Цепная реакция деления ядер урана и условия её протекания. Термоядерная реакция.

ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА. ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ

Делиться могут только ядра некоторых тяжелых элементов, например, урана.

Ядро урана - 235 имеет форму шара. Поглотив нейтрон, ядро возбуждается и начинает деформироваться. Оно растягивается из стороны в сторону до тех пор, пока кулоновские силы отталкивания между протонами не начнут преобладать над ядерными силами притяжения. После этого ядро разрывается на две части и осколки разлетаются со скоростью 1/30 скорости света. При делении ядра образуются еще 2 или 3 нейтрона. Появление нейтронов объясняется тем, что число нейтронов в осколках оказывается больше, чем это допустимо.

Имеющие огромную скорость разлетающиеся осколки тормозятся окружающей средой. Кинетическая энергия осколков превращается во внутреннюю энергию среды, которая нагревается.

Таким образом, деление ядер урана сопровождается выделением большого количества энергии.

Цепная ядерная реакция - это процесс, в котором одна проведенная реакция вызывает последующие реакции такого же типа. При делении одного ядра урана образовавшиеся нейтроны могут вызвать деления других ядер урана, при этом число нейтронов нарастает лавинообразно.

Отношение числа образовавшихся нейтронов в одном акте деления к числу таких нейтронов в предыдущем акте деления называется коэффициентом размножения нейтронов k. При k меньше 1 реакция затухает, т.к. число поглощенных нейтронов больше числа вновь образовавшихся. При k больше 1 почти мгновенно происходит взрыв. При k равном 1 идет управляемая стационарная цепная реакция. Цепная реакция сопровождается выделением большого количества энергии.

Для осуществления цепной реакции не получается использовать любые ядра, делящиеся под влиянием нейтронов. Используемый в качестве топлива для атомных реакторов химический элемент уран состоит в природе из двух изотопов: урана-235 и урана - 238.

В природе изотопы урана-235 составляют всего лишь 0,7% от всего запаса урана, однако именно они пригодны для проведения цепной реакции, т.к. делятся под влиянием медленных нейтронов.

Ядра урана-238 могут делиться лишь под влиянием нейтронов большой энергии (быстрых нейтронов). Такую энергию имеют только 60% нейтронов, появляющихся при делении ядра урана-238.

Примерно только 1 из 5 образовавшихся нейтронов вызывает деление ядра.

Условия протекания цепной реакции в уране-235: - минимальное количество топлива (критическая масса), необходимое для проведения управляемой цепной реакции в атомном реакторе - скорость нейтронов должна вызывать деление ядер урана - отсутствие примесей, поглощающих нейтроны

Критическая масса:

- если масса урана мала, нейтроны будут вылетать за его пределы, не вступая в реакцию

- если масса урана велика, возможен взрыв за счет сильного увеличения числа нейтронов

- если масса соответствует критической, протекает управляемая цепная реакция Для урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это, например, шар из урана диаметром 9 см).

Первая управляемая цепная реакция - США в 1942 г. (Э.Ферми) В СССР - 1946 г. (И.В.Курчатов)

При делении ядра урана образуются 2–3 свободных нейтрона, которые в свою очередь могут быть захвачены ядрами и вызвать деление ещё двух ядер. При этом уже образуются 4 нейтрона, которые вызовут деление четырёх ядер, и выделятся восемь нейтронов и т. д. Возникает цепная реакция деления изотопа ядра урана U92235.

Возможные варианты протекания цепной реакции.

1. Общее число свободных нейтронов в куске урана возрастает лавинообразно с течением времени. Резко возрастает число делений ядер урана и энергия, выделяющаяся в единицу времени. Реакция носит взрывной характер. Такая реакция протекает в атомной бомбе.

2. Число свободных нейтронов уменьшается с течением времени. Цепная реакция прекращается.

3. Число нейтронов не меняетсяс течением времени. Количество энергии, выделяющееся в единицу времени, постоянно. Такую цепную реакцию можно использовать в мирных целях.

Рисунок 1. Цепная реакция деления ядер урана-23

26.2 Цепная реакция деления ядер урана и условия её протекания. Термоядерная реакция.

Ядерными реакциями называют изменения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом.

В 1938 г. немецкие физики Ган и Штрасман открыли деление урана под действием нейтронов: ядро урана делится на два близких по массе ядра.

У этой реакции есть две важные особенности, которые сделали возможным её практическое применение:

1. При делении каждого ядра урана выделяется значительная энергия.

2. Деление каждого ядра сопровождается вылетом 2-3 нейтронов, которые могут вызвать деление следующих ядер, т.е. сделать реакцию цепной.

Для осуществления цепной реакции используют ядра изотопа урана с массовым числом 235, т.е. . Именно они хорошо делятся под действием как быстрых, так и медленных нейтронов.

Ядра изотопа урана с массовым числом 238 ( ) используют для получения плутония, который также используют для цепной ядерной реакции.

Для осуществления цепной реакции необходимо, чтобы среднее число освобождённых в данной массе нейтронов не уменьшалось с течением времени. Управляемую цепную реакцию проводят в ядерных реакторах, которые конструируют так, чтобы коэффициент размножения kнейтронов был равен единице. Если число нейтронов будет увеличиваться с течением времени и k>1, то произойдет взрыв.

Термоядерные реакции – это реакции слияния лёгких ядер при очень высокой температуре (примерно 10⁷ Кельвинов и выше).

Легче всего осуществить реакцию синтеза между тяжелыми изотопами водорода - дейтерием и тритием . При этом в результате получается ядро гелия нейтрон и выделяется огромная энергия.

Работы над созданием управляемой термоядерной реакцией ещё ведутся.

Пока удалось осуществить неуправляемую термоядерную реакцию в водородной бомбе.