Жидкокапельная модель ядра в описании деления

В предыдущих лекциях мы достаточно подробно рассмотрели капельную модель ядра. Применим теперь её к описанию процесса деления ядер. Одно из первых модельных представлений о процессе деления (1939, Н.Бор, Д. Уиллер, Я.Френкель) заключалось в привлечении капельной модели для анализа гипотезы Л.Мейтнер и О.Фриша о неустойчивости тяжелых ядер при изменении их формы. Напомним, что согласно капельной модели вещество ядра представляется в виде капли однородной заряженной несжимаемой жидкости. На нуклоны в атомном ядре действуют уравновешивающие друг друга ядерные силы притяжения и электростатические силы отталкивания (между протонами), стремящиеся разорвать ядро. Деформация ядра нарушает равновесие; при этом, однако, возникают силы, стремящиеся вернуть ядро к начальной форме аналогично поверхностному натяжению жидкой капли. Деформация ядра при делении сопровождается увеличением его поверхности и, как в жидкой капле, силы поверхностного натяжения возрастают, препятствуя дальнейшей деформации. После прохождения через вершину барьера деления энергетически выгодным становится образование двух капель меньшего размера, и с этого момента формирование осколков деления идёт быстро и необратимым образом. Реальный результат капельной модели - полуэмпирическая формула Вейцзеккера для энергии связи ядра и художественная иллюстрация процесса деления. Когда ядро захватывает нейтрон, приобретенная энергия идёт либо на возбуждение нуклонов сферического ядра, либо на его деформацию, при которой сами нуклоны остаются невозбужденными. Возбуждение ядра вызывает колебания его формы. Обычно ядро начинает удлиняться вдоль одной из осей симметрии. Поверхность ядра при этом увеличивается, а его объём не изменяется из-за несжимаемости ядерной материи. Энергия поверхностного натяжения увеличивается из-за действия ядерных сил притяжения, которые препятствуют удлинению ядра. Напротив, кулоновская энергия расталкивания протонов убывает из-за увеличения среднего расстояния между нуклонов. Полная энергия W ядра увеличивается относительно точки равновесия с ростом деформации ядра, которую характеризуют параметром деформации α. По отношению к изменению своей формы ядро оказывается в потенциальной яме. Однако деление все-таки может происходить, да ещё и с выделением энергии Q≈200 МэВ. Суммарная

 

внутренняя энергия осколков уменьшается (лежит ниже) относительно точки равновесия на величину ~Q. Это означает, что зависимость W( α) должна достичь максимума ( Рис. 4), а затем монотонно убывать с ростом параметра α, который теперь имеет смысл расстояния между центрами масс осколков. Величина Q_fk при α→∞ на Рис. 4 характеризует суммарную кинетическую энергию, которую приобретают осколки в результате кулоновского расталкивания.

Рис.4.Потенциальный барьер деления.

 

 

В точке α_m (Рис. 4) потенциальный барьер достигает максимальной величины W_f. Величина W_f является важнейшей характеристикой делящегося ядра и называется энергетическим барьером деления.

Если W₁<W_f , то параметр деформации α< α_m и возникают упругие колебания формы ядра-капли, которые заканчиваются испусканием γ-кванта и ядро переходит в основное состояние. В случае, когда W₂>W_f ядро должно неизбежно разделиться, т.е. α становится больше α_m.

Рис. 5.Изменение потенциальной энергии и её составляющих впроцессе деления ядра.

 

В результате деформации ядро удлиняется вплоть до седловой точки, в которой силы отталкивания между зарядами на концах вытянутого ядра становятся больше, чем

 

притягивающие ядерные силы. При дальнейшей деформации ядро делится на два осколка. За счет электростатических сил отталкивания они разлетаются с 1/30 скорости света, тем самым происходит превращение энергии деления в кинетическую энергию осколков ядра. Затем деформированные в момент деления осколки приобретают форму сферы, а избыточная энергия уносится нейтронами и гамма-лучами.

Возможные последовательные фазы вынужденной деформации можно наглядно показать на примере макроскопической капли заряженной жидкости (Рис. 6).

 

Рис. 6.Стадии деления заряженной капли.

 

Замечание. Проиллюстрируем сказанное на примере поведения обычной капли воды. Капля воды в наинизшей энергетической форме, для создания которой требуется наименьшая энергия, представляет собой сферу. Сообщив ей дополнительную энергию, ее можно сделать вытянутой, но до определенного момента силы поверхностного натяжения будут сохранять каплю как целое. Однако, после того как достигнуто пороговое удлинение, для нее энергетически более выгодно разделиться на две части в самом узком месте перешейка. Две образующиеся капли будут вначале подобны слезе, а затем быстро примут форму, соответствующую минимуму энергии, - станут шарообразными. Энергия деформации при этом переходит в тепло.

Рис. 7.Фотографии последовательных деформаций жидкой капли.

 

На Рис. 7 приведены фотографии такого поведения взвешенной в масле капли жидкости, иллюстрирующие деление атомного ядра. Начальная деформация капли производилась напряжением, приложенным вдоль капли. Внизу показано, что происходит, когда начальной деформации недостаточно для деления и капля возвращается в исходное сферическое состояние. На верхних фотографиях деформация привела каплю к пороговому удлинению, в

 

результате чего в своей самой узкой части она разделилась на две, которые быстро приобрели сферическую форму.

Модель жидкой капли объясняет, почему тяжелые ядра делятся намного чаще лёгких: чем больше протонов в ядре, тем больше силы отталкивания между концами деформированного ядра и тем меньше дополнительной энергии требуется для такого процесса.

В начале 1939 года французский физик Жолио-Кюри сделал вывод, что возможна цепная реакция, которая приведет к взрыву чудовищной разрушительной силы и что уран может стать источником энергии, как обычное взрывное вещество.

Это заключение стало толчком для разработок по созданию ядерного оружия. Европа была накануне Второй мировой войны, и потенциальное обладание таким мощным оружием подталкивало милитаристские круги на быстрейшее его создание, но тормозом стала проблема наличия большого количества урановой руды для широкомасштабных исследований.

Над созданием атомного оружия трудились физики Германии, Англии, США, Японии, понимая, что без достаточного количества урановой руды невозможно вести работы. США в сентябре 1940 года закупили большое количество требуемой руды по подставным документам у Бельгии, что и позволило им вести работы над созданием ядерного оружия полным ходом.

Перед началом Второй мировой войны Альберт Эйнштейн написал президенту США Франклину Рузвельту. В нем якобы говорится о попытках нацистской Германии очистить Уран-235, что может привести их к созданию атомной бомбы. Сейчас стало известно, что германские учёные были очень далеки от проведения цепной реакции. В их планы входило изготовление "грязной", сильно радиоактивной бомбы.

Как бы то ни было, правительством Соединённых Штатов было принято решение - в кратчайшие сроки создать атомную бомбу. Этот проект вошел историю как "Manhattan Project". Возглавил его Лесли Гровс. Следующие шесть лет, с 1939 по 1945, на проект Манхэттен было потрачено более двух биллионов долларов. В Oak Ridge, штат Теннеси, был построен огромный завод по очистке урана. H.C. Urey и Ernest O. Lawrence (изобретатель циклотрона) предложили способ очистки, основанный на принципе газовой диффузии с последующим магнитным разделением двух изотопов.

На территории Соединенных Штатов, в Лос-Аламосе, в пустынных просторах штата Нью-Мексико, в 1942 году был создан американский ядерный центр. Над проектом работало множество учёных, главным же был Роберт Оппенгеймер. Под его началом были собраны лучшие умы того времени не только США и Англии, но практически всей Западной Европы. Над созданием ядерного оружия трудился огромный коллектив, включая 12 лауреатов Нобелевской премии. Работа в Лос-Аламосе, где находилась лаборатория, не прекращалась ни на минуту.

Для создания ядерной бомбы требовалось получить достаточные количества ядерного делящегося материала. Перспективными направлениями были признаны получение урана-235 путём обогащения природного урана и наработка плутония-239 путём облучения природного урана-238 нейтронами. Оба пути были связаны с серьёзными трудностями и имели свои преимущества и недостатки, поэтому работа по ним развивалась параллельно.

Получение плутония требовало огромных нейтронных потоков, которые можно было бы сравнительно легко получить лишь в самоподдерживающейся цепной ядерной реакции. В 1939 г. Лео Силардом и Ферми была высказана идея, что такой реакции можно достичь путём помещения ядер урана в матрицу замедлителя. Для исследования реакторов на уран-графитовых решётках в 1941 г. в Чикагском университете была создана лаборатория с кодовым названием «Металлургическая», которую возглавил Артур Комптон.

В состав лаборатории вошли многие известные физики и химики. Экспериментальная группа под руководством Ферми главным образом занималась самой цепной ядерной реакцией, химический отдел — химией плутония и методами разделения, теоретическая группа под руководством Вигнера — разработкой промышленных реакторов, хотя из-за тесной взаимосвязи научно-технических вопросов задачи могли перераспределяться между группами.

Расчёт оптимальных параметров будущего реактора требовал как точного определения прикладных величин вроде коэффициента размножения нейтронов, так и измерений характеристик конкретных образцов материалов предназначенных для постройки реактора. Для этих целей было создано несколько десятков подкритических сборок с дополнительными источниками нейтронов. Металлический уран достаточной чистоты был получен только в ноябре 1942 г. К июлю эксперименты на подкритических сборках продвинулись достаточно, чтобы начать разработку реактора с критической массой.

Исходные оценки критического размера активной зоны были завышены, поэтому в конструкции реактора была предусмотрена оболочка, из которой можно было бы откачать воздух для уменьшения поглощения нейтронов. Она была изготовлена на заводе Goodyear по производству оболочек аэростатов (из-за секретности проекта её истинное назначение было скрыто, что вызвало там массу шуток о «квадратном воздушном шаре»).

Большинство «строительных материалов» изготавливалось непосредственно на месте, в соседних помещениях. Порошкообразный оксид урана прессовался в брикеты на гидравлическом прессе. Графитовые блоки выпиливались с помощью обычных деревообрабатывающих станков. По воспоминаниям самих участников, из-за большого количества образующейся чёрной пыли они весьма походили на шахтёров после смены.

После укладки каждого слоя поглощающие стержни осторожно извлекались, и проводились измерения нейтронных параметров. К примерно 50-му слою из 75 запланированных стало ясно, что критичность может быть достигнута даже при несколько меньших размерах активной зоны, чем предполагалось в начальных расчётах. Соответственно, количество и размеры последующих слоёв были уменьшены.

2 декабря 1942 г. состоялся первый опыт по достижению надкритического состояния с развитием самоподдерживающейся цепной ядерной реакции.

В феврале 1943 г. реактор был разобран, и его части перевезены в будущую Аргоннскую лабораторию, где они были использованы для сборки реактора CP-2.

Небольшие части графита из первого реактора выставлены в чикагском Музее науки и промышленности и музее Лос-Аламосской национальной лаборатории.

16 июля 1945 года, в 5:29:45 по местному времени, яркая вспышка озарила небо над плато в горах Джемеза на севере от Нью-Мехико. Характерное облако радиоактивной пыли, напоминающее гриб, поднялось на 30 тысяч футов. Все что осталось на месте взрыва - фрагменты зеленого радиоактивного стекла, в которое превратился песок. Так было положено начало атомной эре.

К лету 1945 года американцам удалось собрать две атомные бомбы, получившие названия "Малыш" и "Толстяк". Первая бомба весила 2722 кг и была снаряжена обогащенным Ураном-235. "Толстяк" с зарядом из Плутония-239 мощностью более 20 кт имела массу 3175 кг.

Утром 6 августа 1945 г. над Хиросимой было ясное, безоблачное небо. Как и прежде, приближение с востока двух американских самолета (один из них назывался Энола Гей) на высоте 10-13 км не вызвало тревоги (т.к. каждый день они показывались в небе Хиросимы). Один из самолетов спикировал и что-то сбросил, а затем оба самолета повернули и улетели. Сброшенный предмет на парашюте медленно спускался и вдруг на высоте 600 м над землей взорвался. Это была бомба "Малыш".

9 августа еще одна бомба была сброшена над городом Нагасаки. Общие людские потери и масштабы разрушений от этих бомбардировок характеризуются следующими цифрами: мгновенно погибло от теплового излучения (температура около 5000 градусов С) и ударной волны - 300 тысяч человек, еще 200 тысяч получили ранение, ожоги, облучились. На площади 12 кв. км были полностью разрушены все строения. Только в одной Хиросиме из 90 тысяч строений было уничтожено 62 тысячи. Эти бомбардировки потрясли весь мир.

Считается, что это событие положило начало гонке ядерных вооружений и противостоянию двух политических систем того времени на новом качественном уровне. С середины 1945 года и по 1953 год американское военно-политическое руководство в вопросах строительства стратегических ядерных сил (СЯС) исходило из того, что США монопольно владеют ядерным оружием и могут достичь мирового господства путем ликвидации СССР в ходе ядерной войны

Тем не менее о возможности использования энергии деления ядер радиоактивных веществ в СССР учёные заговорили в 1939 г., когда состоялось IV Всесоюзное совещание по атомному ядру в г. Харькове. В октябре 1940 г. сотрудники Харьковского ядерного центра В.А. Маслов и B.C. Шпинель подали в Бюро изобретений Народного комиссариата обороны СССР секретную заявку на изобретение «Об использовании урана в качестве взрывчатого и отравляющего вещества». По сути это был проект атомной бомбы. Несмотря на не очень лестные отзыва коллег, отдел изобретательства хоть и с большой задержкой выдал авторское свидетельство. А отзывы по заявке были убийственными. Так, например, академик Хлопин в своей рецензии написал: «Положение с проблемой урана в настоящее время таково, что практическое использование внутриатомной энергии, которая выделяется при процессе деления его атомов под действием нейтронов, является более или менее отдалённой целью, к которой мы должны стремиться, а не вопросом сегодняшнего дня. Следует относительно заявки сказать, что она в настоящее время не имеет под собой реального основания».

А между тем, вопросы организации цепной реакции деления радиоактивных веществ исследовались в стране достаточно интенсивно, чему свидетельствует открытие Г.Н. Флёровым и К.А. Петржаком спонтанного деления урана, сопровождающимся генерированием новых нейтронов. Начавшаяся 22 июня 1941 г. война с Германией по объективным причинам приостановила ядерные исследования в СССР, в то время как в Германии, США и Великобритании такие работы только наращивали темпы. Вместе с тем высшее руководство страны осознавало важность работ по урану для обороноспособности. Уже 6 июля 1941 г. было принято постановление №34 сс о назначении уполномоченного ГКО по вопросам координации и усиления научной работы в области физической химии для нужд обороны. Была организована комиссия в составе П.Л. Капицы, С.С. Намёткина, О.Ю. Шмидта в задачи которой ставилось организация оборонных работ по физике. В конце сентября 1942 г. после обращения в правительство Г.Н. Флёрова и И.В. Курчатова и других заинтересованных учёных И.В. Сталиным было подписано распоряжение Государственного комитета обороны № 2352 сс «Об организации работ по урану».

В 1945 г. в добровольно-принудительном порядке из поверженной Германии в Советский союз были переправлены около 300 немецких учёных специалистов, связанных с атомной проблематикой фашистской Германии.

На базе Кировского завода (Ленинград) были организованы два специальных опытно- конструкторских бюро по разработке оборудования для обогащения урана методом газовой диффузии. На Среднем Урале в 1945 г. быстрыми темпами строился завод по производству металлического урана U . В этом же победном году начались работы по созданию тяжеловодных реакторов на природном уране. На Южном Урале развернулось строительство крупного завода по производству плутония Pu239. Помимо заводских корпусов в окрестностях строился целый город, который в разное время назывался «Сороковка», «Челябинск-40», а сейчас это Производственное Объединение «Маяк», а город стал называться «Озёрск».

В конце 1945 г. началось строительство первого ядерного центра в г. Саров, известного, теперь как «Арзамас-16».

Такой ошеломительный темп работ стал возможен вследствие самоотверженной работы учёных и специалистов, а так же имеющихся разведывательных данных об американских бомбах. Информация из-за рубежа позволила учёным и конструкторам не напрягаться по реализации тупиковых вариантов.

Первый в СССР опытный ядерный реактор Ф-1, строительство которого было осуществлено в Лаборатории № 2 АН СССР (теперь РНК КИ), был успешно запущен 25 декабря 1946 года.

В канун праздника 7 ноября 1947 г. министр иностранных дел М.В. Молотов сделал официальное заявление, о том, что для СССР секрета атомной бомбы уже не существует. Американские аналитики, однако, такое заявление рассматривали как блеф и по прежнему уверяли правительство США, что бомба у Иосифа Сталина может появиться теоретически только в 1954 г. А между тем, в декабре 1948 г. в СССР была получена первая промышленная партия оружейного плутония.

Успешное испытание первой советской атомной бомбы было проведено 29 августа 1949 года на построенном полигоне в Семипалатинской области Казахстана

Осенью 1949 г. после успешного испытания первой атомной бомбы, когда уже на первом промышленном реакторе производился плутоний, когда было организовано и освоено в промышленном масштабе производство обогащенного урана, началось активное обсуждение проблем и направлений создания энергетических ядерных реакторов для транспортного применения (корабли, самолеты) и получения электроэнергии и тепла

Постановление Совета Министров от 16 мая 1950 г. определило строительство трех опытных реакторов (уран-графитового с водяным охлаждением, уран-графитового с газовым охлаждением и уран-бериллиевого с газовым или жидкометаллическим охлаждением). По первоначальному замыслу все они поочередно должны были работать на единую паровую турбину и генератор мощностью 5000 кВт

Первая в мире атомная электростанция с реактором АМ-1 (Атом мирный) мощностью 5 МВт дала промышленный ток 27 июня 1954 г. в городе Обнинск и открыла дорогу использованию атомной энергии в мирных целях, успешно проработав почти 48 лет.