Розподіл атомного ядра - процес, при якому нестабільне (порушену) ядро ділиться на два (рідше 3) ядра, порівнянних за масою, званих осколками поділу. У 1939 році німецькі вчені О. Ган і Ф. Штрассман встановили, що при бомбардуванні урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної системи - радіоактивні ізотопи барію (Z = 56), лантану (Z = 57), криптону (Z = 36) і ін . Пояснюючи це явище, німецькі вчені О.Фріш і Л.Мейтнер припустили, що відбувається поділ ядра урану, який захопив нейтрон, на два осколка, при цьому виділяється велика енергія.
Подальші дослідження показали, що реакція поділу під дією нейтронів стає енергетично вигідною для середніх і важких ядер з масовим числом А> 100. Нестійкість таких ядер щодо розподілу пов'язана з великою кількістю містяться в них протонів і значними силами кулонівського відштовхування. Тому потенційний бар'єр, який потрібно подолати при розподілі складеного ядра, має невелику висоту. Поглинаючи нейтрон, ядро отримує енергію активації, достатню для подолання потенційного бар'єру і здійснення реакції поділу. Найбільш імовірним в реакції поділу є поділ ядра на дві частини. При розподілі тепловими нейтронами відношення мас осколків приблизно
3. 2. Одночасно з розподілом важкого ядра на 2 осколка з ядра вилітають кілька нейтронів, званих миттєвими нейтронами. Це послужило основою для висунення ідеї самоподдерживающейся ядерної ланцюгової реакції поділу і використання ділення ядер як джерело енергії. Ядра-осколки перевантажені нейтронами і знаходяться в сильно збудженому стані. Тому вони відчувають кілька послідовних - розпадів, а також випускають порівняно невелике число так званих запізнілих нейтронів.
Енергія поділу важких ядер звільняється головним чином у вигляді кінетичної енергії осколків, а також у вигляді енергії нейтронів поділу, - квантів та інших продуктів розпаду. Основою сучасної ядерної енергетики є реакції поділу ядер і під дією нейтронів.
Уран зустрічається в природі у вигляді двох ізотопів: (99,3%) і (0,7%). Ядра і діляться нейтронами будь-яких енергія,
але особливо добре повільними нейтронами. Ядра діляться тільки швидкими нейтронами з енергією
1 МеВ. Основний інтерес для ядерної енергетики представляє реакція поділу ядра. В даний час відомі близько 100 різних ізотопів з масовими числами приблизно від 90 до 145, що виникають при поділі цього ядра. Дві типові реакції поділу цього ядра мають вигляд:
В результаті поділу ядра, ініційованого нейтроном, виникають нові нейтрони, здатні викликати реакції поділу інших ядер. Продуктами ділення ядер урану-235 можуть бути і інші ізотопи барію, ксенону, стронцію, рубідію і т. Д. Кінетична енергія, що виділяється при поділі одного ядра урану, величезна - близько 200 МеВ. Оцінку виділяє при розподілі ядра енергії можна зробити за допомогою питомої енергії зв'язку нуклонів в ядрі. Питома енергія зв'язку нуклонів в ядрах з масовим числом A ≈ 240 порядку 7,6 МеВ / нуклон, в той час як в ядрах з масовими числами A = 90 - 145 питома енергія приблизно дорівнює 8,5 МеВ / нуклон. Отже, при розподілі ядра урану звільняється енергія порядку 0,9 МеВ / нуклон або приблизно 210 МеВ на один атом урану. При повному розподілі всіх ядер, що містяться в 1 г урану, виділяється така ж енергія, як і при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти.
Продукти поділу ядра урану нестабільні, так як в них міститься значна надмірне число нейтронів. Тому ядра-осколки випробовують серію послідовних # 946; розпадів, в результаті яких число протонів в ядрі збільшується, а число нейтронів зменшується до тих пір, поки не утвориться стабільне ядро. При розподілі ядра урану-235, яке викликано зіткненням з нейтроном, звільняється 2 або 3 нейтрона. При сприятливих умовах ці нейтрони можуть потрапити в інші ядра урану і викликати їх розподіл. На цьому етапі з'являться вже від 4 до 9 нейтронів, здатних викликати нові розпади ядер урану і т. Д. Такий лавиноподібний процес називається ланцюговою реакцією. Схема розвитку ланцюгової реакції поділу ядер урану представлена на малюнку. ланцюгова
ядерна реакція - ядерна реакція, в якій, які призводять до реакцію, утворюються як продукти цієї реакції.
Для здійснення ланцюгової реакції необхідно, щоб так званий коефіцієнт розмноження нейтронів був більше одиниці (k> 1). Іншими словами, в кожному наступному поколінні нейтронів має бути більше, ніж в попередньому. Коефіцієнт розмноження визначається не тільки числом нейтронів, що утворюються в кожному елементарному акті, а й умовами, в яких протікає реакція - частина нейтронів може поглинатися іншими ядрами або виходити із зони реакції. Ядра діляться тільки під дією швидких нейтронів з енергією> 1 МеВ. Ядра урану діляться під дією нейтронів будь-яких енергій, але особливо добре тепловими нейтронами. Справа в тому, що нейтрони, що народжуються при розпаді ядер урану, мають занадто великі швидкості, а ймовірність захоплення повільних нейтронів ядрами урану-235 в сотні разів більше, ніж швидких. Найкращим сповільнювачем нейтронів є важка вода. Звичайна вода при взаємодії з нейтронами сама перетворюється у важку воду. Хорошим сповільнювачем є також графіт, ядра якого не поглинають нейтронів. При пружному взаємодії з ядрами дейтерію або вуглецю нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей.
При розподілі ядра або під дією швидкого нейтрона вилітає в середньому 2,5 нейтрона з енергією від 0,1 МеВ до 14 МеВ. При відсутності втрат ланцюгова реакція могла б розвиватися в природному урані. Але через втрати (радіаційний захоплення нейтронів, неупругое розсіювання, виліт нейтронів назовні) ядерна ланцюгова реакція в природному урані не може розвинутися.
Для збудження ланцюгової реакції в природному урані використовується уповільнення нейтронів до теплових при їх зіткненні з легкими ядрами (і ін). При розподілі тепловими нейтронами виділяється в середньому 2,44 нейтрона. Через втрати число нейтронів, які можуть викликати подальший розподіл, що припадає на один поглинений нейтрон, зменшується до 1,33, що дозволяє розвинути ланцюгову реакцію в природному урані з сповільнювачем. Ядерна ланцюгова реакція здійснюється також на урані, збагаченому. і в чистому. В цьому випадку вона йде і на швидких нейтронах.
В атомних бомбах ланцюгова некерована ядерна реакція виникає при швидкому з'єднанні двох шматків урану-235, кожен з яких має масу трохи нижче критичної.
Пристрій, в якому підтримується керована реакція ділення ядер, називається ядерним (або атомним) реактором. Схема ядерного реактора на повільних нейтронах приведена на малюнку.
Ядерний реактор на повільних нейтронах
Головна проблема на АЕС полягає в забезпеченні повної радіаційної безпеки людей, що працюють на атомних електростанціях, і запобігання випадкових викидів радіоактивних речовин, які у великій кількості накопичуються в активній зоні реактора. При розробці ядерних реакторів цій проблемі приділяється велика увага. Проте, після аварій на деяких АЕС, зокрема на АЕС в Пенсільванії (США, 1979 г.) і на Чорнобильській АЕС (1986 рік), проблема безпеки ядерної енергетики встала з особливою гостротою.
Поряд з описаним вище ядерним реактором, що працює на повільних нейтронах, великий практичний інтерес представляють реактори, що працюють без сповільнювача на швидких нейтронах. У таких реакторах ядерним пальним є збагачена суміш, що містить не менше 15% ізотопу. Перевага реакторів на швидких нейтронах полягає в тому, що при їх роботі ядра урану-238, поглинаючи нейтрони, за допомогою двох послідовних # 946; розпадів перетворюються в ядра плутонію, які потім можна використовувати в якості ядерного палива:
Коефіцієнт відтворення таких реакторів досягає 1,5, тобто на 1 кг урану-235 виходить до 1,5 кг плутонію. У звичайних реакторах також утвориться плутоній, але в набагато менших кількостях.