Реакції ділення ядра і ланцюгові реакції поділу - студопедія

Ядерні реакції поділу ядра - реакції поділу, які полягають в тому, що важке ядро ​​під дією нейтронів, а як згодом виявилося, і інших частинок ділиться на кілька легших ядер (осколків), найчастіше на два ядра, близьких за масою.

Особливістю розподілу ядер є те, що воно супроводжується випусканням двох-трьох вторинних нейтронів, званих нейтронами ділення. Так як для середніх ядер число нейтронів приблизно дорівнює числу протонів (N / Z ≈ 1), а для важких ядер число нейтронів значно перевищує число протонів (N / Z ≈ 1,6), то утворилися осколки поділу перевантажені нейтронами, в результаті чого вони і виділяють нейтрони ділення. Однак випускання нейтронів поділу не усуває повністю перевантаження ядер-осколків нейтронами. Це призводить до того, що осколки виявляються радіоактивними. Вони можуть зазнати ряд # 946; - -перетворення, супроводжуваних випусканням # 947; квантів. Так як # 946; - розпад супроводжується перетворенням нейтрона в протон, то після ланцюжка # 946; - -перетворення співвідношення між нейтронами і протонами в уламку досягне величини, що відповідає стабільному ізотопу. Наприклад, при розподілі ядра урану U

U + n → Хе + Sr +2 n (265.1)

осколок поділу Хе в результаті трьох актів # 946; - розпаду перетворюється в стабільний ізотоп лантану La:

Хе → Cs → Ba → La.

Осколки поділу можуть бути різноманітними, тому реакція (265.1) не єдина, яка веде до поділу U.

Більшість нейтронів при розподілі випускається практично миттєво (t ≤ 10 -14 c), а частина (близько 0,7%) випускається осколками розподілу через деякий час після поділу (0,05 c ≤ t ≤ 60 с). Перші з них називаються миттєвими, другі - запізнілими. В середньому на кожний акт поділу припадає 2,5 випущених нейтронів. Вони мають порівняно широкий енергетичний спектр в межах від 0 до 7 МеВ, причому на один нейтрон в середньому припадає енергія близько 2 МеВ.

Розрахунки показують, що поділ ядер має супроводжуватися також виділенням великої кількості енергії. Справді, питома енергія зв'язку для ядер середньої маси становить приблизно 8,7 МеВ, в той час як для важких ядер вона дорівнює 7,6 МеВ. Отже, при розподілі важкого ядра на два осколки повинна звільнятися енергія, рівна приблизно 1,1 МеВ на один нук-лон.

В основу теорії розподілу атомних ядер (Н. Бор, Я. І. Френкель) покладена крапельна модель ядра. Ядро розглядається як крапля електрично зарядженою нестисливої ​​рідини (з щільністю, рівною ядерної, і підкоряється законам квантової механіки), частки якої при попаданні нейтрона в ядро ​​приходять в коливальний рух, в результаті чого ядро ​​розривається на дві частини, що розлітаються з величезною енергією.

Імовірність поділу ядер визначається енергією нейтронів. Наприклад, якщо високоенергетичних нейтрони викликають поділ практично всіх ядер, то нейтрони з енергією в декілька мега-електрон-вольт - тільки важких ядер (А> 210), Нейтрони, що володіють енергією активації (мінімальної енергією, необхідною для здійснення реакції поділу ядра) близько 1 МеВ, ​​викликають поділ ядер урану U, торію Тh, протактиния Pa, плутонію Pu. Тепловими нейтронами діляться ядра U, Pu, і U, Th (два останніх ізотопу в природі не зустрічаються, вони виходять штучним шляхом).

Електрони, що випускаються при розподілі ядер вторинні нейтрони можуть викликати нові акти поділу, що робить можливим здійснення ланцюгової реакції поділу - ядерної реакції, в якій, які призводять до реакцію, утворюються як продукти цієї реакції. Ланцюгова реакція поділу характеризується коефіцієнтом размноженіяk нейтронів, який дорівнює відношенню числа нейтронів в даний поколінні до їх числа в попередньому поколінні. Необхідною умовою для розвитку ланцюгової реакції поділу є вимога k ≥ 1.

Виявляється, що не всі утворюються вторинні нейтрони викликають подальший поділ ядер, що призводить до зменшення коефіцієнта розмноження. По-перше, через кінцевих розмірів активної зони (простір, де відбувається цінна реакція) і великий проникаючої здатності нейтронів частина з них покине активну зону раніше, ніж буде захоплена яким-небудь ядром. По-друге, частина нейтронів захоплюється ядрами неделящихся домішок, завжди присутніх в активній зоні Крім того, поряд з розподілом можуть мати місце конкуруючі процеси радіаційного захоплення і непружного розсіяння.

Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, а для цього ізотопу - від його кількості, а також розмірів і форми активної зони. Мінімальні розміри активної зони, при яких можливе здійснення ланцюгової реакції, називаються критичними розмірами. Мінімальна маса речовини, що знаходиться в системі критичних розмірів, необхідна для здійснення ланцюгової реакції, називається критичною масою.

Швидкість розвитку ланцюгових реакцій різна. Нехай Т - середній час

життя одного покоління, а N - число нейтронів в даному поколінні. У наступному поколінні їх число дорівнює kN, т. е. приріст числа нейтронів за одне покоління dN = kN - N = N (k - 1). Приріст же числа нейтронів за одиницю часу, т. Е. Швидкість наростання ланцюгової реакції,

Інтегруючи (266.1), отримаємо

,

де N0 - число нейтронів в початковий момент часу, а N - їх число в момент часу t. N визначається знаком (k - 1). При k> 1 йде розвивається реакція, число поділок безперервно зростає і реакція може стати вибуховою. При k = 1 йде самопідтримується реакція, при якій число нейтронів з плином часу не змінюється. при k <1 идет затухающая реакция,

Ланцюгова реакція дпятся на керовані і некеровані. Вибух атомному бомби, наприклад, є некерованою реакцією. Щоб атомна бомба при зберіганні не вибухнула, в ній U (або Pu) ділиться на дві віддалені одна від одної частини з масами нижче критичних. Потім за допомогою звичайного вибуху ці маси зближуються, загальна маса речовини стає більше критичної і виникає вибухова ланцюгова ре акція, що супроводжується миттєвим виділенням великої кількості енергії і великими руйнуваннями. Вибухова реакція починається за рахунок наявних нейтронів спонтанного поділу або нейтронів космічного випромінювання. Керовані ланцюгові реакції здійснюються в ядерних реакторах.

У природі є три ізотопи, які можуть служити, ядерним паливом (U: в природному урані його міститься приблизно 0,7%) або сировиною для його отримання (Тh і U: в природному урані його міститься приблизно 99.3%). Тh служить вихідним продуктом для отримання штучного ядерного палива U (див. Реакцію (265,2)), а U, поглинаючи нейтрони, за допомогою двох послідовних # 946; - розпадів - для перетворення в ядро ​​Pu.

U + n → U → Np → Pu. (266,2)

Реакції (266,2) і (265,2), таким чином, відкривають реальну можливість відтворення ядерного пального в процесі ланцюгової реакції поділу.