Вынужденные ядерные процессы

Ядерной реакцией называют процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей, приводящий к преобразованию ядра (или нескольких ядер). Реакция возникает при сближении реагирующих частиц на расстояние порядка 1 Ферми (10^–15м).

Наиболее распространенным видом ядерной реакции является взаимодействие легкой частицы а с ядром X, в результате которого образуется легкая частица b и ядро Y:

(15.1)

Уравнения таких реакций принято записывать в сокращенном виде:

(15.2)

В скобках указываются участвующие в реакции легкие частицы – сначала исходная, затем конечная. Такими частицами могут быть нейтрон, протон, дейтрон, α -частица и γ -фотон.

Энергией реакции называется количество энергии, выделяющейся или поглощающейся в результате реакции. Она определяется разностью масс исходных и конечных ядер, выраженной в единицах энергии. Если сумма масс исходных ядер меньше суммы масс образовавшихся ядер, то энергия реакции будет отрицательной. Это означает, что реакция идет с поглощением энергии.

В 1936 г. Н. Бор установил, что реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами, протекают в два этапа. Первый этап заключается в захвате приблизившийся к ядру X частицы a и b образовании промежуточного ядра П, называемого составным ядром (или компаунд-ядром). Энергия, привнесенная частицей a за очень короткое время перераспределяется между всеми нуклонами компаунд-ядра, в результате чего это ядро оказывается в возбужденном состоянии. На втором этапе составное ядро испускает частицу b. Символически такое двухстадийное протекание реакции записывается следующим образом:

(15.3)

Реакции, вызываемые быстрыми нуклонами и дейтронами, протекают без образования промежуточного ядра. Такие реакции носят название прямых.

Важно, что эти реакции, в отличие от самопроизвольных процессов, описанных в разделе 14, протекают только под воздействием сторонних легких частиц.

Интерес представляет реакция которая постоянно протекает в окружающей нас среде под действием нейтронов, создаваемых космическими лучами. Возникающий при этом углерод называется радиоуглеродом, он β ^– -радиоактивен, период полураспада равен 5730 лет. Как показали исследования, число возникающих в единицу времени в результате приведенной выше реакции ядер углерода и число распадающихся ядер в ту же единицу времени в среднем одинаково. В живых организмах это равновесие поддерживается за счет участия радиоуглерода в круговороте веществ в природе. В момент гибели организма восполнение распавшегося углерода прекращается, его концентрация начинает убывать по экспоненциальному закону. Следовательно, измерив концентрацию радиоуглерода в останках организма, можно определить дату его смерти. Эти соображения представляют суть широко применяемого в археологии так называемого радиоуглеродного анализа.

Реакция деления ядра

В 1938 г. немецкие ученые О. Ган и Ф. Штрассман обнаружили, что при облучении урана тепловыми нейтронами образуются элементы из середины периодической системы – барий и лантан (тепловыми называются нейтроны, находящиеся в тепловом равновесии с атомами вещества, их энергия равна примерно 0.03 эВ). Объяснение этого явления было дано О.Р. Фришем и Л. Мейтнер. Они высказали предположение, что захватившее нейтрон ядро урана делится на две примерно равные части, получившие название осколков деления.

Дальнейшие исследования показали, что деление может происходить разными путями. Всего образуется около 80 различных осколков, причем наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3.

Образовавшиеся осколки оказываются сильно перегруженными нейтронами, в результате чего они выделяют по нескольку нейтронов. Большинство нейтронов испускается мгновенно (за время, меньшее 10^-14 с). Часть (около 0,75 %) нейтронов, получившая название запаздывающих нейтронов, испускается с запаздыванием от 0.05 с до 1 мин. В среднем на каждый акт деления приходится 2.5 выделившихся нейтронов.

Выделение мгновенных и запаздывающих нейтронов не способно полностью снять перегрузку осколков деления нейтронами. Поэтому осколки в большинстве случаев оказываются радиоактивными, они претерпевают цепочку β ^–-распадов, сопровождаемых γ -излучением.

Например, при делении урана под действием нейтронов происходят следующие процессы:

(15.4)

Осколки – цезий и рубидий – претерпевают превращения:

(15.5)

(15.6)

Конечные продукты являются стабильными.

Кроме урана, при облучении медленными и не особенно быстрыми нейтронами (или другими легкими частицами) также делятся несколько изотопов тория, протактиний и плутоний. Нейтроны сверхвысоких энергий (несколько сотен МэВ) вызывают деление и более легких ядер.

Ядра наиболее распространенного изотопа ²³⁸U делятся только быстрыми нейтронами (с энергиями, не меньшими 1 МэВ). При меньших энергиях нейтроны поглощаются ядрами ²³⁸U без последующего их деления. В результате образуется ядро ²³⁹U, энергия возбуждения которого выделяется в виде γ -фотона. Поэтому такой процесс называется радиационным захватом.

Испускание при делении ядер ²³⁵U, ²³⁹Pu и ²³³U нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции. 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. Реакция развивается довольно быстро в геометрической прогрессии.

Однако природный уран содержит 99.27 % изотопа ²³⁸U, 0.72% ²³⁵U и около 0.01% ²³⁴U. Следовательно, на каждое делящееся под действием медленных нейтронов ядро ²³⁵U приходится 140 ядер ²³⁸U, которые захватывают не слишком быстрые нейтроны без деления. К тому же, если объем образца не велик, то внушительная часть выделяющихся нейтронов уходит с поверхности в пространство, т.е. не участвует в дальнейшем делении ядер. Поэтому в природном уране цепная реакция деления не возникает.

Цепная реакция в уране может быть осуществлена двумя способами.

1) первый способ заключается в выделении из природного урана делящегося изотопа ²³⁵U. Вследствие химической неразличимости изотопов разделение их представляет собой весьма трудную задачу (так называемое обогащение урана).

Если кусок чистого ²³⁵U имеет массу ниже критической, то вследствие потери нейтронов поверхностью цепная реакция не возникает. Однако, если быстро и очень плотно соединить два таких куска, то возникшая под действием нейтронов, всегда присутствующих в окружающей среде, цепная реакция мгновенно набирает силу – происходит взрыв огромной мощности. Действие атомной бомбы основано именно на такой цепной реакции.

2) второй способ осуществления цепной реакции используется в ядерных реакторах. В качестве делящегося вещества в реакторах служит природный (либо несколько обогащенный изотопом ²³⁵U) уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами ²³⁸U (который становится особенно интенсивным при энергии нейтронов, равной примерно 7 эВ), сравнительно небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки между блоками заполняют замедлителем, т. е. веществом, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей (до энергии ~ 0.03 эВ). Чтобы вещество было хорошим замедлителем, необходимо, чтобы оно слабо поглощало нейтроны, при этом их скорость при столкновении с атомами замедлителя должна сильно снижаться. Таким условиям удовлетворяет дейтерий (и дейтериевая, т.е. тяжелая вода), графит и бериллий.

Первый уран-графитовый реактор был пущен в декабре 1942 г. в Чикагском университете под руководством итальянского физика Э. Ферми. В Советском Союзе реактор такого же типа был пущен под руководством И. В. Курчатова в декабре 1946 г. в Москве. Однако первые реакторы были предназначены для производства делящейся начинки для атомных бомб.

Применение ядерной энергии для мирных целей было впервые осуществлено в СССР под руководством И. В. Курчатова. В 1954 г. в Советском Союзе была введена в эксплуатацию первая атомная электростанция мощностью 5000 кВт.

Реакторы с замедлителями работают на медленных (тепловых) нейтронах. При этом в результате деления ядер появляются новые радиоактивные элементы, т.е. осуществляется воспроизводство топлива.

Отработанное топливо заменяется новым. В связи с этим существует проблема экологического характера – утилизация продуктов, не прошедших полностью цепочку превращений до стабильного состояния. Однако эти продукты реакции деления находят разнообразное применение в биологии, медицине и технике.