Цепная реакция деления ядер урана

Цепная реакция деления ядер урана

В 1938 r. О. Ган и Ф. Штрассман открыли: ядра урана при бомбардировке его нейтронами образуют другие элементы. А объяснение этому явлению было дано в 1939 г. австрийским физиком Л. Мейтнер и  физиком О.Фришем:

Позже обнаружили, что при бомбардировке нейтронами U образуются 80 различных ядер. Наиболее вероятное деление оказалось:

Этот процесс происходит с выделением энергии 200 МэВ =3,2.10^-11 Дж.

Энергия выделяется в виде:

1. Е_к осколков  ≈2,6-10^-11  Дж.
2. Е_к  нейтронов  ≈0,1-10^-11 Дж.
3. γ - Излучения  ≈0,5.10^-11 Дж.
4. β - Излучения.

Механизм деления

Н. Бор, Я.И Френкель  предложил капельную модель ядра атома. Она дает представление о ядре как о положительно заряженной капле жидкости. Ядро, поглотившее нейтрон, находится в возбужден­ном состоянии и подобно капле ртути при толчке начинает коле­баться, изменяя свою форму. Когда энергия возбуждения станет больше энергии связи, то за счет кулоновских сил ядро разорвет­ся на две части, которые разлетятся в противоположные сторо­ны. Таким образом, кинетическая энергия новых ядер обуслов­ливается кулоновскими силами.

Цепная реакция деления ядер урана — это реакция, в ко­торой частицы (нейтроны), вызывающие эту реакцию, образуются в процессе деления ядра. Для осуществления ценной реакции пригодны лишь ядра . Естественный уран состоит из  (0,7%),  (97,3%). Ядра  делятся как быстрыми, так и медленными нейтронами,   — только быстрыми с энергией 1 МэВ. Нейтронов с такой энергией при делении 60%, но только один из пяти производит деление.

Ценную реакцию чистого изотопа  осуществить медленными нейтронами невозможно. Для ее течения необходимо, чтобы коэффициент размножения к нейтронов был k ? 1. В этом случае число нейтронов  увеличивается или остается постоянным и ценная реакция протекает. При k <1 число    убывает и цепная реакция невозможна.

Коэффициент размножения увеличивается при захвате медленных  ядром  или быстрых  ядрами  и  с после­дующим делением, уменьшается при захвате нейтрона ядром без последующего деления, при вылете нейтрона из делящегося вещества, при захвате нейтрона продуктами деления, замедлителями и конструктивными элементами установки.

С целью уменьшения вылета  с куска урана увеличивают массу урана. Количество распавшихся ядер пропорционально массе урана, которая растет быстрее, чем площадь его поверхно­сти, если форма урана с критической массой шарообразна.

Минимальное значение массы урана, при которой возможна цепная реакция, называется критической массой. В зависимости от устройства установок и типа горючего критическая масса изменяется от 250г до сотен килограммов.

Существуют два вида ядерных реакций: неуправляемая ценная реакция и управляемая цепная реакция.

Неуправляемая цепная реакция  протекает, если k>1.

В качестве ядерного горючего используется в основном  или , если их масса больше или равна критической массе.

если каждый из нейтронов, вылетевший при делении, взаи­модействует с соседними ядрами делящегося вещества и вызы­вает в них следующую реакцию деления, то происходит лавино­образное нарастание числа актов деления: один нейтрон —

первое поколение, два нейтрона — второе поколение, четыре нейтрона — третье поколение, восемь нейтронов — четвертое поколение и т. д.

Быстрое выделение энергии в такой системе приводит к взрыву.