Вынужденное деление ядер. Цепная реакция деления

Нейтрон, поглощенный тяжелым ядром с параметром Z²/A<49, может сообщить ему энергию, превышающую энергию активации, в результате чего происходит реакция деления ядра. Такая реакция деления является вынужденной.

Вынужденное деление ядер было обнаружено О. Ганом и Ф. Штрас­сма­ном в 1938 г. Было установлено, что при облучении урана нейтронами образуются элементы середины периодической системы Менделеева.

Дальнейшие исследования показали, что реакция деления тяжелых ядер сможет протекать различными путями с образованием различных осколков. Наиболее вероятной оказалась реакция деления ядра на осколки, массы которых относятся как 2:3.

Ядра U²³⁵ делятся под воздействием тепловых нейтроном (их энергия порядка kT). Ядра же U²³⁸ делятся только быстрыми нейтронами (их энергия не менее 1 МэВ). Более медленные нейтроны просто поглощаются ядром U²³⁸, не вызывая его деления: образуется ядро U²³⁹ с последующим испусканием g-кванта.

Расчеты показывают, что при каждом акте деления ядер урана выделяется энергия ~200 МэВ, что в пересчете на один нуклон составляет ~1 МэВ. Основная доля этой энергии приходится на осколки, которые под воздействием кулоновских сил отталкивания приобретают большую кинетическую энергию.

При каждом акте деления U²³⁵ выделяется в среднем 2,5 нейтрона. Различаю мгновенные и запаздывающие нейтроны. Мгновенные нейтроны образуются практически одновременно с осколками. Запаздывающие (или вторичные) нейтроны испускаются осколками деления спустя некоторое время после деления (от 0,05 с до 1 мин). Доля запаздывающий нейтронов составляет около 0,75 %.

Введем понятие коэффициента размножения нейтронов как отношение числа нейтронов в данном звене реакции к числу нейтронов в предыдущем звене:

,

тогда приращение числа нейтронов

DN=(k–1)N.

Следующие друг за другом звенья реакции отделены промежутком времени τ, равным среднему времени жизни нейтрона в зоне реакции (от момента рождения нейтрона до последующего его захвата каким-нибудь ядром). Скорость нарастания числа нейтронов

,

или (после замены на )

.

Интегрируя последнее выражение, получаем

,

(36.25)

где N₀ — начальное число нейтронов.

Зависимость числа нейтронов от времени определяется значением параметра k (рис. 36.7). Рассмотрим частные случаи.

Рис. 36.7

1. k>1. Число нейтронов с течением времени возрастает. Это случай развивающейся реакции. Такой тип реакции впервые осуществлен в атомной бомбе.

2. k=1. Число нейтронов остается постоянным со временем. Цепная реакция при k=1 называется самоподдерживающейся. Такая реакция протекает в ядерных реакторах. В природе самоподдерживающаяся ядерная реакция встречается крайне редко. Известен лишь один случай, когда в урановом месторождении обнаружены следы протекания в течение десятков лет реакции деления.

3. k<1. Число нейтронов с течением времени убывает. В этом случае имеет место затухающая реакция. Такой тип реакции осуществляется в природный условиях, а также в ядреных реакторах при их остановке.

Коэффициент размножения нейтронов зависит от многих факторов: формы и размеров активной зоны, наличия примесей и отражателей нейтронов и т.д.

Наличие примесей уменьшает коэффициент размножения, поскольку примеси поглощают нейтроны без последующего деления. Например, U²³⁸ поглощает медленные нейтроны и при этом не делится на осколки.

При малых размерах активной зоны нейтроны легко покидают ее пределы, выбывая из последующих звеньев реакции. С увеличением размеров активной зоны коэффициент размножения возрастает. Минимальный объем активной зоны, при котором k=1, называется критическим, а соответствующая ему масса — критической. Для U²³⁵ критическая масса оставляет 50 кг.

Критическую массу можно уменьшить применяя отражающие оболочки, которые возвращают нейтроны в активную зону. Критическую массу U²³⁵ можно уменьшить до 242 г, если использовать полиэтиленовые прокладки и отражающую оболочку из бериллия. Таким образом, использованием отражателей нейтронов критическую массу можно варьировать в широких пределах. Например, критическая масса ядерного реактора в зависимости от его конструкции и целей изменяется от 1 кг до 50 т.

В атомной бомбе ядерный заряд представляет собой несколько разведенных кусков чистого урана или плутония . Масса каждого из кусков меньше критической. Путем обычного взрыва куски приводятся в соприкосновение, общая масса становится больше критической и в результате возникает развивающаяся реакция, имеющая взрывной характер.