23 (973251), страница 3
Текст из файла (страница 3)
Процесс деления ядер был открыт в 1939 году Отто Ганом и Фрицем Штрассманом.Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального 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 возбуждённогосоставного 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 (присоединяемый нейтрон - 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 захваченного7Семестр 4. Лекция 23.нейтрона.
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.Часть энергии деления переходит в энергию возбуждения осколков деления, которые ведут себя как любые возбуждённые ядра - либо переходят в основные состояния, излучая γкванты, 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, так какони перегружены нейтронами, что приводит к понижению энергии связи последних.
В результате практически мгновенно после деления составного ядра осколки деления испускают два илитри нейтрона, которые принято называть мгновенными.Образовавшиеся ядра по-прежнему находятся в возбуждённых состояниях, однако в каждом из них энергия возбуждения меньше энергии связи нейтрона, поэтому остатки энергиивозбуждения излучаются в виде γ-квантов спустя 10−14−10−9 секунды с момента испусканиянейтронов, такие γ-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 γ-квантов либо, крайне редко, превращаются в другие ядра путём испускания нейтронов.
Такие нейтроны называются запаздывающими.При делении тяжёлого ядра выделяется примерно 200 МэВ и более 80% этой энергии составляет кинетическая энергия осколков деления. Остальная часть распределяется между нейтронами, γ-квантами, электронами и антинейтрино. При этом соотношение между отдельнымисоставляющими энергии деления слабо зависит от делящегося ядра и от энергии нейтрона, вызывающего процесс деления. Около 5% всей энергии деления уносится с антинейтрино и неможет быть использовано.Энергия осколков деления, мгновенных γ-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 происходят значительно 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 большой8Семестр 4. Лекция 23.радиоактивностью 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 распределении осколков присуща самому механизму деленияядер.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 обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление всреде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции.
Основных причин потерь 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 разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжаетначатую 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 разветвленных цепных реакций предельные или критические явления.Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то цепная самоподдерживающаяся реакция оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случаеможет только убывать, начавшийся процесс быстро затухает.
Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объему вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелогоядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для 235U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно2,5).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
