«Чудеса науки современной далеко
превосходят чудеса древней мифологии»
Ральф Эмерсон
В 1932 году была предложена протонно-нейтронная модель атомного ядра. Тогда возник вопрос о том, какие силы удерживают нуклоны в ядре, несмотря на кулоновские силы отталкивания? Ученые пришли к выводу, что это фундаментально новый вид сил, который назвали ядерными силами. Ядерные силы являются самыми мощными силами в природе, но действуют только в пределах атомного ядра. Из этого следовало, что в ядре заключена энергия, которую впоследствии назвали энергией связи. Выяснилось, что суммарная масса всех нуклонов, из которых состоит ядро, больше массы самого ядра. Такую разницу назвали дефектом масс. Именно с этим связано понятие энергии связи. Оказалось, что часть массы нуклонов превращается в энергию связи в соответствии с уравнением Эйнштейна. Тогда ученые немедленно задались вопросом: а нельзя ли получить энергию при расщеплении ядра? Именно об этом будет идти речь в данной теме.
Итак, ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом. Ранее приводились примеры ядерных реакций, когда изучали открытие протона и нейтрона. Напомним, что для стимуляции этих реакций использовалась бомбардировка a-частицами. Надо сказать, что есть более эффективные методы для осуществления ядерных реакций: например, сообщать большую кинетическую энергию частицам с помощью ускорителей. В частности, вместо a-частицы можно использовать ускоренный протон. Во-первых, он будет обладать энергий примерно в 10 тысяч раз большей, чем a-частица, а во-вторых, на него будет действовать вдвое меньшая сила отталкивания со стороны ядра, поскольку заряда протона вдвое меньше, чем заряд a-частицы. Наконец, можно ускорять и другие частицы, имеющую массу, значительно превышающую массу a-частицы.
|
|
В 1932 году удалось провести такого рода реакцию: при бомбардировке ядра атома лития протонами возникало две a-частицы. Было установлено, что кинетическая энергия этих a-частиц на 7,3 МэВ превышала кинетическую энергию протона.
Дело в том, что удельная энергия связи в ядрах гелия больше, чем удельная энергия связи в ядре лития. Именно поэтому, часть энергии ядра лития превратилась в кинетическую энергию a-частиц. Из этого следует, что изменение кинетической энергии в процессе ядерной реакции равно изменению энергии покоя участвующих в реакции ядер и частиц. Разность энергий покоя ядер и частиц до и после реакции называется энергетическим выходом.
Энергетический выход ядерной реакции может быть как положительным, так и отрицательным (то есть, энергия может выделяться, а может поглощаться). В связи с этим, реакции делятся на экзотермические и эндотермические.
Рассмотрим еще один тип ядерных реакций – реакции на нейтронах. С помощью нейтронов гораздо удобнее осуществлять ядерные реакции, поскольку нейтроны не имеют заряда, а, следовательно, ядро их не отталкивает. Первым, кто начал изучать такие реакции, был Энрико Ферми. Например, при попадании нейтрона в ядро алюминия, из него выбивается a-частица и образуется ядро натрия.
Но самое главное, что обнаружил Ферми – это то, что нейтроны не обязательно должны быть быстрыми. Медленные нейтроны в определенных случаях оказались ещё более эффективными, поэтому нейтроны целесообразно замедлять до реакции. Под медленным нейтроном подразумевается нейтрон, скорость которого сравнима со скоростью теплового движения, поэтому такие нейтроны иногда называют тепловыми.
|
|
Рассмотрим важный вопрос: деление ядер урана. Впервые это явление было открыто Фрицем Штрассманом и Отто Ганом в 1938 году. Они обнаружили, что при бомбардировке урана нейтронами образуются такие элементы как барий и криптон. Правильно истолковать этот факт смогли Лиза Мейтнер и Отто Фриш, которые в 1939 году пришли к выводу, что ядра урана делятся. Происходит это следующим образом: в ядро урана попадает нейтрон, который дестабилизирует его. Энергия, которую добавляет нейтрон в ядро, приводит к неким пульсациям, то есть движению нуклонов. В результате ядро деформируется и становится немного продолговатым. И тут возникает следующее: ядерные силы еще продолжают действовать, сжимая ядро, то есть, стараясь удержать нуклоны вместе. В то же время, в продолговатых концах ядра кулоновские силы начинают его еще больше растягивать. В результате, ядро разделяется на два осколка, каждый из которых содержит избыточное число нейтронов. Поэтому, каждый осколок испускает один или два нейтрона. Было вычислено, что при делении ядра урана выделяется энергия примерно равная 200 МэВ. Если подсчитать, какая энергия выделиться при делении ядер урана, содержащихся в одном моле вещества, то получим просто громадное число. Для выделения такого количества энергии, нужно сжечь десятки тонн такого топлива, как бензин или керосин, в то время как масса одного моля урана составляет менее 250 г.
|
|
Сразу следует заметить, что деление ядра урана вызвано нейтроном, но после деления ядра урана возникает минимум два нейтрона. Значит, эти нейтроны, могут вызвать деление уже двух ядер? А потом, четырех, восьми, шестнадцати и так далее. Такие реакции называются цепными реакциями. То есть, цепная реакция – это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию образуются как продукты этой реакции.
Рассмотрим теперь цепные реакции более подробно. Начнем с того, что естественный уран состоит из двух изотопов: уран 235 (U-235) и уран 238 (U-238). При этом, U-235 составляет всего 0,7 % от общего количества урана. Ядра этого изотопа делятся под влиянием любых нейтронов: как быстрых, так и медленных. Ядра U-238 делятся только при условии, что нейтроны обладают энергией не менее 1 МэВ. Такой энергией обладают примерно 60% нейтронов, образующихся при делении, при этом только 20% нейтронов производят деление U-238. Остальные нейтроны просто захватываются ядрами. Таким образом, используя чистый U-238, невозможно получить цепную реакцию. В связи с подобными рассуждениями вводится понятие «коэффициент размножения нейтронов ». Это отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции. Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества. Очевидно, что, коэффициент размножения зависит от количества делящегося вещества. Также, коэффициент размножения зависит от объёма, занимаемого вещества и от его геометрической формы. Дело в том, что некоторые нейтроны могут вылететь наружу, не испытав соударения с ядрами. В связи с этим, коэффициент размножения будет максимален, если вещество имеет шарообразную форму.
При коэффициенте размножения меньше единицы, реакция очень быстро затухает, поскольку число нейтронов, захваченных ядрами, превышает число появляющихся нейтронов. При коэффициенте размножения равным единице устанавливается стабильное течение цепной реакции (поскольку образуется ровно столько же нейтронов, сколько захватывается). Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения, равным единице, называется критической массой. Если же коэффициент размножения хоть чуть-чуть превысит единицу, реакция станет неуправляемой. Количество нейтронов будет расти с огромной скоростью, в результате чего все больше и больше ядер урана будут подвергнуты делению. Это приведет к выбросу огромного количества энергии, то есть к ядерному взрыву. Именно такая неуправляемая реакция используется для создания ядерного оружия.
Известно, что сегодня активно развивается ядерная энергетика. Рассмотрим схему работы ядерного реактора. Ядерный реактор – это устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.
Часто в качестве ядерного горючего используется U-235, поскольку он наиболее эффективно захватывает медленные нейтроны. Итак, в активной зоне находится ядерное топливо в виде урановых стержней, и замедлитель нейтронов (во многих случаях – это тяжелая вода). Проходя через замедлитель, тепловые нейтроны вновь участвуют в делении ядер урана. Если нейтрон попадает в ядро U-235, то реакция повторяется, а если в ядро U-238 – то образуется радиоактивный изотоп U-239. В результате b-распада образуется ядро нептуния, который тоже радиоактивен. Нептуний также испускает b-частицу и превращается в плутоний, который тоже используется в качестве ядерного горючего.
Активная зона реактора посредством труб соединяется с теплообменником, образуя так называемый первый замкнутый контур. Насосы обеспечивают циркуляцию воды в этом контуре. При этом вода, нагретая в активной зоне за счет внутренней энергии атомных ядер, проходя через теплообменник, нагревает воду в змеевике второго контура, превращая ее в пар. Таким образом, вода в активной зоне реактора служит не только замедлителем нейтронов, но и теплоносителем, отводящим тепло.
Основные выводы:
– Ядерные реакции – это изменения атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами или друг с другом.
– Любая ядерная реакция характеризуется энергетическим выходом, то есть разностью энергий покоя ядер и частиц до и после реакции.
– Цепная реакция – это ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию образуются как продукты этой реакции.
– Важнейшей характеристикой цепной реакции является коэффициент размножения нейтронов. Он определяется как отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции.
– Если коэффициент размножения нейтронов меньше единицы, то реакция практически сразу затухает.
– При определенном значении массы делящегося вещества (которое называется критической массой), коэффициент размножения равен единице. В этом случае цепная реакция протекает стационарно.
– Если же коэффициент размножения превышает единицу, то это приводит к неуправляемой реакции и выбросу огромного количества энергии в виде взрыва.
– Для осуществления управляемой реакции деления ядер нужно специальное устройство. Такое устройство называется ядерным реактором.
Первые ядерные реакторы. Впервые цепная ядерная реакция деления урана была осуществлена в США коллективом ученых под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 г.
В нашей стране первый ядерный реактор был запущен 25 декабря 1946 г. коллективом физиков, который возглавлял наш замечательный ученый Игорь Васильевич Курчатов. В настоящее время созданы различные типы реакторов, отличающихся друг от друга как по мощности, так и по своему назначению.
В ядерных реакторах, кроме ядерного горючего, имеются замедлитель нейтронов и управляющие стержни. Выделяемая энергия отводится теплоносителем.
Домашнее задание
1. Что такое критическая масса?
2. Для чего в атомном реакторе используется замедлитель нейтронов?
3.Существуют ли изотопы у бария, относительная атомная масса которого 137,34?