Уравнения реакций для распада ядер

Альфа-распад. Бета-распад. Ядерные реакции

Ядра большинства атомов – это довольно устойчивые образования. Однако ядра атомов радиоактивных веществ в процессе радиоактивного распада самопроизвольно превращаются в ядра атомов других веществ. Так в 1903 году Резерфорд обнаружил, что помещенный в сосуд радий через некоторое время превратился в радон. А в сосуде дополнительно появился гелий: \(88^<226>Ra\rightarrow86^<222>Rn+2^4\) He. Чтобы понимать смысл написанного выражения, он изучил тему о массовом и зарядовом числе ядра атома.

Удалось установить, что основные виды радиоактивного распада – альфа и бета-распад – происходят согласно следующему правилу смещения.

Альфа-распад

При альфа-распаде излучается α-частица (ядро атома гелия). Из вещества с количеством протонов \(Z\) и нейтронов \(N\) в атомном ядре оно превращается в вещество с количеством протонов \(Z-2\) и количеством нейтронов \(N-2\) и, соответственно, атомной массой \(A-4\) . То есть происходит смещение образовавшегося элемента на две клетки назад в периодической системе.

Пример α-распада: \(92^<238>U\rightarrow90^<234>Th+2^4\) He.

Альфа-распад – это внутриядерный процесс. В составе тяжелого ядра за счет сложной картины сочетания ядерных и электростатических сил образуется самостоятельная α-частица, которая выталкивается кулоновскими силами гораздо активнее остальных нуклонов. При определенных условиях она может преодолеть силы ядерного взаимодействия и вылететь из ядра.

Бета-распад

При бета-распаде излучается электрон ( \(\beta\) -частица). В результате распада одного нейтрона на протон, электрон и антинейтрино состав ядра увеличивается на один протон, а электрон и антинейтрино излучаются вовне. Соответственно, образовавшийся элемент смещается в периодической системе на одну клетку вперед.

Пример \(\beta\) -распада: \(19^<40>K\rightarrow20^<40>Ca+_<-1>\ ^0e+_0\ ^0v\) .

Бета-распад – это внутринуклонный процесс. Превращение претерпевает нейтрон. Существует также бета-плюс-распад или позитронный бета-распад. При позитронном распаде ядро испускает позитрон и нейтрино, а элемент смещается при этом на одну клетку назад по периодической таблице. Позитронный бета-распад обычно сопровождается электронным захватом.

Гамма-распад

Кроме альфа и бета-распада существует также гамма-распад. Гамма-распад – это излучение гамма-квантов ядрами в возбужденном состоянии, при котором они обладают большой по сравнению с невозбужденным состоянием энергией. В возбужденное состояние ядра могут приходить при ядерных реакциях, либо при радиоактивных распадах других ядер. Большинство возбужденных состояний ядер имеют очень непродолжительное время жизни – менее наносекунды.

Также существуют распады с эмиссией нейтрона, протона, кластерная радиоактивность и некоторые другие, очень редкие виды распадов. Но превалирующие виды радиоактивности это альфа, бета и гамма-распад.

Можно описать и так, что альфа-распад – это вид радиоактивного распада ядра, в результате которого происходит испускание дважды магического ядра гелия \(^4\) He – альфа-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер – на \(2\) . Альфа-распад наблюдается только у тяжелых ядер (атомный номер должен быть больше 82, массовое число должно быть больше \(200\) ). Альфа-частица испытывает туннельный переход через кулоновский барьер в ядре, поэтому альфа-распад является существенно квантовым процессом. Поскольку вероятность туннельного эффекта зависит от высоты барьера экспоненциально, период полураспада альфа-активных ядер экспоненциально растет с уменьшением энергии альфа-частицы (этот факт составляет содержание закона Гейгера-Нэттола). При энергии альфа-частицы меньше \(2\) МэВ время жизни альфа-активных ядер существенно превышает время существования Вселенной. Поэтому, хотя большинство природных изотопов тяжелее церия в принципе способны распадаться по этому каналу, лишь для немногих из них такой распад действительно зафиксирован.

Скорость вылета альфа-частицы составляет от 9400 км/с (изотоп неодима \(^<144>\) Nd) до \(23700\) км/с (у изотопа полония \(^<212m>\) Po). В общем виде формула альфа-распада выглядит следующем образом:

Пример альфа-распада для изотопа \(^<238>U\) :

Альфа-распад может рассматриваться как предельный случай кластерного распада.

Впервые альфа-распад был идентифицирован британским физиком Эрнестом Резерфордом в 1899 году. Одновременно в Париже французский физик Пол Виллард проводил аналогичные эксперименты, но не успел разделить излучения раньше Резерфорда. Первую количественную теорию альфа-распада разработал советский и американский физик Георгий Гамов.

Какой вид иони­зи­ру­ю­щих из­лу­че­ний из пе­ре­чис­лен­ных ниже наи­бо­лее опа­сен при внеш­нем об­лу­че­нии че­ло­ве­ка?

Де­тек­тор ра­дио­ак­тив­ных из­лу­че­ний по­ме­щен в за­кры­тую кар­тон­ную ко­роб­ку с тол­щи­ной сте­нок \(\approx1\) мм. Какие из­лу­че­ния он может за­ре­ги­стри­ро­вать?

Какой заряд \(Z\) и мас­со­вое число А будет иметь ядро эле­мен­та, по­лу­чив­ше­го­ся из ядра изо­то­па \(_<84>^<215>\) Po после од­но­го \(\alpha\) -рас­па­да и од­но­го элек­трон­но­го \(\beta\) -рас­па­да?

\(\alpha\) -из­лу­че­ние – это

В результате одного \(\alpha\) -распада и одного \(\beta\) -распада из радиоактивного изотопа лития \(_3^8Li\) образуется изотоп

Естественная радиоактивность – это

\(\alpha\) -излучение представляет собой поток

Ядерная реакция имеет вид \(x+_1^1H \rightarrow _<11>^<22>Na+_2^4He\) . Определите недостающий элемент.

Ядерная реакция имеет вид \(_2^4He + _4^9Be \rightarrow _6^<12>C+x\) . Определите недостающий продукт реакции.

Ядро бериллия \(9^4\) Ве сталкивается с частицей, при этом продуктом реакции оказались один нейтрон и ядро изотопа некоторого элемента. Определите этот элемент.

Каково массовое число ядра \(X\) в реакции \(^<247>_<96>\!Cm + ^<4>_<2>\!He → X + 2^1_0n?\)

Определите число \(α\) и \(β\) распадов при превращении ядра урана \(_<92>^<238>\!U\) в ядро свинца \(_<82>^<206>Pb\) .

Определите массовое число и порядковый номер элемента, образовавшегося из урана \(_<92>^<238>\) U , если с ним произошло \(3\ \alpha\) -распада и \(2\ \beta\) -распада.

Определите массовое число ядра \(X\) в реакции деления урана.

Из приведенных реакций выберите те, которые соответствуют термоядерным.

Лекция 2. Радиоактивный распад. Ядерные реакции

ЛЕКЦИЯ 2. РАДИОАКТИВНЫЙ РАСПАД. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

В 1902 г Резерфорд доказал, что при радиоактивном распаде происходит ядерные взаимодействия в результате которых одни атомы превращаются в другие.

Радиоактивный распад — это явление, вызванное способностью некоторых ядер (радиоактивных) самопроизвольно (спонтанно) испускать различные частицы и превращаться в другие ядра. Радиоактивные ядра делятся на естественные и искусственные. Все естественные радиоактивные ядра принадлежат трем радиоактивным цепочкам (семействам), родоначальниками которых являются нуклиды , , .

Большое число радиоактивных нуклидов возникает при изменении состава ядер в результате ядерных реакций, поэтому их называют искусственными радиоактивными ядрами. Естественные и искусственные радиоактивные ядра отличаются друг от друга только происхождением, а их радиоактивный распад подчиняется одним и тем же закономерностям.

Радиоактивный распад записывают в виде уравнения:

(1.4), где

— начальное (материнское) радиоактивное ядро;

— дочернее ядро (продукт распада);

— испускаемая частица.

Радиоактивный распад характеризуется периодом полураспада — временем, за которое распадается половина исходных ядер (Т1/2); постоянной распада λ; средним временем жизни радиоактивного ядра (Тср); Эти величины связаны между собой следующим образом:

Т1/2 = 0,693 / λ (1.5);

Тср = 1 / λ ≈ 1,45 Т1/2 (1.6).

Каждая разновидность радиоактивных ядер имеет свои индивидуальные особенности распада: продукты распада и период полураспада. Период полураспада изменяется в очень широких пределах (10-7 с — 2 ⋅1017 лет ).

Если при радиоактивном распаде материнского ядра дочерние ядра так же радиоактивны, распад продолжается дальше. Последовательную цепочку таких радиоактивных ядер называют радиоактивным семейством. Например, радиоактивное семейство урана выглядит следующим образом:

Из приведенной схемы видно, что радиоактивное семейство урана начинается с радиоактивного нуклида и заканчивается стабильном нуклидом.

1.5.1 Альфа-распад. Альфа-распад характерен для естественно-радиоактивных элементов с большим порядковым номером (Z)- радий, уран, торий и т. д. α- лучи — это поток быстро летящих ядер гелия, имеющих заряд +2 и массу 4. Поскольку α частица обладает двумя единицами положительного заряда и атомной массой, равной 4, то после вылета ее из ядра атомный номер вновь образованного ядра оказывается меньше исходного на 2 единицы, а массовое число — на 4 единицы.

88 Rа226 →86 Rn222+2Не4 (α-частица) (1.7)

б – частицы, испускаемые данным радионуклидом, по своей энергии либо однородны, либо разделяются на небольшое число групп. В случае б – частиц одинаковой энергии (например, Rn222) происходит переход от единого энергетического уровня б_активного ядра к единому уровню образующегося ядра. Испускание б-частиц различной энергии ядрами одного и того же вида может происходить при наличии различных энергетических уровней. Испускание нескольких групп б-частиц связано с тем, что при распаде могут возникать возбужденные ядра 9 продукты распада), которые, переходя в основное состояние испускают г-кванты.

1.5.2 Бета-распад характерен как для естественно-радиоактивных элементов, так и для искусственно — созданных радиоактивных элементов; β-частицы –это поток быстро летящих электронов – частиц, имеющих заряд -1 и массу, равную 0. После вылета из ядра β- частицы атомный номер вновь образованного атома увеличивается на единицу, а атомная масса практически не изменяется, т. к. масса «покоящегося» электрона почти 2000 раз меньше массы атома водорода.

Вылет электрона сопровождается вылетом частицы, не обладающей зарядом и имеющим ничтожно малую массу. Эта частица называется нейтрино. Спектр в-распада непрерывный. Суммарная энергия в-частицы м нейтрино равна максимальной энергии, характерной для данного радионуклида [2].

1.5.3 Позитронный бета распад (β+) наблюдается у некоторых искусственных радиоактивных изотопов. Позитрон отличается от электрона только положительным зарядам. После вылета позитрона атомной номер вновь образованного ядра уменьшается на единицу, а атомная масса практически не изменяется. Например

Позитронный распад характерен для ядер, содержащих избыточное число протонов и эквивалентен превращение протона ядра в нейтрон.

Позитрон недолговечен. После зануления в выпуске он соединяется с каким-либо электроном, в результате чего происходит образование двух фотонов (гамма-квантов) с энергией 0,511 Мэв каждый.

Этот процесс называется аннигиляцией, а излучение аннигиляционным. В отличие от γ-излучения оно рождается вне ядра. Вылет каждого позитрона также сопровождается вылетом нейтрино; и позитронный β+ спектр также является непрерывным.

1.5.4 К-захват. К-захватом называется процесс радиоактивности при котором происходит захват электрона ядром с самой внутренней К-оболочки атома. Это происходит в элементах, когда энергия ядра невелика. При К-захвате атомный номер нового радиоактивного элемента, как и позитронном распаде, уменьшается на единицу, а атомная масса остается практически без изменений. Например,

29Cu64 + -1в0 → 28Ni64 (1.8)

Освободившийся электронный уровень (на К — или α- оболочки атома) немедленно занимается другим электроном из другой более внешний оболочки. Этот период сопровождается испусканием так называемого характеристического рентгеновского излучения. При К-захвате единственной вылетающей из ядра частицей является нейтрино.

1.5.5. Изомерный переход (И. П.) И. П. — представляет собой переход ядра из метастабильного состояние в основное. Под метастабильным состоянием понимается возбужденное состояния ядра, период “высвечивания” которого в 1000 раз больше периода “высвечивания” при простом возбуждении ядра. Причиной является значительное по величине различии в моментах количества движения основного и возбужденного состояний.

Таким образом, состояния возбужденного атома будет метастабильным, если вероятность перехода его на основной уровень очень мала. Периоды полураспада И. П. колеблются от 10-9-10-8 сек. до нескольких месяцев.

1.5.6 γ — распад. В процессе γ — излучения радиоактивное ядро самопроизвольно переходит из возбужденного состояние в менее возбужденное или основное состояние. При этом избыток энергии ядра освобождается в виде коротковолнового (длина волны 10-12 — 10-10 м) электромагнитного излучения γ — кванта.

Излучение γ — квантов является основным процессом освобождения ядра от избыточной энергии. При этом нуклонный состав ядра не меняется. Энергия γ — квантов после α — распада в основном состоянии не превышает 0,5 Мэв, а после β — распада составляет 2 — 2,5 Мэв. Такое γ — излучение представляет основную радиационную опасность при работе с радиоактивными веществами.

Радиоактивный распад с вылетом нуклона является сопутствующим процессом. После β — распада дочернее ядро иногда

образуется в сильно возбужденном состоянии, при этом энергия возбуждения (8-11 Мэв) превышает энергию связи нуклона в ядре. Поэтому происходит испускание из дочернего ядра не γ — кванта, а нуклона, который в этом случае называется запаздывающим. При β+ — распаде образуется запаздывающий протон, а при β- — распаде — запаздывающий нейтрон. Однако такие процессы испускания запаздывающих нуклонов обнаруживается только у искусственных ядер. Переход ядер в метастабильное состояние осуществляется после ядерных превращений, происходящих в результате захвата медленных нейтронов, фотонейтронного процесса, бомбардировки ядер заряженными частицами.

При движении частиц в веществе происходит их взаимодействие с атомами этого вещества, т. е. с ядрами и окружающими их электронами. При столкновении частиц с ядром происходят различные ядерные реакции, т. е. реакции в результате которых происходит изменение заряда или массы частицы и ядра или испускаются γ — кванты.

Впервые ядерную реакцию осуществил Резерфорд в 1919 году при взаимодействии α — частицы с азотом

(1.9)

Звездочка означает возбужденное состояние составного ядра.

Ядерные реакции, как и химические, записывают в виде уравнения. В левой части уравнения указывают исходное ядро (А — масса ядра, Z — заряд ядра) и воздействующую частицу а, а правой части — продукты ядерной реакции (новое ядро и выделяющуюся частицу в):

(1.10)

где С* — составное (промежуточное) ядро в возбужденном состоянии.

Тип ядерной реакции определяется видом воздействующий и выделяющейся частицы (а, в). Если они совпадают (а, а), реакцию называют рассеянием частицы (а). Если в ядерной реакции частица а исчезает (поглощается ядром), а вместо неё появляется новая частица в, состав ядра изменяется: происходит ядерное превращение.

По механизму взаимодействия ядерные реакции можно разделить

— прямые ядерные реакции;

— реакции с образованием составного ядра.

Прямые ядерные реакции происходят за очень короткое время.

Во время ядерной реакции сохраняется общее число нуклонов и суммарный заряд, а происходит только перераспределение нуклонов и заряда между ядрами и частицами. Сохранение заряда и числа нуклонов позволяет качественно определить возможные направления протекания ядерной реакции.

1.4 Механизм деления атомных ядер

1.7.1 Взаимодействия нейтронов с ядрами. Свободные нейтроны появляются в результате различных ядерных реакций. Свободный нейтрон является нестабильной частицей, среднее время жизни нейтрона около 15 минут.

Основное взаимодействие нейтронов с ядрами связано с проявлением ядерных сил. Характер взаимодействия нейтронов с ядрами в большой степени зависит от энергии нейтронов. Поэтому нейтроны разбиваются на три энергетические группы:

— быстрые (0,1 — 10 МэВ);

— промежуточные (0,2 — 105 эВ);

— тепловые (менее 0,2 эВ).

Присоединение нейтрона к ядру (захват нейтрона) происходит обычно редко, и его столкновение с ядром чаще всего заканчивается рассеянием. В каждом акте рассеяния ядро получает импульс отдачи, а энергия нейтрона при этом уменьшается. Этот процесс снижения кинетической энергии нейтронов при рассеянии называется замедлением.

При захвате нейтрона ядром образуется составное ядро, которое затем делится на два ядра:

(1.11)

(1.12),

где, — продукты деления ядра .

1.7.2 Механизм деления атомных ядер. Теорию деления тяжелых ядер предложили одновременно и независимо друг от друга физики Н. Бор и . Это теория основывалось на опытах итальянского физика Э. Ферми, который для получения трансурановых элементов (Z > 92) предложил воздействовать на тяжелые ядра нейтроном. Однако в своих опытах Ферми не получил новых трансурановых элементов, он сумел впервые расщепить ядро урана.

По теории Бора и Френкеля делению ядра предшествует образование составного ядра (ядерной капли), которое становится возбужденным за счет энергии связи присоединенного к исходному ядру нейтрона. Возбужденное ядро начинает деформироваться: сначала оно принимает форму эллипсоида, затем при наличии достаточной энергии форму гантели и наконец под действием кулоновских сил отталкивания разрывается на два осколка (рис. 1.4).

а) недеформированное ядро;

б) начальная и в) конечная стадии деформации возбужденного ядра;

г) деление ядра на осколки

Рис.1.4 Схема процесса деления ядра

При делении ядра на осколки происходит изменение энергии под действием кулоновских и ядерных сил, при этом кулоновская энергия (Екул) уменьшается, а энергия поверхностных ядерных сил (ЕS) увеличивается. Для ядер с зарядом Z 45 уменьшение Екул незначительно, и не компенсирует ЕS, поэтому легкие ядра не склонны к делению, а могут вступить реакцию синтеза. При Z ≈ 45 Екул ≈ ЕS, поэтому такие средние ядра являются самыми устойчивыми, они не склонны ни к делению, ни к синтезу.

При больших Z уменьшение Екул будет больше ЕS, потому тяжелые ядра в результате деления переходят в более устойчивое состояние.

Вероятность деления тяжелых ядер зависит от параметра деления Z2/А, где Z — заряд ядра, А — его атомная масса, который характеризует соотношение сил Екул и ЕS.

Деление ядер энергетически возможно при Z2/А > 17 и для ядер, у которых А > 90.

На рис.1.5 показана зависимость потенциальной энергии при делении ядер с различными параметрами от расстояния между осколками.

1 — Z2 / A ЕА, называются делящимися. Вещества, которые содержат делящиеся нуклиды в количестве, достаточном для обеспечения цепной реакции деления, называют ядерным топливом.

Цепную реакцию деления обеспечивает наличие в ядерном

топливе делящихся нуклидов и ; эти нуклиды в природе не

встречаются, их получают искусственным путем в ядерных реакциях под воздействием нейтронов:

(1.14)

(1.15)

Искусственно делящиеся нуклиды являются α — активными, но с достаточно большим периодом полураспада (2,4⋅104 лет; 1,6 ⋅105 лет), что позволяет с практической точки зрения считать их стабильными.

Накопление делящихся нуклидов может производиться в ядерных реакторах, где имеется большой избыток свободных нейтронов. Изотопы тория и урана, которые используют для получения искусственных делящихся веществ, называют топливным сырьем.

Процесс деления тяжелых ядер может протекать более чем по 30 направлениям согласно схеме:

(1.16)

Продуктами деления являются осколки ; kn нейтронов (k=0,1,2. 5); γ — кванты и нейтрино. Среди осколков деления находятся нуклиды с массовыми числами от 72 до 161 и значениями Z от 30 до 65.

Важнейшей особенностью продуктов деления является их радиоактивность; это связано с тем, что в образующихся ядрах осколках наблюдается избыток нейтронов. Так как осколки неустойчивы, они испускают вторичные нейтроны, которые приводят к развитию цепной реакции деления.

1.8.3 Цепная реакция деления. Цепной процесс деления основан на ядерной реакции, которая возбуждается одним нейтроном, а в результате её осуществления возникают вторичные нейтроны. Если бы в каждом акте деления появился только один нейтрон, то цепной процесс остался бы неразветвленным ввиду поглощения и потери нейтронов. Появление в каждом акте деления больше одного нейтрона создает предпосылки для развития разветвленной цепной реакции (рис.1.6).

Рис. 1.6 Схема цепной реакции деления ядра

Один из вторичных нейтронов продолжает начатую цепь, а остальные образуют новые цепи, которые вновь ветвятся и т. д.

Возникновению цепной реакции препятствуют процессы, приводящие к обрывам цепей (за счет потери и поглощения нейтронов). Если число обрывов цепей больше, чем их порождений, цепная реакция затухает. С другой стороны, если число образующихся новых цепей больше, чем обрывов, цепная реакция развивается. Равенство между числом новых цепей и числом обрывов называется критическим состоянием. Критические состояние разделяет две области: одну, где цепная реакция может развиваться, и вторую, где она затухает.

Для анализа течения цепной реакции деления вводят коэффициент размножения, показывающий отношение числа нейтронов ni любого поколения к их числу ni-1 в предыдущем поколении:

Если k=1, то имеет место критическое состояние (установившаяся цепная реакция). Если k 1, состояние системы называют подкритическим (цепная реакция затухает). При надкритическом состоянии k > 1 цепная реакция лавинообразно возрастает.

Для получения управляемой ядерной реакции ее проводят в размножающей среде, включающей ядерное топливо и замедлитель. Размножающая среда может быть гомогенной (ядерное топливо и замедлитель составляют равномерную смесь) и гетерогенной (ядерное топливо и замедлитель, разъединены между собой). В качестве замедлителя используют легкую воду (Н2О), тяжелую воду (Д2О) или графит.

Цепную реакцию деления можно осуществить с использованием разных видов ядерного топлива и замедлителя:

1) естественного урана с тяжеловодным или графитовым замедлителем;

2) слабо обогащенного урана с любым замедлителем;

3) сильно обогащенного урана или искусственного ядерного топлива (плутония) без замедлителя (цепная реакция деления на быстрых нейтронах).

Ядерные реакции

Ядерная реакция – это процесс взаимодействия одного ядра с другим или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ -квантов.

Результатом ядерных реакций является образование новых радиоактивных изотопов, которые не существуют на Земле в естественных условиях.

Осуществление первой ядерной реакции пришлось на 1919 год. Э. Резерфорд обнаружил протоны в продуктах распада ядер. Он бомбардировал атомы азота α -частицами. Во время соударений частиц шла ядерная реакция, для которой подразумевалась специальная схема:

N 7 14 + He 2 4 → O 8 17 + H 1 1 .

В ее процессе выполняются законы сохранения импульса, энергии, момента импульса и заряда. Ядерные реакции характеризуются законом сохранения барионного заряда (количества нуклонов). Применимы и другие законы, используемые в ядерной физике и физике элементарных частиц.

Протекание ядерной реакции идет с помощью бомбардирования атомов быстрыми заряженными частицами (протонами, нейтронами, α -частицами, ионами). Изначально она была проведена с помощью протонов, содержащих большую энергию, полученных на ускорителе, еще в 1932 году:

Li 3 7 + H 1 1 → He 2 4 + He 2 4 .

Больше всего ученых заинтересовали реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Беспрепятственный их проход в атомные ядра связан с отсутствием заряда. Физик Э. Ферми занимался изучением реакций, вызываемых нейтронами. Он выявил, что такие превращения могут быть вызваны медленными и быстрыми нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

Они сопровождаются энергетическими превращениями.

Энергетический выход – это величина Q = M A + M B — M C — M D c 2 = ∆ M c 2 ,

где M A и M B подразумевают массы исходных продуктов реакции, а M C и M D массы конечных. Значение ∆ M называют дефектом масс.

Любые ядерные реакции протекают с выделением Q > 0 или поглощением Q 0 энергии. Последняя из них говорит о том, что первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов не должна превышать величину Q , которая получила название порога реакции.

Чтобы у ядерной реакции был положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна равняться меньшему значению удельной энергии нуклонов конечных. Это значит, что ∆ M должно быть положительное.

Существуют два различных способа освобождения ядерной реакции: деление тяжелых ядер и термоядерные.

Деление тяжелых ядер

Данный способ освобождения ядерной реакции отличаются от радиоактивного распада ядер тем, что сопровождаются испусканием α — или β — частиц. Сама реакция – процесс деления нестабильного ядра на две крупные части сравнимых масс.

Ученые О. Ган и Ф. Штрассман в 1939 году открыли деление ядер урана. Продолжив исследования Ферми, они выявили, что бомбардирование урана нейтронами провоцирует появление элементов средней части периодической системы – радиоактивных изотопов бария Z = 56 , криптона
Z = 36 и других.

Уран можно встретить в виде двух изотопов U 92 238 ( 99 , 3 % ) и U 92 235 ( 0 , 7 % ) . Бомбардировка нейтронами ядра обоих изотопов расщепляет их на два осколка. Реакция деления U 92 235 происходит интенсивней на медленных (тепловых) нейтронах, а ядра U 92 238 вступают в реакцию только с быстрыми при наличии энергии, равной 1 М э В .

Большой интерес для ученых представляла реакция деления ядра U 92 235 . На данный момент существует около 100 различных изотопов с массовыми числами от 90 до 145 , которые возникают при его делении. Это можно изобразить в виде двух типичных реакций:

При делении ядра, инициированного нейтроном, появляются новые, которые вызывают реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана- 235 являются другие изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и др.

Энергия, выделяемая при делении одного ядра урана, достигает 200 М э В . Оценка энергии производится с помощью удельной энергии связи нуклонов в ядре. Для ядер с массовым числом A ≈ 240 удельная энергия связи нуклонов в ядрах порядка 7 , 6 М э В / н у к л о н , а для ядер с массовыми числами А = 90 — 145 она составляет – 8 , 5 М э В / н у к л о н . Отсюда следует, что процесс деления способен освободить энергию около 0 , 9 М э В / н у к л о н , то есть 210 М э В на один атом урана. Энергия, выделяемая при полном делении всех ядер 1 г урана сравнима со сгоранием 3 т угля или 2 , 5 т нефти.

Нестабильность продуктов деления ядра выражается в содержании избыточного числа нейтронов. По отношению N Z наиболее тяжелые ядра составляют примерно 1 , 6 , при массовых числах от 90 до 145 отношение порядка 1 , 3 – 1 , 4 . Отсюда следует, что ядра-осколки испытывают последовательные β — распады, в результате которых число протонов возрастает, а число нейтронов уменьшается до тех пор, пока не образуется стабильное ядро.

Деление ядра урана- 235 вызвано столкновениями с нейтроном, после чего происходит освобождение еще двух или трех. При наличии благоприятных условий они попадают в другие ядра урана и вызывают их деления. Этот этап характеризуется нейронами в количестве 4 — 9 , которые далее вызывают его распад.

Лавинообразный процесс деления получил название цепной реакции.

На рисунке 6 . 8 . 1 представлена подробная схема такой реакции при делении ядер урана.

Рисунок 6 . 8 . 1 . Схема развития цепной реакции.

Чтобы такая реакция была осуществима, следует учитывать значение коэффициента размножения нейтронов, который должен быть больше 1 . Иначе говоря, каждое последующее поколение нейтронов должно быть больше, чем предыдущее. Коэффициент размножения определяется не только количеством образующихся нейтронов, но и условиями протекания самой реакции, так как их часть может поглощаться другими ядрами или выходить из зоны реакции.

Освободившиеся при делении ядер урана- 235 нейтроны могут вызывать дальнейшее деление, но только ядер данного урана, количество которого в природном уране всего 0 , 7 % .

Изотоп U 92 238 способен поглощать нейтроны, но цепной реакции это не вызовет. Ее возникновение возможно при повышенном содержании урана- 235 в самом уране, то есть при превышении критической массы. Небольшие куски урана имеют большинство нейтронов, которые при реакции не попали в ядра, в результате чего вылетают наружу.

Критическая масса для урана- 235 составляет 50 к г . Ее уменьшение производится с помощью замедлителей нейтронов. При распаде урана появляющиеся нейтроны обладают высокими скоростями, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана- 235 в сотни раз больше, чем быстрых. Лучшим замедлителем считается тяжелая вода D 2 O . Ее получают при взаимодействии чистой воды с нейтронами.

Графит также считается хорошим аналогом, но его ядра не поглощают нейтроны. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода они замедляются до значений тепловых скоростей.

Для снижения критической массы до 250 г актуально применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая способна отражать их.

Атомные бомбы – это характерный пример цепной неуправляемой ядерной реакции, в результате которой происходит реактивное соединение двух кусков урана- 235 , каждый из которых обладает массой ниже критической.

Устройство, поддерживаемое управляемой реакцией деления ядер, называют ядерным (атомным) реактором.

На рисунке 6 . 8 . 2 изображена схема ядерного реактора на медленных нейтронах.

Рисунок 6 . 8 . 2 . Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах.

Протекание ядерной реакции характерно для активной зоны реактора, которая заполнена замедлителем и пронизана стержнями с обогащенной смесью изотопов урана с повышенным содержанием урана- 235 (до 3 % ). Стрежни с кадмием или бором, поглощающие нейтроны, вводят в активную зону. Этот процесс позволяет контролировать скорость цепной реакции.

Охлаждение активной зоны производится с помощью прокачиваемого теплоносителя в качестве воды или металла с низкой температурой плавления (натрий). Передача тепловой энергии воде производится теплоносителем, находящимся в парогенераторе. Вода принимает состояние пара с высоким давлением, который направляется в турбину, соединенную с электрогенератором, после чего вода попадает в конденсатор. Отсутствие утечки радиации обусловлено работой теплоносителя I и парогенератора II по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции используется в качестве тепловой машины, которая определяет по второму закону термодинамики общую эффективность станций. Современные атомные электростанции имеют КПД= 1 3 . Чтобы произвести 1000 М В т электрической мощности, необходимо достичь значения 3000 М В т тепловой мощности в реакторе. Около 2000 М В т уносятся с водой, которая охлаждает конденсатор. Это может привести к локальному перегреву естественных водоемов, то есть появлению экологических проблем.

Основной трудностью работы таких станций является обеспечение полной радиационной безопасности находящихся на ней людей и предотвращения случайных выбросов радиоактивных веществ, которые накапливаются в активной зоне реактора. Данной проблеме уделяется особое внимание. После произошедших аварий на АЭС в Пенсильвании в 1979 году и в Чернобыле в 1986 году вопрос безопасности становится особенно необходимым.

Практический интерес вызывают реакторы, которые способны работать без замедлителя на быстрых нейтронах. Они содержат ядерное горючее, содержащее не менее 15 % изотопа υ 92 235 . Преимущество таких реакторов состоит в том, что, работая, ядра урана- 238 способны поглощать нейтроны при помощи двух последовательных β -распадов, которые превращаются в ядра плутония, используемые как ядерное топливо:

Коэффициент воспроизводства таких реакторов достигает значений 1 , 5 , то есть на получение 1 , 5 к г плутония приходится 1 к г урана- 235 . Обычные реакторы также образуют плутоний, но в меньших количествах.

В США первый ядерный реактор был построен в 1942 году под руководством Э. Ферми, а в нашей стране в 1946 году с И.В. Курчатовым.

Термоядерные реакции

Еще один путь для освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. Слияние легких ядер и образование нового сопровождаются выделением большого количества энергии. На рисунке 6 . 6 . 1 показана зависимость удельной энергии от массового числа А в виде кривой. Даже ядра с массовым числом 60 характеризуются увеличением энергии нуклонов с ростом А . Отсюда получаем, что синтез любого ядра с A 60 из более легких ядер идет с выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза меньше массы первоначальных частиц.

Реакция слияния ядер получила название термоядерных, так как их протекание возможно только при высоких температурах.

Для вступления двух ядер в реакцию синтеза необходимо сблизить их на расстояние ядерных сил порядка 2 · 10 — 15 м , преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов. Для выполнения этого условия нужно, чтобы средняя кинетическая энергия теплового движения молекул превосходила потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Получение необходимой температуры Т дает величину 10 8 — 10 9 К . Она слишком высокая.

Температура 10 8 — 10 9 К указывает на нахождение вещества в ионизированном состоянии, то есть плазмы.

Энергия, выделяемая при термоядерных реакциях, в расчете на 1 н у к л о н в несколько раз превышает удельную энергию, которая выходит при цепной реакции деления ядер, показанная на примере формулы. То есть при реакции слияния ядер дейтерия и трития

H 1 2 + H 1 3 → H e 2 4 + n 0 1 + 17 , 6 выдает 3 , 5 М э в / к у л о н . Полное выделение энергии составляет 17 , 6 М э В . Ее считают наиболее перспективной термоядерной реакцией.

Возможность осуществления управляемых термоядерных реакций дает человеку новый и экологически чистый источник практически неисчерпаемой энергии. Но для получения сверхвысоких температур и удержания плазмы, нагретой до миллиарда градусов, требуется решение труднейшей научно-технической задачи для осуществления термоядерного синтеза.

Данный этап развития науки характеризуется наличием неуправляемой реакции синтеза в водородной бомбе. Достижение высокой температуры, необходимой для ядерного синтеза, производится путем взрыва урановой или плутониевой бомбы.

Роль термоядерных реакций важна в эволюции Вселенной. Энергия изучения Солнца и звезд характеризуется термоядерным происхождением. Примером служит ядерная реакция горения гелия, изображенная ниже.

Рисунок 6 . 8 . 3 . Возраст 10 7 лет.

Внутреннее строение звезды с массой 5 M ⊙ как функция возраста. Заштрихованы области протекания ядерных реакций. Конвективные зоны отмечены точками.

Рисунок 6 . 8 . 4 . Модель ядерного реактора.

Рисунок 6 . 8 . 5 . Модель синтеза гелия.

Рисунок 6 . 8 . 6 . Модель ядерных превращений.