Реакция деления. Продукты деления

Превращения атомных ядер можно использовать для получения энергии. Среди экзотермических ядерных реакций особое место занимают реакции деления тяжелых ядер. Деление может быть вызвано протонами, дейтронами, a- частицами, g- излучением. Однако, особое практическое значение имеет деление, происходящее при попадании в тяжелое ядро нейтрона.

В 1939 - 1940 году в работах многих ученых было установлено, что при бомбардировке урана нейтронами образуются элементы из середины таблицы Менделеева (барий, лантан и др.). Было доказано, что ядро захватившее нейтрон, делится на два (иногда на три-четыре) осколка, обычно неравные по массе. Деление сопровождается испусканием 2-3 нейтронов и выделением очень большой энергии.

Схема реакции такова:

X + n ® A + B + f_* n,

где А и В - осколки деления с массовыми числами от 90 до 150,

f - число вторичных нейтронов.

Возможность процесса деления тяжелых ядер подсказывается формой кривой удельной энергии связи как функции числа А (см.рис. 1.3): e_св тяжелых ядер (А > 210) меньше, чем средних (А ~ 50 ¸ 100), примерно, на 1 МэВ. Поскольку в акте деления участвуют около 200 нуклонов, то при делении такого ядра должна выделяться энергия ~200 МэВ. Например, при делении ядер, содержащихся в 1г урана , выделяется энергия 8_*10¹⁰ Дж (~22 МВт_*с).

Неустойчивости тяжелых ядер относительно деления способствует большое количество в них протонов. Протоны испытывают кулоновское отталкивание, поэтому ядра, для которых параметр деления Z²/A ³ 49, совершенно неустойчивы относительно деления и не могут существовать. При Z²/A > 49 возможно самопроизвольное (спонтанное) деление ядер.

Интенсивность реакции деления сильно зависит от энергии нейтронов и от сорта ядер. Высокоэнергетичные нейтроны (см.п.3.5) способны вызвать реакцию деления практически любого ядра. Некоторые тяжелые ядра (например, урана ²³⁵U, ²³³U, плутония ²³⁹Pu и ²⁴²Pu, америция и других трансурановых изотопов) делятся нейтронами всех энергий, начиная с нулевых, но особенно эффективно тепловыми нейтронами, например:

+ , (3.4)

+ . (3.5)

Если тяжелое ядро не делится медленными нейтронами, то для него существует эффективный порог деления, т.е. энергия, начиная с которой деление идет с заметной вероятностью. Так, ядра , , имеют пороги деления в области ~1 МэВ.

При меньших энергиях вероятность захвата нейтронов этими ядрами возрастает, но захват уже не сопровождается делением ядра (резонансный захват).

Например:

, (T_1/2 = 23 мин)

. (T_1/2 = 2,346 дня)

В итоге образуется изотоп плутония, способный делиться тепловыми нейтронами. Он в природе не встречающийся, но играет очень важную роль в осуществлении реакции взрывного типа. (см.§4.2).

Рассмотрим механизм реакции деления (Я.И. Френкель, Н. Бор, Дж. Уиллер), исходя из капельной модели ядра. На нуклоны действуют уравновешивающие друг друга ядерные силы притяжения и кулоновские силы отталкивания, стремящиеся разорвать ядро. Поглотившее нейтрон ядро выходит из состояния равновесия: возникает его вибрация, нарушается равномерное распределения зарядов, ядро деформируется. Для ядер с большим числом протонов относительно небольшой деформации достаточно для того, чтобы произошло деление, так как сильное отталкивание протонов, концентрирующихся на концах деформированного ядра уже не может быть скомпенсировано короткодействующими ядерными силами. На рис. 3.2 изображена последовательность форм, принимаемых делящимся ядром.

Рис. 3.2

Образовавшиеся ядра - осколки будут разлетаться в разные стороны под действием сил кулоновского отталкивания. Таким образом, атомная или ядерная энергия, возникающая при делении, обусловлена работой сил кулоновского отталкивания.

Ядро чаще всего делится на два осколка. Отношение масс осколков может быть различным. Интересно, что при делении тепловыми нейтронами осколки равных или близких друг другу масс почти не наблюдаются (менее 1%).

Наиболее вероятно деление на осколки, один из которых примерно в 1,5 раза тяжелее другого. Считают, что эта ассиметрия осколков деления объясняется влиянием ядерных нейтронных оболочек, т.е. ядру энергетически выгоднее делиться так, чтобы число нейтронов в осколках было близко к магическим числам 50 и 82. На рис. 3.3. изображен спектр масс осколков деления ядра при захвате медленных нейтронов.

Рис. 3.3.

Ядра-осколки обладают огромными энергиями, причем более легкий осколок несет большую часть энергии. Обладая большим зарядом, осколки вызывают большую ионизацию и возбуждение молекул вещества, передают им свою энергию, что приводит к нагреванию среды, в которой протекает процесс деления.

В момент своего образования ядра-осколки находятся в возбужденном состоянии и излишне обогащены нейтронами. Подавляющее большинство избыточных нейтронов (нейтронов деления) «испаряется» из осколков практически мгновенно за время 10^-14 с (мгновенные нейтроны), а часть (~0,75%) нейтронов испускается с запаздыванием t₃ от 0,05 до 60 секунд (запаздывающие нейтроны).

В среднем выделяется f=2¸3 вторичных нейтрона на каждый поглощенный (первичный) нейтрон.

Когда энергия возбуждения становится меньше энергии, необходимой для отделения нейтрона от ядра, начинается испускание g-квантов. Наличие мощных потоков сильно проникающего нейтронного и g - излучения приводит к необходимости создания защиты от излучений.

Многообразие продуктов деления объясняется не только различными вариантами расщепления ядра на части, но и тем, что осколки, испустившие нейтроны, оказывается радиоактивными (см.п.2.1) и, претерпевая цепочку радиоактивных превращений, создают еще ряд продуктов. Например, образующийся в реакции (3.5) осколок Хе претерпевает тройной b^-- распад по схеме:

где - стабильный изотоп.

То обстоятельство, что в результате деления тяжелых ядер возникает значительное число вторичных нейтронов, позволило осуществить цепную реакцию, и сделало возможным практическое использование ядерной энергии.