Реакции с быстрыми нейтронами

Р еакции с быстрыми нейтронами или дейтонами происходят без образования промежуточного ядра. Наибольшее значение имеют реакции, вызываемые нейтронами, т.к. нейтроны не имеют заряда и, следовательно, они могут обладать меньшей энергией. Но если меньше энергия нейтрона, то меньше и его скорость пролета вблизи ядра. Но при этом, соответственно, больше время нахождения нейтрона около ядра и, следовательно, больше вероятность захвата нейтрона ядром.

Следовательно, чем меньше энергия нейтрона, тем больше вероятность ядерной реакции или, как принято говорить в ядерной физике, тем больше сечение захвата .

График зависимости сечения захвата от энергии нейтрона имеет вид, изображенный на рис. 1. Т.е. при определенной энергии нейтрона имеет место резонансное его поглощение. В частности, для ядра эта резонансная энергия нейтрона равна .

Здесь имеет место процесс, аналогичный поглощению фотонов. Если энергия фотона соответствует разности энергий разрешенных уровней, то происходит интенсивное поглощение фотонов данной энергии.

Ядро также обладает разрешенными энергетическими уровнями и, следовательно, энергия нейтрона соответствует разности уровней возбужденного ядра.

Деление тяжелых ядер

В 1938 г. немецкие физики О.Ган и Ф.Штрассман обнаружили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической таблицы Меделеева. Причем уран делится на осколки, массы которых относятся как .

Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, больше для средних ядер, чем для тяжелых. Поэтому данная реакция должна идти с выделением тепла.

Но самым важным оказалось то, что при делении освобождаются еще несколько нейтронов (см. рис. 2).

Дело в том, что, как уже отмечалось, у тяжелых ядер относительное число нейтронов больше, чем у средних ядер. Следовательно, осколки ядра переобогащены нейтронами, поэтому осколки испытывают ядерные превращения, испуская нейтроны, которые в свою очередь вызывают деление новых ядер . В среднем, на каждый акт деления приходится выделившихся нейтронов.

Кроме при облучении нейтронами делятся плутоний ‑ , торий ‑ и другие элементы.

Ядра и делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными или тепловыми нейтронами. Тепловые нейтроны это нейтроны, обладающие энергией .

Ядра делятся только быстрыми нейтронами с энергией не меньше . При меньших энергиях происходит просто захват нейтрона.

Возникающие при делении ядер , и (получается только искусственным путем) нейтроны делают возможным осуществление цепной реакции.

Пусть произошло деление только одного ядра. При этом вылетело нейтронов. Эти нейтронов вызвали деление ядер. При этом будет испущено нейтронов. Они вызовут деление ядер, которые испустят нейтронов и т.д. Т.е. получается геометрическая прогрессия (см. рис. 3).

Н о это ‑ идеальный случай. В реальной ситуации часть нейтронов покинет зону реакции прежде, чем будут захвачены каким-либо ядром и вызовут его деление. Часть нейтронов поглотится ядрами неделящихся примесей, и выйдут из игры.

Если даже взять чистый уран , очищенный от (в природной руде урана содержится , а ‑ ), то и здесь необходима некоторая критическая масса, чтобы пошла реакция деления.

По расчетам для критическая масса составляет около . Критические размеры ‑ шар, диаметром около .