Цепная реакция деления ядер

В 1939 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана.

Они установили, что при облучении урана нейтронами возникают два элемента (осколки деления) из середины периодической системы – радиоактивные изотопы бария, криптона, стронция, рубидия и др.

Удельная энергия связи для ядер средней массы примерно на 1 МэВ больше, чем у тяжелых ядер урана.

Отсюда следует, что деление ядер урана должно сопровождаться выделением большого количества энергии.

Пример: При полном делении всех ядер, содержащихся в 1г урана, выделяется такая же энергия, как и сгорании 3 т каменного угля или 2,5 т нефти.

Но особенно важным оказалось то обстоятельство, что при делении каждого ядра высвобождается несколько нейтронов.

Относительное количество нейтронов в тяжелых ядрах заметно больше, чем в средних ядрах.

Поэтому образовавшиеся осколки деления оказываются сильно перегруженными нейтронами, в результате чего и происходит выделение нескольких нейтронов.

Уран встречается в природе в виде двух изотопов: (99,3%) и (0,7%).

Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами от примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра.

Две наиболее известные реакции деления этого ядра выглядят следующим образом:

Из этой схемы видно , что при делении одного ядра урана -235, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождаются 2 или 3 нейтрона, которые при благоприятных условиях могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление.

На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые реакции распада ядер урана.

Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией деления.

Схема развития цепной реакции деления ядер урана-235 показана ниже.

Осколки деления – радиоактивные изотопы рубидий и цезий – претерпевают дальнейшие превращения по схеме:

Кроме урана, при облучении нейтронами и другими частицами, делятся уран , торий протактиний плутоний

Для осуществления цепной самоподдерживающейся ядерной реакции необходимо, чтобы в каждом последующем акте ядерных превращений число нейтронов было больше, чем в предыдущем.

Другими словами, коэффициент размножения нейтронов k, равный отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении, был больше единицы

Коэффициент размножения зависит от:

1. Природы и количества делящегося вещества.

2. Размеров и формы области пространства, где происходит цепная реакция.

Минимальные размеры активной зоны, при которой при которой возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами, а масса делящегося вещества в системе критических размеров называется критической массой.

Для чистого урана – 235 критическая масса составляет около 50 кг.

Цепные ядерные реакции деления могут быть управляемые и неуправляемые.

Устройства, в которых осуществляется управляемые реакции деления, называются ядерными реакторами.

Первый ядерный реактор был пущен в декабре 1942 г. в США в Чикагском университете под руководством итальянского физика Э. Ферми.

В России (СССР) пуск реактора подобного типа был осуществлен в 1946 г. под руководством И. В. Курчатова в г. Москве, а первая атомная электростанция мощностью 5 МВт была пущена в 1954 г. в г. Обнинске под Москвой.

Реакции синтеза атомных ядер, происходящие при сверхвысоких температурах, называют термоядерными реакциями.

Синтез изотопов ядер водорода в ядра гелия является основным источником энергии Солнца и других звезд.

В термоядерной (водородной) бомбе реакция синтеза ядер дейтерия и трития носит неуправляемый характер.

Необходимая для протекания термоядерной реакции температура при этом создается взрывом атомной бомбы, которая в этом случае выполняет функцию «запала».

Чтобы с помощью ядерного синтеза получить полезную энергию, эти реакции должны быть управляемыми.

Проблемы состоят в том, чтобы найти способы создания, поддержания и контроля сверхвысоких температур порядка несколько миллионов градусов.

При столь высокой температуре газа (высокотемпературной плазмы) стенка из любого вещества немедленно испарится.

В связи с этим для удержания плазмы в заданном объеме приходится использовать магнитное поле специальной тороидальной формы. Разогрев плазмы осуществляется протекающим по ней током.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии.

Поэтому работы в этом направлении ведутся во многих странах мира.

Однако, из-за разного рода сложных инженерно-технологических проблем задача управляемого термоядерного синтеза, к сожалению, не решена в мире до сих пор.