Ядерные реакции под действием нейтронов

К началу 40-х годов было доказано, что при облучении урана нейтронами образуются элементы из середины периодической системы. Реакция деления тяжелых ядер происходит как под действием нейтронов, так и других частиц. Нейтрон, проникающий в ядро, вносит туда энергию, которая в очень короткое время распределяется между всеми нуклонами. В результате образуется новое ядро в возбужденном состоянии. Если энергия возбуждения невелика, то разделения ядра не происходит, и ядро, потеряв избыток энергии путем испускания g-фотона или нейтрона, возвратится в исходное состояние. Но если вносимая нейтроном энергия велика, то возбужденное ядро-капля начинает деформироваться, в нем образуется перетяжка, и в результате оно делится на два осколка, разлетающихся с огромными скоростями, вследствие действия между ними сил электростатического отталкивания. Мерой устойчивости ядер к делению является отношение электростатической энергии отталкивания протонов, стремящейся разорвать ядро, к энергии поверхностного натяжения, стремящейся удержать ядро в равновесии. Условие устойчивости имеет вид: < 45. Энергия, до которой нужно возбудить ядро, чтобы произошел процесс деления, называется критической энергией. Е_кр для ²³⁵U = 6,5 МэВ, для ²³⁸U = 7 МэВ. Энергия, вносимая в ядро медленным нейтроном, для ²³⁵U = 6,8 МэВ, а для ²³⁸U = 5,5 МэВ. Поэтому деление ²³⁵U возможно как медленными, так и быстрыми нейтронами, а ²³⁸U – только быстрыми. Замечательной особенностью реакции деления ядер является то, что оно сопровождается испусканием двух-трёх вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления. Т.к. для средних ядер число нейтронов примерно равно числу протонов (N/Z ~ 1), а для тяжелых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (N/Z ~ 1,6), то образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они выделяют нейтроны деления. Однако испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер-осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпевать ряд электронных b -превращений, сопровождаемых испусканием g-квантов: + + _е. Большинство нейтронов при делении испускаются практически мгновенно (t £ 10^-14 c), а часть ( около 0,7%) испускается осколками деления спустя некоторое время после деления (0,05 £ t £ 60 c). Первые из них называются мгновенными, вторые –запаздывающими. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 испущенных нейтрона. Они имеют сравнительно широкий энергетический спектр в пределах от 0 до 7 МэВ, причем на один нейтрон в среднем приходится энергия около 2 МэВ. Для осуществления цепной реакции деления необходимо, чтобы хотя бы один из вторичных нейтронов, образующихся при одном акте деления, смог вызвать следующий акт деления. Несмотря на то, что в процессе деления ядра урана в среднем возникает 2-3 нейтрона, не все они участвуют в ядерных реакциях, а те нейтроны, которые попадают в ядро, не всегда вызывают деление. Условие существования цепной реакции определяется величиной коэффициента размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. При k< 1 цепная ядерная реакция невозможна, при k =1 поддерживается цепная реакция с постоянным количеством нейтронов, такая реакция применяется в ядерных реакторах. При k > 1 число нейтронов, а значит и число делений, непрерывно возрастает и реакция может стать взрывной. Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности, для данного изотопа он зависит от количества делящегося вещества, от его геометрической формы и объема. При одной и той же массе потери тем меньше, чем меньше поверхность куска, поэтому для развития реакции выгоднее шарообразная форма делящегося вещества. Увеличивая массу можно достичь состояния, при котором k =1 и реакция перестанет затухать. Предельная масса, при которой выполняется условие k =1, называется критической массой. Для ₉₂U²³⁵ m_к = 47 кг, а для среды из урана с частыми и тонкими полиэтиленовыми прокладками и с отражающей оболочкой из бериллия m_к = 242 г.

Для получения максимума энергии от деления необходимо, чтобы как можно большее число нейтронов использовалось только для осуществления деления, т.е. нужно свести к минимуму число нейтронов, исчезающих в результате радиационного захвата. При энергиях нейтронов порядка 0,01 эВ вероятность реакции деления ~ в 1000 раз выше, чем при энергии 1 МэВ, поэтому для протекания самоподдерживающейся цепной реакции необходимо замедлять нейтроны.