§ 107. Деление ядер урана

Определения и обозначения

Деление ядра урана — распад тяжёлого ядра на два ядра меньшей массы, часто после поглощения нейтрона. Поглощение может сделать ядро неустойчивым, и оно разделится с выделением энергии. Это понятие помогает описать превращение ядерного топлива и начало реакции.

Осколки деления — ядра более лёгких элементов, возникающие при разделении исходного ядра. Они не обязаны быть одинаковыми: у них могут различаться и масса, и заряд. Название нужно, чтобы отличать продукты распада от нейтронов, которые также появляются при делении.

Цепная ядерная реакция — процесс, в котором нейтроны, вышедшие при одних актах деления, вызывают новые акты. Если новые деления производят нейтроны для следующего поколения, процесс может продолжаться. Понятие показывает, каким образом отдельные события связаны в общий процесс.

Критическая масса — минимальная масса делящегося вещества, при которой реакция может поддерживать себя. При меньшей массе нейтроны чаще покидают образец, не вызвав деления. Это понятие помогает оценить, будут ли потери нейтронов слишком велики.

Как это устроено

Ядро урана-235 может поглотить нейтрон, потому что нейтрон не имеет электрического заряда и не отталкивается положительно заряженным ядром так, как отталкивался бы протон. После захвата образуется возбуждённое ядро урана-236: энергия поглощённого нейтрона и энергия связи изменяют его состояние. Возбуждение означает, что ядро обладает избытком энергии и находится не в наиболее устойчивом состоянии. Поэтому оно может перейти к более устойчивым продуктам через деление.

Возбуждённое ядро деформируется: его части смещаются, а электрическое отталкивание между протонами стремится разделить их. Когда деформация становится достаточно большой, ядро распадается на два осколка, которые разлетаются. В исходном ядре было больше нейтронов, чем нужно образовавшимся осколкам для устойчивого состава, поэтому часть нейтронов высвобождается. Обычно одно деление сопровождается появлением нескольких нейтронов, но их точное число может различаться.

Вылетевший нейтрон может попасть в другое ядро урана-235 и вызвать его деление. При этом рождаются новые нейтроны, которые способны начать следующие акты; такая последовательность и называется цепной реакцией. Она поддерживается, если в среднем достаточно нейтронов каждого поколения вызывает новые деления. Если нейтроны уходят из вещества или поглощаются без деления, число новых актов уменьшается, и реакция затухает.

При делении продукты — осколки и нейтроны — имеют меньшую суммарную массу покоя, чем исходное ядро вместе с поглощённым нейтроном. Разность масс не исчезает: согласно соотношению E = mc² она соответствует выделившейся энергии. Значительная её часть становится кинетической энергией быстро разлетающихся осколков, а также энергией нейтронов и излучения. Энергия передаётся окружающему веществу, поэтому деление сопровождается его нагреванием.

Важна не только способность отдельного нейтрона вызвать деление, но и вероятность того, что он останется внутри образца и встретит подходящее ядро. В небольшом или неудобно сформированном образце доля утечек может быть велика, поэтому цепь прерывается. С увеличением количества вещества и при подходящей форме нейтронам проще вызвать следующие деления, а потери относительно уменьшаются. Критической называют минимальную массу, при которой число новых делений позволяет реакции поддерживать себя; точное условие зависит и от других свойств образца.

События при делении урана и их результаты

Таблица показывает последовательность от захвата нейтрона до возможного самоподдержания реакции. Проследи, на каком этапе возникают нейтроны и что должно произойти, чтобы они дали начало новым делениям. Последняя строка описывает условие для всего образца, а не отдельного ядра.

Разбор задач

Задача 1. При делении ядра урана-235 вылетают три нейтрона. Сколько нейтронов появится после деления двух таких ядер? Нужно определить общее количество нейтронов от двух актов деления. Здесь предполагается, что в каждом акте испускается ровно указанное число.

1. Один акт деления даёт 3 нейтрона.
2. Для двух актов умножаем число нейтронов на число ядер: 3 · 2 = 6.
3. Считаем именно нейтроны, а не новые акты деления.

Ответ: появится 6 нейтронов.

Задача 2. Один нейтрон вызвал деление ядра, при котором возникли два нейтрона. Каждый из них вызвал ещё одно деление. Сколько актов деления произошло за первые два поколения? Первое поколение — деление, запущенное исходным нейтроном; второе — деления, вызванные нейтронами от первого. Не нужно принимать количество нейтронов за количество актов.

1. В первом поколении произошло 1 деление.
2. После него возникли 2 нейтрона, и каждый вызвал по одному делению: во втором поколении произошло 2 деления.
3. Складываем акты двух поколений: 1 + 2 = 3.

Ответ: за первые два поколения произошло 3 акта деления. Всего второе поколение произвело уже 4 нейтрона, но они могут вызывать следующие акты, а не добавляются к числу делений этих двух поколений.

Задача 3. В одном веществе нейтронов, вызывающих новые деления, достаточно для поддержания процесса, а в другом большинство нейтронов покидает образец. В каком случае реакция станет самоподдерживающейся? Сравним не общее число испущенных нейтронов, а то, какая их доля запускает новые акты. Утечка уменьшает число нейтронов, доступных для продолжения цепи.

1. Если нейтронов хватает на новые деления, каждое поколение поддерживает следующее.
2. Если большинство нейтронов уходит, новых делений недостаточно и цепь затухает.
3. Достаточное количество вещества уменьшает относительную утечку; при достижении критической массы реакция может поддерживаться.

Ответ: самоподдерживающейся может стать реакция в первом веществе. Во втором она затухает, если нейтронные потери не компенсируются новыми делениями.

Типичные ошибки

Считать, что ядро делится на две совершенно одинаковые части, — неверно: осколки обычно различаются по массе и заряду. Такое представление может возникнуть из-за слова «деление», которое ассоциируется с равным разделом пополам. Проверяй себя: в задаче осколки следует называть двумя более лёгкими ядрами, не утверждая, что они одинаковы.

Полагать, что при каждом делении возникает только один нейтрон, тоже ошибка: число испускаемых нейтронов может быть больше одного и меняться от акта к акту. Один нейтрон часто фигурирует в описании запуска реакции, поэтому его путают с результатом деления. Проверка проста: отдельно отмечай нейтрон, который поглотило ядро, и нейтроны, вышедшие после распада.

Не всякую последовательность делений можно считать самоподдерживающейся цепной реакцией. Если нейтроны теряются и не вызывают новые деления, процесс не продолжается, хотя отдельные акты и следуют друг за другом. Чтобы проверить вывод, спроси, достаточно ли нейтронов одного поколения для запуска следующего.

Говорить, что при делении «высвобождается масса», неточно: сохраняется масса-энергия, а энергия связана с уменьшением массы покоя продуктов. Путаница возникает потому, что говорят о разности масс как об источнике энергии. Проверь себя: укажи, что масса покоя продуктов меньше, а разность соответствует энергии по соотношению E = mc².

Связь с другими темами

Для понимания деления нужны знания о составе атомного ядра, изотопах, зарядовом и массовом числах, а также о нейтроне. Они помогают объяснить, почему ядро урана-235 может захватить нейтрон и как меняется состав при образовании продуктов. Идея цепной реакции пригодится при изучении ядерного реактора и атомной энергетики. Там важно не только запустить деления, но и управлять их ходом, учитывая количество нейтронов, вызывающих новые акты.

Что запомнить

• Ядро урана-235 может делиться после поглощения нейтрона.
• При делении образуются осколки и новые нейтроны.
• Новые нейтроны могут вызвать следующие акты деления.
• Самоподдерживающаяся последовательность делений называется цепной реакцией.
• Для развития цепной реакции важно, чтобы нейтроны не покидали вещество слишком быстро.
• При делении часть массы покоя превращается в энергию.