Кислицын А.А. Физика атома, атомного ядра и элементарных частиц

46.(0). Цепная реакция деления тяжелых ядер под действием нейтронов.

Реакция деления тяжелых ядер нейтронами была открыта Э.Ферми в 1934 г.

Эта реакция состоит в том, что тяжелое ядро, по- глотив нейтрон, делится на 2 (редко на 3 или 4) обычно неравных по массе осколка. При этом выделяется ок. 200 Мэв энергии и испускаются 2-3 нейтрона (в среднем 2,7 нейтрона).

Интенсивность реакции деления сильно зависит

от энергии нейтронов и от свойств облучаемых

ядер. Нейтронами с энергией больше 100 Мэв можно разделить любое ядро. Нейтронами с энергией несколько Мэв можно разделить лю- бое тяжелое ядро (с A>210).

Некоторые тяжелые ядра делятся нейтронами лю-

бых энергий, начиная с нулевых. Это изотопы:

235U92, 233U92, 239Pu94,

атакже некоторые изотопы более тяжелых транс- урановых элементов. Именно эти изотопы, бла-

годаря закону 1/v, имеют наибольшее практичес- кое значение.

Важнейшим свойством реакции деления является возникновение 2-3 нейтронов при делении каж- дого ядра. При определенных условиях эти ней-

троны могут вызвать деление новых ядер, при

этом образуются новые нейтроны и т.д. Возни- кает самоподдерживающаяся цепная реакция деления.

Активная зона и ее характеристики

Среда, в которой идет самоподдерживающаяся

цепная реакция деления, называется активной зоной. Важнейшей характеристикой активной

зоны является коэффициент размножения ней-

тронов: отношение количества нейтронов в не- котором "поколении" к их количеству в преды- дущем "поколении":

Под "сменой поколения" понимается поглощение

всех "старых" нейтронов и рождение новых

нейтронов в результате деления ядер.

Таким образом, если в некотором поколении бы- ло N нейтронов, то в n-ом поколении их будет Nkn. При k < 1 реакция гаснет, а при k > 1 нарас- тает. Время жизни одного поколения нейтронов (без учета запаздывающих нейтронов) состав- ляет от 10-5 до 10-7 секунды. Поэтому, например, при k = 1.01 число нейтронов и интенсивность реакции уже через 1 миллисекунду возрастет в 1000 раз, т.е. почти мгновенно произойдет взрыв. Для стационарной реакции необходимо поддер- живать k = 1 с очень высокой точностью, такой режим наз. критическим. (При k > 1 режим наз. надкритическим, при k < 1 - подкритическим).

Коэффициент размножения конкретной физичес- кой системы можно представить в виде:

где k0 - коэффициент размножения бесконечной среды (т.е. если бы активная зона имела беско- нечно большие размеры), P - вероятность того, что нейтрон не вылетит за пределы активной зоны, не произведя реакции деления, т.е. P всегда меньше 1. Поэтому цепная реакция де- ления может идти только при k0 > 1. Например, для смеси естественного урана и графита, ко- торая применялась в первых ядерных реакто-

рах, k0 = 1.08.

Критическая масса

Множитель P увеличивается при увеличении раз- меров активной зоны. Размер, при котором ко- эффициент размножения равен 1, наз. крити- ческим размером, а масса активной зоны крити-

ческих размеров наз. критической массой.

Критическая масса меняется в очень широких пределах в зависимости от формы и конструк- ции активной зоны. Например, для 235U92 она может иметь значения от 240г до 47 кг (шар диаметром от 3 до 17 см).

Устройство атомной бомбы

1 - взрывное устройство,

2 - взрывчатое вещество (обычное) для быстро- го сближения частей

ядерного заряда),

3 - оболочка,

4 - части ядерного заря-

да, образующие при

соединении критичес- кую массу,

5 - отражатель нейтро- нов.

Другой вариант конструкции атомной бомбы