Реакция деления тяжелых ядер

В 1938 году немецкие физики О.Ган, Л.Мейтнер и Ф.Штрассман установили, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической таблицы Менделеева. Тепловые нейтроны с E = 3/2 kT 0,03эВ вызывают деление на осколки в отношении 2:3 по массе. Освобождающаяся энергия, эквивалентна разности масс взаимодействующих частиц и конечных продуктов. Удельная энергия связи средних ядер ~8,5 МэВ на нуклон, а тяжелых ~7,6 МэВ на нуклон, поэтому при делении урана должна выделяться энергия А (8,5-7,6)=0,9·236 200 МэВ. Распределение по энергиям продуктов деления приведено в таблице 8.

Таблица 8

Образующиеся осколки сильно перегружены нейтронами, которые испускаются или мгновенно (через 10^-14с) или с запаздыванием от 0,05 до 1 мин. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 нейтрона. делится только быстрыми нейтронами E_n > 1 МэВ. При меньшей энергии они поглощаются без деления, а энергия возбуждения выделяется в виде g- квантов. Такой процесс называется радиационным захватом и имеет максимум при E = 7эВ. делится нейтронами любых энергий, но особенно хорошо тепловыми нейтронами. Поскольку число нейтронов при делении растет в геометрической прогрессии, возможна цепная реакция. Однако реально большая часть нейтронов вылетает в окружающую среду не вызвав деления. Природный уран содержит 99,27% , 0,72% и 0,01% . На каждое делящееся под действием медленных нейтронов ядро приходится 140 ядер , которые захватывают эти нейтроны без деления, поэтому цепная реакция не возникает.

Для ее реализации возможны два варианта: выделение из природного урана , являющееся сложной, но решаемой задачей и замедление нейтронов в слегка обогащенном природном уране.

Первый вариант позволяет получить реакцию взрывного характера при достижении определенной «критической» массы. Он реализуется в атомной бомбе, где почти чистый или плутоний с массой, превышающей критическую, разделен на несколько частей. При запале бомбы эти части соединяются, и под действием нейтронов, рожденных космическими лучами начинается взрывная реакция.

Второй вариант реализуется в ядерных реакторах, где используется природный уран или уран, незначительно обогащенный изотопом . Для предотвращения радиационного захвата тепловых нейтронов между блоками делящегося вещества помещают замедлитель из графита, который уменьшает скорость нейтронов до тепловых. Хотя на ядро урана приходится 140 ядер захват нейтронов последними происходит в 200 раз реже, поэтому становится возможным получить коэффициент размножения нейтронов незначительно больший единицы и управлять ядерным реактором, поддерживая его вблизи критической массы. Скорость реакции регулируется стержнями, содержащими Cd и B, сильно поглощающими медленные нейтроны. Для уменьшения критической массы делящееся вещество окружают отражателями нейтронов − слоями неделящегося вещества, которое не захватывает, а возвращает в активную область большую часть вылетающих из нее нейтронов.

Выделяющаяся в результате реакции энергия передается теплоносителю, который затем вращает турбину атомной электростанции (АЭС). Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах изображена на Рис.42

Рис.42 Схема ядерного реактора на медленных нейтронах: 1 − ядерное горючее и замедлитель, 2 − управляющие стержни, 3 − отражатель, 4 − защита от радиации, 5 − теплоноситель, 6 − вода, 7 − пар, 8 − турбина, 9 − генератор, 10 − холодильник

При делении одного ядра урана выделяется энергия 200 МэВ, а при делении 1 моля (235 г) - 19,2·10¹¹Дж = 5,2·10⁶ кВт·часов. При делении 1 г урана выделяется энергия эквивалентная сжиганию 3 тонн угля. Атомная энергия играет заметную роль в энергетике ряда стран. В настоящее время во Франции на 59 АЭС вырабатывается 78% всей электроэнергии страны, в Японии на 54 АЭС 34%, в США на 103 АЭС -20%. В России на АЭС в 2009 г. вырабатывалось 16% всей электроэнергии, а к 2030 году их доля возрастет до 25-30%. АЭС в процессе своей работы дают минимальное количество выбросов СO₂ в атмосферу, приводящих к глобальному потеплению. Это является одной из причин разработки во многих странах новых программ строительства более безопасных АЭС следующего поколения.