Цепная реакция деления тяжелых ядер

Как показано выше, энергия атомного ядра может быть выделена в ре­зультате изменения структуры ядра. В зависимости от величины потенциаль­ного барьера (энергии активации) ядра, его структура может быть изменена самопроизвольно (спонтанное деление) или принудительно. Процесс искус­ственного изменения структуры атомного ядра и превращения ядра одного изотопа в ядро другого изотопа называется ядерной реакцией.

Среди многих ядерных реакций особое место занимают реакции деле­ния, вызываемые (активируемые нейтронами). Цепной реакцией деления тяжелых ядер называется реакция, которая, начавшись делением одного или нескольких ядер, продолжается в дальнейшем без внешнего воздействия за счет нейтронов, образовавшихся в результате самой реакции.

Сущность реакции деления тяжелых ядер заключается в том, что ядра атомов под действием нейтрона делятся на два неравных оско­лка. Образо­вавшиеся новые ядра с массами, относящимися как 2:3, приобретают кинети­ческую энергию и разлетаются, претерпевая в дальнейшем многократный бе­та-распад, сопровождаемый гамма-излучением. Кроме осколков деления в ре­зультате реакции выделяются вторичные нейтроны и гамма-излучение. Вто­ричные нейтроны, сталкиваясь с ядрами делящегося вещества, вызывают деление новых ядер, в результате чего образуется очередное поколение нейтро­нов. Таким образом, число нейтронов, рождающихся в каждом поколении (i), нарастает в геометрической прогрессии. Для поддержания цепной ядерной реакции необходимо, чтобы каждое разделившееся ядро давало по меньшей мере один новый нейтрон, участвующий в делении следующих ядер:

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → (₉₂U²³⁶)* → _z1X^А1 + _z2Y^А2 + 2/3n + 2γ + E. (1.14)

Схематически такая реакция представлена на рис. 3.

Рис. 3. Схема цепной ядерной реакции деления

Уран-235 и плутоний-239 делятся под действием как быстрых, так и медленных нейтронов, изотоп же урана-238 делится только при воздействии сверхбыстрых нейтронов (Е > 10 МэВ). Следует отметить, что реакция деле­ния урана-238 не перерастает в цепную по той причине, что она не может поддерживаться вторичными нейтронами, выделяющимися в результате де­ления. Поэтому она протекает до тех пор, пока поддерживается искусственно извне сверхбыстрыми нейтронами, выделяемыми, например, в результате ре­акции синтеза.

Скорость развития цепной реакции деления зависит от скорости раз­множения нейтронов, которая выражается коэффициентом развития реакции, или коэффициентом критичности.

Коэффициент развития реакции (К) – это отношение числа нейтронов любого поколения (N_i) ) к числу нейтронов предыдущего поколения (N_i–1):

(1.15)

Очевидно, при К < 1 цепная реакция имеет затухающий характер, при К = 1 реакция протекает с постоянной скоростью, а при К > 1 реакция имеет взрывной характер.

Изменяя величину К, можно управлять ядерной реакцией. Так, напри­мер, в ядерных реакторах коэффициент К поддерживается в период работы реактора на уровне, незначительно превышающем 1, за счет поглощения из­бытка нейтронов графитовыми стержнями, помещенными в зону реакции.

Цепная реакция деления ядер может развиваться не в любом количестве ядерного горючего. В небольшом количестве ядерного горючего реакция затухает, едва начавшись, так как вторичные нейтроны, не встретив на своем пути ядра, вылетают из зоны реакции. С увеличением массы ядерного горючего вероятность столкновения вторичных нейтронов с ядрами возрастает.

Наименьшая масса делящегося вещества, в которой может проте­кать цепная реакция, называется критической, масса меньше критической – подкритической, а превышающая критическую – надкритической. Цепная ядерная реакция взрывного характера возможна только в том случае, если масса ядерного взрывчатого вещества (ЯВВ) значительно превышает крити­ческую.

Критическая масса ЯВВ не является величиной постоянной. На нее ока­зывают влияние следующие факторы: вид делящегося вещества, чистота, плотность ЯВВ, геометрическая форма реакционной зоны и наличие отража­теля нейтронов.

Вид делящегося (ядерного взрывчатого) вещества. Каждому виду ЯВВ соответствует определенное среднее число нейтронов при делении одного ядра при каждом акте деления. Например, для урана-235 оно равно 2,6, а для плутония-239 – 3,05. Очевидно, чем больше среднее число образовавшихся нейтронов, тем больше количество ядер ЯВВ в последующем вступит в реакцию и, следовательно, меньше критическая масса. Так, при обычных услови­ях критическая масса урана-235 составляет 40 – 60 кг.

Чистота ЯВВ. С увеличением химической чистоты ЯВВ увеличивается вероятность столкновения нейтронов с ядрами основного вещества и, следовательно, уменьшается величина критической массы. Аналогичный процесс происходит с увеличением плотности ЯВВ, которая влияет на величину критической массы в следующей зависимости:

(1.16)

где m_кр – критическая масса ЯВВ;

ρ – плотность ЯВВ.

Геометрическая форма зоны реакции оказывает влияние на отношение площади поверхности реакционной зоны (S) к ее объему (V). Очевидно, что чем больше это соотношение, тем больше убыль нейтронов, не вступающих в реакцию и вылетающих из зоны. Соотношение S/V является наименьшим для шара. Поэтому величина m_кр наименьшая для реакционной зоны сфе­рической формы.

Величину критической массы можно уменьшить, если создать вокруг зоны реакции отражатель нейтронов, способный отклонять вылетающие из зоны нейтроны, направляя их обратно в эту зону. Для таких целей могут быть использованы: бериллий, природный уран, тяжелая вода, алюминий и др. При использовании отражателей нейтронов из указанных выше веществ толщиной до 10 см величина критической массы может быть уменьшена в 2 – 3 раза.

Для эффективного начала и развития цепной реакции взрывного харак­тера в ядерных боеприпасах используется искусственный генератор нейтро­нов, который выделяет большое количество нейтронов и тем самым создает значительное число начальных центров деления, вследствие чего ускоряется процесс реакции и увеличивается эффективность использования ЯВВ. В со­временных ядерных зарядах нашли широкое применение радий-бериллиевые источники нейтронов, способные вырабатывать 10⁷ – 10⁹ нейтронов в секунду.

Эффективность цепной ядерной реакции характеризуется коэффициен­том использования ядерного горючего (η) ), который численно равен отноше­нию массы разделившихся ядер (Q₁) к общей массе ядер ядерного заряда (Q):

(1.17)

В современных ядерных боеприпасах данный коэффициент сра­внительно невысок и составляет всего лишь несколько десятков про­центов, что является их существенным недостатком.

Рассмотрев физические явления, сопровождающие ядер­ный взрыв, нетрудно прийти к выводу, что для повышения коэффициента ис­пользования ядерного горючего необходимо, во-первых, ускорить развитие ядерной реакции и, во-вторых, замедлить расширение ЯВВ.

В результате быстрого выделения энергии ядерное горючее и элементы конструкции ядерного боеприпаса превращаются в высокотемпературный газ (плазму). В зоне реакции резко повышаются температура и давление, достигая соответственно десятков миллионов градусов и атмосфер.

Под действием столь высокого давления зона ядерного горючего начи­нает стремительно расширяться, а цепная реакция затухать. Поэтому для осуществления эффективного взрыва скорость развития реакции должна быть как можно больше, что позволяет прореагировать большему количеству ядер, прежде чем произойдет затухание цепной ядерной реакции вследствие рас­ширения ядерного горючего. Кроме того, необходимо задержать процесс уменьшения плотности ядерного горючего за счет замедления его расшире­ния.

На практике для ускорения развития ядерной реакции при ядерном взрыве в самом ее начале в ядерных боеприпасах используются различные источники нейтронов (искусственные источники и генераторы нейтронов), которые позволяют обеспечить мощный поток нейтронов для воздействия на ЯВВ, находящееся в надкритическом состоянии, и тем самым создать боль­шое число начальных центров деления. Для замедления же расширения ядер­ного горючего используется массивная оболочка боеприпасов, которая за счет своей инерционности позволяет снизить скорость расширения ядерного горючего.

Термоядерная реакция синтеза

Реакция синтеза ядер легких элементов с образованием более тяжелого ядра в настоящее время является наиболее мощным земным источником энергии. Таковой реакцией является, в частности, реакция синтеза ядер гелия из ядер изотопов водорода: дейтерия и трития, протекающая по следующей схеме:

₁Н² + ₁Н³ → ₂Не⁴ + ₀n¹ + E. (1.18)

При слиянии ядер вначале образуется промежуточное ядро ₂Не⁴, затем после выброса одного нейтрона образуется стабильное ядро ₂Не⁴. При этом выделяется энергия, равная 17,6 МэВ. При образовании 1 кг гелия освобожда­ется около 10¹¹ ккал энергии. Причем большая часть энергии расходуется на поддержание этой же реакции.

Для осуществления подобной реакции требуется преодолеть потенци­альный барьер, обусловленный наличием электростатических сил отталкива­ния между положительно заряженными ядрами атомов дейтерия и трития. Для преодоления потенциального барьера нужно совершить работу против этих сил. Чтобы осуществить синтез ядер дейтерия и трития необходима энергия в 400 КэВ, что соответствует температуре примерно 10⁹ ºС. Ядерные реакции, протекающие при высоких температурах, принято называть тер­мо­яде­рными. Источник тепла необходим только для начала реакции ("запа­ла"). В дальнейшем же реакция протекает за счет выделяющейся энергии при синтезе, т.е. как бы сама себя поддерживая. Для "запала" термоядерной реак­ции в настоящее время используют ядерную реакцию (1.14). Следует иметь в виду, что использование газообразного или жидкого дейтерия и радиоактив­ного газообразного трития сопряжено с трудностями. Наиболее удобным ока­залось применение твердого химического соединения дейтерия и лития – дейтерида лития LiD. При повышении температуры до миллионов градусов в ре­зультате взрыва "атомного запала" образуется смесь дейтерия и лития:

LiD — ^t→ ₃Li⁶ +₁D². (1.19)

Затем под воздействием нейтронов "атомного запала" (нейтронов цеп­ной реакции деления (1.14)) идут реакции, которые приводят к образованию трития:

₃Li⁶ + ₀n¹ → ₂He⁴ + ₁H³ + 4,8 МэВ. ( 1.20)

Выделившийся тритий вступает в реакцию с дейтерием по уже извест­ной схеме (1.18). При этом нейтроны, которые получаются в этой реакции, также взаимодействуют с ядрами лития, пополняя запасы трития. В результа­те термоядерная реакция синтеза будет протекать с возрастающей скоростью. Однако ввиду большой своей проникающей способности нейтроны могут покинуть зону реакции, не провзаимодействовав с ядерным горючим, и тем самым скорость воспроизводства трития уменьшится. Чтобы поддерживать воспроизводство трития на высоком уровне, термоядерное горючее окружают оболочкой, состоящей из специально подобранных веществ, способных с вы­сокой эффективностью взаимодействовать с нейтронами, частично возвращая их в зону реакции, а в отдельных случаях даже подвергаться процес­су ядерного деления, высвобождая при этом дополнительную энергию и ней­троны для воспроизводства трития.

Приведенные процессы имеют место в термоядерных боеприпасах, принципы устройства которых будут рассмотрены ниже.