Physel.ru

Физика, механика и т.п.

  • Full Screen
  • Wide Screen
  • Narrow Screen
  • Increase font size
  • Default font size
  • Decrease font size

§ 227. Деление урана. Цепная ядерная реакция.

E-mail Печать PDF
В результате опытов по облучению нейтронами урана было найдено, что под действием нейтронов ядра урана делятся на два ядра (осколка) примерно половинной массы и заряда; этот процесс сопровождается испусканием нескольких (двух-трех) нейтронов (рис. 402). Помимо урана, способны делиться еще некоторые элементы

Рис. 402. Деление ядра урана под действием нейтронов: а) ядро захватывает нейтрон; б) удар нейтрона о ядро приводит последнее в колебания; в) ядро делится на два осколка; при этом испускается еще несколько нейтронов
из числа последних элементов периодической системы Менделеева. Эти элементы, так же как и уран, делятся не только под действием нейтронов, но также без внешних воздействий (спонтанно) *). Спонтанное деление было установлено на опыте советскими физиками К. А. Петржаком и Георгием Николаевичем Флеровым (р. 1913) в 1940 г. Оно представляет собой весьма редкий процесс. Так, в 1 г урана происходит всего лишь около 20 спонтанных делений в час.

Благодаря взаимному электростатическому отталкиванию осколки деления разлетаются в противоположные стороны, приобретая огромную кинетическую энергию (около 160 МэВ). Реакция деления происходит, таким образом, со значительным выделением энергии. Быстродвижущиеся осколки интенсивно ионизуют атомы среды. Это свойство осколков используют для обнаружения процессов деления при помощи ионизационной камеры или камеры Вильсона. Фотография следов осколков деления в камере Вильсона приведена на рис. 403. Крайне существенным является то обстоятельство, что нейтроны, испущенные при делении уранового ядра (так называемые вторичные нейтроны деления), способны вызывать деление новых ядер урана. Благодаря этому можно осуществить цепную реакцию деления: однажды возникнув, реакция в принципе может продолжаться сама

Рис. 403. Фотография следов осколков деления урана в камере Вильсона: осколки (О) разлетаются в противоположные стороны из тонкого слоя урана, нанесенного на пластинке, перегораживающей камеру. На снимке видно также множество более тонких следов, принадлежащих протонам, выбитым нейтронами из молекул водяного пара, содержащегося в камере
собой, охватывая все большее число ядер. Схема развития такой нарастающей цепной реакции изображена на рис. 404. Осуществление цепной реакции деления на практике не просто; опыт показывает, что в массе природного урана цепная реакция не возникает. Причина этого кроется в потере вторичных нейтронов; в природном уране большая часть нейтронов выходит из игры, не вызывая делений. Как выявили исследования, потеря нейтронов происходит в наиболее распространенном изотопе урана — уране-238 (23892U). Этот изотоп легко поглощает нейтроны по реакции, подобной реакции серебра с нейтронами (см. § 222); при этом образуется искусственно-радиоактивный изотоп 23892U. Делится же 238U с трудом и только под действием быстрых нейтронов.

Более удачными для цепной реакции свойствами обладает изотоп 235U, который содержится в природном уране в количестве 0,7%. Он делится под действием нейтронов любой энергии — быстрых и медленных и тем лучше, чем меньше энергия нейтронов. Конкурирующий с делением

Рис. 404. Развитие цепной реакции деления: условно принято, что при делении ядра испускаются два нейтрона и потерь нейтронов нет, т. е. каждый нейтрон вызывает новое деление; кружочки — осколки деления, стрелки — нейтроны деления
процесс — простое поглощение нейтронов — мало вероятен в 235U в отличие от 238U. Поэтому в чистом уране-235 возможна цепная реакция деления при условии, однако, что масса урана-235 достаточно велика. В уране малой массы реакция деления обрывается из-за вылета вторичных нейтронов за пределы его вещества.

В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер нейтрон проходит в веществе значительный путь (измеряемый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкновения на пути до выхода наружу мала. Почти все вторичные нейтроны деления вылетают через поверхность тела, не вызывая новых делений, т. е. не продолжая реакции.

Из тела больших размеров вылетают наружу главным образом нейтроны, образовавшиеся в поверхностном слое.

Нейтроны, образовавшиеся внутри тела, имеют перед собой достаточную толщу урана и в большинстве своем вызывают новые деления, продолжая реакцию (рис. 405). Чем больше масса урана, тем меньшую долю объема составляет поверхностный слой, из которого теряется много нейтронов, и тем благоприятнее условия для развития цепной реакции.

Рис. 405. Развитие цепной реакции деления в 235U. а) В малой массе 235U большинство нейтронов деления вылетает наружу. б) В большой массе урана многие нейтроны деления вызывают деления новых ядер; число делений возрастает от поколения к поколению. Кружочки — осколки деления, стрелки — нейтроны деления
Увеличивая постепенно количество 235U, мы достигнем критической массы, т. е. наименьшей массы, начиная с которой возможна незатухающая цепная реакция деления в 235U. При дальнейшем увеличении массы 235U реакция начнет бурно развиваться (начало ей положат спонтанные деления). При уменьшении массы 235U ниже критической реакция затухает.

Итак, можно осуществить цепную реакцию деления, если располагать достаточным количеством чистого 235U, отделенного от 238U.

Как мы видели в § 202, разделение изотопов представляет собой хотя сложную и дорогую, но все же выполнимую операцию. И действительно, извлечение 235U из природного урана явилось одним из тех способов, при помощи которых цепная реакция деления была осуществлена на практике.

Наряду с этим цепная реакция была достигнута и другим способом, не требующим разделения изотопов урана. Этот способ несколько более сложен в принципе, но зато более прост в осуществлении. Он использует замедление быстрых вторичных нейтронов деления до скоростей теплового движения. Мы видели, что в природном уране незамедленные вторичные нейтроны поглощаются главным образом изотопом 238U. Так как поглощение в 238U не приводит к делению, то реакция обрывается. Как показывают измерения, при замедлении нейтронов до тепловых скоростей поглощающая способность 235U возрастает сильнее поглощающей способности 238U. Поглощение нейтронов изотопом 235U, ведущее к делению, получает перевес. Поэтому, если замедлить нейтроны деления, не дав им поглотиться в 238U, цепная реакция станет возможной и с природным ураном.

На практике такого результата добиваются, помещая тонкие стержни из природного урана в виде редкой решетки в замедлитель (рис. 406). В качестве замедлителей используют вещества, обладающие малой атомной массой и слабо поглощающие нейтроны. Хорошими замедлителями являются графит, тяжелая вода, бериллий.

Пусть в одном из стержней произошло деление ядра урана. Так как стержень сравнительно тонкий, то быстрые вторичные нейтроны вылетят почти все в замедлитель. Стержни расположены в решетке довольно редко. Вылетевший нейтрон до попадания в новый стержень испытывает много соударений с ядрами замедлителя и замедляется до скорости теплового движения (рис. 407). Попав затем в урановый стержень, нейтрон поглотится скорее всего в 235U и вызовет новое деление, продолжая тем самым реакцию. Цепная реакция деления была впервые осуществлена в США в 1942 г. группой ученых под руководством итальянского физика Энрико Ферми (1901—1954) в системе с природным ураном. Независимо этот процесс

Рис. 406. Система из природного урана и замедлителя, в которой может развиваться цепная реакция деления

Рис. 407. Развитие цепной реакции деления в системе из природного урана и замедлителя. Быстрый нейтрон, вылетев из тонкого стержня, попадает в замедлитель и замедляется. Попав снова в уран, замедленный нейтрон скорее всего поглощается в 235U, вызывая деление (обозначение: два светлых кружка). Некоторые нейтроны поглощаются в 238U, не вызывая деления (обозначение: черный кружок) был реализован в СССР в 1946 г. академиком Игорем Васильевичем Курчатовым (1903—1960) с сотрудниками.

Комментарии  

 
+1 #3 Влад 23.04.2014 11:20
Цитата:
Скажу вам всем по особому секрету - почти что ничего не понимает физики о самом ядерном элементе уране и свойствах его антимагнитных .

А уж живой уран понять ученым - так вообще извечная проблема - без решения которой - работают все ядерщики ПРОТИВ ЖИЗНИ на планете и далее .

Что?
Цитировать
 
 
+5 #2 08.06.2011 15:45
маловато
Цитировать
 
 
+7 #1 14.07.2010 02:21
Скажу вам всем по особому секрету - почти что ничего не понимает физики о самом ядерном элементе уране и свойствах его антимагнитных .

А уж живой уран понять ученым - так вообще извечная проблема - без решения которой - работают все ядерщики ПРОТИВ ЖИЗНИ на планете и далее .
Цитировать
 

Добавить комментарий

Защитный код
Обновить

You are here: