Файл: Стручков В.В. Вопросы современной физики пособие для учителей.pdf

сколько различающиеся по массам и зарядам. Поскольку было известно, что удельная энергия связи для «средних» ядер больше, чем для урана, примерно на 1 Мэв/нуклон, то стало ясно, что де­ ление каждого ядра урана сопровождается выделением колоссаль­ ной энергии, равной разности энергий связи продуктов деления и исходного ядра:

Д£'=1, М э в - A t t 200 Мэв.

Эта энергия примерно в миллион раз превышает энергию, выделяющуюся при химических реакциях сгорания обычного топ­ лива, поскольку при химических реакциях выделяется энергия связи внешних валентных электронов атомов, составляющая, как правило, только десятки электронвольт.

Поскольку в ядре урана отношение числа нейтронов к числу протонов больше, чем для стабильных ядер середины таблицы Мен­ делеева, то непосредственные продукты деления урана оказываются перегруженными нейтронами. Это видно из следующих примеров реакций деления:

дги^+оП ^зтИ Ь ^+азС з146,

пги^+оП ^збК г^+збВа151.

Из простого сопоставления массовых чисел осколков с атом­ ными весами устойчивых изотопов, приводимыми в таблице Менде­ леева, видна перегруженность первичных осколков нейтронами. Так массовое число осколка 37Rb93 равно 93г а атомный вес естест­ венной смеси стабильных изотопов рубидия — 85,48, аналогично

и это главное, к выделению нейтронов при делении. На каждый нейтрон, вызывающий деление, приходится в среднем 2—3 нейт­ рона, испущенных при делении. Другими словами, при делении происходит размножение нейтронов. Это необходимое условие бы­ строго нарастания числа делящихся ядер урана — цепной реакции деления, что требуется для быстрого или контролируемого выде­ ления ядерной энергии.

Ядерная энергия выделяется в виде кинетической энергии всех продуктов деления: ядер-осколков, нейтронов, продуктов ß-радно- активности первичных осколков. Но в основном выделяющаяся энергия представляет собой кинетическую энергию ядер-осколков. Ее нетрудно подсчитать непосредственно. Если деление произошло и осколки деления разошлись, так что ядерные силы между ними уже не действуют, то на ядра будет действовать кулоновская сила взаимного отталкивания. Работа этой силы по взаимному удалению осколков приведет к возрастанию их кинетической энергии — по­ тенциальная энергия кулоновского отталкивания осколков перей­

478

дет в их кинетическую энергию. Согласно электростатике потенци­ альная энергия двух зарядов Z\e и Z2e, находящихся на расстоя­ нии г друг от друга, определяется по формуле

т. е. к значению, полученному ранее из анализа кривой удельной энергии связи.

Теория деления ядер была создана в 1939 г. Я- И. Френкелем, Н. Бором II Дж. Уилером на основе капельной модели ядра. Де­ ление происходит только в том случае, если оно окажется энер­ гетически выгодным, т. е. если энергия продуктов деления ока­ жется меньше энергии исходного ядра. Капельная модель ядра, на базе которой получена формула Вайцзеккера (13.7) для энергии любого ядра, позволяет ответить на этот вопрос. При решении за­ дачи оказалось достаточным ограничиться только двумя основ­ ными членами, определяющими энергию связи ядра, — поверхно­ стной энергией и энергией электростатического отталкивания ну­ клонов. Деление ядра приводит к возрастанию поверхности и, сле­ довательно, поверхностной энергии. Поэтому с этой точки зрения деление энергетически невыгодно.

Наоборот, электростатическая энергия при делении убывает вследствие возрастания расстояния между нуклонами, и с этой точки зрения деление ядра является энергетически выгодным. По­ лагая, что ядро делится на два одинаковых осколка, можно из условия, что при делении должна выделяться энергия, получить

Это условие выполняется, начиная с серебра (Z — 47, А — 108),

Z2

для которого параметр деления — равен примерно 20. Чем боль­

ше параметр деления, тем большая энергия должна выделяться при делении и, следовательно, тем легче должно делиться ядро.

Полученный результат означает, что все ядра второй половины таблицы Менделеева, начиная с Z = 47, должны быть неустойчи­ выми и испытывать деление. В действительности, однако, этого не наблюдается: в подавляющем большинстве ядра изотопов, стоя­ щих за серебром, являются устойчивыми ядрами (кроме самых тяжелых, которые, действительно, могут самопроизвольно, спон-

479

тайно делиться). Причиной несоответствия между предсказанием теории и действительностью является то обстоятельство, что де­ ление ядра требует затраты некоторой энергии — так называемой

энергии активации деления, называемой еще порогом деления. Не­ избежность самопроизвольного деления ядра, т. е. полная неустой­ чивость ядра, с этой точки зрения означает, что энергия активации деления равна нулю. Соответствующие расчеты, выполненные на базе капельной модели ядра, приводят к следующему выводу: су­ ществует к р и т и ч е с к о е з н а ч е н и е параметра деления, пре­ вышение которого приводит к неустойчивости ядра. Критическое значение равно примерно 49 (различные методы расчета приводят к значениям, лежащим между 45 и 49):

(15.2)

Критическое значение параметра деления определяет границы ус­ тойчивости атомного ядра по капельной модели. Для урана пара­ метр деления равен 36, т. е. он меньше критического. Для транс­ урановых элементов он боЛьше, чем для урана: для америция он равен 37, для последнего из известных пока трансурановых эле­ ментов — курчатовия — он равен 41. Это значение ближе к критиче­ скому, и среднее время жизни ядер курчатовия равно всего около 0,3 сек. Ядра, для которых параметр деления больше критического значения, являются совершенно неустойчивыми и потому не могут существовать: однажды возникнув, они самопроизвольно распа­ дутся в течение промежутка времени, равного ядерпому времени ІО-22 сек. Таким образом, условие (15.2) определяет границу пе­ риодической системы Менделеева. Правда, само понятие границы системы неопределенно: чем больше номер элемента, тем неустой­ чивее его ядро, тем меньше его среднее время жизни, и неизве­ стно, какое время жизни считать границей устойчивости ядра. В настоящее время предполагается, что граница таблицы Менделеева лежит в области атомных номеров 145—150. Правда, согласно оболочечной модели ядра ученые надеются найти устойчивые ядра с магическими числами протонов и нейтронов и в области пред­ полагаемого конца таблицы Менделеева, о чем упоминалось в главе 8.

Для получения цепной реакции деления, что необходимо для выделения ядерной энергии, надо выполнить ряд условий.

Во-первых, оказывается, что химически чистый природный уран, состоящий в основном из двух ИЗОТОПОВ 92и 238 И 92U235, для этой цели оказывается непригодным. Дело в том, что в природном уране содержится 99,3% 92U238 и лишь 0,7%, т. е. в 140 раз меньше, 92U235. Но именно уран-235 нужен, так как поглощение нейтронов его ядрами приводит к делению и к освобождению энергии, тогда как поглощение нейтронов ядрами урана-238 не сопровождается делением. Правда, захват нейтрона ядром урана-238 приводит в

480

конце концов к образованию трансуранового элемента плутония, который является ядерным горючим, как и уран-235, т. е. делится при захвате нейтрона. Процесс идет по следующей схеме:

эзи^+ о/г^дзи^-^зЫ р239 + _ ie°, g3Nр239—>94Р U230^ --^ 0.

Эта схема реализует выдвинутую Э. Ферми идею получения трансурановых элементов путем облучения урана нейтронами. Од­ нако и уран-235, и плутоний делятся при захвате медленных, так называемых тепловых нейтронов, энергия которых того же порядка, что и газовых молекул при комнатной температуре, т. е. примерно 0,02 эв, тогда как нейтроны, возникающие в процессе деления, яв­ ляются быстрыми, их энергия составляет миллионы электронвольт. Таким образом, возникает задача уменьшить энергию нейтронов. Она решается с помощью замедлителя — вещества, при многог кратном рассеянии на ядрах которого нейтроны уменьшают свою энергию до требуемой величины. Хорошими замедлителями явля­ ются тяжелая вода, графит, соединения бериллия.

Размер и масса делящегося вещества должны быть не меньше некоторой, так называемой критической величины. В противном случае нейтроны будут просто уходить из объема урана, не вызы­ вая деления. Для уранового блока в виде шара критический ра­ диус составляет примерно 15 см, а критическая масса — примерно 10 кг.

Неуправляемая цепная реакция деления приводит к быстрому выделению колоссальной энергии в сравнительно малом объеме, т. е. к взрыву, и реализуется в атомной бомбе. Она содержит два блока урана с докритическими массами, сумма которых больше критической. Для атомного взрыва блоки приводятся быстро в соприкосновение, выстреливаются один в другой с помощью обыч­ ного заряда. Атомный взрыв происходит настолько быстро, что «выгорает» не весь уран: в первых атомных бомбах успевало разделиться примерно только 25% уранового заряда, остальные 75% бесполезно разносились взрывом, так что энергия взрыва атомной бомбы составляла около четверти от теоретически воз­ можной.

Для того чтобы реакция деления была управляемой, необхо­ димо регулировать коэффициент размножения нейтронов, о кото­ ром говорилось ранее. Это осуществляется в атомных, реакторах, или атомных котлах, с помощью поглотителей нейтронов. Хорошим поглотителем тепловых нейтронов является кадмий.

На основании изложенного становится понятно устройство ядерного'реактора — активная зона в форме параллелепипеда или цилиндра, состоящая из графитовых блоков, в которые вставлены урановые стержни на одинаковых - расстояниях. В активную зону могут вдвигаться на различную глубину управляющие стержни из кадмия. Ввиду того что продукты деления радиоактивны, реактор имеет защиту от излучений в виде свинцовой стены толщиной при­ мерно 15 см и бетонной стены толщиной примерно 1,5 м. Надежная