Деление ядер

В 1938 году Ганн и Штрассман показали, что облучение урана нейтронами приводит к появлению химического элемента из середины таблицы Менделеева. Эти результаты были объяснены Фришем и Мейтнером, которые предположили, что тяжелые ядра неустойчивыми. Возбужденное при захвате нейтрона тяжелое ядро может разделиться на две приблизительно равные части, называемые осколками деления. Нуклоны исходного составного ядра должны распределяться между осколками деления с выполнением законов сохранения зарядов и массовых чисел.

Деление ядер урана на два осколка должно сопровождаться выделением огромной энергии. Удельная энергия связи элементов средней части таблицы Менделеева 8,7 МэВ, а у тяжелых ядер 7,6 МэВ. Поэтому при делении неустойчивого «рыхлого» ядра урана на два устойчивых «упакованных» осколка должна освобождаться энергия, равная 1,1 МэВ на один нуклон. Основная часть энергии деления должна выделяться в форме кинетической энергии осколков деления.

Минимальная энергия, необходимая для осуществления реакции деления ядра называется энергией активации. Она составляет 1 МэВ.

Особенно важно, что при делении ядер урана одновременно вылетает еще несколько нейтронов. Это обстоятельство открывает возможность создания самоподдерживающей (цепной) реакции в массе урана. В естественном уране имеется два изотопа (0,714%) и . Причем делится под действием быстрых нейтронов, а делится медленными и быстрыми нейтронами. Одной из реакций может быть следующая:

Существует целый ряд других возможностей разделиться на составные части. Обычно деление происходит так, что на образующие ядра-осколки уходит 233 или 234 нуклона. Соответственно выделяется 3 или 2 нейтрона. Возникшие нейтроны имеют большое значение для самоподдерживающейся реакции. Их энергии находятся в пределах от 0 до 7 МэВ. На один нейтрон в среднем приходится 2 МэВ.

Чтобы испытало деление ядро необходима энергия возбуждения 7,1 МэВ. При захвате теплового нейтрона ядро , переходя в ядро , получает избыток энергии 5,3 МэВ. Для деления необходимо, чтобы нейтрон имел кинетическую энергию не менее 1,8 МэВ. Захват приводит к следующим реакциям:

;

.

подобно делится как на тепловых, так и на быстрых нейтронах.

Реакция деления ядер урана может быть использована для целей промышленного получения ядерной энергии.

Если в куске урана, плутония вторичные нейтроны вызывают деление прежде, чем они будут захвачены примесями или вылетят за пределы делящегося вещества, то число нейтронов будет неограниченно возрастать. Возникнет саморазвивающаяся цепная реакция деления.

Реализуемая цепная реакция осуществляется в ядерных реакторах.

Критическая масса – масса вещества, при которой возникает цепная реакция. Обозначим: n – среднее число нейтронов, образующихся при одном делении ; p – определяет часть нейтронов, замедлившихся и поглотившихся ядрами ; k – определяет долю нейтронов из поглотившихся, которые вызывают деление (~0,85):

– коэффициент размножения нейтронов.

Если:

В настоящее время осуществлены также реакторы на быстрых нейтронах, в которых воспроизводится ядерное горючее, т.е. происходит наряду с выделением энергии образование плутония. В качестве замедлителей в ряде реакторов применяют обычную воду или тяжелую воду. Последняя представляет очень эффектный замедлитель. По способу расположения делящегося вещества и замедлителя реакторы бывают гомогенными, в которых делящееся вещество смешано с замедлителем, и гетерогенными, в которых делящееся вещество и замедлитель представляют разные фазы.

В 1954 году в СССР заработала первая в мире атомная электростанция мощностью 5000 кВт.

Дата добавления: 2013-12-13