1. Деление тяжёлых ядер. Энергетический выход реакции и продукты деления. Нейтроны деления. Особенности различных делящихся нуклидов.

Любая ядерная реакция идет в несколько стадий, чаще всего в две. Первой ступенью взаимодействия интересующей нас реакций деления, или в общем, случае ядра с нейтроном идет через образование составного ядра. Символически ее можно представить так:

причем - составное ядро, которое обычно оказывается в возбужденном состоянии. Энергия возбуждения такого ядра равна сумме кинетической энергии нейтрона и энергии его связи . У самых тяжелых ядер средняя энергия связи нуклона примерно на 1 Мэв ниже, чем у ядер наиболее устойчивых, поэтому превращение тяжелого ядра в два более легких сопровождается выделением свободной энергии. Итак, для ядер с А85

а) распад на два более легких осколка энергетически выгоден;

в) такие ядра теоретически неустойчивы по отношению к процессу деления.

Если энергетически выгодный процесс не происходит немедленно, как это имеет место в реальности, то это означает, что его течению препятствует энергетический барьер. Отделение одной части ядра от другой сначала сопровождается возрастанием потенциальной энергии, которая лишь по достижению некоторой величины - высоты энергетического барьера - снижается. Барьер при делении возникает из-за сил поверхностного натяжения, которые представляют собой составляющие ядерных сил на расположенные по поверхности ядра нуклоны в направлении центра и создающие давление на поверхность - поверхностное натяжение, потенциальная энергия которого минимальна в основном состоянии ядра. Следовательно, отклонение от исходной геометрической формы, которое может привести к делению, связано с работой против сил поверхностного натяжения и объясняет наличие потенциального барьера. Высота барьера велика для ядер с массовыми числами  80 и снижается по мере повышения числа нуклонов в ядре.

Если энергия возбуждения  , то с энергетической точки зрения вполне возможна реакция деления составного ядра на два осколка. Экспериментальные данные показывают, что потенциальный барьер по отношению к делению у самых тяжелых ядер составляет 5.5-6.0 Мэв и мало зависит от состава ядра.

Для выяснения возможности деления исходных ядер нужно сравнить энергии возбуждения составного ядра с энергетическими барьерами. Минимальная энергия возбуждения составного ядра есть энергия связи присоединившегося к ядру нейтрона. Если энергия связи больше энергетического барьера, то исходное ядро может делиться при поглощении нейтронов с любой энергией. Если же  , то деление возможно, лишь при условии, что кинетическая энергия нейтрона достаточно высока  , чтобы в сумме с энергией связи превзойти барьер.

Наряду со средней энергией связи на один нуклон, большое значение для понимания физики ядерных реакций имеет энергия связи присоединяемого или отделяемого от него нуклона. Она может меняться в больших пределах и зависит, прежде всего, от четности числа имеющихся в ядре протонов или нейтронов. Оказывается, что если ядро содержит четное число нейтронов и к нему добавляется еще один нейтрон, то энергия связи этого нечетного нейтрона значительно ниже половины энергии связи двух нейтронов. Напротив, энергия связи добавленного к ядру четного нейтрона выше указанного значения. То же самое относится и к энергии связи четного или нечетного в ядре протона. Это так называемый эффект парности: особенно прочно в ядре связаны пары протонов и пары нейтронов. Разница в энергии связи парного и непарного протона или нейтрона составляет от 1 до 3-х Мэв. Эффект парности оказывает влияние и на энергию связи ядра в целом. Наибольшая энергия связи у ядер, содержащих четное число нейтронов и протонов или четно-четных ядер. Энергия связи несколько ниже, если состав ядра четно-нечетный или нечетно-четный. И еще меньше энергия связи у ядер, имеющих два непарных нуклона, то есть нечетно-нечетных ядер. Следствием повышенной устойчивости ядер четно-четных нуклидов является их преимущественное распространение в природе. Ниже приведены энергии связи нейтронов в ядрах для наиболее важных тяжелых нуклидов:

Элемент	Характер ядра	Энергия связи (Мэв)
	четно-нечетный	4.79
	четно-четный	6.84
	четно-четный	6.55
	четно-нечетный	4.80
	четно-четный	6.53

Итак, мы видим, что для (ч, ч) составных ядер энергии связи нейтронов в ядре сравнимы или даже слегка выше, чем потенциальный барьер и поэтому, предшественники при захвате нейтронов будут делиться. Такие нуклиды делятся нейтронами любых энергий. Это . Напротив, такие нуклиды, как могут делиться нейтронами только с достаточно высокой кинетической энергией. Следовательно, по отношению к реакции деления эти нуклиды являются пороговыми. Порог у 1.2 Мэв,  1.0 Мэв.

Для определения энергии деления, рассмотрим соответствующую ядерную реакцию причем , в результате которой образуются два осколка деления и с массами, равными соответственно. Без учета энергии возбуждения энергия, деления, освобождающаяся при делении ядра равна . Используя выражение для энергии связи на один нуклон, запишем

и в результате получим

Для случая симметричного деления на два равных осколка

Для нуклидов с большими массовыми числами величина потенциального барьера значительно падает и существует вероятность самопроизвольного деления (благодаря туннельному эффекту). Для очень тяжелых ядер (А250) эта вероятность 1 и эти ядра как стабильные в природе не существуют.

Энергия, освобождающаяся при реакции деления любого из вышеперечисленных нуклидов, составляет  200 Мэв и проявляется в основном в виде кинетической энергии осколков деления (85% или 170 Мэв). В дальнейшем, двигаясь в веществе, осколки ионизируют атомы, и их кинетическая энергия превращается в энергию теплового движения частиц среды. Часть освобождающейся при делении энергии переходит в энергию возбуждения осколков деления. Энергия возбуждения каждого осколка значительно больше энергии связи нейтрона, так, что при переходе новых ядер в основные энергетические состояния, сначала испускаются нейтроны, один или два каждым осколком, а затем  - кванты. Эти нейтроны и  - кванты называются мгновенными.

После торможения в среде осколки деления превращаются в нейтральные атомы с ядрами в основном энергетическом состоянии и называются продуктами деления. Продукты деления оказываются перенасыщенными нейтронами и потому являются  - радиоактивными. Первичных атомов - продуктов деления образуется много и каждый из них в среднем претерпевает три  - распада, прежде чем приобрести стабильность. Энергия этих  - распадов распределяется между  - частицами и нейтрино , но значительная ее часть уносится  - квантами, сопровождающими  - распад. В редких случаях  - распада продуктов деления испускаются запаздывающие нейтроны. Энергия -частиц и -квантов превращается в тепло, тогда как энергия нейтрино уносится за пределы среды, поскольку нейтрино практически не взаимодействует с веществом.

Итак, при реакции деления выделяется энергия, которая в конечном итоге может быть превращена в тепловую энергию. Баланс энергии на одно деление имеет следующую структуру:

1	Кинетическая энергия осколков деления	165 Мэв
2	Мгновенное -излучение	7.8 Мэв
3	Кинетическая энергия нейтронов деления	5 Мэв
4	-излучение продуктов деления	6 Мэв
5	-излучение продуктов деления	5 Мэв
6	Нейтрино	11 Мэв

Образуются новые активные частицы нейтроны, которые могут произвести новые деления ядер среды. В среднем на одно деление образуется следующее число мгновенных нейтронов

	=2.42
	=2.48
	=2.86

Кроме того, образуется большое количество радиоактивных продуктов деления - отходов ядерной реакции деления. Ниже приведена зависимость выхода продуктов деления нейтронами тепловых энергий от их массового числа А.

Наибольший выход 6 % относится к ядрам с массовыми числами 95 и 139. Заметим, что самое легкое и самое тяжелое ядро в продуктах деления из числа экспериментально зарегистрированных приходится на ядра с массовыми числами 72 и 161, а деление ядра на две равные части с. А=117 маловероятно.

Из всего многообразия теоретически возможных комбинаций ядер с массовыми числами, заключенными в интервале от 230 до 250, только пять тяжелых нуклидов являются наиболее важными для ядерной технологии производства энергии. Три из них , и встречаются в природе в заметных количествах, но только ядро может делиться нейтронами любых энергий и использоваться в качестве топлива. Его содержание в природном уране составляет всего 0.714 %. Два других нуклида - пороговые делящиеся нуклиды и на них трудно, если совсем невозможно, организовать цепную самоподдерживающуюся систему. и являются делящимися и вырабатываются из природного сырья и за счет ядерных реакций, отличных от реакции деления.