Савельев - Курс общей физики Том 3 - Оптика, Атомная физика, элементарные частицы (934757), страница 74
Текст из файла (страница 74)
Ф р р р Конечные продукты — цернй Сене и цирконий Егм— являются стабильными. Кроме урана, при облучении нейтронами' ) делятся также торий (ееТ5) и протактиний (мРа), а также траисурановый элемент плутоний (мРн). Нейтроны сверхвысоких энергий (порядка нескольких сотен Мэв) вызывают деление и более легких ядер. Ядра 1)™ и Рпххе делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными нейтронами. Юля тепловых нейтронов эффективное сечение деления хам составляет 580 борн, а Ритке — 750 барм. Тепловыми нейтронами делятся также )Улх и Тйме, но эти изотопы в природе не встречаются, они получаются искусственным путем.
Ядра 1Ум и встречающихся в природе изотопов ТЬ и Ра делятся только быстрыми нейтронами (с энергнямн, не меньшими 1 Мэв). При меньших энергиях нейтроны поглощаются ядрами 1У" без последующего их деления. В результате образуется ядро 1)ьм, энергия возбуждения которого выделяется в виде у-фотона. Поэтому такой процесс назырается р адна ционным захватом (реакция (и, у)]. Эффективное сечение этого процесса резко возрастает при энергии нейтронов, равной ° 7 эв, достигая 23000 барм (см. рис.
256). Сечение захвата ядром 1У'к тепловых нейтронов составляет меньше 3 барм. Образовавшееся в результате захвата нейтрона ядро 1У'е нестабильно (период полураспада Т равен 25 лгин). Испуская электрон, антинейтрино и у-фотон, оно ') Деление тяжелых идер может быть вызвано ве толино яеатроилми, но и другими частииами — протонами, деатонеми, а частииами, в также у-фотонами, В последнем случае говорят о фотоделении ядер, превращается в ядро трансуранового элемента нептуния Ирзм. Нептуний также претерпевает ))--распад (Т = = 2, 3 дня), превращаясь в плутоний Рпм'. Эта цепочка превращений может быть представлена следующим образом: В з Плутоний а-радиоактивен, однако его период полураспада так велик (24400 лет), что его можно считать практически стабильным.
Радиационный захват нейтронов ядром тория ТЬ~ приводит к образованию делящегося изотопа урана 1)зм, отсутствующего в природном уране: 90 Тьрз 1.п Т1лзз < .""«> А азз 1нх мд 1)эзт У з В Уран-233 а-радиоактивен (Т = 162000 лет). Возникновение при делении ядер 1У~, Рпззэ и 1)мз нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции. Действительно, испушенные при делении одного ядра г нейтронов могут вызвать деление г ядер, в результате будет испущено г' новых нейтронов, которые вызовут деление г' ядер, и т.
д. Таким образом, количество нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. Нейтроны, испускаемые при делении ядер 1)з'", имеют в среднем энергию 2 Мэв, что соответствует скорости -2.10' сл~/сек. Поэтому время, протекавшее 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 нз-за конечных размеров делящегося тела н большой проникающей способности нейтронов многие из них покинут зону реакции прежде, чем будут захвачены каким-либо яд- 466 ром и вызовут его деление. Кроме того, часть нейтронов поглотится ядрами неделящихся примесей, вследствие чего выйдет из игры, не вызвав деления н, 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 99,27Ъ изотопа 1)эм, 0,72% |)тгл и около 0,01% Цэм. Таким образом, на каждое делящееся под действием медленных нейтронов ядро 1)э" приходится 140 ядер 1Р'э, 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 1У"'.
Вследствие химической неразличимости изотопов разделение их представляет собой весьма трудную задачу. Однако она была решена несколькими методамн. Промышленное значение приобрел диффузионный (точнее, эффузионный) метод разделения, при которпм летучее соединение урана 1)Га (гексафторид т) урана) многократно пропускается через перегородку с очень малыми порами (сьь т. 1, 9 116). В куске чистого Смэ (или Рцмэ) каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием -2,5 новых нейтронов.
Однако, если масса такого куска мепыпе определенного критического значения (составляющего для он по вычислениям немецкого физика В, Гейзенберга примерно 9 кг), то большинство нспуч шенных нейтронов вылетает наружу, не вызвав деления, так что цепная реакция не возникает. При массе, большей критической, нейтроны быстро размножаются и реакция приобретает взрывной характер.
На этом основано действие атомной бомбы. Ядерный заряд такой бомбы представляет собой два или более кусков почти чистого Ц™ нли Рцмэ (на рис. 259 они обозначены ') Природный фтор состоит нэ одного иэотопа Р'. Другие иэотопы фтора нестабильны и были получены лишь искусстаенныи путеи. 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. Йля 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 реакция в атомной бомбе идет на быстрых нейтронах. Прн взрыве успевает прореагировать только часть ядерного заряда. Иной способ осуществления. цепной ре- акции используется в ядерных реактоРас. зьз. р ах (называемых .также атомными. котл а м и).
В качестве делящегося вещества в реакторах служит природный (либо несколько обогащенный изотопом (Р~з) уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами 1У"' (который становится особенно интенсивным при энергии нейтронов 7 эв), сравнительно небольшие блоки (куски) 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. Сечение захвата тепловых нейтронов ядром (У" составляет всего 3 барна, в то время как сечение деления (Р" тепловыми нейтронами почти в 200 раз больше (580 бари).
Поэтому, хотя нейтроны сталкиваются. с ядрами 1)мз в 140 раз чаще, чем с ядрами 1Ум, радиационный захват происходит реже, чем деление, н прн ббльших критического размерах всего устройства коэффициент размно- 466 жения ') нейтронов может достигнуть значений, ббльших 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, 5 30). С этой точки зрении 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: Н1(п, у) 1)т. Ядра замедлителя должны обладать малым сечением захвата нейтронов и большим сечением упругого рассеяния.
Этому условию удовлет- Ю воряют дейтерий Р, а также ядра графита (С) н бериллия (Ве). Для уменьшения энергии нейтрона от 2 Мэв до тепловых энергий в тяжелой воде (РяО) О О О достаточно около 25 столкнове- р ний, в С илн Ве — примерно 100 О О О столкновений. Первый уран-графитовый реактор был пущен в декабре 19+2 г.
в Чикагском университете под руководством выдающегося итальянского физика Э. Ферми. На рис. 260 показана схема реактора. Цифрой 1 обозначен замедлитель — графит; 2 — блоки из урана; 8 — стержни, 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 реямвокеиия иввывеется отиошсиие количеств иейтроиов, рождающихся в двух последующвх поколевиях. 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. Рнс. 26ь Первые промышленные реакторы, построенные в США, предназначались для производства делящегося материала для атомных бомб — плутония.
В таких реакторах часть нейтронов, испускаемых при делении ядер 1У~', идет на поддержание цепной реакции, часть же претерпевает радиационный захват ядрами 1Ум, что, как мы видели, приводит в конечном итоге к образова- ато нию Рцьэ (см. схему (92.1)). После того как в урановых блоках накопится достаточное количество Рп, блоки из.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
