4. Ядерная реакция деления.

Когда говорят о делении ядер, то предполагается, что этот процесс происходит под действием нейтронов. В принципе, если нейтрон обладает достаточно большой энергией, то разделится может любое ядро.

Деление – это процесс, когда из данного ядра образуются два или более мелких осколков. При делении ядер урана вероятность образования трех и более осколков ничтожно малая. Деление атомных ядер было открыто при бомбардировке нейтронами ядер урана.

В конце 1938 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман опубликовали работу, где описали свои опыты по облучению нейтронами урана, после которого в исходном материале были выявлены более легкие элементы. Австрийский физик Лиза Мейтнер. выдвинула гипотезу о неустойчивости тяжелых ядер при их взаимодействии с нейтронами, и что при этом процессе может происходить и выделение энергии.

Открытая таким образом реакция деления ядер урана под действием нейтронов, стала фундаментальным элементом практического использования ядерной энергии в прежде всего в военной сфере, а также для создания мирной атомной энергетики. Рассмотрим детально процесс деления нейтроном ядра урана-235.

Рис.1.3. Первые стадии деления атомного ядра под действием нейтронов

В подавляющем большинстве действующих ядерных реакторов главным делящимся изотопом является изотоп урана-235 (²³⁵U), который обладает аномально высоким сечением деления для нейтронов тепловых энергий.

Рассмотрим реакцию деления более детально.

/1.8/

После столкновения нейтрона с ядром урана-235 имеется высокая вероятность образования промежуточного ядра урана-236, которое находится в неустойчивом состоянии и распадается на осколки. При делении образуется несколько десятков пар осколков преимущественно неравной массы (рис.1.2). Наиболее вероятным (~ 6 ÷ 7%) оказывается выход двух осколков с массовыми числами 95 и 141, т.е., массы осколков относятся, примерно, как 2\3. Вероятность симметричного деления (осколки равные по массам) в 600 раз меньше. В осколках деления полностью отсутствуют как легкие (А <76), так и тяжелые осколки (А>156) (см. рис. 1.3). С ростом энергии нейтронов асимметрия в распределении масс осколков уменьшается.

Рис.1.4. Массовое распределение осколков деления ²³⁵U тепловыми нейтронами.

Для изотопа урана ²³⁵U деление возможно нейтронами любых энергий, однако вероятность деления (сечение реакции деления) для тепловых нейтронов теплового спектра, примерно, в 100 раз больше, чем для быстрых нейтронов c энергией 5 - 6 МэВ. 

Деление изотопа урана ²³⁸U возможно только нейтронами с энергией большей 1 МэВ, но вероятность деления при таких энергиях в 4 раза меньше чем захвата или рассеяния. Другими словами из 5 нейтронов столкнувшихся с ядром ²³⁸U, только 1 вызовет деление. При меньших энергиях возможны только радиационный захват или рассеяние. Причем при энергиях 7 эВ - 200 эВ сечение захвата очень сильно возрастает (резонансный захват). Нейтроны поглощаются без деления и выбывают из цепной реакции.

Какие элементы могут делится под действием нейтронов? Из природных изотопов этими свойствами обладают ²³⁵U и ²³⁸U. В ядерной энергетике будущего найдут применение исскуственные делящиеся изотопы ²³³U и ²³⁹Pu, полученные при облучении нейтронами ²³²Th и ²³⁸U.

n + 232Th → γ + 233Th ; (T1/2=1,6•105лет, σf =52,5 n) /1.9/ n+ 238U  → γ + ; (T1/2 = 2,4•104 лет, σf = 742 ) /1.10/. Детальные схемы получения этих делящихся изотопов показаны в Приложении 1.

Среднее число нейтронов, возникающих при делении атомных ядер упомянутых элементов лежит в диапазоне 2,3 – 3,4 в зависимости от типа ядра деления и энергии падающего нейтрона (см. табл. 1.3., рис. 1.4.).

Таблица 1.3. Ядерно-физические свойства делящихся материалов.

Таблица

Изотоп	Период полураспада, лет	Сечение деления,бн (En= KT)	Сечение захвата, бн, (En= KT)	Сечение захвата, бн (En>2Мэв)	% содержания в руде	Число нейтронов на 1 деление
	1,6 ·105	525	53	1,5	(исскуств.)	2,49
	7· 108	580	110	1,3	0,07	2,42
	2,4· 104	742	286	3,5	(исскуств.)	2.9
	4,9 109	0	2,71	2,5	99,93%	2,6 (б.н.)

Рис. 1.5. Зависимость среднего числа нейтронов, испускаемых при делении от энергии нейтронов, вызывающих деление для различных ядер.

Энергия деления, спектры нейтронов.

В процессе деления одного ядра выделяется энергия, примерно, равная 198-210 МэВ в зависимости от вида ядра (см. табл.1.3).

Таблица 1. 3. Распределение энергии деления для различных ядер (МэВ)

Ядро	Кинетическая энергия осколков	Энергия мгновенных гамма-квантов	Энергия запаздывающих гамма-квантов	Энергия нейтронов	Энергия бета-частиц	Энергия антинейтрино	Суммарная энергия
233U	160,5	7,0	7,0	5,0	9,0	10	198,5
235U	166,0	7,2	7,2	4,9	9,0	10	204,1
239Pu	171,5	7,0	7,0	5,8	9,0	10	210,3

Кинетическая энергия осколков деления и β - частиц превращается в тепловую энергию в непосредственной близости от точки деления. Вся энергия антинейтрино, часть энергии нейронов и гамма – квантов уносится ими за пределы активной зоны. Нейтрино малой энергии чрезвычайно слабо взаимодействуют с веществом: так, нейтрино с энергией порядка 3—10 МэВ имеют в воде длину свободного пробега порядка 10¹⁸ м (около 100 св. лет).

Поскольку в разных актах деления случайным образом возникают различные по массам пары осколков и различное число нейтронов, то кинетическая энергия вторичных нейтронов будет так же случайной величиной, но при наблюдении за большим количеством делящихся ядер будет наблюдаться уже вполне закономерный энергетический спектр вторичных нейтронов. Измерения распределения вторичных нейтронов по энергиям позволило установить, что форма распределения очень слабо зависит от кинетической энергии первичных нейтронов и сорта делящихся ядер и может быть представлена в виде

. (1.9)

В настоящее время измерения спектра доведены до 17 МэВ. При делении ²³⁵U тепловыми нейтронами средняя энергия вторичных нейтронов близка к 2 МэВ, а наиболее вероятная (в максимуме распределения) около 0,7 МэВ. Таким образом, нейтроны уносят энергию Q_fn =, что в случае деления ²³⁵U тепловыми нейтронами дает ~ 5 МэВ.

При изучении процесса деления были обнаружены мгновенные γ-кванты, испускаемые возбужденными осколками за время ~ 10^-14с после вылета из них мгновенных нейтронов. Энергетический спектр γ-излучения непрерывный и убывает с ростом энергии, максимальная энергия γ-квантов составляет около 7 МэВ. В процессе деления ²³⁵U тепловыми нейтронами на один акт деления возникает в среднем примерно 7 γ-квантов со средней энергией около 1 МэВ, а среднее количество энергии, уносимой γ‑квантами составляет 7 МэВ.

Для сравнения напомним, что при сгорании 1 г угля выделяется только 33,9 кДж (8,1 ккал). Таким образом, при делении урана выделяется почти в два миллиона раз больше энергии, чем при сгорании такого же количества угля.

Главные выводы из рассмотрения реакции деления: в результате деления ядра урана нейтроном происходит рождения нескольких нейтронов (2-3) и выделение большого количества энергии (около 200Мэв). Под действием тепловых нейтронов происходит деление следующих изотопов: ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu. Массовые числа продуктов деления (М) лежат в диапазоне М = 76 – 156. Наиболее вероятный выход вероятность около 7% имеют осколки с М= 95 и М=141. Вероятность симметричного деления на равные осколки не более 0. 05%.

ПРИЛОЖЕНИЕ 1.

Радиоактивные цепочки образования и превращений исскуственных делящихся элементов

ПРИЛОЖЕНИЕ 2.

Временной интервал жизни продуктов деления

Приложение 3.

Распределение осколков деления по массам в зависимости от энергии нейтронов.

14