§ 58 Деление ядер урана. Цепная реакция

Определения и обозначения

Деление ядра урана — распад тяжёлого ядра на два более лёгких ядра с выделением энергии и нескольких нейтронов. Осколки называются продуктами деления и обычно имеют разные массы. Это понятие помогает отличить ядерное превращение от химической реакции: меняется само ядро атома.

Нейтрон — частица, не имеющая электрического заряда, способная вызвать деление ядра урана. Из-за отсутствия заряда нейтрону не мешает электрическое отталкивание со стороны положительного ядра. Поэтому он может проникнуть в ядро и передать ему энергию.

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, образовавшиеся при одном делении, вызывают новые деления ядер. Каждое новое деление может дать следующую порцию нейтронов. Это определение нужно, чтобы понять, как единичное событие превращается в последовательность реакций.

Критическая масса — наименьшая масса вещества, при которой цепная реакция может поддерживаться. При меньшей массе слишком много нейтронов теряется, не вызвав новых делений. Понятие помогает оценить, могут ли условия образца поддерживать реакцию.

Как это устроено

Нейтральный нейтрон может приблизиться к ядру урана, не преодолевая электрического отталкивания. Если ядро урана-235 поглощает нейтрон, оно получает энергию и становится возбуждённым, то есть менее устойчивым. Ядро деформируется, а силы внутри него уже не удерживают его в прежнем состоянии. В результате оно распадается на два осколка.

Осколки и нейтроны после деления имеют меньшую суммарную массу, чем исходное ядро вместе с поглощённым нейтроном. Эта разность не исчезает: согласно связи массы и энергии, она переходит в энергию движения частиц и излучения. Осколки быстро движутся и передают энергию окружающему веществу. Поэтому даже небольшая потеря массы соответствует значительному выделению энергии.

При делении обычно вылетает несколько нейтронов. Некоторые из них могут быть захвачены другими ядрами урана-235 и вызвать их деление, а новые деления снова дадут нейтроны. Так одно событие становится началом следующего поколения реакций. Если в среднем каждое деление приводит хотя бы к одному новому делению, процесс способен продолжаться.

Однако не каждый нейтрон вызывает деление: он может поглотиться без него или покинуть образец. В небольшом образце доля нейтронов, достигающих поверхности, велика, поэтому потери могут остановить реакцию. При достаточном количестве подходящего вещества больше нейтронов успевает взаимодействовать внутри него. Критическая масса описывает нижний предел для самоподдержания при заданных составе, форме и других условиях.

В реакторе реакция должна идти устойчиво, а не ускоряться бесконтрольно. Для этого часть нейтронов поглощают управляющие стержни: при их введении нейтронов для новых делений становится меньше, при извлечении — больше. Так поддерживают примерно постоянное число делений за одинаковые промежутки времени. Если число делений быстро растёт и его не регулируют, энергия выделяется всё быстрее и процесс становится взрывным.

Сравнение управляемой и неуправляемой цепной реакции

Сравнивайте прежде всего скорость реакции и наличие средств регулирования: именно они показывают, растёт ли число делений или остаётся примерно постоянным. Строка об условиях напоминает, что самоподдержание зависит от свойств и количества топлива. Таблица показывает общий принцип и не означает, что любая реакция вне реактора обязательно становится взрывной.

Разбор задач

Задача 1. Записать реакцию деления ядра урана-235 нейтроном с образованием бария-141, криптона-92 и трёх нейтронов. Сначала обозначим частицы символами ядер: массовое число пишем сверху, зарядовое — снизу. Нужно проверить, что до и после реакции сохраняются сумма массовых чисел и суммарный заряд.

1. Слева массовое число равно 235 + 1 = 236. Справа у бария и криптона 141 + 92 = 233, поэтому для сохранения суммы добавляем три нейтрона: 233 + 3 = 236.
2. Проверяем заряд: у урана он равен 92, а у бария и криптона 56 + 36 = 92. Нейтрон имеет заряд 0, поэтому баланс зарядов соблюдён.
3. Записываем реакцию: ²³⁵₉₂U + ¹₀n → ¹⁴¹₅₆Ba + ⁹²₃₆Kr + 3¹₀n.

Ответ: уравнение записано с тремя нейтронами; обе суммы сохранены. Задача 2. При каждом делении образуются три нейтрона. Сколько нейтронов может возникнуть после трёх поколений, если каждый нейтрон вызывает новое деление? Считаем, что все нейтроны каждого поколения вызывают деления, а потерь нет.

1. В первом поколении возникают 3 нейтрона.
2. Каждый из этих трёх нейтронов вызывает деление, поэтому во втором поколении будет 3 · 3 = 9 нейтронов.
3. Каждый из девяти вызывает следующее деление: в третьем поколении будет 9 · 3 = 27 нейтронов.

Ответ: в третьем поколении возникает 27 нейтронов. Если вопрос понимать как общее число нейтронов, появившихся за все три поколения, их будет 3 + 9 + 27 = 39. Задача 3. Объяснить, почему в одном образце урана цепная реакция поддерживается, а в другом прекращается. Одного наличия урана недостаточно: нужно сравнить условия с критическими.

1. В образце, масса которого при данных условиях не достигает критической, значительная часть нейтронов успевает выйти через поверхность.
2. Оставшихся нейтронов не хватает, чтобы каждое поколение делений поддержало следующее, и реакция затухает.
3. Если масса и устройство образца позволяют сохранять достаточно нейтронов, новые деления компенсируют потери и реакция может поддерживаться.

Ответ: различие объясняется соотношением числа нейтронов, вызывающих новые деления, и числа потерянных нейтронов.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что для запуска реакции достаточно любого нейтрона. Нейтрон может не попасть в подходящее ядро или быть поглощён без деления. Такое упрощение возникает, если не учитывать состав и устройство образца. Проверьте, достаточно ли вещества и могут ли нейтроны вызывать новые деления.

Ошибка: путать деление с соединением ядер. При делении тяжёлое ядро распадается на более лёгкие осколки, а не объединяется с другим ядром. Путаница возможна потому, что оба процесса относятся к ядерным превращениям. Проверка простая: в схеме деления справа должны быть осколки меньшей массы и вылетевшие нейтроны.

Ошибка: забывать о нейтронах, вылетающих при делении. Тогда непонятно, за счёт чего возникают новые деления. Эти частицы можно упустить, если записывать только два осколка. Сверьте массовые числа в уравнении и убедитесь, что нейтроны учтены.

Ошибка: считать всякую цепную реакцию взрывной. В реакторе часть нейтронов поглощают, поэтому скорость делений регулируется. Ошибка возникает, если не различать управляемый и неуправляемый процесс. Для проверки спросите себя, есть ли система, которая изменяет количество нейтронов, участвующих в реакции.

Связь с другими темами

Для понимания деления нужны знания о строении ядра, протонах и нейтронах, изотопах и радиоактивности. Закон сохранения массового числа и электрического заряда помогает составлять уравнения ядерных реакций. При изучении энергии связи ядра используется понятие дефекта массы: именно переход разности масс в энергию объясняет выделение энергии. Дальше эти знания пригодятся при разборе устройства реактора, работы атомной электростанции и основ радиационной безопасности.

Что запомнить

• Ядро урана может разделиться после поглощения нейтрона.
• При делении образуются два осколка, несколько нейтронов и выделяется энергия.
• Нейтроны от одного деления могут вызвать новые деления.
• Цепная реакция возможна, если число возникающих нейтронов достаточно для продолжения процесса.
• Критическая масса — условие самоподдерживающейся цепной реакции.
• В реакторе цепную реакцию поддерживают и регулируют.
• Неуправляемое быстрое развитие реакции сопровождается взрывным выделением энергии.