Деление ядер. Атомная бомба

106 105 104 103 102 0,1 10–2

1. Ядерные реакции под действием нейтронов. Нейтрон – электрически нейтральная частица. В отличие от заряженных частиц – протона, дейтрона, ядер гелия и др., которые инициируют ядерные реакции лишь при условии, что их кинетическая энергия не меньше потенциальной энергии, необходимой для сближения с ядром, нейтрон легко проникает в ядро при любой скорости движения. Поэтому ядерные реакции под действием нейтронов сыграли большую роль в развитии ядерной физики.

Энергетическая классификация нейтронов такая же, как у всех других частиц. Энергии меньше 30 МэВ называют низкими, энергии от 30 до 140 МэВ – средними, энергии свыше 140 МэВ – высокими. Получение нейтронов средних и высоких энергий очень дорого. Наиболее применимы на практике нейтроны низких энергий, особенно в диапазоне от 0,025 эВ до 14 МэВ.

В свою очередь нейтроны низких энергий подразделяются на две большие группы: медленные и быстрые нейтроны. В группе медленных нейтронов различают холодные, тепловые и резонансные. Положение групп на энергетической диаграмме показано на рис.138.

Энергия тепловых нейтронов близка к средней энергии хаотического движения молекул при комнатной температуре T @ 300 К. Е» kT = 1,38×10^–23×300 = 4,14×10^–21 Дж = 0,026 эВ.

Нейтроны в диапазоне энергий от 0,5 эВ до 1000 эВ называются резонансными, потому что в этой области зависимость эффективного сечения s ядерных реакций от энергии Е нейтронов представляет собой на графике густое чередование острых пиков. Каждый пик соответствует энергии возбуждения ядра атома.

На рис.139 в качестве примера показана зависимость от энергии Е эффективного сечения s радиационного захвата нейтронов ядрами изотопа урана–238. С уменьшением скорости v нейтронов сечения s их взаимодействия с ядрами в среднем растут по закону s ~ (21.1)

Поэтому медленные нейтроны взаимодействуют практически со всеми ядрами. Наиболее типичной является экзотермическая нейтронно-ядерная реакция радиационного захвата. Ядро, поглотив нейтрон, испускает энергичный - квант. Например:

Хе + nХе + +7,91 МэВ (0,1 £ s £ 10⁶ барн). (21.2)

Ксенон–135 образуется при распаде урана в ядерных реакторах, накапливается там и интенсивно поглощает нейтроны (отравляет реактор), снижая мощность реактора на 1-3%.

На легких ядрах медленные нейтроны инициируют реакции типа (n, p) и (n, a). Например: He + n ®H + p + 0,76 МэВ (s_тепл» 5400 барн), (21.3)

Li + n ® H +He + 4,78 МэВ (s_тепл» 945 барн). (21.4)

Так получается в термоядерных взрывах радиоактивный тритий H. Его период полураспада Т = 12,26 лет. Он увеличивает радиоактивное загрязнение местности.

Интересна реакция постоянно идущая под действием космических нейтронов в атмосфере Земли. N + n ® C + p + 0,63 МэВ (s_тепл» 1,75 барн) (21.5)

Возникающий здесь углерод ¹⁴C b ^– – активен. Его период полураспада Т = 5730 лет. В отличие от естественного стабильного изотопа ¹²C, изотоп ¹⁴C называют радиоуглеродом. Химически он не отличается и также участвует во всех биологических процессах.

Пока организм живет, убыль в нем из-за радиоактивного распада изотопа ¹⁴С постоянно восполняется за счет обмена веществ с окружающей средой. Поэтому отношение концентраций изотопов ¹²С и ¹⁴С в живом организме стабильно.

После смерти организма биологический обмен веществ прекращается, и концентрация изотопа ¹⁴С начинает убывать по экспоненциальному закону, тогда как содержание изотопа ¹²C практически не меняется. Определив соотношение концентраций изотопов ¹²C и ¹⁴С в останках организмов – в древесине, костях, торфе, в каменном угле, можно оценить время, прошедшее после гибели организма. Такой способ датировки событий называют радиоуглеродным анализом.

2. Деление ядер урана. В 1934 году группа ученых под руководством Энрико Ферми начала облучать нейтронами атомные ядра с целью получения новых химических элементов. Самым тяжелым элементом на Земле является уран. Облучая нейтронами ядра урана, Ферми надеялся получить еще более тяжелые элементы – трансураны.

Естественный уран имеет три изотопа: U, U и U. Относительное содержание их ядер в земной коре 1:121:17000. На 100 % естественной смеси приходится 0,01% U-234, 0,72 % U-235 и 99,27% U-238.

План опытов был примерно таким. Если в ядро, допустим U-238, попадает нейтрон, то получается радиоактивный изотоп U-239. Его ядро перегружено нейтронами, поэтому оно должно испытывать b ^– – распад. В результате возникает первый трансурановый элемент с Z = 93. При следующем поглощении ядром этого элемента нейтрона и после испускания b ^– – частицы должен возникнуть новый трансуран с Z = 94 и так далее.

Группа Ферми надежно установила, что после облучения нейтронами урана в нем действительно появляются радиоактивные ядра. Более глубокие и систематические исследования в этом направлении выполнили немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрассман. К 1938 г. они установили, что при облучении урана и тория нейтронами возникают изотопы химических элементов, расположенных где-то посередине периодической системы. Наиболее заметны были барий Ba (Z = 56) и лантан La (Z = 57).

В 1939 году Лиза Мейтнер и Отто Фриш объяснили результаты опытов Гана и Штрассмана тем, что ядра урана после поглощения нейтрона делятся на два осколка. Они подтвердили это наглядным опытом. Когда к ионизационной камере, покрытой изнутри оксидом урана UO₂, подносился источник нейтронов (ампула с радоном и бериллиевой пластинкой), то примерно с интервалом 1-2 с регистрировались сильные ионизационные толчки (рис.140).

Подобные опыты сразу же были поставлены во многих лабораториях мира. Оказалось, что ядро чаще всего делится на два осколка. При делении тепловыми нейтронами одинаковые осколки бывают редко. Наиболее вероятно деление на осколки, один из которых в полтора раза тяжелее другого. При этом получаются ядра с магическими числами 50 и 82 нейтронов

В статистике распределение масс осколков для U-235 показано на рис.141. По вертикальной оси отложены числа случаев в процентах, а по горизонтальной – масса одного осколка. Левый горб соответствует 7 % случаев с массой одного осколка 96 нуклонов. Масса другого осколка получается» 235 – 96 = 136 + 3. Это примерно молибден и барий. Правый горб (тоже 7 % случаев) соответствует такому же соотношению масс осколков. Одинаковые осколки массой примерно по 116 нуклонов (примерно индий) получаются лишь в 0,01% случаев (впадина на графике).

3. Энергия деления ядер. При делении ядер урана на осколки меняется энергия связи. В тяжелых ядрах она меньше, чем в ядрах середины периодической системы элементов. Оценим это изменение. Пусть осколки получились одинаковыми. Из рис.135 следует, что средняя энергия связи в ядре урана равна 7,6 МэВ ç нуклон. А в каждом из осколков (А = 116) она равна 8,5 МэВ ç нуклон. Энергия связи отрицательна. Поэтому при делении ядра урана освобождается энергия –7,6–(–8,5) = 0,9 МэВ ç нуклон. С учетом всех нуклонов при делении ядра U-235 высвобождается энергия 0,9 МэВ×(235 + 1) = 210 МэВ. Это огромная энергия. Она выделяется, в основном, в виде кинетической энергии движения образовавшихся осколков. Для сравнения: энергия, выделяющаяся при образовании молекулы воды в реакции H₂ + O₂ ç 2 ® H₂O составляет 3 эВ. Это в 70 000 000 раз меньше.

4. Испускание нейтронов при делении ядер. Оказалось, что в каждом акте деления ядра урана выделяется 2-3 свободных нейтрона. Их называют вторичными (в отличие от первичного нейтрона, который инициировал деление ядра). Часть вторичных нейтронов испускается в процессе деления ядра в течение времени» 10 ^{– 22} с. Это мгновенные вторичные нейтроны. Часть нейтронов испускается уже образовавшимися осколками с запаздыванием от 0,05 до 100 секунд. Это запаздывающие нейтроны. Мгновенно испускается до 99 %, а с запаздыванием – до 1 % вторичных нейтронов. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 вторичных мгновенных нейтронов с энергиями от 0,1 эВ до 14 МэВ.

Испускание нейтронов осколками не исчерпывает их радиоактивности. В большинстве случаев осколки оказываются b ^– – активными и претерпевают цепочку b ^– – превращений, сопровождаемых испусканием g -лучей.

Кроме урана U при облучении тепловыми нейтронами делятся торий Th и протактиний Pa. Кроме того, делятся трансураны. Важнейшее значение имеет первый из них плутоний Pu. Ядра урана U делятся только быстрыми нейтронами с энергией E ³ 1 МэВ. При меньших энергиях нейтронов ядро урана-238 испытывает радиационный захват. Оно поглощает нейтрон, превращаясь в b ^– – активный изотоп уран-239 с периодом полураспада 23 мин.

5. Спонтанное деление ядер урана. В 1940 г. Георгий Флеров и Константин Петржак открыли спонтанное, то есть происходящее без всякого внешнего возбуждения самопроизвольное деление ядер урана. Они работали с установкой, похожей на ту, с которой работали Мейтнер и Фриш (рис.140). Флёров и Петржак обнаружили, что при удалении источника нейтронов от ионизационной камеры разрядные толчки не исчезали полностью. Их было около 6 толчков в час. Чтобы максимально защититься от космических нейтронов, установка помещалась на станции метро на глубине 50 м. Разрядные толчки по-прежнему наблюдались. По числу этих толчков и по массе нанесенного на стенку камеры урана удалось вычислить, что в 1 час в 1 г урана самопроизвольно делятся около 25 ядер. Оказалось, что период полураспада всех естественных изотопов урана по причине деления ядер примерно одинаков и составляет T = 10¹⁶ лет.

6. Цепная ядерная реакция. Рассмотрим идеализированную схему. Пусть чистый изотоп уран-235 представляет собой сплошное тело достаточно больших размеров. Допустим, что в теле в результате спонтанного деления или из космоса появился нейтрон. Полагаем, что каждый нейтрон захватывается ядром урана и вызывает его деление с последующим выбрасыванием двух новых нейтронов.

Тогда появившийся первый нейтрон вызывает деление одного ядра и рождение двух нейтронов первого поколения. Эти два нейтрона вызовут деление двух ядер и рождение 2×2 = 4 нейтронов второго поколения. Эти 4 нейтрона вызовут деление 4 ядер и рождение 4×2 = 2³ = 8 нейтронов третьего поколения. И так далее. Возникает цепная ядерная реакция.

Среднее время жизни одного поколения нейтронов около 10^–7с. Если цепная реакция продолжается 10^–5с, то за это время родится 100 поколений нейтронов в количестве 2¹⁰⁰ » 10³⁰. Всего за это время произойдет 1 + 2 + 4 + 8 +…+ 2¹⁰⁰ = 2,5×10³⁰ ядерных реакций с выделением энергии 200 МэВ×2,5×10³⁰ = 5×10³² МэВ = 8×10¹⁹ Дж. Выделение столь большой энергии в столь короткое время (10^–5 с) представляет собой взрыв. Масса всех ядер урана, испытавших деление за это время, равна235×2,5×10³⁰ = 5,9×10³² а.е.м.» 980 тонн. Очевидно, чтобы приведенные рассуждения были достаточно корректными, начальная маса урана должна быть заметно больше 1000 тонн.

К пониманию возможности осуществления цепной ядерной реакции пришли практически одновременно в начале 40-х годов ХХ века физики разных стран – Ф. Жолио-Кюри, Л. Сциллард, Г. Флеров, Э. Ферми. Это открытие давало возможность создания оружия огромной разрушительной силы. Поэтому с этого момента исследования по ядерной физике засекречиваются во всех развитых странах (Напомним, что в 1939-1945 годах шла вторая мировая война). И до сих пор в физических справочниках и учебниках информация по делящимся материалам очень ограничена.

7. Критическая масса делящегося вещества. Отношение числа вторичных нейтронов, идущих “в дело”, то есть проникающих в ядра и инициирующих их деление, к числу первичных нейтронов называют коэффициентом размножения К. В идеальной ситуации предыдущего пункта коэффициент размножения К был равен 2. Если в первом поколении было N нейтронов, то в n -ом поколении их будет NKⁿ.

Однако, если массу делящегося вещества постепенно уменьшать, то все большая доля нейтронов будет уходить из объема делящегося вещества и не будет участвовать в ядерных реакциях. Коэффициент размножения K будет постепенно уменьшаться. Это значит, что будет уменьшаться скорость нарастания числа вторичных нейтронов. Коэффициент K можно уменьшать и введением в зону реакции поглощающих нейтроны примесей.

Та масса делящегося вещества, для которой K = 1, называется критической m _кр. Если масса меньше критической, m < m _кр, то K < 1, цепная ядерная реакция затухает. Если масса больше критической, m > m _кр, то K > 1, возникает самоподдерживающаяся лавинообразно нарастающая реакция.

Величина критической массы зависит от формы тела. Она минимальна, если делящееся вещество имеет форму шара. Расчеты показывают, что критическая масса чистого U-235, имеющего форму сплошного шара, равна 0,8 кг. Диаметр этого шара 4,3 см. Критическая масса чистого Pu-239 равна 0,5 кг (диаметр шара 3,6 см). А полученный искусственно в 1950 году калифорний Cf имеет критическую массу 10 г (шарик диаметром 10 мм).

С ростом отношения поверхности к объему тела критическая масса увеличивается. Она может быть очень большой, если тело имеет форму тонкого листа. Если вводить в зону реакции поглощающие нейтроны ядра, то критическую массу можно увеличивать неограниченно. В ядерных реакторах, например, она составляет несколько тонн.

С другой стороны критическую массу можно уменьшить, если окружить делящееся вещество средой, отражающей нейтроны. Такая отражающая среда должна состоять из легких атомов, слабо поглощающих нейтроны. Например, дейтерий, графит, бериллий. Есть данные, что критическая масса U-235 шаровой формы с вкраплениями из тонких полиэтиленовых прокладок с окружающей оболочкой из бериллия равна всего лишь 242 г.

8. Атомная бомба. Энергию, выделяющуюся в реакциях деления ядер, называют ядерной или атомной. Впервые ядерная энергия была использована в виде неуправляемого ядерного взрыва атомной бомбы. Разработка и изготовление атомной бомбы в 40-х годах XX века вобрали в себя все высшие достижения физики, химии и технологии.

Для изготовления атомного боезаряда наиболее пригодны два изотопа: естественный изотоп урана U и искусственный трансуран-изотоп плутония Pu. Ядра атомов этих изотопов делятся при поглощении нейтронов любых энергий. Соответственно различают урановый и плутониевый боезаряды.

Для изготовления атомного боезаряда надо решить три основные проблемы: а. Получить максимально чистое делящееся вещество; б. Изготовить заряд с массой, больше критической, способный сохраняться достаточно долго в подкритическом состоянии; в. Обеспечить быстрый переход делящегося вещества в надкритическое состояние и удерживать его в этом сжатом состоянии достаточно долго, чтобы успела прореагировать как можно большая часть боезаряда.

9. Атомная бомба на основе U-235. Изотоп урана U-235 содержится в природном уране в количестве 0,7 %. Это металл серо-стального цвета, его плотность равна 18950 кг ç м³, по твёрдости близок к титану.

а. Получение чистого природного урана (то есть смеси изотопов). Уран – химический элемент группы актиноидов. Их физико-химические свойства также мало отличимы между собой, как и в группе лантаноидов. У актиноидов идет заполнение третьего снаружи электронного слоя подуровня 5 f. Актиноиды находятся в 7 периоде, всего у них 7 электронных слоев.

Получение чистого урана облегчается тем, что все актиноиды радиоактивны, и на Земле имеются только три из них: торий Th, протактиний Pa и уран U. Все актиноиды, идущие после урана, на Земле уже распались.

Впервые уран в виде чистого металла выделен еще в 1841 г. из природного минерала уранита – диоксида UO₂. Поэтому к настоящему времени технология получения чистого урана хорошо разработана. Основная сложность в том, что сам уран и его соединения ядовиты для человека. Кроме того, все естественные изотопы урана a -активны, и хотя их периоды полураспада достаточно велики (у U-234 2,5×10⁵ лет, у U-235 7×10⁸ лет, у U-238 4,5×10⁹ лет), на всех этапах производства урана нужно соблюдать радиационную безопасность.

б. Выделение изотопа U-235 из природной смеси – наиболее сложная задача. Атом U-235 лишь на [(238 – 235) ç 238]×100% = 1,2% легче атома U-238. Их химические свойства тождественны. Разделить изотопы можно лишь физическими методами. Наиболее эффективным из них является метод газовой диффузии.

Если уран нагреть в атмосфере фтора F₂, то получится гексафторид урана UF₆. При температуре 56,5°С гексафторид возгоняется с естественным распределением концентрации молекул, содержащих изотопы U-234, U-235 и U-238. Относительное содержание изотопа U-234 очень мало (меньше 1% по отношению к U-235), поэтому в дальнейших рассуждениях изотопом U-234 пренебрегаем.

Диффузия осуществляется в ёмкостях, разделенных мелкопористой перегородкой, например, из необоженной глины (рис.142). Если газообразный гексафторид поместить в левую (по рисунку) часть сосуда, то газ будет диффундировать через перегородку в пустую правую часть сосуда.

Коэффициент диффузии молекул газа D = = ××, (21.6)

где p и T – давление и температура газа, m и s – масса и газокинетическое сечение его молекул. Коэффициент диффузии D легких молекул UF₆ больше D тяжелых молекул UF₆ в раз. Поэтому в правой части сосуда газовая смесь будет обогащаться легким изотопом U-235.

Изменение концентрации при однократном диффундировании не превышает 0,04 %. Поэтому для получения U-235 пригодной для боезаряда чистоты, нужно не менее 500 циклов диффузии. Это требует огромного расхода электроэнергии для приведения в действие газовых компрессоров.

в. Компоновка ядерного боезаряда и его подрыв. Простейшая компоновка состоит в том, что по концам высокопрочного глухого артиллерийского ствола размещаются два куска U-235 с докритическими массами (рис.143-а). При соединении их общая масса должна стать больше критической. Само соединение достигается путем подрыва обычного взрывчатого вещества, например, тротила. Прочный стальной корпус нужен для того, чтобы как можно дольше удерживать соединившиеся части вместе. Чем больше время удержания, тем большая часть ядер U-235 успевает расщепиться, тем больше энергия ядерного взрыва. В дальнейшем все элементы конструкции и нераспавшийся уран испаряются.

Главный недостаток такой компоновки – малая мощность ядерного боезаряда. Суммарная масса обоих кусков U-235 не может превышать 2 m _кр.

Более рациональна компоновка делящегося вещества в виде тонкостенной полой сферы, окруженной обычным взрывчатым веществом (рис.143-б). Увеличивая радиус сферы, можно сделать массу ядерного боезаряда существенно больше критической. Для симметричного сжатия сферы взрывчатое вещество должно инициироваться одновременно с разных детонаторов. Разница во времени не должна быть больше 10^–7 с. Разработка и изготовление электронных схем таких взрывателей было одним из важных достижений ядерной технологии.

Первая ядерная бомба на основе U-235 была изготовлена в США в 1945 году. Изделие под кодовым названием “Малыш” напоминало по форме цилиндр диаметром 0,7 м и длиной 3 м. Масса бомбы составляла 4 т. Ее боевое применение в военно-политических целях состоялось 6 августа 1945 года над японским городом Хиросимой. Энергия взрыва соответствовала примерно 20 000 т тротила.

10. Атомная бомба на основе Pu-239. Главный недостаток уранового боезаряда – длительность (500 циклов!) и высокие энергозатраты получения чистого (оружейного) урана-235. Поэтому практически одновременно в США велись разработки по изготовлению бомбы из плутония- 239. Впервые плутоний получил Гленн Сиборг с сотрудниками в 1940 г. Они обстреливали уран ускоренными на циклотроне ядрами дейтерия и установили, что плутоний-239 можно получать в больших количествах, облучая U-238 медленными нейтронами.

, (21.7)

Оказалось, что Pu-239 так же, как и U-235, делится под действием нейтронов любых энергий и потому также пригоден для изготовления ядерного боезаряда.

Из реакции (21.7) следует, что для получения Pu-239 было бы хорошо запустить цепную ядерную реакцию в природном уране. Тогда ядра U-235, распадаясь, поддерживали бы реакцию, а ядра U-238, поглощая избыточные нейтроны, превращались бы в ядра Pu-239.

Но, оказывается, что для быстрых нейтронов, образующихся при распаде ядер U-235, сечение захвата ядрами U-235 недостаточно для возникновения цепной реакции. Многие нейтроны, образовавшиеся при распаде ядер U-235 в природном уране, или поглощаются ядрами U-238, или уходят из зоны реакции, не встретившись с ядром U-235 по причине малой их концентрации.

Положение резко меняется, если уменьшить энергию нейтронов. При тепловых скоростях нейтронов их сечение захвата ядрами U-235 возрастает почти в тысячу раз. И хотя одновременно возрастает сечение радиационного захвата нейтронов ядрами U-238, в целом эффективность использования нейтронов оказывается достаточной для поддержания незатухающей цепной реакции в природном уране.

Устройство, с помощью которого вырабатывают плутоний, называют ядерным реактором на медленных нейтронах. Первый уран-графитовый ядерный реактор был построен в 1942 году группой ученых под руководством Э. Ферми в рамках атомной программы США. Строительство ядерного реактора состояло в том, что в штабель постепенно складывались кирпичи из высокоочищенного графита, в пустотах которого находились куски естественного урана. Чтобы не началась неуправляемая реакция взрыва, в сборке сразу устанавливались стержни из поглощающего нейтроны кадмия. Время от времени кадмиевые стержни выводились из реактора, и измерялся поток нейтронов.

Первоначальный рабочий режим этого реактора соответствовал тепловой мощности около 200 Вт, в нем было примерно 450 т графита и 445 т естественного урана. После доводки тепловая мощность достигла 100 кВт, а коэффициент размножения нейтронов доходил до K = 1,0006. Благодаря запаздывающим нейтронам, процесс управления реактором упрощается, время принятия решений достигает нескольких десятков секунд.

Через несколько месяцев работы реактор останавливался, урановые бруски извлекались, и химическим путем из них выделялся Pu-239 – блестящий белый металл с плотностью 19 860 кг/м³. Плутоний-239 a -активен, его период полураспада Т = 24×10⁴ лет, для человека чрезвычайно ядовит.

Конструкция боезаряда на основе Pu-239 такая же, как и на основе U-235. Первая атомная бомба на основе Pu-239 была изготовлена в США в 1945 году. Изделие под кодовым названием “Толстяк” имело каплевидную форму длиной 3 м и максимальный диаметр около 1,5 м. Масса бомбы составляла 5 т. Её боевое применение состоялось 9 августа 1945 года над японским городом Нагасаки.