72. Реакції поділу важких ядер. Ланцюгова реакція поділу ядер

Спонтанний поділ важких ядер належить до радіоактивних перетворень, а вимушений поділ, як правило, відбувається під дією нейтронів і тому являє собою ядерну реакцію, яку позначають (n, f).

В кінці 30-х років було встановлено, що при проникненні нейтрона в ядро урану воно зазнає поділу на два ядра-осколки.

Вимушений поділ важких ядер під дією нейтронів має надзвичайно важливе практичне значення.

За енергією нетронів, які викликають ці реакції, їх поділяють на такі:

0,025 до 0,5 еВ – теплові

0,5 еВ – 1 кеВ – резонансні

1 – 100 кеВ – проміжні

100 кеВ – 14 МеВ – швидкі

Для ядер урану Е_зв = 7,6 МеВ, тоді як для ядер з масовим числом А = 100 Е_зв » 8,5 МеВ. Тому при поділі ядра має звільнятися енергія

DE = (8,5-7,6)?235 MeB » 200 MeB

У відповідності з краплинною моделлю ядра необхідною умовою поділу ядра є виконання співвідношення

Вона виконується для Z > 46.

Енергія Е_а, яка потрібна для поділу ядра, наз. енергією активації.

З наявних у природі ізотопів урану і зазнає поділу тепловими нейтронами лише . Це пояснюється тим, що при захопленні нейтронів цими ізотопами утворюються ізотопи і з різною енергією активації.

Е_а = 6,5 Мев, а для Е_а = 7б1 Мев.

Після проникнення нейтрона в ядро енергія останнього збільшеться на суму енергій зв’язку і кінетичної енергії нейтрона. Ядро переходить у збуджений стан і відбувається відхилення його форми від сферичної. Спочатку сферичне ядро деформується і набуває форми еліпсоїда обертання. Якщо нейтрон вносить значну енергію, то еліпсоїд набуває форми гантелі і кінець кінцем розпадається на два осколки.

Для поділу ядра нейтронами має виконуватись умова

Е_зв + Е_кін ? Е_а (1),

де Е_зв, Е_кін, - відповідно енергія зв’язку і кінетична енергія нейтрона.

Основна частина енергії (понад 80%), що вивільняється при поділі ядра, припадає на кінетичну енергію осколків. Маси осколків різні і краплинна модель неспроможна пояснити цю несиметричність. Вона знаходить своє пояснення в моделі ядерних оболонок.

При утворенні ядра-осколки перевантажені нейтронами, це приводить до випускання ними нейтронів.

При діленні ядра утворюється в середньому 2-3 нейтрона з кінет. енергією ~2 МеВ.

Після випускання нейтронів ядра-осколки перебувають у збудженому стані. Перехід у основний стан супроводжується випромінюванням до 8 g-квантів.

Ядерні реакції поділу важких ядер нейтронами, в результаті яких число нейтронів зростає і стає можливим самопідтримуючий процес поділу, наз. ланцюговою ядерною реакцією.

Теорія ланцюгової реакції поділу урану була розроблена у 1939р. Я.Б.Зельдовичем і Ю.Б.Харитоном.

Нехай уранову мішень бомбардує певна кількість нейтронів. За час t ці нейтрони захоплюються ядрами, які зазнають поділу.

Відношення кількості нейтронів наступного покоління до кількості нейтронів попереднього покоління наз.

Якщо протягом одного покоління кількість неутронів n збільшується на dn, то

Якщо час життя одного покоління t, то за час dt відбудеться змін поколінь і кількість нейтронів зміниться на .

Проінтегрувавши останнє співвідношення, дістанемо

(2)

При k > 1 кількість нейтронів зростає за експоненціальним законом і ланцюгова реакція має вибуховий характер.

При k < 1 кількість нейтронів зменшується і ланцюгова реакція згасає.

Якщо k = 1, то число нейтронів залишається на початковому рівні і ланцюгова реакція буде керованою. Такі реакції протікають в атомних реакторах.