Ядерні реакції поділу

ФІЗИКА

Частина 6 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА І ЕЛЕМЕНТАРНИХ ЧАСТИНОК

Розділ 17 ФІЗИКА АТОМНОГО ЯДРА

17.13. Ядерні реакції поділу

Ядерні реакції можуть відбуватися з виділенням або поглинанням енергії. У першому випадку реакції називають екзотермічними, в другому – ендотермічними. Екзотермічними є всі реакції розпаду природно-радіоактивних ядер (урану, торію, плутонію) під дією нейтронів, а також реакції синтезу легких атомних ядер (гідрогену, дейтерію, тритію). Важкі ядра, такі як уран, “упаковані” помітно гірше, ніж ядра проміжної

маси. Звідси випливає, що коли важке ядро розділити на дві середні за масою частини, нуклони в кожній з них упакуються щільніше. При цьому виділятиметься деяка енергія. Таку реакцію називають ядерною реакцією поділу (розщеплення). Реальна можливість реакцій поділу стала зрозумілою деяким фізикам відразу ж після відкриття нейтрона. Явище поділу ядер урану під дією нейтронів відкрили німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрассман (1938 р.). Ці вчені знайшли в хімічно чистому урані, опроміненому нейтронами, барій (Z = 56) і лантан (Z = 57) – елементи, ядра яких майже вдвічі легші від ядер урану. Нові елементи могли з’явитися в урані тільки в результаті розщеплення його ядер під дією нейтронів. Відкриття О. Гана і Ф. Штрассмана було підготовлене роботами Ірен і Фредеріка Жоліо-Кюрі, які виявили 1934 р. штучну радіоактивність елементів, а потім знайшли лантан в урані, опроміненому нейтронами.

Отже, реакція поділу ядер урану спричинюється нейтронами, що попадають в них. Імовірність попадання нейтрона в ядро характеризується його ефективним перерізом σ. Атомне ядро при цьому виступає як мішень, по якій стріляють нейтронами. Припустімо, що частинка-снаряд рухається в об’ємі V, де міститься N однакових мішеней (ядер). Кількість зіткнень ΔZ, яких зазнає ця частинка на шляху Δх, буде пропорційною густині n = N / V і товщині шару Δх:

Для пучка однакових частинок, що рухаються в середовищі з однаковими швидкостями, ΔZ визначає кількість частинок, які зазнають зіткнень у шарі завтовшки Δх. Величина має розмірність площі і називається ефективним перерізом цього процесу: це кількість “актів взаємодії”, яка відбулася в шарі речовини одиничної товщини при одиничній густині мішеней. Радіус атомного ядра становить RЯ ≈ 10-15 м, ефективний переріз зіткнень для багатьох ядерних реакцій має порядок 10-30 м2 (σ виражається в барнах; 1 барн=10-28 м2). Ефективний переріз залежить від типу реакцій і властивостей “снарядів”, а тому може істотно відрізнятись від 10-30 м2. Наприклад, при бомбардуванні ядра зарядженими частинками їх треба розганяти до таких енергій, щоб вони могли подолати потенціальний бар’єр атомного ядра. Тому для заряджених частинок ефективний переріз реакції швидко зростає зі збільшенням енергії частинки і досягає максимуму при значеннях енергії порядку висоти потенціального бар’єра атомного ядра, після чого зростання ефективного перерізу сповільнюється і для дуже великих енергій починає зменшуватись. Для нейтронів немає потенціального бар’єра, який затримував би проникнення їх у атомне ядро. Тому ймовірність захоплення нейтрона ядром тим більша, чим довше він перебуватиме поблизу атомного ядра, тобто чим менша його швидкість. Отже, ефективний переріз а захоплення нейтрона ядром має бути обернено пропорційним його швидкості υ. Така залежність дійсно спостерігається, проте в деяких атомних ядрах відбувається селективне захоплення нейтронів при деяких значеннях швидкостей їхнього руху. Це явище дістало назву резонансного захоплення нейтронів. Воно спостерігається у випадку рідкісноземельних елементів, а також для літію, бору, кадмію та ін.

При поділі ядер урану під впливом нейтронів на кожний акт поділу звільняється 2-3 вторинних нейтрони, які при зіткненні з іншими ядрами можуть спричинювати їх поділ. Кількість звільнених нейтронів збільшується, під їхнім впливом зростає кількість актів поділу, процес прогресивно прискорюється – виникає ланцюгова реакція поділу. Проте для здійснення такої реакції треба подолати чимало труднощів. У природному урані містяться переважно два нукліди 23892U і 23592U. При цьому значну кількість становить нуклід 23892U, який поділяється лише під дією швидких нейтронів. Нуклід 23592U, концентрація якого в природному урані не перевищує 0,7 %, поділяється як під дією швидких, так і під дією повільних (теплових) нейтронів; до того ж реакція поділу краще відбувається на повільних нейтронах. Розглянемо одну з можливих реакцій поділу 23592U:

При захопленні нейтрона ядром 23592U утворюється проміжне нестабільне ядро 23692U, яке розпадається на дві частини. Утворені в результаті поділу нукліди телуру і цирконію є радіоактивними і після радіоактивних перетворень переходять у стабільні ядра нуклідів 13756Ва і 9742Мо.

Реакція поділу 23592U з випромінюванням трьох нейтронів може відбуватися за такою схемою:

Дослідження показали, що в продуктах реакцій поділу урану є майже всі елементи, розташовані в таблиці Д. І. Менделєєва між селеном (масове число 79) і гольмієм (масове число 165). При цьому середня кількість виділених нейтронів на один акт поділу дорівнює приблизно 2,5. Ці нейтрони мають велике значення для підтримання ланцюгової реакції. Енергія виділених нейтронів лежить у межах від нуля до 7 МеВ.

Для поділу 23892U під дією нейтронів треба, щоб вони мали кінетичну енергію, не меншу ніж 1,8 МеВ.

Слід зазначити, що далеко не всі нейтрони, навіть якщо вони захоплюються ядрами, спричинюють реакцію поділу. Так, нейтрони з енергією 1 МеВ інтенсивно поглинаються ядрами 23892U, не викликаючи поділу їх. В результаті такої реакції захоплення дістають трансуранові (зауранові) елементи – 23993Nр і 23994Рu. Захоплюючи тепловий нейтрон, 23892U перетворюється в радіоактивний нуклід 23992U, який зазнає β–розпаду (період піврозпаду становить 23 хв.) і перетворюється в 23993Np. Нептуній також β–активний з періодом піврозпаду 2,3 дня. При β–розпаді нептунію утворюється 23994Рu. Плутоній 23994Рu α-активний і має період піврозпаду близько 24 000 років. Ця ядерна реакція відбувається за такою схемою:

Плутоній 239, подібно до 23592U поділяється як тепловими, так і швидкими нейтронами, а тому використовується в атомній техніці як ядерне паливо. Схему поділу атомного ядра 23592U показано на рис. 17.12. Тут зображено випадок, коли нейтрон n, що попадає в ядро 23592U, поділяє його на дві частини 9136Кr і 14256Ва. Реакція поділу супроводжується вильотом трьох нейтронів. Наступні акти поділу приводять до утворення нових нейтронів, які спричинять новий поділ ядер і т. д. Отже, якщо природний уран максимально збагатити вмістом нукліду 23592U, позбувшись 23892U та інших домішок, які поглинають нейтрони і вилучають їх з “гри”, то ядерна реакція поділу може перетворитись у ланцюгову, неперервну реакцію, яка саморозвивається. Якщо розвиток такої реакції нічим не обмежується, то відбувається ядерний вибух (атомний вибух).

Рис. 17.12 Рис. 17.13

У 1940 р. Г. М. Фльоров і К. А. Петржак відкрили спонтанний поділ ядер урану. У випадку чистого 235U (або 239Рu) кожний захоплений ядром нейтрон спричинює його поділ з випромінюванням у середньому 2,5 нових нейтронів. Проте якщо маса урану менша за певне критичне значення, то більшість випромінених нейтронів вилетить назовні, не викликаючи поділу, при цьому ланцюгова реакція не виникає. Якщо ж маса більша за критичну, то нейтрони швидко розмножуються (їхня кількість швидко зростає), і реакція набуває вибухового характеру. На цьому грунтується дія атомної бомби. Ядерний заряд такої бомби складається з двох або більше кусків майже чистого 235U або 239Рu (на рис. 17.13 позначено цифрою 2). Маса окремого куска менша за критичну, внаслідок чого ланцюгова реакція не відбувається.

У земній атмосфері завжди є деяка кількість нейтронів, народжених космічним випромінюванням (та радіоактивними розпадами в земній корі). Тому для вибуху досить з’єднати частини ядерного заряду в одне ціле з масою, що перевищує критичну. Для з’єднання використовують звичайну вибухову речовину 1 (запал), за допомогою якої “вистрілюють” однією частиною заряду в іншу. Весь пристрій міститься в масивній оболонці 3, виготовленій з металу великої густини. Оболонка є відбивачем нейтронів і до того ж утримує ядерний заряд від розпорошення. Ланцюгова реакція в атомній бомбі відбувається на швидких нейтронах.

Інший спосіб здійснення ланцюгової реакції використовують в ядерних реакторах.