Деление ядер урана было открыто немецкими учеными в 1939 г – Отто Ганом и Фрицем Штрассманом. При бомбардировке ядер урана нейтронами (рис. а) происходит поглощение ядром лишнего нейтрона, при этом ядро возбуждается и деформируется, приобретая вытянутую форму (рис. б). В вытянутом ядре ядерные силы уже не действуют (т.к. они действуют только на малом расстоянии), а расстояние между частями ядра становится большим. Под действием электростатических сил отталкивания ядро разрывается на 2 части (рис. в), которые разлетаются с огромной скоростью и излучают 2-3 нейтрона, т.е. происходит деление ядер урана.
Таким образом, часть внутренней энергии ядра переходит в кинетическую энергию разлетающихся двух примерно равных частиц, которые называются осколками деления. Осколки быстро тормозятся в окружающей среде, в результате чего их кинетическая энергия превращается во внутреннюю энергию среды.
При одновременном делении большого количества ядер урана внутренняя энергия окружающей среды (а значит и температура), заметно возрастают. Следовательно, реакция деления ядер урана сопровождается выделением огромной энергии в окружающую среду. При делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется энергии столько, сколько выделяется при сгорании 2,5 тонн нефти!
Для преобразования внутренней энергии атомных ядер в электрическую, на атомных станциях используют цепные реакции деления ядер.
Суть цепной реакции деления такова: ядро атома урана разделяется на 2 части и 2-3 нейтрона. Если 2 из этих нейтронов вызовут еще реакцию деления, то образуется уже 4 нейтрона, а те в свою очередь образуют еще каждый по 2 нейтрона и т.д. (см. рис), т.е. число свободных нейтронов увеличивается лавинообразно.
Но может пойти процесс таким образом, что число нейтронов станет убывать и цепная реакция прекращается. В мирных целях возможно использование цепной реакции такой, при которой число нейтронов не меняется со временем. Одним из факторов, влияющих на число нейтронов в куске урана, является масса урана. Чтобы реакция не прекращалась массу урана нужно увеличить до значения, которое называется критическим. При критической массе урана число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов (захваченных ядрами без деления и вылетевших за пределы куска). Такая реакция может идти длительное время, не приобретая взрывного характера. Итак:
Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической.
Если масса урана больше критической, это приведет к взрыву, если меньше критической, то цепная реакция прекратится. Уменьшить долю вылетевших нейтронов (а значит, не прореагировавших с ядрами) можно путем помещения куска урана в специальную отражающую оболочку. Оболочка отражает нейтроны, возвращая их обратно в уран. В качестве такой оболочки может использоваться бериллий.
Наличие примесей в уране прекращает реакцию, т.к. примеси поглощают нейтроны, поэтому желательно уменьшать количество примесей. В уран можно добавить замедлители нейтронов, которые замедляют нейтроны, почти не поглощая их. В качестве замедлителей используются графит, вода, тяжелая вода. Замедлители используются из-за того, что при делении урана-235 образуются быстрые нейтроны, а деление самого ядра происходит под действием медленных нейтронов. Таким образом, замедляя быстрые нейтроны, получают возможность протекания цепной реакции.
Использую перечисленные выше способы воздействия на цепную реакцию можно снизить критическую массу с 50 кг до 0,8 кг.
Запомни!
Возможность протекания цепной реакции определяется:
- массой урана;
- количеством примесей в уране;
- наличием оболочки;
- замедлителем.
Задание:
1. Почему деление ядра может начаться только тогда, когда оно деформируется под действием нейтрона?
2. Что называется критической массой урана?
3. В какую энергию переходит часть внутренней энергии ядра при его делении? Что является носителем этой энергии?