Цепная реакция деления ядер

Типы ядерных реакций

Наиболее устойчивыми элементами являются элементы с порядковыми номерами от 12 до 40. Из них самые устойчивые элементы имеют массовые числа приблизительно равные 60.

Легкие элементы должны быть способны к слиянию (если бы удалось преодолеть силы отталкивания между ядрами) с образованием более тяжелых устойчивых ядер, относящихся к средней части таблицы Менделеева. При этом выделяется значительное количество энергии. Этот процесс называется ядерным синтезом.

Наиболее тяжелые элементы, как, например, уран, выделяют энергию, когда их ядра распадаются на меньшие осколки, при этом также образуются наиболее устойчивые ядерные структуры. Такой процесс называется ядерным делением.

Энергия при ядерных превращениях в миллионы раз больше, чем при химических реакциях. Так, при сгорании 1 кг угля максимально выделяется 33,5 кДж тепла. А превращение всего лишь 1 г лития в ядерной реакции

⁷₃Li + ¹₁Н ® 2 ⁴₂He

сопровождается выделением 240 миллионов килоджоулей тепла, что эквивалентно энергии, выделяющейся при сжигании 8 т каменного угля.

В 1938 году немецкие ученые Отто Ган и Фриц Штрассман бомбардировали уран нейтронами. Неожиданно они обнаружили, что одним из продуктов является элемент с порядковым номером 56 – барий. Австрийский физик Лиза Мейтнер предположила, что нейтрон при бомбардировке расщепляет атом урана на две части. Так стала известна первая реакция расщепления атома. Упрощенно этот сложный процесс можно описать следующим уравнением:

²³⁵₉₂U + ¹₀n ® ¹⁴⁰₅₆Ba + ⁹³₃₆Kr + 3 ¹₀n + g-лучи

Вскоре ученые обнаружили, что уран-235 и некоторые другие изотопы, способные делиться, могут образовывать различные комбинации продуктов деления. Среди природных изотопов делению подвергается только уран-235. Многие синтетические изотопы, такие, как уран-233, плутоний-239 или калифорний-252, тоже подвергаются делению при облучении нейтронами.

Особенность реакций расщепления – образование двух или трех нейтронов при делении каждого ядра. Поскольку образовавшиеся нейтроны могут действовать как бомбардирующие ядра, расщепляя другие атомы, возникает целая цепь реакций. Поэтому весь процесс называют цепной ядерной реакцией.

Большая часть атома – это незаполненное пространство. Вероятность того, что получившийся в реакции нейтрон расщепит другое ядро, зависит от количества расщепляемого материала. Нужен минимальный объем, чтобы нейтроны достаточно часто попадали в ядра, поддерживая цепную реакцию. Кроме того, цепная реакция зависит не только от количества имеющегося урана-235, но и от энергии нейтронов. Ядра изотопа урана-235 способны захватывать только те нейтроны, которые обладают небольшой энергией (так называемые тепловые нейтроны), а в реакции образуются нейтроны с энергией в миллионы раз большей. Поэтому приходится замедлять нейтроны с высокой энергией до уровня тепловых энергий. Для этого необходимо располагать достаточно большой массой урана. Количество урана, достаточное для замедления нейтронов и развития цепной реакции называется критической массой. С любым количеством урана, меньшим критической массы, можно работать, не опасаясь взрыва. (Первая атомная бомба состояла из двух до-критических масс урана, которые в момент взрыва были быстро приведены в соприкосновение друг с другом и образовали сверхкритическую массу. Первое применение ядерного оружия состоялось в 1945 году, когда самолет США сбросил атомные бомбы на японские города Хиросима и Нагасаки.)

Дата добавления: 2017-01-13