12. Деление ядер урана. Цепная реакция (Ерюткин Е. С.)

Введение. Историческая справка

На предыдущем уроке мы выяснили, что такое энергия связи и дефект массы. В заключение мы сказали, что как раз энергия связи дает нам возможность заглянуть в атомную энергетику. Давайте более подробно поговорим об этом, сначала обсудив ту энергию, которая выделяется при делении ядер урана.

В 1938 году два немецких ученых О. Ган и Ф. Штраусман, работая совместно, осуществили деление ядра урана. Они выяснили, что при делении ядра урана образуется большое количество тепловой энергии, и самое главное, что в этом случае образуется некоторое количество нейтронов. В следующем году в 1939 англичанин О. Фриш объяснил возможность деления ядра атома урана, т.е. тяжелых ядер, на основании капельной модели. Капельная модель состояла в том, что ядро атома можно представить как каплю жидкости, а молекулы этой капли жидкости как раз и есть те самые нуклоны. Некоторые процессы, которые происходят в такой капле, приводят к делению ядра урана.

Давайте подробнее остановимся на том, как были получены первые результаты по делению ядер урана. Вы помните, что Чедвиком был открыт нейтрон. Эта частица не обладает зарядом, поэтому она может вплотную подойти к ядру. Кроме того, у нейтронов большая скорость. За счет таких свойств нейтроны оказались удобным материалом для исследования ядра. Именно такую реакцию и провели с ядрами урана Отто Ган и Штраусман. Они проводили эксперименты и с другими химическими элементами, но наибольший интерес представили именно ядра урана, поскольку в этом случае выделяется большое количество энергии.

1 электронвольт - внесистемная единица энергии

Для обозначения энергии выбрана специальная единица – эВ (электронвольт). . Такая единица удобна для микромира, т.к. масштабы и массы в мире ядер и атомов невелики и пользоваться привычными для нас джоулями было бы неудобно.

Когда делится ядро урана, выделяется приблизительно около 200 МэВ. Это всего лишь на одно ядро, если же посчитать еще и количество ядер (например, всего в 1 г урана), то получится колоссальное значение, намного большее, чем энергия, которая выделяется, например, при сгорании 100 т каменного угля.

Условия, необходимые для деления ядра. Уран-235

Итак, возвращаемся к делению ядра урана. Весь процесс, который происходит при делении, – это процесс изменения структуры ядра.

В ядро попадает нейтрон, в результате такого попадания ядро урана некоторым образом увеличивается в размерах, этого бывает достаточно, чтобы электростатические силы разорвали ядро на составные части. Этот процесс и есть деление ядра урана. В результате такого деления, образуются ядра-осколки, середина таблицы Менделеева (бор), кроме этого, образуется большое количество ионизирующих излучений: -лучи, -лучи. Самое главное, что все осколки, которые образуются в результате деления при резком торможении, при взаимодействии с частицами окружающей среды, выделяют большое количество теплоты. Важно отметить, что не всякие ядра урана легко и свободно взаимодействуют с нейтронами. Оказалось, что такая реакция может происходить только с ураном-235, одним из изотопов урана. Если нейтрон, к тому же двигаясь, медленно попадает в ядро урана-235, то происходит такая реакция деления. Если нейтрон попадет в ядро урана-238 то изотоп урана-238 просто-напросто попадание такого нейтрона не заметит. Это важный момент.

Чтобы пошла такая реакция, надо нейтроны определенным образом подготовить, замедлить их и подобрать определенное количество урана-235. Если правильно подобрать все ингредиенты для такого деления, то возможна т.н. цепная реакция.

Цепная реакция. Критическая масса

Цепная реакция – это такая реакция деления ядер урана, в процессе которой образуются нейтроны, которые будут далее взаимодействовать с другими ядрами урана, т.о. количество распадающихся ядер будет лавинообразно увеличиваться.

При цепной реакции деление ядер приводит к тому, что образуется нейтронов больше 1, 2 или 3. Однако такая реакция может происходить только тогда, когда имеется достаточное количество атомов урана-235, то есть масса образца должна быть больше т.н. критической массы.

Если масса урана будет больше такой массы, то такая реакция будет неуправляемая, это приведет к взрыву. Если масса будет меньше той, которая способна провести такую реакцию, то в этом случае реакция просто прекращается. И только в одном случае, когда масса урана четко соответствует определенной массе, реакция будет продолжаться, поддерживая сама себя. Это и есть критическая масса.

Значение массы в цепной реакции:

– взрыв

– реакция затухает

– продолжается

Критическая масса для урана составляет порядка 50–70 кг. Такой массы урановый шар в диаметре будет составлять всего лишь 18-20 см, т.к. плотность урана высока.

Такие свойства урана вполне можно использовать в технике. В первую очередь для мирных целей. Чтобы использовать такую энергию деления, нужно сделать так, чтобы реакция самоподдерживалась, причем под нашим руководством; мы можем ее прекратить или возобновить, и это возможно только тогда, когда есть специальное устройство. Это устройство должно отвечать двум требованиям. Первое – возможность регуляции, а второе – безопасность. Этим условиям отвечает ядерный реактор. На следующем уроке мы поговорим об устройстве и работе ядерных реакторов.

Список дополнительной литературы

1. К. Н. Мухин. Экспериментальная ядерная физика. М., Энергоиздат, 1993.

2. Б. С. Ишханов, Э. И. Кэбин \"Физика ядра и частиц. ХХ век\". М., Изд-во Московского университета. 2000.

3. Аксенович Л. А. Физика в средней школе: Теория. Задания. Тесты: Учеб. пособие для учреждений, обеспечивающих получение общ. сред, образования / Л. А. Аксенович, Н. Н. Ракина, К. С. Фарино; Под ред. К. С. Фарино. — Мн.: Адукацыя i выхаванне, 2004. — С. 621-624.

4. Васильев А. Деление урана: от Клапрота до Гана // Квант. — 2001. — № 4. — С. 20-21,30.

Задание к уроку

1. При делении изотопа урана освобождается энергия 200 МэВ, причём 84% этой энергии приобретают осколки деления. Считая, что этими осколками являются ядра бария  и криптона  и что импульсы их по модулю одинаковые, найти энергию осколков.

2. Найдите критическую массу шарообразного куска урана-235, если известно, что его радиус равен 9 см, а плотность урана составляет .

3. Сколько воды можно нагреть на , если использовать всю энергию, которая выделяется при делении 1015 атомов урана. При делении одного атома урана выделяется энергия  200 МэВ. Удельная теплоемкость воды .