Трофимова Т.И. - Курс физики (1092345), страница 137
Текст из файла (страница 137)
Н. Флерова (р. 1913), К. Н. Петржака (СССР) — было доказано, что прн облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы — лантан н барий. Этот результат положил начало ядерным реакциям совершенно нового типа — реакциям деления ядра, заключающимся в том, что тяжелое ядро под действием нейтронов, а как впоследствии оказалось, и других частиц делится на несколько более легких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.
Замечательной особенностью деления ядер являетси то, что оио сопровождается испусканием двух-трех вторичных нейтро- иов, называемых нейтронами деления. Так как для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов (19'/2 ж 1), а для тяжелых ядер числа нейтронов значительно превышает число протонов (!7' )Х ж 1,6), то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они и выделяктг нейтроны деления. Однако испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами.
Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпеть ряд -преврацгений, сопровождаемых испусканием у-квантов. Так как 8 -распад сопровождается превращением нейтрона в протон (см, (258.1) ), то после цепочки -превращений соотношение между нейтронами и протонами в осколке достигнет величины, соответствующей стабильному изотову. Например, при делении ядра ура- 235 92 1-1 здзд~Г1+91п — 1;19Хе + 3955г + 29п (265.
1) осколок деления :;,1Хе в результате трех актов )! -распада превращается в стабильный изотоп ла~таиа 57(.а1 139 139 139 - 139 139 счХе -« '„5Сз 55Ва «57Ьа. Осколки деления могу~ быть разнообразными, поэтому реакция (265.1) не единственная, приводящая к делению '920. 235 Возможна, например, реакция 2395() +1п -« ~',,5Ва+ 39Кг+ 39~в. Большинство нейтронов прн делении испускается практически мгновенно (! 10 '" с), а часть (около 0,7 979) нспускается осколками деления спустя некоторое нремя после деления (0,05 с «-. Гх (60 с). Первые из них называются мгновенными, вторые — запаэдывающимн.
В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущеиных нейтронов. Оии имеют сравнительно широкий энергетический спектр в пределах от 0 до 7 МэВ, прячем на один нейтрон в среднем приходится энергия оказо 2 МэВ. Расчеты показывают, что деление ядер должно сопронож,1;аться также выделени- ','>о "., =.>3< соты >(чи<ю кт< чж>го ядро ч >ъч>оог;1 >.>; ' ем большого количества энергии. В самом деле, удельная энергия связи для ядер средней массы составляет примерно 8,7 МэВ, в то время как для тяжелых ядер она равна 7,6 МэВ (см. 4252). Следовательно, при делении тяжелого ядра на два осколка должна освобождаться энергия, равная примерно 1,! МэВ на олин нуклон. Эксперименты подтверждают, чта при каждом акте делении действительно выделяется огромная энергия, которая распределяется между осколками (асновная доля), нейтронами деления, а также меж.
ду продуктами последующего распада осколков деления. В основу теории деления атомных ядер (Н. Бор, Я. И. Френкель) положена капельная модель ядра (см. 4264). Ядро рассматривается как капля электрически заряженной несжимаем<>й жидкости (с плотностью, равной ядерной, и подчиняющейся законам квантовой механики), частицы которой при попадании нейтрона в ядро приходят в колебательное движение, в результате чего ядро разрывается на две части, разлетающиеся с огромной энергией. Вероятность деления ядер определяется энергией нейтронов. Например, если высокоэнергетичные нейтроны (см.
4 264) вызывают деление практически всех ялер, то нейтроны с энергией в несколько мега- электрон-вальт — только тяжелых ядер (А ~210). Нейтроны, обладающие энергией активации (минимальной энергией, необходимой для осуществления реакции деления ядра) порядка 1 МэВ, вызывают деление ядер урана ~~ю~(), тария 33~ОТ)>, пра. тактиния "3»Ра и плутония 233<Рц.
Тепловымннейтронамиделятсяядра готц, 2333Рц и огЦ ооТ)> (два последних изотопа гзз гзо в природе не встречаютсв, они получаются искусственным путем). Например, изотоп 233 ог() получается в результате радиационного захвата (реакции (и, у), см.4264) нейтронов ядром ~юТ)>: 232 > 233 233 233 оо)" +оп оюТ)> о>Ра ~ 32() (264.2) й 266. Цепппп резьпни делении Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деле. ния, что делает возможным осуществление цепной реакции деления — ядерной реакпии, в которой частицы, вызывающие реакцию, образук>тся как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым ислоаием для развития цепной реакции деления является требование й ) 1.
Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов чзсть из иих покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром.
Вовторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением магог иметь место конкурирую<цие процессы радиационнож> захвата и неупругого рассеяния. Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа — от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерамн.
Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т вЂ” среднее время жизни одного поколения, а Л! — число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их число равно ДЛ<, т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение <(Л<=ЙЛ<— — Л<'=Л'(й — 1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. скорость Г л а д 3 .12 Ылечгнгы Фч чкз агоююго нхча нарастания цепной реакции, ббАГ л((а — 1) бг 7 Интегрируя (266.1), получилг й) 913 — ПЫГ а где № — число нейтронов в начальный момент времени, а Аà — их число в момент времени Г.
А) определяется знаком (й — 1). При й)1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При й =1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При й(1 идет затухающая реакция. Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией.
Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней д21.! (илн 239 Рц) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывкая цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями.
Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядер. ных реакторах (см. $267). В природе имеется трн изотопа, которые могут служить ядерным топливом ( 92(1: в естественном уране его содержится 233 примерно 0,7 %) или сырьем для его полу. чения ( юТ)3 и 2323Ц: в естественном уране его содержится примерно 993%). ~~'„Т!3 служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива д () (см. реакцию (265.2)), а '3231А поглощая нейтроны, посредством двух последовательных б -распадов — для превращения в ядро 9,Рц: 239 ! 239 239 239 9211 + Оп 92() 93)')Р 93Рц' (266.2) Реакции (266.2) и (265.2), таким образом, открывают реальнук~ возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции деления.
9 267. Понятие о где!>пай энергетике Большое значение в ядерной энергетике приобретает не только осуществление цепной реакции деления, ио и управление ею. Устройства, в которых осуществляется и поддерживается упрааляемаи цепная реакция деления, называются ядерными реакторами. Пуск первого реактора в мире осуществлен в Чикагском университете (1942) под руководством Э.
Ферми, в СССР (н в Европе) — в Москве (!946) под руководством И. В. Курчатова. Лля пояснения работы реактора рассмотрим принцип действия реактора на тепловых нейтронах (рис. 345) В активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы 1 н замедли- тель 2, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Тепловыделяющие элементы (твэлы) представляют собой блоки из делящегзся материала, заключенные в герметическую оболочк>, слабо поглощающую нейтроны. За счет энергии, выделяющейся при делении ядер, твзлы разогреваются, а поэтому для охлаждения они помещаются в поток теплоносителя (3 — канал для прогона теплоносителя). Активная зона окружается отражателем 4, уменьшающим утечку нейтронов.
Управление цепной реакцией осупгествляется специальными управляющими стержнями 5 из материалов, сильно по- чч . 315 4;12 т. з)ензи фитпнм зт м)нО)о )1)п) и )лг ) ')))з!) ) глощающих нейтроны (например, В, Сб). Параметры реактора рассчитываются так, что при полностью вставленных стержннх реакция заведомо не идет, при постеленном вынимании стержней коэффициент размножения нейтронов растет и при некотором нх положении доходит до единицы. В этот момент реактор начиняет работать. По мере его работы количество делящегося материала в активной зоне уменьшается и происходит ее загрязнение осколками делении, среди которых могут быть сильные поглотители нейтронов.
Чтобы реакция не прекратилась, из активной зоны с помощью автоматического устройства постепенно извлекаются управляющие (а часто специальные компенсирующие) стержни. Подобное управление реакцией возможно благодаря существованию запаздывающих нейтронов (см.4 265), испускаемых делящимися ядрамн с запаздыванием до ! мин. Когда ядерное топливо выгорает, реакция прекращается. До нового запуска реактора выгоревшее ядерное топливо извлекают и загружают новое. В реакторе имеются также аварийные стержни, введение которых при внезапном увеличении интенсивности реакции немедленно ее обрывает. Ядерный реактор является мопхным источником проникающей радиации (нейтроны, у-излучение), примерно а !Ви раз превышающей санитарные нормы, Поэтому любой реактор имеет биологическую защиту — систему экранов из защитных материалов (например, бетон, свинец, во.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
