§ 31.6. Нейтрон. Искусственная радиоактивность. Деление тяжелых ядер. Цепная реакция

Нейтрон был открыт значительно позже, в 1932 г. английским физиком Дж. Чедвиком, хотя ядерная реакция, в которой впервые проявился нейтрон, а именно

(31.17)

наблюдалась за два года до этого немецкими физиками В. Боте и Г. Бекером.

Именно они впервые заметили, что в результате облучения бериллия альфа-частицами возникает какое-то нейтральное излучение. Однако Боте и Бекер приняли его за гамма-излучение, и лишь Чедвик убедительно показал, что это новые частицы с нулевым электрическим зарядом. Поскольку это были нейтральные частицы, их решили назвать нейтронами.

Впоследствии было выяснено, что нейтрон радиоактивен, его период полураспада равен Т_1/2 = 12 мин.

В 1934 г. Ф. и И. Жолио-Кюри обнаружили, что при облучении потоком α-частиц ядра изотопа превращались в ядра изотопас испусканием нейтронов:

(31.18)

Искусственно полученный изотоп , который в природе не встречается, оказался радиоактивным.

Искусственная радиоактивность — радиоактивность изотопов, полученная в результате ядерных реакций.

Принципиальных различий между искусственной и естественной ра­диоактивностями нет, им присущи общие закономерности.

Искусственные радиоактивные изотопы могут быть получены у всех без исключения элементов, если подвергнуть бомбардировке атомные ядра стабильных элементов α -частицами, протонами и другими частицами.

Искусственная радиоактивность связана с нарушением стабильности атомного ядра. Стабильными являются ядра элементов, у которых число протонов равно числу нейтронов или соотношение между числом протонов 2 и массовым числом А, должно иметь вид

(31.19)

Z_стаб принимается равным целому числу].

Для легких ядер Z_стаб ≈ А/2 .

В настоящее время большинство радиоактивных изотопов, применяемых в медицине, промышленности, сельском хозяйстве и научных исследованиях, изготавливают искусственно на ядерных реакторах и ускорителях заряженных частиц.

В конце 1938 г. немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассманн сообщили, что при облучении урана медленными нейтронами ядра урана «раскалываются» на несколько частей. Сначала этому никто не поверил, так как всем было известно, что для такого разрушения у используемых нейтронов просто не хватит энергии. Однако уже в январе 1939 г. Лизе Мейтнер и Отто Фриш написали статью, в которой показали, что такая реакция возможна. Их статья называлась «Деление урана с помощью нейтронов: новый тип ядерной реакции».

Рассматриваемое явление действительно представляло собой новый тип ядерной реакции. Его объяснение состояло не в том, что ядро урана «раскалывается» на части при ударе о него нейтрона, а в том, что, поглотив нейтрон, ядро переходит в неустойчивое состояние: оно начинает перестраиваться, менять свою форму и через некоторое время само «делится» на две части.

Теория ядерного деления была разработана в 1939г. Я. И. Френкелем в СССР и несколько позже — Н. Бором и Дж. Уилером в США. Согласно их теории, когда тяжелое ядро (лёгкие ядра А < 50, средние ядра 50 < А < 100, тяжелые ядра А> 100) захватывает нейтрон, энергия этого нейтрона распределяется между всеми входящими в состав ядра нуклонами. Затем, подобно жидкой капле, ядро начинает деформироваться и принимает вытянутую (гантелеобразную) форму (рис.31.6). Кулоновское отталкивание его крайних протонов оказывается сильнее ядерного притяжения, и ядро разрывается на две части, называемые осколками деления.

Вообще говоря, ядро урана может разделиться и самопроизвольно, без поглощения нейтрона. Однако соответствующий период полураспада составляет 10¹⁷ лет, и потому такое (спонтанное) деление происходит достаточно редко. Захват же нейтрона увеличивает вероятность деления ядра в 10⁴⁵ раз!

Следует иметь в виду, что медленные (тепловые) нейтроны, т. е. нейтроны с энергией порядка 0,1 эВ и меньше, способны вызвать деление не любого изотопа урана. Из существующих в природе урановых изотопов подходит лишь уран-235. Для деления урана-238, который составляет 99,275% естественного урана, требуются быстрые нейтроны с энергией Е >1 МэВ.

Продуктами деления тяжелых ядер в основном являются два осколка, два-три нейтрона и выделяемая энергия. Распад ядер-осколков ведет к испусканию ими β-частиц и γ-квантов.

Примером деления тяжелого ядра может служить реакция

(рис.31.20)

Ядра (продукты деления могут быть весьма разнообразными. По имеющимся данным, их насчитывается свыше 200 видов. Наиболее вероятные значения масс осколков приходятся на 95 и 139. Деление на осколки равной массы менее вероятно и наблюдается редко.

Наиболее типичным примером реакции деления является

(рис.31.21)

Продукты деления очень разнообразны. Деление ядра урана

сопровождается выделением огромной энергии. Так 1 г урана дает столько же энергии, сколько получается при сжигании 2,5 т угля, т. е. 22000 кВт·ч или 7,5·10¹⁰ Дж Основная доля энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков деления, примерно 10% энергии приходится на излучение.

Таким образом, для реакции деления нужны нейтроны, а их появление может быть обусловлено лишь при одном условии — образовании цепной реакции, в процессе которой непрерывно создавались бы новые нейтроны. Предположим, что в среду, содержащую уран-235, попал нейтрон. Этот нейтрон может вызвать деление одного ядра. В результате такого деления, помимо осколков, возникнут два новых нейтрона, которые могут разделить еще два ядра.

После этого появятся 4 нейтрона, которые, разделив следующие четыре ядра, породят уже 8 нейтронов, и т.д. (рис. 31.7). Таким образом, после первого деления, вызванного попаданием в урановую среду первичного нейтрона, число актов деления начинает лавинообразно нарастать, и реакция деления принимает самоподдерживающийся характер.

Самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра, называется цепной реакцией деления (рис.31.8). Расчет этой реакции впервые был проделан в 1939—1940 гг. Я- Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном (СССР). Цепная реакция практически осуществима лишь на трех изотопах.

Один из них - — присутствует в природном уране, а два других -и— получают искусственно.

Важнейшей характеристикой развития ядерных цепных реакций является коэффициент размножения К нейтронов:

(рис.31.22)

[N_і — число нейтронов, вызывающих деление на одном из этапов реакции; N_і-1 — число нейтронов, вызывающих деление ядер на предшествующем этапе.

Коэффициент размножения К определяет весь ход цепной реакции.

Если К < 1, то имеем дело с затухающим цепным процессом. Если К = 1, то цепной процесс идет с постоянной интенсивностью, называемой критической. Система с К > 1 называется надкритической, при этом цепной процесс развивается лавинно и при К=1.01 приводит к ядерному взрыву (атомная бомба).

Массу среды критических размеров, в которой протекает ядерная реакция, называюткритической массой m_кр. Устройство, в котором осуществляется управляемая цепная реакция ядерного деления, называется ядерным реактором (рис.31.9). В ядерных реакторах используется реакция, идущая с постоянной интенсивностью, при этом К=1. Каждый реактор должен быть сконструирован так, чтобы выделяющиеся при делении нейтроны использовались наиболее эффективно.

Эффективное использование нейтронов не означает использования их исключительно для деления ядер и выделения энергии. В реактор вводятся вещества, ядра которых могут поглощать нейтроны. Таким образом, получают нужные народному хозяйству радиоактивные искусственные изотопы и искусственное ядерное горючее, что при энергетическом кризисе, развивающемся во всем мире, играет крайне важную роль.

Первые реакторы строились для получения плутония, затем появились исследовательские реакторы и наконец энергетические. Главная задача энергетических реакторов - превращение ядерной энергии в электрическую. Наиболее перспективный путь развития атомной энергетики - разработка реакторов на быстрых нейтронах. Такой реактор производит больше ядерного горючего, чем потребляет.

Первый ядерный реактор, в котором впервые в мире была осуществлена управляемая цепная реакция деления ядер, был пущен 2 декабря 1942 г. в соединённых штатах Америки под руководством выдающегося ученого (итальянца по происхождению) Энрико Ферми. Цепная реакция с коэффициентом размножения нейтронов К= 1,0006 длилась в течение 28 мин, после чего реактор был остановлен.

В СССР первый ядерный реактор был введен в строй в 1946 г. Его конструированием и непосредственным запуском руководил замечательный советский ученый И. В. Курчатов. В то время это был единственный реактор в Европе. Сейчас в мире работает около тысячи ядерных реакторов различного типа.

Первая в мире атомная электростанция была построена в 1954 г. в г. Обнинске. Пуск в действие этой электростанции доказал всему человечеству, что «атом может быть мирным». После этого АЭС стали строить в Англии (1956 г.), США (1957 г.), Франции, Италии и других странах.

Ядерные реакторы нашли применение и в силовых установках, используемых на кораблях атомного флота. Во второй половине 50-х гг. сначала в США, а затем и в СССР были построены атомные подводные лодки. В 1957 г. был спущен на воду атомный ледокол «Ленин» — первое мирное судно с ядерной силовой установкой на борту. В 60-70-е гг. атомные суда невоенного назначения стали создавать в США («Саванна»), ФРГ («Отто Ган») и Японии («Муцу»).

Мощность ядерного взрыва принято характеризовать тротиловым эквивалентом.

Первая атомная бомба была создана под руководством американского физика Роберта Оппенгеймера, назначенного в 1943г. начальником специальной атомной лаборатории в Лос-Аламосе (США).