Элементы физики - 8.5.Ядерные реакции

При сближении двух сильновзаимодействующих частиц (ядро и нуклон, два ядра, два нуклона) до расстояния, на котором действуют ядерные силы (порядка 10-15 м), они вступают между собой в ядерную реакцию. В результате ядерной реакции вместо двух первоначальных частиц возникают две (или больше) другие ядерные частицы, которые разлетаются от места ядерного взаимодействия.

Ядерное взаимодействие между двумя данными частицами может приводить к разным конечным продуктам. Так, при взаимодействии нейтрона с ядром урана могут произойти деление (ядро урана делится на два ядра-осколка), радиационный захват (после захвата нейтрона образуется более тяжёлый изотоп урана, который испускает γ-квант, а затем в процессе β--распада превращается в нептуний Np); неупругое и упругое рассеяние. В двух последних случаях продукты реакции совпадают с исходными частицами, но при неупругом рассеянии ядро оказывается в возбуждённом состоянии.

Столь же разнообразны ядерные реакции под действием заряженных частиц. Вот перечень реакций, идущих при взаимодействии протонов разных энергий с ядром лития Li:

1)
2)
3)
4)
5)

Эти реакции могут быть обозначены короче:

и т.д. Здесь в скобках указываются участвующие в реакции лёгкие частицы, сначала исходная, затем конечная.

γ-кванты также вызывают разнообразные ядерные реакции, например, (γ, n) и (γ, p).

В процессе ядерного взаимодействия выполняются законы сохранения энергии (полной), импульса, момента импульса, электрического, барионного и лептонного зарядов и некоторые другие.

В отличие от полной энергии кинетическая энергия взаимодействующих частиц не сохраняется (за исключением процесса упругого рассеяния). Разность между суммарной кинетической энергией частиц – продуктов реакции и суммарной кинетической энергией частиц, вступающих в реакцию, называют энергией реакции Q. По порядку величины энергия ядерной реакции примерно в миллион раз больше энергии химической реакции. Энергия реакции Q может быть положительной и отрицательной.

Реакции с положительным Q называют экзоэнергетическими. В этом случае энергия реакции Q освобождается за счёт уменьшения энергии покоя (и, значит, массы) частиц в процессе реакции. Примерами экзоэнергетических реакций являются процессы 1 и 2 из перечня (8.5.1), а также упомянутые выше реакции деления урана и радиационного захвата нейтрона. Экзоэнергетические реакции возможны при нулевой кинетической энергии взаимодействующих частиц, если их сближению не препятствует кулоновское отталкивание. Примером может служить реакция захвата теплового (Eк ≈ 0) нейтрона ядром бора 5В10:

Эта реакция широко используется для детектирования тепловых нейтронов с помощью регистрации образующихся быстрых (EKLi + EKHe = 2,8 МэВ) заряженных частиц.

Реакции с отрицательным Q называют эндоэнергетическими. Они обладают порогом, т.е. могут протекать только в том случае, когда кинетическая энергия бомбардирующей частицы превосходит некоторое минимальное значение

. Примерами эндоэнергетических реакций являются процессы 3 и 4 из перечня (8.5.1).

Основные закономерности протекания многих ядерных реакций можно объяснить при помощи теории составного (промежуточного) ядра, созданной Н. Бором. Согласно этой теории ядерная реакция протекает в две стадии. На первой стадии из взаимодействующих частиц образуется составное (промежуточное) ядро [

в реакциях (8.5.1) и

в реакции (8.5.2)], которое существует около 10-15 с (это примерно в 106 раз больше времени, которое требуется для слияния частиц в составную систему). На второй стадии реакции промежуточное ядро распадается на продукты реакции. Одно и то же составное ядро (с тем же нуклонным составом, массой, спином, структурой уровней и т.д.) может возникать в разных реакциях. Эта теория хорошо описывает реакции, вызываемые не очень быстрыми частицами. Однако в ряде случаев она даёт результаты, противоречащие опыту.

Для объяснения этих результатов был предложен механизм прямого ядерного взаимодействия. Этот механизм заключается в передачи одного или нескольких нуклонов из одного взаимодействующего ядра в другое без предварительного образования промежуточного ядра. Например, при взаимодействии с ядром дейтрона один из его нуклонов попадает в ядро, а другой пролетает мимо, не побывав в ядре. Такую реакцию называют реакцией срыва. Реакция срыва при высоких энергиях используется для получения быстрых нейтронов. Кроме срыва возможен и обратный процесс – подхват нуклона из ядра-мишени.

В более сложных реакциях, имеющих механизм прямого взаимодействия, от одного ядра к другому могут передаваться значительные группы нуклонов (например, ядро 2Не4). Такие группы называют кластерами.

В общем случае ядерная реакция может протекать обоими способами (и с образованием промежуточного ядра, и в механизме прямого взаимодействия) с большим или меньшим преобладанием какого-либо из них.

Деление ядер. Реакция деления ядер была открыта в 1938 году немецкими радиохимиками Ганном и Штрассманом, которые, облучая уран нейтронами, обнаружили образование ядер элемента 56Ba, отстоящего от урана по заряду на целых 36 единиц. Этот результат казался совершенно необъяснимым, так как ожидалось, что при облучении урана нейтронами должен получаться β--радиоактивный изотоп урана U239, который после β--распада должен был превратиться в трансурановый элемент 93Np239.

Объяснение было дано Фришем и Мейтнер, которые высказали гипотезу о неустойчивости ядра урана при его деформации. При захвате нейтрона ядро урана возбуждается и приходит в колебания, которые в некоторых случаях могут привести к разрыву ядра на две части (осколки деления). Позднее было установлено, что осколки деления имеют довольно широкий спектр масс, причём наиболее вероятным является деление на осколки, массы которых относятся как 2:3.

Масса (и энергия) делящегося ядра значительно превышает сумму масс осколков. В связи с этим при делении освобождается очень большая энергия Q ≈ 200 МэВ, значительную часть которой (около 170 МэВ) уносят осколки в виде кинетической энергии.

Гипотеза Фриша и Мейтнер позволяет предсказать ещё два важных свойства осколков деления. При разделении ядра урана на два осколка все Z протонов и все N нейтронов ядра урана распределяются между этими осколками, поэтому в осколках должно быть примерно такое же соотношение между Z и N, что и в уране:

Но это соотношение не типично для стабильных изотопов ядер средины периодической таблицы (к которым относятся осколки). Например, для ядра 56Ba137 значение N/Z = 1,45, а не 1,6. Таким образом осколки, образующиеся при делении, оказываются перегруженными нейтронами, а следовательно, они должны быть β--радиоактивными и могут испускать нейтроны.

Эти свойства были подтверждены экспериментально. Действительно, при делении урана на один акт деления в среднем испускается 2,4 нейтрона, а осколки действительно − β--радиоактивны.

Осколки деления – цезий и рубидий – претерпевают превращения:

Конечные продукты 140Ce и 94Zr − являются стабильными.

Кроме урана, при облучении нейтронами делятся торий

и протактиний

, а так же плутоний

. Эти ядра могут также делиться самопроизвольно (спонтанное деление). Однако период полураспада для спонтанного деления, например, урана очень велик (~ 1016 лет). Нейтроны сверх высоких энергий (прядка нескольких сотен МэВ) вызывают деление и более легких ядер. Ядра 235U и 239Pu делятся нейтронами любых энергий, но особенно хорошо медленными нейтронами. Ядра 238U делятся только нейтронами с энергиями не меньшими ~ 1 МэВ. При меньших энергиях нейтроны поглощаются ядрами 238U без последующего их деления. В результате образуется ядро 239U, энергия возбуждения которого выделяется в виде γ-фотона. Поэтому такой процесс называется радиационным захватом.

Образовавшееся в результате захвата нейтрона ядро 239U нестабильно (период полураспада T = 23 мин). Испуская электрон, антинейтрино и γ-фотон, оно превращает в нептуний Np. Np также претерпевает β--распад (T = 2,3 дня), превращаясь в плутоний 239Pn. Эта цепочка превращений выглядит следующим образом:

Плутоний α-радиоактивен. Однако его период полураспада так велик (24400 лет), что его можно считать практически стабильным.

Радиационный захват нейтронов ядром тория 232Th приводит к образованию делящегося изотопа 233U, отсутствующего в природном уране:

Испускание при делении ядер 235U, 235Pn и 233U нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной ядерной реакции. Действительно, испущенные при делении одного ядра Z нейтронов могут вызвать деление Z ядер, в результате будет испущено Z2 новых нейтронов, которые вызовут деление Z2 ядер и т.д. Таким образом, количество нейтронов, рождающихся в каждом поколении, нарастает в геометрической прогрессии. Нейтроны, испускаемые при делении ядер 235U, имеют скорость ~ 2⋅107 м/с. Поэтому время, протекающее между испусканием нейтрона и захватом его новым делящимся ядром, очень мало, так что процесс размножения нейтронов в делящемся веществе протекает очень быстро.

Нарисованная картина является идеальной. В действительности всё далеко не так. Прежде всего, из-за конечных размеров делящегося вещества и большой проникающей способности нейтронов многие из них покинут зону реакции прежде, чем будут захвачены каким-либо ядром и вызовут его деление. Кроме того, часть нейтронов поглотится ядрами неделящихся примесей, вследствие чего выйдет из игры.

Природный уран содержит 99,27% изотопа 238U, 0,72% 235U и около 0,01% 234U. Следовательно, на каждое делящееся под действием медленных нейтронов ядро 235U приходится 140 ядер 238U, которые захватывают не слишком быстрые нейтроны без деления. Поэтому в природном уране цепная реакция деления не возникает. Обычно для её осуществления используют либо чистый 235U, либо 239Pu.

В обоих случаях в куске делящегося вещества каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием ~ 2,5 новых нейтронов.

Поскольку объём тела растёт как куб, а поверхность – как квадрат линейных размеров, то относительная доля вылетающих наружу нейтронов уменьшается с ростом массы делящегося вещества. Отсюда следует, что существует некоторая масса, при которой может начаться цепная реакция. Эта масса называется критической. При массе, большей критической, нейтроны быстро размножаются, и реакция приобретает взрывной характер. На этом основано действие атомной бомбы.

Ядерный заряд такой бомбы представляет собой два или более кусков почти чистого 235U или 239Pn. Масса каждого куска меньше критической. Вследствие чего цепная реакция не возникает.

В земной атмосфере всегда присутствует некоторое количество нейтронов, рождённых космическими лучами. Поэтому, чтобы вызвать взрыв, достаточно соединить части ядерного заряда в один кусок с массой, большей критической. Такую массу нужно сконцентрировать за время порядка ~ 10-3 c. Для соединения используют обычное взрывчатое вещество, с помощью которого одной частью заряда выстреливают в другую. Всё устройство заключено в массивную оболочку из металла большой плотности. Оболочка служит отражателем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления. Цепная реакция в атомной бомбе идёт на быстрых нейтронах. При взрыве успевает прореагировать только часть ядерного заряда. Первые американские атомные бомбы содержали около 2 кг 235U и приводились в действие указанным способом.

Иной способ осуществления цепной реакции используется в ядерных реакторах. В качестве делящегося вещества в них служит природный либо несколько обогащённый уран 235U. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов 238U, сравнительно небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки между блоками заполняют замедлителем, т.е. веществом, в котором нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Сечение захвата тепловых нейтронов ядром 238U составляет всего 3 барна (1 барн = 10-24 см2), в то время как сечение деления 235U тепловыми нейтронами почти в 200 раз больше (580 барн). Поэтому, хотя нейтроны сталкиваются с ядрами 238U в 140 раз чаще, чем с ядрами 235U, радиационный захват происходит реже, чем деление и при больших критических размерах всего устройства, коэффициент размножения нейтронов (т.е. отношение количеств нейтронов, рождающихся в двух последующих поколениях) может достигнуть значений, больших единицы (у первого реактора он был равен 1,005).

Замедление нейтронов осуществляется за счёт упругого рассеяния. В качестве замедлителя могут быть использованы тяжёлая вода, графит (С) и бериллий (Ве).

Схема уран-графитового реактора приведена на рис. 8.4.4.

Рис. 8.4.4

Эти стержни служат для регулировки процесса в реакторе. Кадмий и бор интенсивно поглощают нейтроны. Поэтому введение стержней в реактор уменьшает коэффициент размножения нейтронов, а выведение – увеличивает. Специальное устройство, управляющее стержнями, позволяет поддерживать развиваемую в реакторе мощность на заданном уровне.

Первые промышленные реакторы предназначались для производства плутония. В таких реакторах часть нейтронов, испускаемых при делении ядер 235U, идёт на поддержание цепной реакции, часть же претерпевает захват ядрами 238U, что согласно (8.5.3) приводит к образованию Рu.

В настоящее время строятся реакторы самых различных назначений, в том числе, и для производства электроэнергии.

Реакции синтеза. К решению проблемы извлечения энергии из ядер можно подойти также, рассматривая кривую энергии связи (рис. 8.2.1) со стороны меньших масс ядер. При соединении двух лёгких ядер и образовании прочно связанного ядра со средним значением массового числа А также происходит высвобождение энергии. Например, если бы удалось соединить два дейтрона (Н2) и получить ядро гелия (Не), масса которого меньше суммарной массы двух дейтронов на 24 МэВ, то удалось бы высвободить энергию синтеза в количестве 24 МэВ. Таким образом, при объединении двух дейтронов с образованием гелия, в энергию превращается 0,6% их первоначальной массы покоя. Если бы этот процесс синтеза удалось использовать для производства энергии, то он оказался бы примерно в 6 раз эффективнее процесса деления урана. Более того, в воде озёр и океанов имеются неограниченные запасы дейтерия, который сравнительно легко отделить от обычного водорода.

Серьёзным препятствием на пути к получению энергии в неограниченных количествах из воды является закон Кулона. Электростатическое отталкивание двух дейтронов при комнатной температуре не позволяет им сблизиться до расстояний ~ 10-15 м, на которых сказываются короткодействующие силы притяжения.

Чтобы свести дейтроны на столь малое расстояние, им необходимо сообщить кинетическую энергию, которая была бы, по меньшей мере, равна их электростатической потенциальной энергии на этом расстоянии.

На долю каждого сталкивающегося ядра приходится 0,35 МэВ. Средней энергии теплового движения, равной 0,35 МэВ, соответствует температура порядка 2⋅109 К. Однако синтез ядер дейтерия и других лёгких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Кроме того, что особенно существенно, слияние ядер может произойти вследствие туннельного эффекта. Поэтому для получения управляемой термоядерной энергии и для инициирования термоядерного взрыва водородной бомбы достаточно температуры около 5⋅107 К. Ядерные реакции, требующие для своего осуществления температур порядка миллионов градусов, называются термоядерными. Мгновенные температуры, развивающиеся при взрыве атомной бомбы, оказываются достаточно высокими, чтобы поджечь термоядерное горючее.

В качестве горючего в современных водородных бомбах используется соединение LiH, причём только с изотопами 3Li6 и 1H2 (дейтерий вместо водорода). Изотоп 3Li6 поглощает нейтроны, возникающие в реакции:

В результате происходит выгорание дейтерида лития-6 (6Li2H), сопровождающееся образованием 3He, 4He и нейтронов. Начавшись, термоядерные реакции сопровождаются выделением энергии, и этим обеспечивается поддержание высоких температур, пока большая часть вещества не "выгорит". В отличие от атомного, термоядерное горючее для водородной бомбы не имеет ограничений на его количество, использованное в одной бомбе. Проводились испытания бомб мощностью 100 мегатонн.

Энерговыделение при взрыве чисто термоядерной водородной бомбы можно почти удвоить за счёт использования оболочек из 238U. В этом случае нейтроны, возникающие в результате термоядерных реакций, вызывают деление ядер 238U, что приводит к увеличению числа нейтронов, бомбардирующих 6Li (8.5.6) и т.д. Поэтому в большинстве взрывов водородных бомб энерговыделение, обусловленное делением ядер, оказывается таким же, как и получаемое в процессе синтеза, и сопровождается опасными выпадениями продуктов деления.

Управляемый синтез. Чтобы с помощью ядерного синтеза можно было получить полезную энергию, термоядерные реакции должны быть управляемыми. Необходимо найти способы создания и поддержания температуры во много миллионов градусов. Другая техническая проблема состоит в том, что высокотемпературный газ, или плазму, нужно удерживать таким образом, чтобы не расплавились стенки соответствующего объёма.

В установках типа «Токомак», которые в настоящее время считаются наиболее перспективными на пути создания термоядерного реактора, плазма создаётся в тороидальной камере и от соприкосновения со стенками удерживается сильными магнитными полями специальной формы. Само плазменное образование – плазменный шнур – также имеет форму тора. В реальной установке Т-10 плазма с температурой (7-8)106 K и плотностью примерно 1014 частиц/см3 создаётся в объёме 5 м3, на время около 1 с. Однако до осуществления критерия Лоусона – условия, необходимого для начала самоподдерживающейся термоядерной реакции – ещё остаётся значительный «путь»: примерно 20 раз по nτ (произведение плотности частиц на время удержания плазмы) и примерно 10 раз по температуре.

В настоящее время существует уверенность в том, что указанные трудности можно преодолеть, если термоядерная установка будет иметь достаточно большие размеры.

Другой возможный путь осуществления управляемой термоядерной реакции – сверхбыстрый (порядка 10-9 с) нагрев небольших (диаметром около 1 мм) «таблеток» из конденсированного термоядерного топлива при помощи всестороннего облучения их короткими импульсами лазерного излучения или сильноточных пучков релятивистских электронов. Оба этих варианта также успешно развиваются.