11.7. деление дер

11.7 Деление ядер
Ганн и Штрассман [2], в бомбардируя 1938 году ядра тяжелых элементов тория Th 90232 и урана
U 92238 нейтронами, хотели получить еще более тяжелые элементы, а открыли явление деления тяжелых ядер на две части близких размеров. В частности, ядра урана превращались в ядра бария и
криптона
235
95
U 92
+ n → Ba 139
(11.25)
56 + Kr36 + 3n .
Явление деления сопровождалось выделением значительной энергии. Естественно, что это
обстоятельство вызвало ажиотажный интерес исследователей. На горизонте замаячил совершенно
новый источник энергии с невиданной эффективностью.
Эффект деления ядер был объяснён год спустя Мейтнером и Ферми. Теория деления была основана на капельной модели, которая предсказывает нестабильность элементов с тяжёлыми ядра232
238
. Если тяжёлое ядро поглотит нейтрон, то время его жизни
ми, такие как торий Th 90
и уран U 92
сократится настолько, что произойдет распад на осколки, разлетающиеся с выделением избытка
энергии порядка 200МэВ. Об этом уже было сказано выше. Львиная доля этой энергии выделяется
в виде кинетической энергии осколков деления.
Процесс деления ядер сопровождался испусканием нейтронов, которые затем, частично поглощались соседними ядрами. Подобно первичным нейтронам, вторичные нейтроны могут вызвать, новое деление ядер, при котором высвобождаются новые нейтроны и т.д. Таким образом,
возникает лавинообразный процесс или цепная реакция. При бомбардировке быстрыми нейтронами торий Th 90232 и уран U 92238 ведут себя одинаково, но в случае медленных нейтронов вероятность
деления для урана оказывается существенно большей. Нильс Бор показал, что происходит деление
не ядер U 92238 , а его изотопа U 92235 , который в качестве небольшой примеси (порядка 0,7%) присутствует в природном уране. Для характеристики динамики деления ядер, которая зависит от числа
вторичных нейтронов, введён коэффициент k.
Коэффициентом k размножения нейтронов называется отношение числа нейтронов, возникших на каком-то этапе реакции, к числу таких нейтронов на предыдущем этапе.
N
(11.26)
k= i .
N i+1
Цепная реакция развивается, если k > 1 (Рис. 11.16).
Нейтроны в ядерной физике используются так же и для получения трансурановых элементов.
238
Если бомбардировать U 92
нейтронами, то в результате захвата нейтрона он превратится в неста239
бильный изотоп, U 92 , который, испуская электроны, будет последовательно превращаться в неп239
239
туний Np 93
, а затем в плутоний Pu 94
:
238
239
U 92
+ n 10 → U 92
+γ,
U
239
92
→ Np
239
93
+β ,
−
(11.27)
(11.28)
Np → Pu + β .
(11.29)
239
Плутоний Pu 93 имеет достаточно стабильное ядро, но легко делится как быстрыми, так и медленными нейтронами
(энергия первых от 0,5 до 50МэВ; вторых не превышает 100 кэВ). Далее плутоний,
испуская α − частицу, превращается в изо235
топ урана
(период полураспада
U 92
239
93
Pu
239
94
239
94
−
Рис. 11.16 Схема цепной реакции [17]
равен 24000 лет). Таким образом, ядерная реакция деления поддерживается за счет захвата
235
нейтронов ядрами U 92
.
55
Для практического применения энергии атомного ядра необходимо получать её в достаточно
больших количествах, но самое важное эта энергия должна быть управляемой.
Ядерная энергия в настоящее время используется, как правило, в традиционной тепловой
форме. Энергия ядерной реакции трансформируется в тепло, а затем известными способами преобразуется в механическую энергию, а затем и в электрическую.
При расщеплении одного ядра образуется в среднем 2,5 нейтрона, и каждый из них в свою
очередь может немедленно вызвать расщепление еще одного ядра. Если дважды образуется по два
нейтрона, то они в состоянии расщепить уже четыре ядра (Рис.11.16). Процесс расщепления происходит молниеносно и лавинообразно, охватывая всю имеющуюся массу делящегося материала.
Другими словами наступает режим цепной реакции. Процесс лавинообразного нарастания числа
вовлечённых в процесс частиц имеет место в квантовых генераторах.
Чтобы цепная реакция имела место в макро объеме, необходимо,
чтобы достаточное количество делящегося материала было сконцентрировано в достаточно малой области пространства. Ядра чрезвычайно малы, и если они не будут плотно упакованы то, много нейтронов
пролетит мимо, как хванера над г. Парижем. Самая маленькая масса
вещества, при которой цепная реакция может возникнуть и идти сама
по себе, называется критической массой. Для очищенного урана U 92235
эта масса занимает объем диаметром около 0,15м. В двух отдельных
образцах половинного размера цепная реакция невозможна. А вот, если
эти два куска урана приблизить друг к другу, то цепная реакция начинается мгновенно (Рис. 11.17) и вся содержащаяся в данной массе энергия за счет расщепления ядер выделяется менее чем за миллионную долю секунды. В этом состоит «секрет» атомной бомбы. Бомба, как правило, состоит из взрывного устройства 1 дистанционного или ударного
действия с зарядом обычного взрывчатого вещества, ядерного заряда 2
и оболочки 3. До взрыва ядерный заряд разделён на две части. Масса
каждой части меньше критической массы. При соединении взрывом
этих частей ядерного заряда происходит цепная реакция, именуемая в
простонародии атомным взрывом.
Ещё в 1903 г. Резерфорд как-то заметил: «Может статься, что какой-нибудь идиот в лаборатории взорвет ненароком весь мир». Классик, естествознания к великому огорчению всего человечества, ошибся.
«Идиоты» возникли не в лабораториях, а на политических Олимпах и
стали эксплуатировать научные идеи под разными «благими» намерениями, подводя планету к опасной черте небытия.
Понятие «атомная бомба» впервые появилось в научнофантастическом романе Герберта Уэллса «Освобожденный мир» в 1913
г. Ещё более прозорливым было предсказание в этом романе искусстРис. 11.17. Схема
венной радиоактивности. Человечество быстро ко всему привыкает, уже
атомной
бомбы [21]
в 1921 г. Андрей Белый на атомную тему писал стихи:
Мир − рвался в опытах Кюри
Атомной, лопнувшею бомбой
На электронные струи.
В 1933 г. венгерский ученый Лео Сцилард, опасаясь преследования со стороны нацистов,
приехал в Англию и там впервые прочел роман Уэллса. Открытие искусственной радиоактивности, впечатление от романа, открытие нейтрона и предчувствие скорой войны воодушевили Сциларда на изобретение принципа новой бомбы. В 1934 г. Сцилард взял патент на первую атомную
бомбу, действие которой он мыслил себе как взрыв в результате цепной реакции размножения
нейтронов в бериллии:
n 10 + Be 94 → Be 84 + 2n 10 .
Наверное, это была первая идея осуществить незатухающую цепную ядерную реакцию. Когда
Сцилард пришел со своей идеей к Резерфорду, тот попросту отказался ее обсуждать, потому что в
этой реакции энергия не выделялась, а поглощалась.
Несмотря на неудачу, интуиция подсказывала Сциларду возможность извлечения разрушительной силы из недр матери. Он начал компанию среди учёных – атомщиков по отказу от публи-
56
каций результатов своих работ по урановым задачам. Он убеждал в этом многих, в частности и
Жолио - Кюри, но это был глас вопиющего в пустыне. После того как Кюри обнародовал свои результаты, из которых следовала, возможность цепной реакции, Сцилард подготовил послание президенту США Теодору Рузвельту о грозящей цивилизованному миру опасности. Письмо 2 августа
1939 г. подписанное Эйнштейном легло на президентский стол.
Человечество впало в процесс интенсивной потери инстинкта самосохранения. Начинался
атомный бум. Тысячи учёных переориентировали свои научные интересы на атомные и ядерные
задачи. Фантастические средства начали направляться на атомные разработки и сопутствующие
технологии.
Об атомной бомбе говорили и писали все, от учёных в толстых журналах, до «всезнающих»
журналистов в вечерних газетах. Все изображали из себя знатоков и оракулов. Как и в наши дни
пресса способствовала формированию общественного мнения. А физики в 1939 г. всё ещё не
очень верили в эти атомно – ядерные забавы. Пессимизм обострился особенно после того, как
Нильс Бор объяснил, что для создания цепной реакции надо разделить изотопы урана, а это была
ещё нерешённая задача. Нильс Бор по этому поводу готов был сформулировать «пятнадцать веских аргументов, доказывающих, что это невозможно». А вот Отто Ган , не был столь пессимистичен, он верил в «злой гений» человечества, но с надеждой повторял: «Несомненно, это было бы
противно воле Божьей».
Учёные, в массе своей, сопротивлялись настойчивым намёкам политиков и военных приложить свои усилия к созданию «мирной атомной бомбы», кокетничали. Так, например, первый разговор Ферми об атомной бомбе с «чёрными» адмиралами США, (март 1939 г.), окончился, мягко
говоря, вежливым взаимным недоверием.
К началу 1941 г. стало известно, что многие ведущие немецкие физики объёдинены в «Урановое общество», 1200 т уранового концентрата из Бельгийского Конго (половина мирового запаса)
конфискованы Германией у побежденной Бельгии и что единственный в мире завод по производству тяжелой воды в Норвегии находится под особой охраной частей СС.
Это сделало учёных гуманистов более сговорчивыми и, работы по урану начали форсировать.
Филипп Альберсон и Эдвин Макмиллан обнаружили, что уран – 235 можно превращать в плутоний – 239, а плутоний от урана отделяется химическими методами. Джеймсу Чэдвику перспективы этой работы виделись настолько очевидными, что он послал в США официальный протест
против открытой публикации такого рода исследований. В науке начиналась эпоха великих тайн и
шпионских страстей.
В середине 1940 г. Карл фон Вейцзеккер в Германии уже отчётливо представлял, что уран −
235 в атомной бомбе можно заменить плутонием − 239. Практическую возможность соорудить
атомную бомбу впервые почувствовали в Англии, там, в 1939 − 1940 гг. были выполнены оценки
критической массы активного вещества. Полученные, чисто технические, понятные всем, включая
военных, результаты в значительной мере повлияли на решение правительства США от 6 декабря
1941 г. начать работы по созданию атомной бомбы.
Как всем известно, менее чем через пять лет, т.е. 16 июля 1945 г. в 5 ч 30 мин утра была взорвана первая из них. К концу этого года опасных «загогулинок» было сотворено уже около двухсот. Заманчиво, знаете ли, иметь под рукой такой убедительный аргумент в пользу своих политических взглядов. После двух первых взрывов военные и политики почувствовали себя богами или
около того.
Мощность атомных бомб, сброшенных на Хиросиму (около 20 кг урана − 235) и Нагасаки
(около 5 кг плутония − 239), эквивалентна взрыву 13 и 21 тыс. тонн тринитротолуола соответственно. В первом случае «сгорело» всего 0,7 кг урана, во втором − 1,2 кг плутония, масса бомб
уменьшилась на 0,7 г и 1,2 г соответственно, температура при взрыве превысила температуру в
центре Солнца, а лиловое облако радиоактивного гриба поднялось до высоты 15 км. Два города,
практически, перестали существовать……..
Сейчас уже можно с большой определённостью сказать, что необходимости в нанесении
атомных ударов по территории, капитулировавшей к тому времени, Японии не было. Было желание продемонстрировать населению планеты, кто в этом доме хозяин, и не более того. Кстати в
наше время такая демонстрация продолжается, теперь уже без оглядки на потенциального противника, имеющего не менее весомые аргументы. Игра, так сказать, пошла исключительно в одни ворота.
Технически значительно сложнее предотвратить развитие цепной реакции, т.е. зафиксировать
интенсивность деления ядер на длительное время. Решение этой задачи связано с оптимизацией
57
сечения взаимодействия. Чтобы ядро расщепилось, оно должно непременно захватить нейтрон.
Сечение ядра в 10 9 раз меньше сечения всего атома, поэтому шансы на успех весьма малы, очень,
знаете ли, трудно попасть. Достичь цели можно двумя способами либо увеличивая точность
стрельбы «снайперский выстрел», либо увеличивая число выстрелов «пулеметная очередь». Вероятность попадания в любом случае должна зависеть как от размеров «мишени», т.е. от поперечного сечения ядра, так и от числа частиц, попадающих на единицу поверхности мишени.
Оказалось, что в процессах взаимодействия, ядро ведет себя так, что его сечение оказывается
много больше или много меньше его геометрических размеров. Сечение взаимодействия совершенно не адекватно геометрическим размерам ядра. В качестве единицы сечения ядра взаимодействия используется специальная величина − барн, элементарная площадь (1 барн =10 28 м2)
,определяемая как:
Число произошедших актов деления
σ=
.
Число нейтронов, попавших на 1см 2
Сечение взаимодействия невозможно рассчитать теоретически, его можно установить только
опытным путём. Определение сечений взаимодействия представляет особый интерес. Сечение определенной ядерной реакции, например, захвата нейтрона, зависит от энергии (соответственно
скорости) частицы. Результат эксперимента представляется с помощью характеристической кривой, которую иногда называют функцией возбуждения. Особое внимание следует обращать на те
точки, где функция скачкообразно возрастает. Они указывают на наличие резонансных явлений,
при которых энергия связи проникшего в ядро нейтрона оказывается достаточной, чтобы возбудить вновь образованное ядро, то есть увеличить его энергию.
Устройства, обеспечивающие управляемое деление ядер радиоактивного вещества, называются ядерными реакторами. В многочисленных конструкциях реакторов используется, как правило,
не чистый радиоактивный материал, как в атомной бомбе, а менее концентрированные смеси. Чаще других применяется природный уран, иногда обогащенный изотопом U 92235 (обычно не более
5%). Активное вещество конструктивно оформляется в виде тепловыделяющих элементов имеющих формы стержней или шаров.
Как отмечалось выше, нейтроны, необходимые для начала реакции деления ядер, содержатся
в активном материале изначально. Небольшое количество ядер, склонно к самопроизвольному
238
расщеплению. Вследствие спонтанного деления, происходящего в U 92
с периодом полураспада
16
10 лет, любая масса урана имеет тенденцию к «вялому» самораспаду. Если масса делящегося материала приблизится к критической, то ничто в принципе не мешает выходу реактора на критический режим, т.е. режим постоянного выделения энергии.
235
Сечение захвата нейтронов активной компонентой реакции U 92
составляет примерно 500 − 10000
барн, что в 200 − 500 раз превышает геометрическое сечение ядра. Но это справедливо только для
очень медленных нейтронов, скорость которых лишь незначительно превышает скорость молекул
воздуха при комнатной температуре
3RT
3 ⋅ 8,3 ⋅ 293
м
≅
≅ 493 .
v =
−2
μ
3 ⋅ 10
c
Это так называемые тепловые нейтроны, энергии которых составляют около 0,025 эВ. Одно238
временно с нейтронами взаимодействует, и другая компонента смеси − U 92
, которая не расщепляется, а только захватывает нейтроны. Максимум сечения поглощения, σ ≅ 1000 барн для
238
U 92
лежит не в области тепловых нейтронов, а в области нейтронов средних энергий ε ≅ 25 эВ. В
этой связи, для функционирования реактора необходимо замедлять скорости нейтронов до тепло238
вых скоростей, предотвращая их контакт с U 92
. Энрико Ферми и Ган предложили использовать в
качестве замедлителя нейтронов парафин C19 H 40 − C 35 H 40 .
Нейтроны, путешествуя внутри парафина, сталкиваются с содержащимися там ядрами водорода и углерода, в процессе упругих соударений передают им большую часть энергии своего движения. Исходя из законов упругого удара, замедляющее действие среды будет максимальным, если массы ядер замедлителя будут того же порядка, что и масса нейтрона.
Обычная вода H 2 O не в полной мере отвечает требованиям, предъявляемым к идеальному замедлителю, однако именно она, ввиду доступности, используется в большинстве ядерных силовых
58
реакторов. Некоторые типы реакторов используют для замедления графит С или тяжелую воду
D2O .
Для замедления или полной остановки ядерной реакции на пути нейтронов помещают материалы с большим сечением захвата, например кадмий (2500 барн для нейтронов с энергией до 0,4
эВ) или карбид бора. Из этих материалов изготавливают стержни и помещают их в активную зону,
в зависимости от глубины погружения реакция замедляется или прекращается вовсе, поскольку
поток нейтронов становится меньше минимального значения, требуемого для поддержания цепной реакции.
Управлять этим способом ядерной реакцией достаточно сложно. Незначительная погрешность
в положении стержней может нарушить равновесие и перевести реакцию из состояния управляемой в состояние атомной бомбы. Посредствам стержней удается осуществлять лишь грубую регулировку, в основном они служат для аварийной остановки ядерной реакции. На рис.11.19 приведена схема одного из возможных вариантов ядерной энергетической установки. Прочный котел
наполнен обычной водой так, что топливные элементы погружены в нее полностью: вода служит
одновременно замедлителем и теплоносителем для отвода полученной тепловой энергии. Возникающий под высоким давлением пар входит в систему через теплообменники: здесь он отдает тепловую энергию во второй контур реактора, питающий паровую машину обычного типа. Принципиальная схема ядерного реактора, приведенная на рис.11.20, включает в себя: 1 – активная зона;
2 – отражатель, 3 – замедлитель, 4 – тепловыделяющий элемент, 5 – стержни регулирования и аварийной остановки, 6 – канал для тока теплоносителя.
Рис.11.19. Схема ядерной энергетической установки [29]
Важнейшей частью конструкции такого реактора является тепловыделяющий элемент. Простейший тепловыделяющий элемент представляет собой блок из активного материала, заключенный в герметичную металлическую оболочку, например, из алюминия. Материал оболочки тепловыделяющего элемента не должен в идеале поглощать нейтроны. Во многих ядерных реакторах
тепловыделяющие элементы объединяются в сборки
или кассеты.
Для того чтобы ядерный реактор мог продолжительное время работать на необходимой мощности,
он должен обладать избытком реактивности. Если
размеры активной зоны ядерного реактора в точности равны критическим, то такой реактор не обладает запасом реактивности, его реактивность считается
равной нулю. Для создания запаса реактивности
размеры активной зоны делают значительно больше
критических и, соответственно, делящийся материал
загружают в количестве, значительно превышающем
критическую массу.
Чтобы безопасно осуществить такую загрузку, в
активную зону реактора вводят органы компенсации Рис.11.20. Схема ядерного реактора [29]
59
избыточной реактивности. Для этой цели чаще всего используются компенсирующие стержни, их
конструкция аналогична стержням регулирования. Ядерный реактор представляет собой мощнейший источник проникающей радиации в виде нейтронов и γ - лучей. Для экологической безопасности реактор окружается биологической защитой, располагающейся за его отражателем.
В настоящее время в качестве топлива в реакторах используются: уран U235, плутоний Pu239,
уран U233, уран U238, торий Th233. Замедлителями служат: обычная вода H 2 O , тяжелая вода D 2 O ,
органические жидкости, графит, бериллий Be94 , окись бериллия, а так же гидриды металлов. Теплоносители: обычная вода, водяной пар, органические жидкости, гелий Не, углекислый газ СО2,
воздух, жидкие металлы.
Ядерные реакторы используются не только для выработки электроэнергии, широкое распространение они получили в судостроении. Атомными силовыми установками оборудуются суда
военного и гражданского назначения. На рис.11.21 приведена структурная схема атомной энергетической установки включающей: 1 –реактор, 2 – первый контур биологической защиты, 3 – циркуляционный насос, 4 – второй контур биологической защиты, 5 – нагреватель первого контура, 6
– парогенератор, 7 – турбина высокого давления, 8 – турбина низкого давления, 9 – редуктор, 10 –
забор забортной воды, 11 – выход забортной воды, 12 – конденсатор, 13 – насос второго контура.
Как это принято у людей, ядерный реактор был установлен в 1949 г. вначале Американцами на
подводной лодке. Первым в мире гражданским судном с атомной силовой установкой был ледокол В.И. Ленин.
Рис.11.21. Схема судовой атомной установки [25]
60