Цепные ядерные реакции

​

При делении ядра урана освобождаются два-три нейтро­на. Это позволяет осуществлять цепную реакцию деле­ния урана.

Любой из нейтронов, вылетающих из ядра в процессе деле­ния, может в свою очередь вызвать деление соседнего ядра, ко­торое также испускает нейтроны, способные вызвать дальней­шее деление. В результате число делящихся ядер очень быстро увеличивается. Возникает цепная реакция. Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой частицы, вызы­вающие ее (нейтроны), образуются как продукты этой же ре­акции.

Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии. При делении каждого ядра выделяется около 200 МэВ. При полном же делении всех ядер, имеющихся в 1 г урана, выделяется энергия 2,3 *104 кВт • ч. Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 3 т угля или 2,5 т нефти.

Но для осуществления цепной реакции нельзя использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов. В силу ряда причин из ядер, встречающихся в природе, пригодны лишь ядра изотопа урана с массовым числом 235, т. е. 

 

Изотопы урана

Естественный уран состоит в основном из двух изотопов:                   .Но изотоп         составляет всего 1/140 долю от более распространенного изотопа. Ядра делятся под влиянием как быстрых, так и медленных нейтронов. Ядра       могут делиться лишь под влия­нием нейтронов с энергией более 1 МэВ. Такую энергию имеют примерно 60% нейтронов, появляющихся при делении. Одна­ко примерно лишь один нейтрон из пяти производит деление . Остальные нейтроны захватываются этим изотопом, не производя деления. В результате цепная реакция с использованием чистого изотопа          невозможна.

 

Коэффициент размножения нейтронов

Для течения цепной реакции нет необходимости, чтобы каждый нейтрон обязательно вызывал деление ядра. Необхо­димо лишь, чтобы среднее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось с течением времени.

Это условие будет выполнено, если коэффициент размно­жения нейтронов k больше или равен единице. Коэффициен­том размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения». Под сменой поколений пони­мают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны ста­рого «поколения» и рождаются новые нейтроны (рис. IV на форзаце, где изображены первые четыре «поколения» нейтро­нов, рождающихся при ядерной реакции).

Если k >= 1, то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным и цепная реакция идет. При k < 1 число нейтронов убывает и цепная реакция невозможна.

Коэффициент размножения определяется следующими че­тырьмя факторами:

• захватом медленных нейтронов ядрами с последующим делением и захватом быстрых нейтронов ядрами и также с последующим делением;

• захватом нейтронов ядрами урана без деления;

• захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем (о нем сказано дальше) и конструктивными элементами уста­новки;

• вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.

Лишь первый процесс сопровождается увеличением числа нейтронов (в основном за счет деления ). Все остальные приводят к их убыли. Цепная реакция в чистом изотопе невозможна, так как в этом случае k < 1 (число нейтронов, по­глощаемых ядрами без деления, больше числа нейтронов, вновь образующихся за счет деления ядер).

Для стационарного течения цепной реакции коэффициент размножения нейтронов должен быть равен единице. Это ра­венство необходимо поддерживать с большой точностью. Уже при k = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв.

 

Образование плутония

Важное значение имеет не вызывающий деления захват нейтронов ядрами изотопа 238U урана . После захвата образуется радиоактивный изотоп 239U периодом полураспада 23 мин. Распад происходит с испусканием электрона и возник­новением первого трансуранового элемента — нептуния:

​

 

Нептуний в свою очередь (3-радиоактивен с периодом полу­распада около двух дней. В процессе распада нептуния образу­ется следующий трансурановый элемент — плутоний:

 

 

Плутоний относительно стабилен, так как его период полу­распада велик — порядка 24 000 лет. Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием медленных нейтронов, так же как и изотоп . Поэтому с помощью плутония также может быть осуществлена цепная реакция, которая сопровождается выделением громадной энергии.

​

Вопросы для самоконтроля:

​

1.Что такое ядерная цепная реакция?

2. Какие ядра нужно использовать для цепной реакции?

3. Что такое коэффициен­т размножения нейтронов?

4. Назовите факторы коэффицента  размножения .

5. Образование плутония и его свойства.

​