Деление ядер. Атомная бомба

1. Ядерные реакции под действием нейтронов. Нейтрон - электрически нейтраль­ная частица. В отличие от заряженных частиц - протона, дейтрона, ядер гелия и др., которые инициируют ядерные реакции лишь при условии, что их кинети­ческая энергия не меньше потенциальной энергии, необходимой для сближения с ядром, нейтрон легко проникает в ядро при лю­бой скорости движения. Поэтому ядерные реакции под действи­ем нейтронов сыграли большую роль в развитии ядерной физики.

Энергетическая классификация нейтронов такая же, как у всех других частиц. Энергии меньше 30 МэВ Называют низкими, энергии от 30 до 140 МэВ - средними, энергии свыше 140 МэВ -высокими. Получение нейтронов средних и высоких энергий очень дорого. Наиболее применимы на практике нейтроны низ­ких энергий, особенно в диапазоне от 0,025 эВ до 14 МэВ.

В свою очередь нейтроны низких энергий подразделяются на две большие группы: медленные и быстрые нейтроны. В группе медленных нейтронов различают холодные, тепловые и резонансные. Положение групп на энергетической диаграмме по­казано на рис.138.

Энергия тепловых нейтронов близка к средней энергии хаотического движения молекул при комнатной температуре Т=300К. E=kT= 1,38*10^-23*ЗОО = 4,14*10^-21 Дж = 0,026 эВ. Нейтроны в диапазоне энергий от 0,5 эВ до 1000 эВ называются резонансными, пото­му что в этой области зависимость эффективного сечения σ ядерных реакций от энергии E нейтронов представляет собой на графике густое чередование острых пиков. Каждый пик

соответствует энергии возбужде­ния ядра атома.

Наиболее типичной является экзотермиче­ская нейтронно-ядерная реакция радиационного захвата. Ядро, по­глотив нейтрон, испускает энер­гичный γ- квант. Например: ₅₄¹³⁵Xe+₀¹n=>₅₄¹³⁵Xe+γ+7,91MэВ (0,1<σ<10⁶ барн)

Ксенон-135 образуется при распаде урана в ядерных реакторах, накапливается там и интенсивно поглощает нейтроны (отравляет реактор), снижая мощность реактора на 1-3%.

На легких ядрах медленные нейтроны инициируют реакции типа (n, р) и (n, α). Например: ₂³Не+ ₀¹n=>₁³H+₁¹p+ 0,76МэВ (σ_тепл= 5400 барн), (21.3)

₃⁶Li +₀¹n=>₁³H+₂³Не + 4,78 МэВ( σ_тепл =945 барн). (21.4)

Так получается в термоядерных взрывах радиоактивный тритий Его период по­лураспада Т= 12,26 лет. Он увеличивает радиоактивное загрязнение местности.

Интересна реакция постоянно идущая под действием космических нейтронов в атмо­сфере Земли₇¹⁴N +₀¹n=>₆¹⁴C+₁¹p + 0,63 МэВ (σ_тепл =1,75 барн) (21.5)

Возникающий здесь углерод ¹⁴C /β^- - активен. Его период полураспада T= 5730 лет. В отличие от естественного стабильного изотопа ¹²С, изотоп¹⁴C называют радиоуглеродом. Химически он не отличается и также участвует во всех биологических процессах.

Пока организм живет, убыль в нем из-за радиоактивного распада изотопа ¹⁴С посто­янно восполняется за счет обмена веществ с окружающей средой. Поэтому отношение кон­центраций изотопов ¹²С и ¹⁴С в живом организме стабильно.

2. Деление ядер урана. В 1934 году группа ученых под руководством Энрико Ферми начала облучать нейтронами атомные ядра с целью получения новых химических элементов. Самым тяжелым элементом на Земле является уран. Облучая нейтронами ядра урана, Ферми надеялся получить еще более тяжелые элементы - трансураны. ,

Естественный уран имеет три изотопа:₉₂²³⁴U,²³⁵U,²³⁸U. Относительное содержа­ние их ядер в земной коре 1:121:17000. На 100% естественной смеси приходится 0,01% U-234, 0,72 % U-235 и 99,27% U-238.

План опытов был примерно таким. Если в ядро, допустим U-238, попадает нейтрон, то получается радиоактивный изотоп U-239. Его ядро перегружено нейтронами, поэтому оно должно испытывать β^- - распад В результате возникает первый трансурановый элемент с Z = 93. При следующем поглощении ядром этого элемента нейтрона и после испускания β^- -частицы должен возникнуть новый трансуран с Z =94 и так далее.

Группа Ферми надежно установила, что после облучения нейтронами урана в нем действительно появляются радиоактивные ядра. Более глубокие и систематические иссле­дования в этом направлении выполнили немецкие радиохимики Отто Ган и Фриц Штрасс-ман. К 1938 г. они установили, что при облучении урана и тория нейтронами возникают изо­топы химических элементов, расположенных где-то посередине периодической системы. Наиболее заметны были барий Ва (Z = 56) и лантан La (Z = 57).

В 1939 году Лиза Мейтнер и Отто Фриш объяснили результаты опытов Гана и Штрассмана тем, что ядра урана после поглощения нейтрона делятся на два осколка. Они подтвердили это на­глядным опытом. Когда к ионизационной камере, покрытой изнутри оксидом урана UO2, подносил­ся источник нейтронов (ампула с радоном и бериллиевой пластинкой), то примерно с интерва­лом 1-2 с регистрировались сильные ионизацион­ные толчки (рис.140).

Подобные опыты сразу же были поставле­ны во многих лабораториях мира. Оказалось, что ядро чаще всего делится на два осколка. При делении тепловыми нейтронами одинаковые осколки бывают редко. Наиболее вероятно деление на осколки, один из которых в полтора раза тяжелее другого. При этом получаются ядра с магическими числами 50 и 82 нейтронов

3. Энергия деления ядер. При делении ядер урана на осколки меняется энергия связи. В тяжелых ядрах она меньше, чем в ядрах середины периодической системы элементов. Оценим это изменение. Пусть осколки получи­лись одинаковыми. Следует, что средняя энер­гия связи в ядре урана равна 7,6 МэВ/нуклон. А в каждом из осколков (А = 116) она равна 8,5 МэВ/нуклон. Энергия связи отрицательна. Поэтому при делении ядра урана освобождается энергия -7,6-(-8,5) = 0,9 МэВ/нуклон. С учетом всех ну­клонов при делении ядра U-235 высвобождается энергия 0,9МэВ*(235 + 1) = 210 МэВ. Это огромная энергия. Она выделяется, в основном, в виде кинетической энергии движения об­разовавшихся осколков. Для сравнения: энергия, выделяющаяся при образовании молекулы воды и реакции Н₂ + O₂/2=> Н₂0 составляет 3 эВ. Это в 70 000 000раз меньше.

4. Испускание нейтронов при делении ядер. Оказалось, что в каждом акте деления ядра урана выделяется 2-3 свободных нейтрона. Их называют вторичными (в отличие от первичного нейтрона, который инициировал деление ядра). Часть вторичных нейтронов ис­пускается в процессе деления ядра в течение времени = 10^-22 с. Это мгновенные вторичные нейтроны. Часть нейтронов испускается уже образовавшимися осколками с запаздыванием от 0,05 до 100 секунд. Это запаздывающие нейтроны. Мгновенно испускается до 99%, а с запаздыванием - до 1 % вторичных нейтронов. В среднем на каждый акт деления приходится 2,5 вторичных мгновенных нейтронов с энергиями от 0,1 эВ до 14 МэВ.

Испускание нейтронов осколками не исчерпывает их радиоактивности. В большинст­ве случаев осколки оказываются β^- - активными и претерпевают цепочку β^- - превращений, сопровождаемых испусканием γ-лучей.

Кроме урана ₉₂²³⁵U при облучении тепловыми нейтронами делятся торий ₉₀²³²Th и про­тактиний ₉₁²³¹Ра. Кроме того, делятся трансураны Важнейшее значение имеет первый из них плутоний ₉₄²³⁹Рu. Ядра урана ₉₂²³⁸U делятся только быстрыми нейтронами с энергией Е > 1 МэВ. При меньших энергиях нейтронов ядро урана-238 испытывает радиационный за­хват. Оно поглощает нейтрон, превращаясь в β^- -активный изотоп уран-239 с периодом по­лураспада 23 мин.

5. Спонтанное деление ядер урана. В 1940 г. Георгий Флеров и Константин Петржак открыли спонтанное, то есть происходящее без всякого внешнего возбуждения само­произвольное деление ядер урана. Они работали с установкой, похожей на ту, с которой ра­ботали Мейтнер и Фриш (рис.140). Флеров и Петржак обнаружили, что при удалении источ­ника нейтронов от ионизационной камеры разрядные толчки не исчезали полностью. Их бы­ло около 6 толчков в час. Чтобы максимально защититься от космических нейтронов, уста­новка помещалась на станции метро на глубине 50 м. Разрядные толчки по-прежнему на­блюдались. По числу этих толчков и по массе нанесенного на стенку камеры урана удалось вычислить, что в 1 час в 1 г урана самопроизвольно делятся около 25 ядер. Оказалось, что период полураспада всех естественных изотопов урана по причине деления ядер примерно одинаков и составляет Т= 10¹⁶ лет.

6. Цепная ядерная реакция. Рассмотрим идеализированную схему. Пусть чистый изотоп уран-235 представляет собой сплошное тело достаточно больших размеров. Допус­тим, что в теле в результате спонтанного деления или из космоса появился нейтрон. Полага­ем, что каждый нейтрон захватывается ядром урана и вызывает его деление с последующим выбрасыванием двух новых нейтронов.

Тогда появившийся первый нейтрон вызывает деление одного ядра и рождение двух нейтронов первого поколения. Эти два нейтрона вызовут деление двух ядер и рождение 2*2 = 4 нейтронов второго поколения. Эти 4 нейтрона вызовут деление 4 ядер и рождение 4*2 = 2³ = 8 нейтронов третьего поколения. И так далее. Возникает цепная ядерная реакция.

Среднее время жизни одного поколения нейтронов около 10^-7 с. Если цепная реакция продолжается 10^-5 с, то за это время родится 100 поколений нейтронов в количестве 2¹⁰⁰=10³⁰. Всего за это время произойдет 1+2 + 4 + 8 +...+ 2¹⁰⁰= 2,5*10³⁰ ядерных реакций с выделением энергии 200 МэВ*2,5*10³⁰= 5*10³²МэВ = 8*10¹⁹Дж. Выделение столь большой энергии в столь короткое время (10^-5 с) представляет собой взрыв. Масса всех ядер урана, испытавших деление за это время, равна 235*2,5*10³⁰ =5,9*10³² а.е.м. =980 тонн. Очевидно, чтобы приведенные рассуждения были достаточно корректными, начальная масса урана должна быть заметно больше 1000 тон.

7. Критическая масса делящегося вещества. Отношение числа вторичных нейтро­нов, идущих "в дело", то есть проникающих в ядра и инициирующих их деление, к числу первичных нейтронов называют коэффициентом размножения К. В идеальной ситуации предыдущего пункта коэффициент размножения К был равен 2. Если в первом поколении было N нейтронов, то в n-ом поколении их будет NKⁿ

Однако, если массу делящегося вещества постепенно уменьшать, то все большая доля нейтронов будет уходить из объема делящегося вещества и не будет участвовать в ядерных реакциях. Коэффициент размножения К будет постепенно уменьшаться. Это значит, что будет уменьшаться скорость нарастания числа вторичных нейтронов. Коэффициент К можно уменьшать и введением в зону реакции поглощающих нейтроны примесей.

Та масса делящегося вещества, для которой К= 1, называется критической m_кр. Если масса меньше критической, m< m_кр , то К < 1, цепная ядерная реакция затухает. Если масса больше критической, m> m_кр ,то К> 1, возникает самоподдерживающаяся лавинообразно нарастающая реакция.

Величина критической массы зависит от формы тела. Она минимальна, если делящее­ся вещество имеет форму шара. Расчеты показывают, что критическая масса чистого U-235, имеющего форму сплошного шара, равна 0,8 кг. Диаметр этого шара 4,3 см. Критическая масса чистого Рu-239 равна 0,5 кг (диаметр шара 3,6 см). А полученный искусственно в 1950 году калифорнии ₉₈²⁵¹Cf имеет критическую массу 10 г (шарик диаметром 10 мм).

С ростом отношения поверхности к объему тела критическая масса увеличивается. Она может быть очень большой, если тело имеет форму тонкого листа. Если вводить в зону реакции поглощающие нейтроны ядра, то критическую массу можно увеличивать неограни­ченно. В ядерных реакторах, например, она составляет несколько тонн.

С другой стороны критическую массу можно уменьшить, если окружить делящееся вещество средой, отражающей нейтроны. Такая отражающая среда должна состоять из лег­ких атомов, слабо поглощающих нейтроны. Например, дейтерий, графит, бериллий. Есть данные, что критическая масса U-235 шаровой формы с вкраплениями из тонких полиэтиле­новых прокладок с окружающей оболочкой из бериллия равна всего лишь 242 г.

8. Атомная бомба.

Для изготовления атомного боезаряда наиболее пригодны два изотопа: естественный изотоп урана ₉₂²³⁵U и искусственный трансуран-изотоп плутония ₉₄²³⁹Рu. Ядра атомов этих изо­топов делятcя при поглощении нейтронов любых энергий. Соответственно различают урано­вый и плутониевый боезаряды.

Для изготовления атомного боезаряда надо решить три основные проблемы: а) Полу­чить максимально чистое делящееся вещество; б) изготовить заряд с массой, больше крити­ческой, способный сохраняться достаточно долго в подкритическом состоянии; в. Обеспе­чить быстрый переход делящегося вещества в надкритическое состояние и удерживать его в этом сжатом состоянии достаточно долго, чтобы успела прореагировать как можно большая часть боезаряда.

9. Атомная бомба на основе U-235. Изотоп урана U-235 содержится в природном уране в количестве 0,7 % Это металл серо-стальною цвета, его плотность равна 18950 кг/м³, по твёрдости близок к титану.

а. Получение чистого природного урана (то есть смеси изотопов). Уран - химиче­ский элемент группы актиноидов. Их физико-химические свойства также мало отличимы между собой, как и в группе лантаноидов. У актиноидов идет заполнение третьего снаружи электронного слоя подуровня 5f. Актиноиды находятся в 7 периоде, всего у них 7 электрон­ных слоев.

Получение чистого урана облегчается тем, что все актиноиды радиоактивны, и на Земле имеются только три из них: торий ₉₀Th, протактиний ₉₁Ра и уран ₉₂U. Все актинои­ды, идущие после урана, на Земле уже распались.

Впервые уран в виде чистого металла выделен еще в 1841 г. из природного минерала уранита диоксида UO₂. Поэтому к настоящему времени технология получения чистого урана хорошо разработана. Основная сложность в том, что сам уран и его соединения ядови­ты для человека. Кроме того, все естественные изотопы урана α-активны, и хотя их периоды полураспада достаточно велики (у U-234 2,5*10⁵ лет, у U-235 7*10⁸ лет, у U-238 4,5*10⁹ лет), на всех этапах производства урана нужно соблюдать радиационную безопасность.

б. Выделение изотопа 11-235 из природной смеси - наиболее сложная задача. Атом U-235 лишь на ((238 - 235)/238)*100% = 1,2% легче атома U-238 Их химические свойства

тождественны. Разделить изотопы можно лишь физическими методами. Наиболее эффективным из них является метод газовой диффузии.

Если уран нагреть в атмосфере фтора F₂, то получится гексафторид урана UF₆. При темпера­туре 56,5°С гексафторид возгоняется с естествен­ным распределением концентрации молекул, со­держащих изотопы U-234, U-235 и U-238. Отно­сительное содержание изотопа U-234 очень мало (меньше 1% по отношению к U-235), поэтому в дальнейших рассуждениях изотопом U-234 пре­небрегаем.

Диффузия осуществляется в емкостях, раз­деленных мелкопористой перегородкой, напри­мер, из необоженной глины (рис.142). Если газо­образный гексафторид поместить в левую (по рисунку) часть сосуда, то газ будет диффунди­ровать через перегородку в пустую правую часть сосуда.

Коэффициент диффузии молекул газа D=(1/3)*(kT/√2*σ*p)*√8kT/√πm

1,0004 раз. Поэтому в правой части сосуда газовая смесь будет обогащаться легким изотопом U-235.

Изменение концентрации при однократном диффундировании не превышает 0,04 %. Поэтому для получения U-235 пригодной дня боезаряда чистоты, нужно не менее 500 циклов диффузии. Это требует огромного расхода электроэнергии для приведения в действие газо­вых компрессоров.

в. Компоновка ядерного боезаряда и его подрыв. Простейшая компоновка состоит в том, что по концам высокопрочного глухого артиллерийского ствола размещаются два куска U-235 с докритическими масса­ми (рис. 143-а). При соединении их общая масса должна стать больше критической. Само соединение достигается путем под­рыва обычного взрывчатого вещества, например, тротила. Прочный стальной корпус нужен для того, чтобы как можно дольше удерживать соединившиеся части вместе. Чем больше время удержания, тем большая часть ядер U-235 успевает рас­щепиться, тем больше энергия ядерного взрыва. В дальнейшем все элементы конструкции и нераспавшийся уран испаряются.

Г'лавный недостаток такой компоновки - малая мощ­ность ядерного боезаряда. Суммарная масса обоих кусков U-235 не может превышать 2m_кр

Более рациональна компоновка делящегося вещества в виде тонкостенной полой сферы, окруженной обычным взрыв­чатым веществом (рис. 143-6). Увеличивая радиус сферы, мож­но сделать массу ядерного боезаряда существенно больше кри­тической. Для симметричного сжатия сферы взрывчатое веще­ство должно инициироваться одновременно с разных детонаторов. Разница во времени не должна быть больше 10^-7 с. Разработка и изготовление электронных схем таких взрывателей было одним из важных достижений ядерной технологии.

Первая ядерная бомба на основе U-235 была изготовлена в.США в 1945 году.

10. Атомная бомбя на основе Рu-239. Главный недостаток уранового боезаряда -длительность (500 циклов!) и высокие энергозатраты получения чистого (оружейного) урана-235. Поэтому практически одновременно в США велись разработки по изготовлению бомбы из плутония-239). Впервые плутоний получил Гленн Сиборг с сотрудниками в 1940 г. Они обстреливали уран ускоренными на циклотроне ядрами дейтерия и установили, что плутоний-239 можно получать в больших количествах, облучая U-238 медленными нейтронами. Оказалось, что Рu-239 так же, как и U-235, делится под действием нейтронов любых энергий и потому также пригоден для изготовления ядерного боезаряда.

Из реакции (21.7) следует, что для получения Рu-239 было бы хорошо запустить цеп­ную ядерную реакцию в природном уране. Тогда ядра U-235, распадаясь, поддерживали бы реакцию, а ядра U-238, поглощая избыточные нейтроны, превращались бы в ядра Рu-239.

Но, оказывается, что для быстрых нейтронов, образующихся при распаде ядер U-235, сечение захвата ядрами U-235 недостаточно для возникновения цепной реакции. Многие нейтроны, образовавшиеся при распаде ядер U-235 в природном уране, или поглощаются яд­рами U-238, или уходят из зоны реакции, не встретившись с ядром U-235 по причине малой их концентрации.

Положение резко меняется, если уменьшить энергию нейтронов. При тепловых ско­ростях нейтронов их сечение захвата ядрами U-235 возрастает почти в тысячу раз. И хотя одновременно возрастает сечение радиационного захвата нейтронов ядрами U-238, в целом эффективность использования нейтронов оказывается достаточной для поддержания незату­хающей цепной реакции в природном уране.

Устройство, с помощью которого вырабатывают плутоний, называют ядерным реак­тором на медленных нейтронах. Первый уран-графитовый ядерный реактор был построен в 1942 году группой ученых под руководством Э. Ферми в рамках атомной программы США. Строительство ядерного реактора состояло в том, что в штабель постепенно складывались кирпичи из высокоочищенного графита, в пустотах которого находились куски естественно­го урана. Чтобы не началась неуправляемая реакция взрыва, в сборке сразу устанавливались стержни из поглощающего нейтроны кадмия. Время от времени кадмиевые стержни выводи­лись из реактора, и измерялся поток нейтронов.

Первоначальный рабочий режим этого реактора соответствовал тепловой мощности около 200 Вт, в нем было примерно 450 т графита и 445 т естественного урана. После довод­ки тепловая мощность достигла 100 кВт, а коэффициент размножения нейтронов доходил до К= 1,0006. Благодаря запаздывающим нейтронам, процесс управления реактором упрощает­ся, время принятия решений достигает нескольких десятков секунд.

Через несколько месяцев работы реактор останавливался, урановые бруски извлека­лись, и химическим путем из них выделялся Рu-239 - блестящий белый металл с плотностью 19860 кг/м³ . Плутоний-239 α-активен, его период полураспада Т= 24*10⁴ лет, для человека чрезвычайно ядовит.

Конструкция боезаряда на основе Рu-239 такая же, как и на основе U-235. Первая атомная бомба на основе Рu-239 была изготов…