4.4 Ядерные реакции деления и синтеза
Ядерные частицы — протоны и нейтроны — прочно удерживаются внутри ядра благодаря очень большим силам притяжения, которые способны противостоять огромным силам отталкивания между заряженными протонами. Эти особые силы, действующие на малых расстояниях между нуклонами (~10-13 см), называются ядерными силами. Достаточно полная теория ядерных сил еще не создана
Измерение масс атомных ядер, производимое в настоящее время с высокой степенью точности, показало, что масса ядра (Мяд) всегда меньше, чем суммарная масса частиц, составляющих это ядро (масса частиц измеряется в их свободном состоянии, вне ядра). Например, при образовании гелия получается недостача («дефект») массы, равная 0,03037 а.е.м. Этой массе соответствует (по известному соотношению Эйнштейна Е = mс2) энергия ΔЕ = 28,2 МэВ - «энергией «связи» и ею характеризуют прочность этого ядра. В общем случае энергия связи ядра, состоящего из Z протонов и N нейтронов, равна E = (Zmp + Nmn — Mяд)c2,
Другой способ выделения ядерной энергии основан на соединении легких ядер, расположенных в начале периодической системы, в более тяжелые.
Рассмотрим сначала реакции деления ядер, в частности наиболее важнейшую из них — деление ядер урана. Сущность этой реакции заключается в том, что промежуточное ядро, возникающее при захвате налетающей частицы ядром-мишенью, оказывается в состоянии такого возбуждения, что оно делится на два осколка, сравнимых по величине.
Реакции этого типа имеют ряд важных особенностей:
1. Деление ядра урана сопровождается освобождением больших количеств энергии — около 200 МэВ на каждое разделившееся ядро.
2. Ядра изотопа урана-235 делятся под действием как быстрых, так и медленных нейтронов, а ядра урана-238 делятся только быстрыми нейтронами с энергией, большей 1,5 МэВ.
3. При расщеплении ядер урана выделяются вторичные нейтроны в количестве от одного до трех на каждый акт деления. Эти вторичные нейтроны при столкновении с другими ядрами урана в свою очередь могут вызвать деление, что при известных условиях приводит к возникновению цепной реакции деления.
4. Осколки деления могут быть весьма разнообразны. Среди них встречаются изотопы, начиная от цинка (Z = 30), кончая самарием (Z = 62). Массовые числа их лежат в пределах от 72 до 158, т.е. деление происходит неоднозначно.
Важнейшим свойством осколков деления является их радиоактивность.
5. Кроме упомянутых ядер урана-238 и 235, под действием нейтронов могут делиться ядра других тяжелых элементов. Из них наибольшее
практическое значение имеют плутоний Рu-239 и изотоп уран-233.
Рассмотрим подробнее процесс деления ядер. В ядре между нуклонами существует два рода сил: электростатические силы отталкивания, действующие между протонами, и ядерные силы притяжения очень малого радиуса, действующие между всеми соседними нуклонами. В результате действия этих сил ядро принимает сферическую форму, которая устойчива по отношению к деформациям.
Нейтрон, проникший в ядро, сносит туда энергию, которая в очень короткое время распределяется между всеми нуклонами; в результате образуется новое ядро в возбужденном состоянии. Если энергия возбуждения невелика, то разделения ядра не происходит, и ядро, потеряв избыток энергии путем испускания γ-фотона или нейтрона, возвратится в нормальное состояние; но если вносимая нейтроном энергия велика, то возбужденное ядро начинает деформироваться, в нем образуется перетяжка и в результате оно делится на два осколка, разлетающихся с огромными скоростями вследствие действия между ними сил электростатического отталкивания.
Энергия, до которой нужно возбудить ядро, чтобы произошел процесс деления, называется критической энергией. Величина энергии, выделяющаяся при делении ядер, может быть подсчитана по дефекту массы. При делении ядра на осколки получается выход энергии от 195 до 200 МэВ.
Наибольший интерес для практических целей представляет саморазвивающаяся реакция деления, называемая цепной реакцией. Для осуществления ее необходимо, чтобы из всех вторичных нейтронов, образующихся при одном акте деления, хотя бы один в среднем смог вызвать следующий акт деления. Условие существования цепной реакции выражается через так называемый коэффициент размножения - отношение числа N, нейтронов в некотором поколении к числу N нейтронов в предыдущем поколении: k = N1/N. При k < 1 цепная реакция невозможна; при k = 1 поддерживается цепная реакция с постоянным количеством нейтронов; такая реакция применяется в ядерных реакторах (котлах). При k > 1 число нейтронов, а значит, и число делений, непрерывно возрастает, и реакция может стать взрывной.
Из определения коэффициента размножения следует, что приращение числа нейтронов, вызывающих деление за одно поколение, равно: N1—N = N (k—1). Если обозначить среднее время, прошедшее между двумя актами деления, через τ, то увеличение числа нейтронов (числа делений) за время dt равно: dN= N(k—1)•dt/τ.
Откуда, интегрируя,
получим: N= N0е
,
где N0
— число делений в некотором поколении,
с которого начались наблюдения.
Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности, для данного изотопа он зависит от количества делящегося вещества и геометрической формы его объема. Увеличивая размеры и, следовательно, массу урана, можно достичь такого состояния, при котором k = 1 и реакция деления перестанет затухать. Предельная масса, при которой выполняется условие к = 1, называется критической массой. Если масса урана больше критической, то k > 1, реакция деления бурно развивается и приводит к взрыву (это используется в атомной бомбе). Чтобы атомная бомба не взрывалась при хранении, необходимо разделить в ней уран на две или несколько частей с массами ниже критических и удаленных друг от друга. Для промышленных целей Важно уметь осуществлять цепную реакцию невзрывного типа. Для этого надо отрегулировать скорость течения реакции так, чтобы k = 1.
Управляемые цепные ядерные реакции деления при k = 1 с регулируемой скоростью деления осуществляются в ядерных реакторах (котлах), которые находят широкое применение при использовании атомной энергии в мирных целях (атомные электростанции, атомные двигатели и т. п.).
Ядерные реакторы состоят в основном из следующих частей: активной зоны, содержащей уран и один из замедлителей нейтронов— графит, тяжелую воду или окись бериллия. Если ядерное горючее представляет собой однородную смесь, например, раствор урановой соли в тяжелой воде, то реактор называют гомогенным. Если же ядерное горючее расположено на отдельных участках зоны в виде стержней или блоков, окруженных замедлителями, то реактор называют гетерогенным;
2) отражателя, служащего для возвращения нейтронов, вылетевших из активной зоны. Материалами для отражателя иногда служат те же вещества, что и для замедлителя;
3) системы охлаждения, состоящей из труб, по которым прокачивается теплоноситель в виде газа, воды или расплавленного металла. Проходя через активную зону, теплоноситель нагревается и передает тепло через специальное устройство рабочему телу (например, воде в паротурбогенераторе), а затем снова поступает в активную зону реактора;
4) системы регулирования, состоящей из ряда устройств и имеющей назначение регулировать развитие цепной реакции. В нее входят приборы для измерения нейтронного потока, регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, способные в сильной степени поглощать нейтроны, и ряд автоматических электронно-механических аппаратов;
5) защитного устройства (биологической защиты), которое предохраняет обслуживающий персонал от проникающего излучения.
Урановые реакторы используются не только как источники энергии, но и для получения заурановых элементов, например плутония, который сам является делящимся элементом и может быть применен для производства атомного оружия.
Рассмотренные выше ядерные реакции с выделением огромных количеств энергии являются реакциями деления тяжелых ядер. Кроме этого, возможно получение ядерной энергии за счет реакции синтеза легких ядер. Чтобы произошло слияние ядер, необходимо сообщить им достаточную кинетическую энергию для преодоления электрических сил отталкивания. При достаточном сближении начнут действовать ядерные силы притяжения; легкие ядра смогут синтезироваться в более тяжелое ядро с выделением энергии, равной энергии связи.
Термоядерные реакции – реакции синтеза, для которых применяют разогрев реагирующих веществ до очень высоких температур.