частности в уране и плутонии, наблюдается другое явление - распад ядра на два осколка. Этот процесс называется делением ядра. Он сопровождается испусканием около 200 МэВ энергии на каждое разделившееся ядро.

Изучение процесса деления урана показало, что медленными нейтронами делится лишь U - 235, более тяжелый U - 238 поглощает медленные нейтроны без деления. Медленными нейтронами делятся также Pu - 239 и U - 233. Поэтому делящимися материалами или ядерными взрывчатыми веществами (ЯВВ) для цепных реакций деления называются те вещества, в которых реакцию деления вызывают медленные нейтроны.

На рис.4.3 в качестве примера показан ход реакции деления ядра U - 235. На стадии а нейтрон приближается к ядру U - 235, на стадии б образуется возбужденное составное ядро U - 236, так при поглощении нейтрона ядру передается энергия возбуждения Wвозб.

На стадии в энергия возбуждения вызывает деформацию ядра с образованием перетяжки. Части ядра приходят в колебательное движение (подобно каплям жидкости). В результате преобладания сил электростатического отталкивания над силами ядерного притяжения происходит деление. В осколках деления сосредоточена основная масса, они содержат большую часть выделившейся энергии (166 МэВ из общего количества 200 МэВ). Это их кинетическая энергия. На рисунке показаны также -кванты и нейтроны n, которые испускаются в процессе деления ядра. Эти нейтроны могут вызвать деление новых ядер урана или плутония.

Распределение энергии, МэВ, освобождающейся в результате деления ядра, между различными видами осколков и частиц следующее:

• Кинетическая энергия осколков деления - 166;

• Нейтроны - 5;

• Мгновенное  - излучение - 7;

•  - излучение продуктов распада - 7;

• Энергия  - частиц - 5;

• Нейтрино - 10;

• Общее количество – 200.

Важнейшей характеристикой ядерной цепной реакции является коэффициент развития реакции Крр, который определяет число делений ядер, вызванное одним делением в предыдущем звене реакции. Если Крр  1, то реакция развивается с ускорением. Система с Крр = 1, в которой процесс деления идет с постоянной скоростью, называется критической. Этому состоянию соответствует понятие критической массы.

Критическая масса - это такое количество ЯВВ, находящегося в определенных условиях, в котором каждое поколение нейтронов рождает новое, состоящее из такого же количества нейтронов. Величина критической массы зависит от содержания делящего изотопа в ЯВВ, среднего количества нейтронов в одном акте деления ядра (U - 235 - 2,47 нейтронов, Pu - 239 - 2,91), плотности вещества с учетом действия внешнего давления, геометрической формы заряда, наличие отражателя нейтронов. Саморазвивающаяся (цепная) реакция деления на медленных нейтронах носит взрывной характер и служит источником энергии в ядерных боеприпасах.

Основными частями ядерного боеприпаса являются (Рис.4.4) ядерное зарядное устройство (ядерный заряд), блок подрыва с предохранителями, источники питания и корпус боеприпаса. В составе ядерного заряда находится главная составная часть - ЯВВ. Вследствие самопроизвольного (спонтанного) деления ядер урана или плутония, наличия блуждающих нейтронов в атмосфере и других факторов нельзя принять никаких мер, препятствующих цепной реакции в ЯВВ, имеющем надкритическую массу (Крр  1). Следовательно, до взрыва общее количество ЯВВ в одном боеприпасе должно разделяться на отдельные части, каждая из которых имеет массу меньше критической (Крр  1). Для взрыва необходимо соединить в единое целое такое количество делящегося вещества, которое создает надкритическую массу. В момент достижения системой максимальной надкритичности реакцию деления следует инициировать от специального источника нейтронов.

Имеется два способа осуществления ядерного взрыва.

Первый из них состоит в том, чтобы два или несколько подкритических кусков ЯВВ быстро соединить в один кусок, размеры и масса которого больше критических. С этой целью можно использовать выстрел одной частью заряда в другую его часть, закрепленную в противоположном конце прочного металлического цилиндра, напоминающего оружейный ствол. Такие заряды обычно называют зарядами “пушечного” типа. (Рис.4.4).

Второй способ предполагает сильное обжатие подкритической массы (Крр1) ЯВВ, что повышает плотность вещества заряда в несколько раз и переводит систему в надкритическое состояние (Крр1), так как величина критической массы обратно пропорциональна квадрату плотности вещества. Необходимое для этого обжатие можно получить с помощью взрыва обычных ВВ, окружающих со всех сторон сферический заряд ЯВВ. Направленная внутрь взрывная волна от обычных ВВ сжимает сферический заряд ЯВВ, и в нем развивается цепная ядерная реакция деления (Рис.4.4). Такой способ называется имплозивным.

За счет инерции самого ЯВВ и прочной оболочки ядерный заряд удерживается некоторое время в надкритическом состоянии, вследствие чего успевает разделиться определенное число ядер делящегося вещества.

Коэффициент полезного использования ЯВВ равен отношению количества делящегося вещества, вступившего в реакцию деления, к общему количеству, имеющемуся в заряде. Как правило, по мере уменьшения мощности боеприпаса уменьшается и величина коэффициента полезного использования ЯВВ.