Цепная ядерная реакция. Ядерная бомба

После открытия деления ядер урана У. Зинн и Л. Сциллард, а также Г.Н. Флеров показали, что при делении ядра урана вылетает больше одного нейтрона. Дальнейшие исследования показали, что при этом образуется два осколка деления с массовыми числами А от 90 до 150, всего образуется около 80 различных видов осколков. Чаще всего образуются осколки, массы которых относятся как 2:3. Большинство нейтронов испускается за время меньше, чем 10^-14 с, но часть (около 0,75%) нейтронов испускается с запаздыванием от 0,05 с до 1 мин. В среднем при каждом делении ядра урана выделяется 2,5 нейтрона.

Природный уран содержит практически два изотопа: (99,29%) и (0,71%). Ядро урана делится под действием только быстрых нейтронов с энергией больше 1 ГэВ. Ядро делится под действием нейтронов любых энергий, особенно эффективно деление идет под действием медленных, тепловых нейтронов. Вероятность деления ядра тепловым нейтроном в 200 раз выше, чем вероятность деления быстрым нейтроном. Энергии вылетающих нейтронов лежат в интервале от 0.1 МэВ до 14 МэВ. Казалось бы возможной цепная реакция в природном уране за счет деления быстрыми нейтронами. Однако за счет потерь энергии нейтронами при неупругих столкновениях с ядрами и за счет поглощения нейтрона ядром с образованием цепная реакция на природном уране развиваться не может. Цепная реакция деления урана может быть осуществлена двумя способами: либо в чистом взрывным образом, либо в ядерном реакторе.

Химически оба изотопа урана совершенно неразличимы, поэтому задача выделения изотопа из природного урана очень сложна. Тем не менее, эта задача была решена.

Для осуществления ядерного взрыва в результате ядерной цепной реакции необходимо, чтобы масса делящегося вещества ( либо плутония ) превысила критическую массу m_кр. Для при сферической форме ядерного заряда m_кр= 50 кг, при этом радиус сферы R_кр= 8,5 см. Для - m_кр= 11 кг. До взрыва система должна быть подкритична, т.е. массы частей заряда должны быть меньше критической.

Чтобы вызвать взрыв надо очень быстро соединить части заряда в единое целое и таким образом перевести систему в надкритическое состояние. Обычно для сближения частей ядерного заряда используют химическое взрывчатое вещество (см. рис. 17.1).

Рис. 17.1

На рис. 17.1 изображена схема ядерной бомбы: 1 - делящееся вещество (, либо ), 2 - химическое взрывчатое вещество, 3 - оболочка бомбы. Цепная реакция в ядерной бомбе идет на быстрых нейтронах. Обычно успевает прореагировать небольшая часть ядерного заряда, но даже если прореагирует 1 кг , то выделяется энергия, эквивалентная взрыву 20000 тонн тротила.

Примерно такой энергии взрывы произвели американцы над японскими городами Хиросима (6 августа 1945 года) и Нагасаки (9 августа 1945 года). При этом было убито и ранено более 200000 жителей этих городов.

 

Ядерный реактор

Ядерный реактор - это содержащая ядерное горючее установка, в которой осуществляется управляемая ядерная реакция.

В качестве делящегося вещества в реакторах используют природный (либо слегка обогащенный изотопом ) уран. Для возбуждения цепной реакции в природном уране используется замедление нейтронов при их столкновениях с легкими ядрами ( - в тяжелой воде или - графит). Вероятность деления ядра тепловыми нейтронами примерно в 200 раз больше, чем вероятность поглощения нейтрона ядром . Однако, при делении ядер тепловыми нейтронами рождаются нейтроны быстрые, которые прежде чем замедлиться могут поглотиться. Вероятность захвата нейтрона ядром достигает очень больших значений в определенных узких интервалах энергий (около 7 эВ). В однородной смеси ядерного горючего с поглотителем вероятность поглощения нейтронов слишком велика и цепная реакция не может осуществиться. Эту трудность обходят, располагая уран в замедлителе дискретно, в виде блоков, образующих правильную решетку (см. рис. 17.2).

В такой среде поглощение нейтронов резко уменьшается, т.к. нейтроны опасной для поглощения энергии могут не попасть в уран, а, замедляясь, "уйти" из опасного интервала энергий.

Рис. 17.2

Режим работы реактора выбирают таким образом, чтобы цепная реакция развивалась только при участии запаздывающих нейтронов. Так как запаздывание составляет время около минуты, то реакция может быть хорошо регулируемой. Регулирующие стержни (см. рис. 17.2) содержат элементы хорошо поглощающие нейтроны (кадмий или бор). Введение стержней в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов, выведение - увеличивает. Регулирование производится автоматически.

Выделяющаяся в реакторе тепловая энергия может использоваться для выработки электрогенератором электрической энергии. Схема такой ядерной электростанции изображена на рис. 17.3.

Рис. 17.3