physics_saveliev_3 (535941), страница 75
Текст из файла (страница 75)
Поэтому такой процесс называется р а дна ц и о иным захватом [реакция (и, у)). Эффективное сечение этого процесса резко возрастает при энепгии нейтронов, равной ° 7 эв, достигая 23 000 барн (см. рис. 256». Сечение захвата ядром Юзв тепловых нейтронов составляет меньше 3 барн. Образовавшееся в результате захвата нейтрона ядро Оззв нестабильно (период полураспада Т равен 25 мин). Испуская электрон, антипейтрино и у-фотон, оно '» Деление тяжелых ядер может быть вызвано не только нейтронами, но и другимн частицами — протонвми, дейтонвми, а-частицами, в также т-фотонями. В последнем случае говорят о фотоделении ядер. превращается в ядро трансуранового элемента нептуния Ирзт>.
Нептуний также претерпевает () -распад (Т = = 2, 3 дня), превращаясь в плутоний Рц'". Эта цепочка превращений может быть представлена следу>ощип образом: в в Плутоний а-радиоактивен, однако его период полураспада так велик (24400 лет), что его можно считать практически стабильным. Радиационный захват нейтронов ядром тория Т(>зм приводит к образованию делящегося изотопа урана (>м>, отсутствующего в природном уране; Ц>ю2 + л — П>мз ~м ~~м- Ас>33 ~(2 лы6 ()>з> в Уран-233 а-радиоактивен (Т = 162000 лет). Возникновение при делении ядер 1Р", Рцзм и (Р" нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции.
Действительно, нспущенные при делении одного ядра г нейтронов могут вызвать деление г ядер, в результате будет испущено г' новых нейтронов, которые вызовут деление г' ядер, н т. д. Таким образом, количество нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. Нейтроны, испускаемые при делении ядер с1""", имеют в среднем энергию — 2 Мэв, что соответствует скорости -2 1О' см1сек, Поэтому время, протекающее между рождением нейтрона и захватом его новым делящимся ядром, очень мало, так что процесс размножения нейтронов в делящемся веществе протекает весьма быстро.
Нарисованная нами картина является идеальной. Процесс размножения нейтронов протекал бы описанным образом при условии, что все выделившиеся нейтроны поглощаются делящимися ядрами. В реальных условиях это далеко не так. Прежде всего из-за конечных размеров делящегося тела и большой проникающей способности нейтронов многие из них покинут зону реакции прежде, чем будут захвачены каким-либо яд- 466 ром н вызовут его деление. Кроме того, часть нейтронов поглотится ядрами неделящихся примесей, вследствие чего выйдет из игры, не вызвав деления и, следовательно, не породив новых нейтронов. Поверхность тела растет как квадрат, а объем — как куб линейных размеров. Поэтому относительная доля вылетающих наружу нейтронов уменьшается с ростом массы делящегося вещества.
Природный уран содержит 99,27 в/в изотопа 1)апг, 0,72/в 1Рм и около 0,0! % 1)зз". Таким образом, на каждое делящееся под деиствием медленных нейтронов ядро 1)'"з приходится 140 ядер ()зм, которые захватывают не слишком быстрые нейтроны без деления. Поэтому в природном уране цепная реакция деления не возникает. Цепная ядерная реакция в уране может быть осуществлена двумя способами. Первый способ заключается в выделении из природного урана делящегося изотопа 1)ззз. Вследствие химической неразличимости изотопов разделение их представляет собой весьма трудную задачу.
Однако она была решена несколькими методами. Промышленное значение приобрел диффузионный (точнее, эффузионный) метод разделения, при котором летучее соединение урана 1)Ра (гексафторид ') урана) многократно пропускается через перегородку е очень малыми порами [см. т. 1, 5 116]. В куске чистого 1)ззз (или Рнззз) каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием -2,5 новых нейтронов, Однако, если масса такого куска меныне определенного критического значения (составляющего для 1)ззз по вычислениям немецкого физика В, Гейзенберга примерно 9 кг), то большинство нспущенных нейтронов вылетает наружу, не вызвав деления, так что цепная реакция не возникает.
Прн массе, большей критической, нейтроны быстро размножаются н реакция приобретает взрывной характер. На этом основано действие атомной бом бы. Ядерный заряд такой бомбы представляет собой два нли более кусков почти чистого (3шз или Рнзм (на рис. 259 онн обозначены ') Природный фтор састоит нз одного изотопа р". другие нзотапы фтора нестабильны и были получены лишь искусственным путем. 4б7 цифрой 1), Масса каждого куска меньше критической, вследствие чего цепная реакция не возникает. В земной атмосфере всегда имеется некоторое количество нейтронов, рожденных космическими лучами.
Поэтому, чтобы вызвать взрыв, достаточно соединить части ядерного заряда в один кусок с массой, большей критической. Это нужно делать очень быстро и соединение кусков должно быть очень плотным. В противном случае ядерный заряд разлетится на части прежде, чем успеет прореагировать заметная доля делящегося вещества. Для соединения используется обычное взрывчатое вещество 2 (запал), с помощью которого одной частью ядерного заряда выстреливают в другую.
Все устройство заключено в массивную оболочку 3 из металла большой плотности. Оболочка служит отражателем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления до тех пор, пока максималь. но возможное число его ядер не выделит свою энергию при делении. Цепная реак- 1 ция в атомной бомбе идет на быстрых ней. тронах. При взрыве успевает прореагировать только часть ядерного заряда. Иной способ осуществления цепной ре- акции используется в я д е р н ы х р е а к т оРяс. язэ. р а х (называемых .также атом н ы м и к о т л а и и). В качестве делящегося вещества в реакторах служит природный (либо несколько обогащенный изотопом ()мз) уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами ()мз (который становится особенно интенсивным прн энергии нейтронов — 7 эв), сравнительно небольшие блоки (куски) делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промезкутки между блоками заполняют з амедл ител ем„т.
е. веществом, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Сечение захвата тепловых нейтронов ядром (Р составляет всего 3 барна, в то время как сечение деления (Р" тепловыми нейтронами почти в 200 рзз больше (580 бари), Поэтому, хотя нейтроны сталкиваются. с ядрами (Рм в !40 раз чаще, чем с ядрами (Рм, радиационный захват происходит реже, чем деление, и при ббльших критического размерах всего устройства коэффициент размно- 468 жения') нейтронов может достигнуть значений, больших единицы. Замедление нейтронов осуществляется за счет упругого рассеяния.
В этом случае энергия, теряемая замедляемой частицей, зависит от соотношения масс сталкивающихся частиц. Максимальное количество энергии теряется в случае, если обе частицы имеют одинаковую массу (см. т. 1, 9 30). С этой точки зрения идеальным замедлителем должно было бы быть вещество, содержащее обычный водород, например вода (массы протона и нейтрона примерно одинаковы).
Однако такие вещества оказались непригодными в качестве замедлителя, потому что обычный водород поглощает нейтроны, вступая с ними в реакцию: гН (и, у)гВ. Ядра замедлителя должны обладать малым сечением захвата нейтронов и большим сечением упругого рассеяния. Этому условию удовлетворяют дейтерий О, а также ядра графита (С) и бериллия (Ве). Для уменьшения энергии нейтрона от 2 Мзв до тепловых энергий в тяжелой воде ((эзО) О О О достаточно около 25 столкнове- я ннй, в С или Ве — примерно !00 О О О столкновений. Первый уран-графитовый реактор был пущен в декабре 1942 г.
в Чикагском университете под руководством выдающегося италь- Рис. 2ба. янского физика Э. Ферми. На рис. 260 показана схема реактора. Цифрой 1 обозначен замедлитель — графит; 2 — блоки нз урана; д — стер>кни, содержащие кадмий или бор. Эти стержни служат для регулировки процесса в реакторе. Кадмий и бор интенсивно поглощают нейтроны. Поэтому введение стержней в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов, а выведение — увеличивает.
Специальное автоматическое устройство, управляющее стержнями, ') Коэффициентом размножения нззмввется отношение количеств нейтронов, рождающихся в двух последующих поколенннх. 469 позволяет поддерживать развиваемую в реакторе мощность на заданном уровне. Регулирование значительно облегчается тем,обстоятельством, что часть нейтронов, как уже отмечалось, испускается при делении ядер не мгновенно, а с запаздыванием до 1 мин. Бшст0ые неопрат~ (ХР/) М7% Рвс. 261. Первые промышленные реакторы, построенные в США, предназначались для производства делящегося материала для атомных бомб — плутония.
В таких реакторах часть нейтронов, испускаемых при делении ядер 11м', идет на поддержание цепной реакции, часть же претерпевает радиационный захват ядрами Ф', что, как мы видели, приводит в конечном итоге к образова- 470 нию Рцыз [см. схему (92.1)1. После того как в урановых блоках накопится достаточное количество Рн, блоки нз влекаются из реактора и найравляются на химическук переработку для выделения из них Ри. Баланс нейтронов в реакторе, работающем на природном уране, показан на рнс.
26!. Цифры в кружках дают массовое число соответствующего изотопа урана. Применение ядерной энергии для мирных целей было впервые осуществлено в СССР. Работами по выделению н использованию ядерной энергии руководил замечательный ученый И. В. Курчатов. В 1954 г. в Советском Союзе была введена в эксплуатацию первая атомная электростанция мощностью 5000 квг, Схема атомной электростанции изображена на рис. 262. Энергия, выделяемая в актив- Рас. 262. ной зоне реактора 1, снимается теплоносителем, циркулирующим в контуре 2. Циркуляция обеспечивается насосом 3. В качестве теплоносителя применяется вода или щелочные металлы с низкой температурой плавления, например натрий (Т, „,, = 98' С), В теплообменнике 4 теплоноситель отдает свое тепло воде, превращая ее в пар, вращающий турбину 5.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
