15 (Лекции Лунева PDF), страница 3

Даже энергетически выгодный процесс всегда оказывается невозможным, если сопровождается нарушением какого-либо закона сохранения.Переход в невозбуждённое состояние может осуществляться различными путями, называемыми каналами реакции. Типы и квантовое состояние налетающих частиц и ядер до началареакции определяют входной канал реакции. После завершения реакции совокупность образовавшихся продуктов реакции и их квантовых состояний определяет выходной канал реакции.Реакция полностью характеризуется входным и выходным каналами.Вероятность реакции определяется так называемым ядерным сечением реакции.

В лабораторной системе отсчёта (где ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицувремени равна произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающихчастиц (выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку). Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов,то отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальных единицах – барнах:1 барн = 10−28 м2.Деление ядерДеление ядра - процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции:лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты.

Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами). Деление тяжёлых ядер - экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергиипродуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерныхреакторах и ядерном оружии.Деление атомных ядер было открыто при бомбардировке нейтронами ядер урана.

Процесс деления ядер был открыт в 1939 году Отто Ганом и Фрицем Штрассманом.Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергияначального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Посколькуудельная энергии связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом A > 90.Однако, как показывает опыт, даже самые тяжёлые ядра делятся самопроизвольно сочень малой вероятностью.

Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления), препятствующий делению.Для реализации процесса деления с большой вероятностью ядро должно получить извнеэнергию, превышающую значение барьера деления. Такую энергию можно передать ядру различными способами (облучение гамма-квантами, бомбардировка частицами и др.).

Из всех возможных способов практическое применение нашёл лишь один - образование возбуждённого7Семестр 4. Лекция 15.составного ядра путём присоединения к исходному ядру нейтрона, вклад других способов деления в ядерных реакторах (в том числе фотоделение гамма-квантами) составляет меньше 1%.Деление нейтронами имеет огромное преимущество по сравнению с другими по двумпричинам:- пороговое значение кинетической энергии для нейтрона меньше, чем для гамма-кванта,приблизительно на величину энергии связи нейтрона в составном ядре;- деление ядер нейтронами сопровождается испусканием нейтронов, что создаёт основудля протекания цепной реакции деления.Если минимальное значение энергии составного ядра больше энергии связи нейтрона вэтом ядре, то деление ядер возможно нейтронами с любой сколь угодно малой кинетическойэнергией.

К этой группе относятся ядра с нечётным числом нейтронов (присоединяемыйнейтрон - чётный): 233U, 235U, 239Pu, которые принято называть делящимися.Если минимальное значение энергии составного ядра меньше энергии связи нейтрона вэтом ядре, то деление ядер возможно лишь нейтронами с кинетической энергией, превышающей некое пороговое значение.

К этой группе относятся ядра с чётным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон - нечётный): Th232, U238. Значение пороговых энергий примерно равны 1,2МэВ для 232Th и 1 МэВ для 238U.Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью.Традиционно механизм деления рассматривается в рамках капельной модели ядра.

Дляделения с большой вероятностью тяжёлое ядро должно получить энергию извне, превышающую значение барьера деления. Так, после присоединения нейтрона ядро обладает энергиейвозбуждения, равной сумме энергии отделения нейтрона и кинетической энергии захваченногонейтрона. Этой дополнительной энергии может быть достаточно, чтобы ядро перешло в возбуждённое состояние с интенсивными колебаниями.При делении ядра процесс происходит аналогично делению капли жидкости, только приделении ядра существует электростатическое отталкивание протонов, действующее как дополнительный фактор против ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре. Если ядро находится ввозбуждённом состоянии, то оно совершает колебательные движения, связанные с отклонениями его формы от сферической. Максимальная деформация увеличивается с ростом энергии возбуждения и при некотором её значении может превысить критическое значение, что приведёт кразрыву исходной капли и образованию двух новых.

Колебательные движения возможны поддействием сил поверхностного натяжения (аналог ядерных сил в капельной модели ядра) и кулоновских. Ядра, образовавшиеся после деления исходного ядра, разлетаются в противоположные стороны под действием кулоновских сил отталкивания, и потенциальная энергия кулоновского взаимодействия превращается в кинетическую энергию.Часть энергии деления переходит в энергию возбуждения осколков деления, которые ведут себя как любые возбуждённые ядра - либо переходят в основные состояния, излучая кванты, либо испускают нуклоны и превращаются в новые ядра.Чаще всего испускаемым нуклоном является нейтрон, так как ему не нужно преодолевать кулоновский барьер при вылете из ядра, а для осколков деления это ещё вероятнее, таккак они перегружены нейтронами, что приводит к понижению энергии связи последних.

В результате практически мгновенно после деления составного ядра осколки деления испускаютдва или три нейтрона, которые принято называть мгновенными.Образовавшиеся ядра по-прежнему находятся в возбуждённых состояниях, однако вкаждом из них энергия возбуждения меньше энергии связи нейтрона, поэтому остатки энергии8Семестр 4. Лекция 15.возбуждения излучаются в виде -квантов спустя 10−14 − 10−9 секунды с момента испусканиянейтронов, такие -кванты также называются мгновенными.В дальнейшем движение осколков деления не связано с их превращениями. Так как ониувлекают за собой не все электроны исходного атома, то из них образуются многозарядные ионы, кинетическая энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов среды, чтовызывает их торможение.

В результате ионы превращаются в нейтральные атомы с ядрами восновных энергетических состояниях. Такие атомы называются продуктами деления.В результате β−-распадов могут образовываться ядра в возбуждённых состояниях, которые переходят в основные состояния путём излучения -квантов либо, крайне редко, превращаются в другие ядра путём испускания нейтронов. Такие нейтроны называются запаздывающими.При делении тяжёлого ядра выделяется примерно 200 МэВ энергии и более 80% этойэнергии составляет кинетическая энергия осколков деления. Остальная часть распределяетсямежду нейтронами, -квантами, электронами и антинейтрино.

При этом соотношение междуотдельными составляющими энергии деления слабо зависит от делящегося ядра и от энергиинейтрона, вызывающего процесс деления. Около 5% всей энергии деления уносится с антинейтрино и не может быть использовано.Энергия осколков деления, мгновенных -квантов и нейтронов превращается в теплопрактически мгновенно. Энергия β−-распада, составляющая примерно 7% всей энергии деления, выделяется постепенно в течение длительного времени, так как β −-распады происходятзначительно позже момента деления ядра. Это запаздывание приводит к так называемому остаточному энерговыделению в остановленном ядерном реакторе, которое (в случае его работы набольшой мощности) после остановки настолько велико, что необходимо принимать меры дляохлаждения реактора.

Отработавшее в реакторе ядерное топливо обладает настолько большойрадиоактивностью и, соответственно, остаточным энерговыделением, что требует длительной(по нескольку лет) выдержки в специальных бассейнах с охлаждением.При делении 235U тепловыми нейтронами образуется около 30 различных пар осколков,преимущественно неравной массы. Самый лёгкий из них имеет массовое число 72, самый тяжёлый - 161. Наиболее вероятно деление наосколки с отношением масс 3/2. Кривыевыхода осколков деления слабо различаются для разных делящихся ядер, это говорито том, что асимметрия в распределенииосколков присуща самому механизму деления ядер.Деление на неравные части объясняется в рамках оболочечной модели ядра какрезультат преимущественного образованияядер с заполненными оболочками, содержащими 50 и 82 нейтронов (магическиечисла).

Однако асимметрия деления уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра и при больших её значениях исчезает.Испускание нейтронов осколками деления - одна из важнейших особенностей процессаделения тяжёлых ядер. Именно она позволяет создать при определённых условиях цепную реакцию деления.Цепная ядерная реакция - последовательность единичных ядерных реакций, каждая изкоторых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечитьнейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая9Семестр 4.

Лекция 15.продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причинпотерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёмавещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется толькоодна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой. Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвлённая цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвлённых цепных реакций предельные или критические явления.