20.11. Реакції поділу урану та ядерна енергетика

 

                При опроміненні ядра урану нейтронами відбувається його поділ з утворенням елементів (уламків) із середини періодичної таблиці Менделєєва та в середньому 2,5 нейтронів поділу. Кожний з поділів може відбуватися по різному. Досліджено, що при поділах утворюється близько 80 різних уламків, процентний склад яких Y, в залежності від масового числа, представлено на

малюнку. Одначе, при реакціях поділу   повільними (тепловими з Е0,03 еВ) нейтронами найбільш імовірним є утворення осколків із відношенням мас 2:3 (до 10%) (див. ). Маса утворених осколків із середини періодичної таблиці Менделєєва менша маси вихідного ядра урану приблизно на 200 МеВ, тобто при поділі вивільнюється саме така енергія. При поділі ядра спостерігається випромінювання уламками миттєвих та  загаяних (час запізнення 0,560 с) нейтронів. Слід відзначити, що ядра     та   добре діляться будь-якими нейтронами, але особливо ефективно повільними. Ядра    діляться тільки швидкими нейтронами (енергія  1 МеВ), а повільні нейтрони захоплюються ядром з утворенням   і вивільненням енергії збудження через -випромінювання.   нестабільний і через -розпадперетворюється в нептуній  .

Практичне використання реакції поділу урану виникло після створення умов для виникнення ланцюгової реакції - такої, що сама розвивається, множачи число нейтронів у поколіннях реакції з геометричною прогресією. Такі умови настають після збагачення урану його компонентою ²³⁵U₉₂.  Природний уран містить

99,27%  , 0,72%  ,  0,01%  ,

т обто на одне ядро   приходиться 138 ядер  . В такій суміші   захоплює практично всі повільні електрони без поділу і тому в природному урані не може виникнути ланцюгова реакція. При досягненні критичної маси  , коли число нейтронів поділу стає рівним або більше числа нейтронів, що виходять за поверхню речовини, виникає ланцюгова ядерна реакція поділу.

Наведемо вираз для формули  реакції. Нехай у початковий момент є N₀ нейтронів, Т-середній час життя одного покоління нейтронів, N - число нейтронів у даному поколінні, k-коефіцієнт множення нейтронів. В наступному поколінні число нейтронів стане kN  і приріст нейтронів за період

.

Швидкість настання ланцюгової реакції

.

Інтегруючи це диференційне рівняння методом розділу змінних

,

одержимо

.

При k=1 йде самопідтримуюча реакція поділу,  при  k<1 йде згасаюча реакція. При k>1 розвивається ланцюгова реакція.

Некерована ланцюгова реакція створюється в атомній зброї. Критична маса бомби міститься в декількох частинах пристрою з над великою міцністю. Шляхом звичайного вибуху частини чистого урану чи плутонію зближуються й настає критична маса з ланцюговою реакцією. За дуже короткий час виділяється дуже велика енергія, що приводить до надпотужного вибуху. Під час поділу не вся маса урану ділиться і він разом з уламками забруднює природне середовище радіонуклідами.

Керована ланцюгова реакція відбувається в ядерних реакторах, де в просторі розміщення   розміщується речовина, що сповільнює хід реакції. До таких речовин відносяться дейтерій, графіт та берилій, що мають властивість добре поглинати нейтрони. Перший графіт-урановий реактор був запущений в 1942 році в США (м. Чикаго) Енріко Фермі, а в СРСР у Москві Ігорем Васильовичем Курчатовим. Теплова енергія, що виділяється в активній зоні реактора відбирається в першому колі теплообмінника теплоносієм - вода або натрій чи калій. У другому колі теплоносій віддає тепло воді, яка перетворюється в пар високої енергії. Енергія пару відбирається турбіною і перетворюється в електричну. Існують реактори на теплових (повільних) нейтронах із сповільнювачем. Якщо паливо збагатити  ураном    або плутонієм  , то частина швидких нейтронів сприяє перетворенню    в   ,  або   в   , здатних ділитися повільними нейтронами. В цих реакторах кількість утворених ядер    та  , переважає кількість витрачених ядер   ,   і  тому такі реактори називаються розмножувальними.