Цепная реакция деления ядер урана

Цепная реакция деления ядер урана

В 1938 r. О. Ган и Ф. Штрассман открыли: ядра урана при бомбардировке его нейтронами образуют другие элементы. А объяснение этому явлению было дано в 1939 г. австрийским физиком Л. Мейтнер и  физиком О.Фришем:

 

Позже обнаружили, что при бомбардировке нейтронами U образуются 80 различных ядер. Наиболее вероятное деление оказалось:

 

 

Этот процесс происходит с выделением энергии 200 МэВ =3,2·10-11 Дж.

Энергия выделяется в виде:

  1. Ек осколков  ≈ 2,6·10-11  Дж.
  2. Ек  нейтронов  ≈ 0,1·10-11 Дж.
  3. γ - излучения  ≈ 0,5·10-11 Дж.
  4. β - излучения.

 

Механизм деления

Н. БорЯ.И. Френкель  предложили капельную модель ядра атома. Она дает представление о ядре как о положительно заряженной капле жидкости. Ядро, поглотившее нейтрон, находится в возбужденном состоянии и подобно капле ртути при толчке начинает колебаться, изменяя свою форму. Когда энергия возбуждения станет больше энергии связи, то за счет кулоновских сил ядро разорвется на две части, которые разлетятся в противоположные стороны. Таким образом, кинетическая энергия новых ядер обусловливается кулоновскими силами.

Цепная реакция деления ядер урана — это реакция, в которой частицы (нейтроны), вызывающие эту реакцию, образуются в процессе деления ядра. Для осуществления ценной реакции пригодны лишь ядра Цепная реакция деления ядер урана . Естественный уран состоит из Цепная реакция деления ядер урана  (0,7%),  (97,3%). Ядра Цепная реакция деления ядер урана  делятся как быстрыми, так и медленными нейтронами,   — только быстрыми с энергией 1 МэВ. Нейтронов с такой энергией при делении 60%, но только один из пяти производит деление.

Ценную реакцию чистого изотопа Цепная реакция деления ядер урана  осуществить медленными нейтронами невозможно. Для е ё течения необходимо, чтобы коэффициент размножения к нейтронов был k > 1. В этом случае число нейтронов  увеличивается или остается постоянным и ценная реакция протекает. При k <1 число    убывает и цепная реакция невозможна.

Коэффициент размножения увеличивается при захвате медленных  ядром Цепная реакция деления ядер урана  или быстрых  ядрами  и Цепная реакция деления ядер урана  с последующим делением, уменьшается при захвате нейтрона ядром без последующего деления, при вылете нейтрона из делящегося вещества, при захвате нейтрона продуктами деления, замедлителями и конструктивными элементами установки.

С целью уменьшения вылета  с куска урана увеличивают массу урана. Количество распавшихся ядер пропорционально массе урана, которая растет быстрее, чем площадь его поверхности, если форма урана с критической массой шарообразна.

Минимальное значение массы урана, при которой возможна цепная реакция, называется критической массой. В зависимости от устройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 250г до сотен килограммов.

Существуют два вида ядерных реакций: неуправляемая ценная реакция и управляемая цепная реакция.

Неуправляемая цепная реакция  протекает, если k > 1.

В качестве ядерного горючего используется в основном  или , если их масса больше или равна критической массе.

Если каждый из нейтронов, вылетевший при делении, взаимодействует с соседними ядрами делящегося вещества и вызывает в них следующую реакцию деления, то происходит лавинообразное нарастание числа актов деления: один нейтрон - первое поколение, два нейтрона - второе поколение, четыре нейтрона  - третье поколение, восемь нейтронов - четвертое поколение и т. д.

Быстрое выделение энергии в такой системе приводит к взрыву.