Деление ядер и цепная ядерная реакция

    Наиболее эффективными в освобождении внутриатом­ной энергии являются реакции деления тяжелых ядер (урана, плутония) и соединения ядер легких элементов. (образование ядер гелия из ядер водорода). В этом разделе мы рассмотрим процесс деления ядер и высво­бождения при этом ядерной энергии. Делением ядер на­зывается процесс расщепления ядра'на две (значительно реже три) части, называемые осколками. 

   Рассмотрим сначала взаимодействие частиц в ядрах легких элементов (кислорода, алюминия и др.). Как из­вестно, одноименно заряженные частицы отталкиваются друг ог друга электрическими силами. Аналогичный про­цесс происходит и между положительно заряженными протонами, входящими в состав ядра. Казалось бы, что при таких условиях ядра химических элементов должны распадаться на составные части, т. е. на протоны и ней­троны. Между тем эти ядра вполне устойчивы и без вме­шательства внешних сил не подвергаются разрушению (исключая радиоактивный распад). Чем объясняется та­кая устойчивость ядер? Тем, что между всеми элементар­ными частицами, из которых состоят ядра, кроме сил электрического отталкивания между протонами, стремя­щимися расколоть ядро, действуют особые ядерные силы сцепления, препятствующие разрушению ядра. Эти ядер­ные силы несравненно больше молекулярных сил сцеп­ления, действующих между молекулами вещества. Вели­чина ядерных сил сцепления огромна. Если бы листок бумаги состоял из ядерного вещества, то для того, чтобы разорвать его, потребовалась бы сила нескольких сот па­ровозов (рис. 9).

    Следовательно, в результате действия этих ядерных сил сцепления ядра легких элементов без воздействия внешних сил никогда не распадаются на осколки.

     Иная картина наблюдается в ядрах тяжелых элемен­тов, например урана-235, ядро которого состоит более чем из двухсот частиц — из 92 протонов и 143 нейтронов (рис. 10).

   В ядрах урана-235 находится много положительно заряженных частиц (92 протона). Поэтому силы сцепления элементарных частиц в ядре урана-235 значительно ослаб­ляются и почти уравновешиваются силами электриче­ского отталкивания между протонами (рис. 11).

Рис. 11. Условное изображение сил сцепления элементарных частиц (1) и сил электрического отталкивания между протонами (2)

   Советские физики Г. Н. Флеров и К. А. Петржак обна­ружили, что электрические силы отталкивания иногда разрывают ядро урана на два почти равных осколка. Однако такой процесс самопроизвольного, или, как говорят, спонтанного, деления ядер урана происходит очень редко.

   Но деление ядер атомов может происходить и при воздействии на них нейтронов, альфа-частиц, дейтеронов (ядер атомов тяжелого водорода), а иногда и при воздействии гамма-квантов. Так, если уран подвергнуть бомбардировке нейтронами, то вероятность деления ядра на осколки значительно увеличивается. Попадающий в ядро урана-235 нейтрон возбуждает сильное движение элементарных частиц и вызывает, как показано на рис. 12, деление ядра, которое сопровождается высвобождением внутриядерной энергий. Этот единый процесс высвобождания ядерной энергии протекает одновременно по двум направлениям.

Рис. 12. Деление ядра под действием нейтрона

Во-первых, образовавшиеся осколки под действием электрических сил отталкивания разлетаются в противоположные стороны с громадными скоростями, достигаю­щими примерно 15 000 километров в секунду. На своем пути осколки, как это показано на рис. 13, сталкиваются с атомами окружающей ядро среды и приводят их в быстрое движение.

Рис. 13. Условное изображение столкновения осколков (1) с атомами окружающей среды (2)

   Во-вторых, в образовавшихся осколках (т. е. ядрах), как это показано на рис. 14, протоны первоначально находятся на больших расстояниях R2, чем в ядре, подверг­нувшемся делению. Следовательно, электрические силы отталкивания между протонами, входящими в состав вновь образовавшихся более легких ядер (осколков), об­ратно пропорциональные квадрату расстояния между ними, будут меньшими, чем в разделившемся ядре. По­этому в образовавшихся осколках протоны отталкива­ются друг от друга слабее, и вследствие действия ядер­ных сил сцепления осколки уплотняются. При этом также выделяется энергия.

Рис. 14. Расстояние между протонами в образовавшихся осколках первоначально больше, чем в исходном ядре

   В результате деления ядер атомов тяжелых элемен­тов образуются радиоактивные атомы более легких хими­ческих элементов (рис. 15). Так, например, деление ядра урана сопровождается образованием двух, очень редко трех, осколков циркония, криптона и бария или других пар ядер. Эти осколки очень перегружены нейтронами. Дело в том, что в ядре урана-235 находится 143 нейтрона, а существую­щие в природе изотопы, например криптона и бария, имеют соответственно не более 50 и 82 нейтронов, т. е. в сумме 132 нейтрона (рис. 16). Ядра криптона и бария, образовавшиеся при делении урана, будут иметь 11 лиш­них нейтронов. Это приводйт к тому, что в осколках лиш­ние нейтроны превращаются в протоны, т. е. эти осколки оказываются радиоактивными и испускают бета-частицы.

Рис. 15. Схема последовательного деления ядра тяжелого элемента

Рис. 16. Число нейтронов, входящих в состав ядер, образовавшихся в результате деления ядра урана-235

   Но перегрузка ядер образовавшихся атомов криптона и бария (т. е. осколков) нейтронами так велика, что, кроме бета-распада, несколько нейтронов (от одного до трех) испускаются при делении ядра урана в свободном виде (рис. 17).

Рис. 17. При делении ядра урана несколько нейтронов испускаются в свободном виде

   Эта важная особенность — испускание ядром урана при его делении от одного до трех нейтронов в свобод­ам виде — делает возможным осуществление так назы­ваемой цепной ядерной реакции. Сущность цепной ядер­ной реакции сводится к тому, что при этой реакции, ко­торая сама себя поддерживает и при которой освободив­шиеся при делении одного ядра урана нейтроны вызы­вают деление новых ядер урана (как показано на рис. 18), число разложен­ных ядер будет все время возрастать, и в конце кон­цов все вещество разде­лится. Чтобы высвободить ядерную энергию, нужна именно такая цепная ядер­ная реакция.

   Например, если взять кусок урана определен­ного размера, то нейтрон, попавший в ядро, вызывает его деление, что сопровождается, образованием осколков и появлением двух, скажем, нейтронов. Эти два нейтрона, вызвав деление других ядер атомов урана, дают уже че­тыре нейтрона и т. д. При такой цепной реакции, нара­стающей без внешнего воздействия, число разделившихся ядер будет все время лавинообразно возрастать, и в конце концов все вещество разложится. В результате такого разложения вещества высвобождается атомная энергия. Эта энергия ядерного превращения может быть использована так же, как энергия угля или нефти, полу­чаемая при их сжигании.

   Естественно, что не все освободившиеся нейтроны бу­дут вызывать деление последующих ядет. Часть из них улетает за пределы ку­ска урана, не вызывая деления, как это видно из рис. 19. Поэтому цепные ядерные реак­ции могут протекать с различными скоростя­ми. Скорость цепной ядерной реакции зави­сит от числа новых де­лений ядер атомов, вы­званных нейтронами разделившегося ядра. Если из трех нейтронов, появившихся в резуль­тате деления ядра, лишь один вызывает деление делящегося вещества большая доля последующего ядра, то нейтронов вылетает за его пределы цепная реакция будет протекать с постоянной скоростью. Если же число новых делений меньше или больше одного, то в первом случае цепная ядерная реакция запухает, а во втором она будет протекать с возрастающей скоростью и приведет к взрыву.

   Цепная ядерная реакция может осуществиться лишь тогда, когда размер куска урана-235 будет больше опре­деленного, называемого критическим. Происходит это по­тому, что нейтроны, достигая краев куска урана, выхо­дят из него и не производят дальнейшего деления ядер. Следовательно, если кусок урана слишком мал, то цепная реакция невозможна. Для того чтобы развивалась цепная реакция в куске урана, его надо взять в таком объеме, в котором число возникающих нейтронов по крайней мере было бы больше числа нейтронов, уходя­щих из него. Такой объем, представленный на рис. 20, называется критическим.

Рис. 20. Критическая масса делящегося вещества

   Способность ядер атомов тяжелых элементов делиться под воздействием нейтронов зависит от энергии послед­них. Например, ядра атомов урана-233, урана-235 и плутония-239 способны делиться под воздействием нейтро­нов, обладающих любой энергией больше нуля. Ядро же атома урана-238 делится только нейтроном, энергия ко­торого больше 1 мегаэлектрон-вольта, в то время как около 90 процентов нейтронов, освобождаю­щихся при делении его ядер, имеют начальную энергию менее 1 мегаэлектрон-вольта.

  На сегодня известны только три изотопа, которые пригодны для осуществления цепной ядерной реакции. К ним относятся: ₉₂уран²³³, ₉₂уран²³⁵, ₉₄плутоний²³⁹.

   Ядра атомов этих элементов, как указывалось выше, способны делиться под воздействием нейтронов», обла­дающих любой энергией. Поэтому эти три вещества в настоящее время и используются в качестве «атомного горючее» для высвобождения ядерной энергии.

   Реакция деления ядер атомов тяжелых элементов мо­жет развиваться медленно (этот процесс происходит в урановых котлах, о которых будет идти речь далее) и быстро (взрывная реакция в атомных бомбах). В обоих случаях выделяется колоссальная энергия. При делении ядер всех атомов 1 килограмма урана высвобождается энергия, равная примерно 20 000 000 000 больших кало­рий. Такое же количество энергии можно получить при взрыве 20 000 тонн тротила или при сжигании примерно 2500 тонн каменного угля. Для того чтобы представить себе такое огромное количество ядерной энергии, заклю­ченное в очень небольшом объеме вещества, можно еще привести такой пример. Энергии, высвобождаемой при делении ядер атомов 500 граммов урана, достаточно для того, чтобы поезд прошел расстояние от Владивостока до Москвы (рис. 21).

Рис. 21. Энергии, высвобождаемой лри делении ядер атомов 500 граммов урана, достаточно, чтобы поезд прошел расстояние от Владивостока до Москвы