Первая управляемая цепная ядерная реакция была осуществлена Энрико Ферми в США в 1942 году. А в СССР первая цепная реакция была осуществлена Игорем Васильевичем Курчатовым в 1946 году.
Но осуществление цепной реакции деления — это очень сложная техническая задача. Например, в природном уране на долю изотопа урана-235 приходится всего лишь 0,7 %, а более 99 % — это изотоп урана-238. Вызвать же деление урана при попадании в него нейтрона можно только у изотопов с массовым числом 235, так как ядро урана-238 поглощает нейтрон, а деление не происходит.
Итак, какие же условия необходимы для цепных ядерных реакций?
Во-первых, число вторичных нейтронов должно быть больше одного. А энергия нейтронов, выделяющихся при делении, должна быть достаточной чтобы вызвать деление ядер. Ещё должны отсутствовать примеси, поглощающие нейтроны. А также необходимо иметь минимальное количество вещества, чтобы нейтроны успели возбудить ядро до выхода из области деления ядер.
Минимальная масса вещества, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой. Если масса образца недостаточна, то нейтроны деления пролетают через него практически без возбуждения новых ядер.
Для урана критическая масса составляет примерно 48 кг — это шарик, радиус которого примерно равен 8,5 сантиметрам. А для изотопа плутония-239 критическая масса составляет уже 17 кг, что соответствует шарику радиусом 6 сантиметров.
Если масса урана больше критической, то процесс деления ядер начнёт лавинообразно нарастать. Так запускается цепная реакция деления, неконтролируемое развитие которой приводит к освобождению колоссального количества энергии за очень короткий промежуток времени — происходит ядерный взрыв.
|
|
Если же масса урана будет меньше критической, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своём пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов.
Соответственно, при критической массе урана цепная ядерная реакция будет самоподдерживающейся, то есть количество нейтронов в каждом следующем поколении становится равным числу потерянных нейтронов. Поэтому их общее число остаётся неизменным, а реакция будет идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.
Уменьшить потерю нейтронов, которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами, можно не только за счёт увеличения массы, но и с помощью специальных отражателей. Так, например, если между слоями урана положить многочисленные тонкие полиэтиленовые плёнки и окружить его бериллиевой оболочкой, то критическая масса снижается до 242 грамм, а это шарик радиусом всего 1,5 сантиметра.
Полиэтиленовые плёнки в данном случае будут служить так называемыми замедлителями нейтронов. Зачем это нужно? Дело в том, что изотоп урана-235 очень хорошо делится именно под действием медленных нейтронов. А при делении ядра образуются нейтроны быстрые — их скорость достигает 106 м/с.
Поэтому, если их замедлить, то они с большей вероятностью захватятся ядром урана и вызовут акт деления. Чаще всего в качестве замедлителей выступают графит и тяжёлая вода, в состав которой входит дейтерий.
Таким образом, возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нём, наличием оболочки и замедлителя, а также некоторыми другими факторами.
В заключении урока отметим, что управляемая цепная реакция деления ядер осуществляется в специальных технических устройствах, которые называют ядерными реакторами.
https://www.youtube.com/watch?v=4lveg8E5WX0 ссылка на урок
Д/З § - 26 изучить, подготовить конспект