Ядерные реакции. Законы сохранения в ядерных реакциях

Ядерными реакциями называют превращения ядер, вызванные взаимодействиями их между собой или с элементарными частицами. В 1919 г. Резерфордом проведено первое в мире искусственное превращение одних химических элементов в другие (азота в кислород):

В 1934 г. Ф.Кюри открыт механизм получения искусственным путем радиоактивного изотопа фосфора

Нильс Бор показал, что ядерные превращения протекают в два этапа: вначале из исходного Х – ядра образуется промежуточное компаунд-ядро П, которое, распадаясь, переходит в У – ядро, испуская в - частицу по схеме:

Х + а П У + в

Энергетический эффект ядерной реакции может быть положительным, если в результате энергия Q выделяется (экзотермическая реакция), и если Q < 0 – отрицательным (эндотермическая реакция). Он подсчитывается по следующей схеме, например, для реакции, в которой впервые был получен нейтрон:

(5.55)

Q (5.56)

Если массы ядер берутся из таблиц в а.е.м., то и коэффициент с² берется также не в СИ – системе (с²=931 МэВ/а.е.м.).

При ядерных реакциях выполняется ряд законов сохранения: энергии, момента импульса, электрического заряда и др. Для правильного написания ядерной реакции типа (5.55) применяют также законы сохранения массового числа А и зарядового числа Z. Так в реакции (5.55) для А: (9+4)=(12+1); для Z: (4+2) = (6+0) = const.

Реакция деления ядра. Цепная реакция.

Ядерный реактор

 

В 1938 г. было обнаружено, что облучение урана нейтронами приводит к появлению среди ядер урана ядер более легких химических элементов. Их появление было связано с делением тяжелых ядер урана. Ядра урана U₉₂ «перегружены» нейтронами и характеризуются меньшей удельной энергией связи. При попадании в ядро еще одного нейтрона, оно переходит в возбужденное состояние и делится на два осколка с выделением при этом от одного до трех нейтронов. Рассмотрим схему одной из возможных реакций деления:

(6.38.)

Образовавшиеся осколки-ядра цезия и рубидия β- радиоактивны и, претерпевая β- распад, в конечном итоге превращаются в стабильные ядра других элементов. Осколки деления имеют скорости ~10⁷ м/c.

Деление ядра урана сопровождается высвобождением большой энергии ~200МэВ на ядро. Сюда входит кинетическая энергия осколков, нейтронов и энергия электромагнитного излучения (1 кг урана эквивалентен по энергии ~2,5·10⁵ кг каменного угля).

Природный уран является смесью трех изотопов: ~99,28 %, ~0,7 %, ~0,006%. Таким образом, на каждое ядро приходится в руде 140 ядер . Последние ядра делятся лишь под воздействием быстрых нейтронов. Ядра делятся при облучении нейтронами любых энергий, но особенно хорошо они захватывают медленные нейтроны.

Получение ядерной энергии в практических целях стало возможным лишь благодаря осуществлению цепной реакции деления ядер урана. Мы говорили, что при делении ядер помимо осколков происходит выделение в среднем 2,5 нейтронов на каждое разделившееся ядро. Эти нейтроны, попав в другие ядра урана, могут вызвать их деление. Чтобы цепная реакция самоподдерживалась, для этого необходимо, чтобы хотя бы один из выделившихся нейтронов попал в ядро и вызвал его деление. Часть нейтронов поглощается примесями, часть разлетается, не попав в ядра, и только некоторая часть участвует в цепной реакции деления ядер Судьба нейтронов зависит от массы делящегося урана: чем больше его масса, тем больше вероятность попадания нейтрона в очередное ядро. Масса, в которой цепная реакция становится возможной, получила название критической массы (для ~9 кг.). При этом так называемый коэффициент размножения нейтронов k = 1. При массе большей критической (k>1) реакция деления развивается взрывообразно (что используется в атомной бомбе). При этом выделяется огромная энергия, температура достигает ~10⁷К, давление до миллиона атмосфер (~10¹¹ Па), взрыв сопровождается излучением проникающей радиации в виде γ- лучей, нейтронов, β- частиц.

Для получения ядерной энергии в промышленных целях необходимо управлять цепной реакцией, поддерживая k = 1. В ядерных реакторах используется уран, обогащенный изотопом . Чтобы предотвратить захват нейтронов ураном , производят специальное замедление нейтронов до энергии, при которых наблюдается наилучший (резонансный) их захват ядрами . Замедление нейтронов возможно при их столкновении с другими частицами с массой, близкой к массе нейтрона (например, протонами водорода или с другими легкими ядрами). В качестве замедлителя используется тяжелая вода, графит, бериллий. Первый уран-графитовый реактор был запущен в 1942 г. в Чикаго (10 тонн урана и 270 тонн графита). В 1947 г. запущен реактор в СССР И.В.Курчатовым (45 тонн урана и несколько сот тонн графита).

Ядерный реактор состоит в основном из активной зоны (уран, замедлитель), системы регулированная цепной реакции (поглотители нейтронов - стержни кадмия или бора), систем автоматики, охлаждения, биологической защиты.