У 1940 році радянські вчені Флерів і Петржак виявили спонтанне (мимовільне) ділення ядер урану і торію. Період їх напіврозпаду років. У 1939 році німецькі вчені Штрассман і Ган відкрили процес ділення ядер урану при їх бомбардуванні нейтронами. При цьому утворюються елементи з середини таблиці Менделєєва (Латан і барій). Цей процес започаткував вивчення ядерних реакцій нового типу - реакцій розподілу важких ядер під дією нейтронів. Чудовою особливістю розподілу важких ядер є те, що воно супроводжується виділенням двох - трьох нейтронів, званих нейтронами ділення. Так як у середніх атомів відношення числа протонів і числу нейтронів дорівнює одиниці (), а у важких (), то утворюються осколки перевантажені нейтронами і тому виділяються нейтрони ділення. Утворені осколки виявляються радіоактивними і можуть зазнавати ряд позитронного перетворень, супроводжуваних -випромінюванням. Таким чином, триває процес перетворення осколківподілу в ядра більш стабільних елементів. Енергія випускаються нейтронів змінюється від 0 до 7 МеВ. Розподіл ядер супроводжується виділенням великої кількості енергії, так як питома енергія зв'язку ядер середньої маси 8,7 МеВ, в той час як у важких 7,6 МеВ. Тому при розподілі атома на два осколка повинна виділятися енергія 1,1 МеВ на один нуклон. Експериментально встановлено, що при розподілі ядра урану виділяється енергія 200 МеВ. Імовірність поділу ядер визначається енергією нейтронів. Високоенергетичні нейтрони викликають поділ практично всіх ядер. Нейтрони з меншою енергією - важких. Ядра урану і плутонію діляться нейтронами будь-яких енергій, але особливо добре повільними (тепловими) нейтронами (з енергією еВ).
Ланцюгова реакція поділу
Електрони, що випускаються при розподілі ядер вторинні нейтрони (2,5 штуки на акт поділу) можуть викликати нові акти поділу, що робить можливим здійснення ланцюгової реакції. Ланцюгова реакція поділу характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів К, який дорівнює відношенню числа нейтронів в даному поколінні до їх числа в попередньому поколінні. Необхідною умовою розвитку ланцюгової реакції поділу є. При менших реакція неможлива. При реакція йде при постійній кількості нейтронів (постійної потужності енергії, що виділяється). Це реакції, що самопідтримується. При - загасаюча реакція. Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, розмірів і форми активної зони. Мінімальна маса речовини, необхідна для здійснення ланцюгової реакції називається критичною. Для критична маса дорівнює 9 кг, при цьому радіус уранового кулі дорівнює 4 см.
Схема пристрою ядерної бомби
Керована ланцюгова реакція. Ядерні реактори.
Змінюючи коефіцієнт розмноження нейтронів можна здійснити керовану ланцюгову реакцію. Пристрій, в якому здійснюється керована реакція, називається ядерним реактором. Як ділиться речовини служить природний або збагачений уран. Щоб запобігти радіаційний захоплення нейтронів ядрами урану, порівняно невеликі блоки речовини, що ділиться розміщують на деякій відстані один від одного, а проміжки заповнюють речовиною, що сповільнює нейтрони (сповільнювачем). Уповільнення нейтронів здійснюється за рахунок пружного розсіювання. У цьому випадку енергія, що втрачається сповільнюється часткою, залежить від співвідношення мас частинок, що стикаються. Максимальна кількість енергії втрачається в разі, якщо частки мають однакову масу. Цій умові задовольняють дейтерій, графіт та берилій. Перший уран-графітовий реактор був запущений в 1942 році в Чикаго університеті під керівництвом видатного італійського фізика Фермі. Для пояснення принципу роботи реактора розглянемо типову схему реактора на теплових нейтронах рис.1.
В активній зоні реактора розташовані тепловиділяючі елементи 1 і сповільнювач 2, який уповільнює нейтрони до теплових швидкостей. Тепловиділяючі елементи (твели) представляють собою блоки з подільного матеріалу, укладені в герметичну оболонку, слабо поглинає нейтрони. За рахунок енергії, що виділяються при розподілі ядер, твели розігріваються, а тому, для охолодження вони поміщаються в потік теплоносія (3 - канал теплоносія). Активна зона оточується відбивачем, що зменшує витік нейтронів. Управління ланцюговою реакцією здійснюється спеціальними керуючими стрижнями 5 з матеріалів, сильно поглинаючих нейтрони. Параметри реактора розраховуються так, що при повністю вставлених стрижнях реакція свідомо не йде. При поступовому вийманні стрижнів коефіцієнт розмноження нейтронів зростає і при деякому їх положенні доходить до одиниці. У цей момент реактор починає працювати. У міру роботи реактора кількість ділиться матеріалу в активній зоні зменшується і відбувається її забруднення осколками поділу, серед яких можуть бути сильні поглиначі нейтронів. Щоб реакція не припинилася, з активної зони за допомогою автоматичного пристрою поступово витягуються керуючі стрижні. Подібне управління реакцій можливо завдяки існуванню запізнілих нейтронів, що випускаються діляться ядрами з запізненням до 1 хв. Коли ядерне паливо вигоряє, реакція припиняється. До нового запуску реактора вигоріле ядерне паливо витягають і завантажують нове. У реакторі є також аварійні стрижні, введення яких негайно обриває реакцію. Ядерний реактор є потужним джерелом проникаючої радіації, приблизно в раз перевищує санітарні норми. Тому будь-який реактор має біологічний захист - систему екранів із захисних матеріалів (наприклад, бетон, свинець, вода) - розташовується за його відбивачем, і пульт дистанційного керування.
Вперше ядерна енергія для мирних цілей була використана в СРСР. У Обнінську в 1954 під керівництвом Курчатова введена в експлуатацію перша атомна електростанція потужністю 5 МВт.
Однак, уранові реактори на теплових нейтронах можуть вирішити задачу електропостачання в обмеженому масштабі, який визначається кількістю урану.
Найбільш перспективним шляхом розвитку атомної енергетики є розробка реакторів на швидких нейтронах, так званих реакторів розмножувачів. Такий реактор виробляє більше ядерного палива, ніж споживає. Реакція йде на швидких нейтронах, тому в ній можуть брати участь не тільки а й. який перетворюється в. Останній хімічним шляхом може бути відділений від. Цей процес називається відтворенням ядерного пального. У спеціальних брідерної реакторах коефіцієнт відтворення ядерного палива перевищує одиницю. Активною зоною бридерів є сплав урану, збагаченого ізотопами. з важким металом, мало поглинає нейтрони. У брідерної реакторах відсутня сповільнювач. Управління такими реакторами переміщенням відбивача або зміною маси речовини, що ділиться.
Термоядерна реакція синтезу легких ядер
При злитті ядер виділяється величезна енергія, так як енергія зв'язку важчих ядер більше, ніж в легенях. Зливаються ядра несуть позитивні заряди, тому відчувають величезні сили кулонівського відштовхування. Енергія такого відштовхування для двох ядер дорівнює:
Така енергія відповідає температурі К. При зближенні ядер до відстані м починають діяти ядерні сили тяжіння нуклонів.
Для подолання кулонівських сил відштовхування енергію відносного руху ядер збільшують шляхом підвищення температур. Тому реакції синтезу легких ядер називають термоядерними, тому що протікають при високих температурах.
При температурі До протікають реакції: