Деление ядер. Цепная ядерная реакция

В 1938г Ган и Штрассман обнаружили что при облучении ядер Урана

[235, 92]U нейтронами возникают элементы Барий и Лантан, расположенных в средней части таблицы Менделеева. Объяснение этому было дано Фришем и Мейтнер, которые предположили, что влиянием нейтронов ядро делится на 2 части, которые называются осколками деления, а последующие исследования показали, что всего образуется до 80 осколков деления, причем наиболее вероятно образование осколков, массы которых относятся как 2:3. Т.к. удельная энергия связи в ядрах электронов в средней части таблицы Менделеева больше, чем в тяжелых ядрах атомов урана, то реакция деления должна сопровождаться выделением энергии. Тяжелые ядра содержат большое число нейтронов, поэтому осколки должны быть перегруженными нейтронами. Опыт показал, что большая часть нейтронов испускается мгновенно, некоторая часть испускается с запаздыванием t=(0,05-1), но осколки остаются перегруженны нейтронами и претерпевают β-распад: [235, 92]U+[1,0]n[140, 55]Cs+[94,37]Rb+2[1,0]n+

+200МэВ; [140,55]Cs[140,56]Ba[140,57]La[140,58)Ce;

[94,37]Rb[94,38]Sr[94,39]Y[94,40]Zr; Ce и Zr – стабильны. Кроме ядер урана при облучении нейтронами делятся [232,90]Th, [231,91]Pa, [239,94]Pu. Ядра урана 235 и плутона 235 делятся любыми нейтронами, но лучше всего тепловыми, т.е. обладающими малыми энергиями

E=0,025 эВ (уран 238 и E=1МэВ). Т.к. при реакции деления каждого ядра урана выделяется несколько нейтронов, то эта реакция является теоретической основой для осуществления цепной ядерной реакции. В самом деле, испущенные при делении одного ядра z нейтронов могут вызвать деление z ядер, в результате будет испущено z2 новых нейтронов, которые вызовут деление z2 ядер и т.д. Однако это возможно только в идеале. Реально следует иметь ввиду, что размеры делящегося вещества конечны, и нейтроны обладают большой проникающей способностью и большая часть покинет зону деления прежде чем окажется захваченной ядрами, и часть нейтронов поглощает неделящиеся примеси. Природный уран состоит в основном из изотопа 99,27% - уран 238, 0,72% - уран 235 и 0,01% уран 234. Следовательно на каждое делящееся под действием медленных нейтронов ядро 235-го приходится 140 ядер 238-го, которые захватывают не слишком быстрые нейтроны без деления. Поэтому в природном уране цепная реакция деления не возникает. Осуществить ядерную реакцию можно: 1) выделив из природного урана 235. Но в чистом куске урана 235 цепная реакция самопроизвольно не возникнет до тех пор, пока масса этого куска меньше критической: m<m(инд.k)<9кг. При m>m(инд.k) реакци деления идет со взрывом. На этом свойстве

урана 235 основано действие ядерной бомбы.

1 – ядерный заряд (уран 235 или плутон 239).

2 – запал бомбы (взрывчатое вещество), 3 – массивная

металлическая оболочка. Для возникновения цепной ядерной

реакции достаточно выстрелить одним куском урана в другой.

2) в ядерных реакторах и атомных котлах. В ядерных реакторах используется природный уран, обогащенный уран 235. Они бывают гомогенными (делящееся вещество равномерно распределяется среди замедлителя, т.е. вещества, которые замедляют электроны для предотвращения их радиоактивного захвата, обычно тяжелая вода) и гетерогенными (делящееся вещество в виде блоков располагается между замедлителем графитом). 1942г: 45т. урана 238 и 450т. графита. В 1954г. была построена первая атомная электростанция в СССР.

Ядерные реакторы.

Реакторы ядерные (атомные котлы, реакторы атомные) — устройства, в которых осуществляется управляемая цепная реакция ядер атомов тяжелых элементов — урана, плутония и тория.
В результате цепной реакции выделяется огромное количество тепловой энергии, образуются новые радиоактивные элементы (осколки деления) и мощные потоки нейтронного излучения (см.) и гамма-излучения (см.).

Схема ядерного реактора: 1 — теплообменник; 2 — управляющие стержни; 3 — уран; 4 — насос.

Ядерные реакторы классифицируют по назначению (энергетические, исследовательские и другие), по взаимному расположению ядерного горючего и замедлителя (гомогенные и гетерогенные), по энергии нейтронов, поддерживающих цепную реакцию деления, и другим признакам. Основным конструктивным элементом ядерного реактора любого типа является активная зона, в которой происходит реакция деления ядерного горючего (рис.).
Управление цепной реакцией осуществляется устройствами регулирования. В простейшем случае — это стержни из материалов, сильно поглощающих нейтроны (бор, кадмий и др.). Вводя или извлекая поглощающие стержни из активной зоны, соответственно уменьшают или увеличивают нейтронные потоки в активной зоне, а следовательно, и мощность ядерного реактора.
Отвод тепла, выделяющегося при цепной реакции, осуществляется теплоносителем (жидким или газообразным), циркулирующим через активную зону ядерного реактора.
Ядерные реакторы применяются: для производства радиоактивных изотопов и ядерного горючего; для производства электроэнергии на атомных электростанциях, в качестве транспортных энергетических установок; для исследовательских целей в области ядерной физики и техники, радиационной химии, радиобиологии и медицины.
Кроме того, ядерные реакторы могут использоваться в качестве источников тепловых нейтронов для проведения нейтронозахватывающей терапии (см, Нейтронная терапия).