§ 42. Ланцюгова реакція поділу ядер Урану. Термоядерні реакції

Наприкінці 1938 р. було виявлено, що ядро Урану (важке ядро), поглинаючи нейтрон, «лускає» — розпадається на два осколки (на два легші ядра). У січні 1939 р. Енріко Фермі звернув увагу на те, що, за розрахунками, під час поділу ядра Урану повинні утворюватися нейтрони, які можуть знову захопитися ядрами Урану, тому можлива ланцюгова ядерна реакція. Згадаємо, як ці два відкриття привели до створення ядерного реактора.

1. Поділ важких ядер і ланцюгова ядерна реакція

Розглядаючи ядерні реакції, ви дізналися, що ядро може захоплювати нейтрон. У більшості випадків це приводить до β – -радіоактивності: через деякий час один із нейтронів усередині ядра перетворюється на протон, електрон і нейтрино. Електрон і нейтрино вилітають із ядра, а нове ядро має порядковий номер, який на одну одиницю більший за порядковий номер первинного ядра. Саме так були отримані трансуранові елементи, наприклад Нептуній і Плутоній:

Захоплення нейтрона ядром Урану може привести й до іншого результату: унаслідок захвату нейтрона ядро збуджується та майже миттєво розпадається (розщеплюється) на два осколки (рис. 42.1). Під час розщеплення ядра Урану крім осколків поділу вивільняються нейтрони. Ці вторинні нейтрони можуть спричинити поділ інших ядер Урану, які, у свою чергу, також випустять нейтрони, що здатні викликати поділ наступних ядер, і т. д. Отже, в урановому зразку може відбуватися ланцюгова ядерна реакція поділу.

Рис. 42.1. Схема поділу ядра Урану. Поглинаючи нейтрон, ядро Урану збуджується і набуває видовженої форми; поступово розтягуючись, нове нестійке ядро розпадається на два осколки

Якщо кількість нейтронів, що вступають у реакцію, збільшуватиметься, то кількість актів поділу зростатиме лавиноподібно (рис. 42.2) — відбудеться ядерний вибух. Якщо кількість ядер Урану, що вступили в реакцію, підтримувати на одному рівні, то матимемо справу з керованою ланцюговою ядерною реакцією поділу.

Рис. 42.2. Схематичне зображення ланцюгової ядерної реакції: під час одного акту поділу ядра Урану вивільняються 2 або 3 нейтрони, завдяки цьому і розвивається ланцюгова ядерна реакція

Ланцюгова ядерна реакція супроводжується виділенням величезної кількості енергії, адже утворюються ядра з більшою питомою енергією зв’язку: для ядра Урану-235 питома енергія зв’язку дорівнює приблизно 7,6 МеВ/нуклон, а для ядер осколків — елементів середньої частини Періодичної системи хімічних елементів — 8,5 МеВ/нуклон. Отже, під час поділу одного ядра Урану-235 (містить 235 нуклонів) вивільняється близько 200 МеВ енергії: ΔΕ = (8,5 – 7,6) • 235 ≈ 200(МеВ); ΔΕ = 3,2 • 10 -11 Дж.

Якщо розпадуться всі ядра, наприклад, в одному молі Урану-235 (6,02 • 10 23 ядер), то виділиться енергія Е = 3,2 • 10 -11 • 6,02 • 10 23 ≈ 2 • 10 13 (Дж). Це еквівалентно енергії, яка виділяється під час згоряння 2000 т дров.

• Скільки дров треба спалити, щоб отримати енергію, яка виділяється під час повного розпаду 1 г урану ( 235 ₉₂U)?

2. Як здійснити ланцюгову ядерну реакцію

Гіпотеза Е. Фермі щодо можливості ланцюгової ядерної реакції відразу була прийнята фізиками, хоча й суперечила фактам: ніхто не бачив цієї реакції в природному урані. Чому ж не бачили? Адже навколо нас завжди є певна кількість вільних нейтронів (1000 таких нейтронів щосекунди пролітає через тіло людини), які можуть потрапити в урановий зразок і спричинити початок ланцюгової реакції. До того ж дослідження показали, що під час поділу 100 ядер Урану вивільняється 242 нейтрони, а це означає, що урановий зразок майже миттєво повинен вибухати. Цього, однак, не відбувається.

Річ у тім, що природний уран в основному складається з двох радіонуклідів: 235 ₉₂U і 238 ₉₂U. Уран-235 ділиться під впливом як швидких, так і повільних нейтронів (краще під впливом повільних). А от Уран-238 ділиться під впливом тільки частини швидких нейтронів (він майже не захоплює повільні нейтрони, а 80 % швидких нейтронів захоплює без ділення). У природному урані 149 ядер із 150 є ядрами Урану-238, а більшість нейтронів, вивільнених під час розпаду, є швидкими, тому, якщо вони і захоплюються ядрами Урану-238, вторинні нейтрони майже не з’являються.

Сподіваємося, ви здогадалися: щоб реакція все ж таки відбулася, слід збагачувати природний уран ізотопом 235 ₉₂U і (або) сповільнювати нейтрони.

Однак це не все. Навіть якщо взяти чистий уран, що складається тільки з нукліда 235 ₉₂U, або чистий плутоній ( 289 ₉₄Рu), ядра якого також діляться, захоплюючи нейтрон, то за невеликої маси зразка ланцюгова ядерна реакція не розвинеться, адже більшість нейтронів вилетить із зразка, так і не зіштовхнувшись з ядром. Якщо збільшувати масу зразка, то кількість нейтронів, що вступає в реакцію поділу, буде збільшуватися, а з досягненням певної критичної маси почне розвиватися ланцюгова ядерна реакція. Найменшу критичну масу має зразок, виготовлений у формі кулі (за даного об’єму площа сфери є найменшою). Наприклад, найменша критична маса для чистого урану ( 235 ₉₂U) становить близько 50 кг (куля діаметром 17 см), а для чистого плутонію ( 289 ₉₄Pu) — 11 кг (куля діаметром 10 см). Якщо два зразки урану ( 235 ₉₂U), маса кожного з яких ледь менша від критичної, привести до дотику, відбудеться надпотужний ядерний вибух.

3. Як працює ядерний реактор

Ланцюгова реакція поділу, яка відбувається в урані та деяких інших речовинах, є основою для перетворення ядерної енергії на теплову й електричну. Під час ланцюгової реакції безупинно з’являються осколки поділу, які мають величезну кінетичну енергію. Якщо урановий стрижень занурити в теплоносій, то осколки віддаватимуть йому свою енергію. У результаті теплоносій нагріється. Саме так працює ядерний реактор, у якому ядерна енергія перетворюється на теплову (рис. 42.3).

Рис. 42.3. Будова ядерного реактора

Ядерний реактор — пристрій, призначений для здійснення керованої ланцюгової реакції поділу, яка завжди супроводжується виділенням енергії.

Керована ланцюгова ядерна реакція відбувається в активній зоні реактора. ТВЕЛи (рис. 42.4) пронизують всю активну зону реактора і занурені в теплоносій, який часто слугує також сповільнювачем нейтронів. Продукти поділу нагрівають оболонки ТВЕЛів, і ті передають енергію теплоносію.

Рис. 42.4. ТВЕЛ (тепловидільний елемент) — пристрій, у якому міститься ядерне паливо (таблетки уран(ІV) оксиду, збагаченого ізотопом 235 ₉₂U)

Отримана енергія перетворюється далі на електричну (рис. 42.5) подібно до того, як це відбувається на звичайних теплових електростанціях.

Рис. 42.5. Принцип роботи атомної електростанції

Щоб керувати ланцюговою ядерною реакцією та унеможливити ймовірність вибуху, використовують регулювальні стрижні, виготовлені з матеріалу, що добре поглинає нейтрони. Так, якщо температура в реакторі збільшується, стрижні автоматично заглиблюються в проміжки між ТВЕЛами; у результаті кількість нейтронів, що вступають у реакцію, зменшується і ланцюгова реакція сповільнюється.

4. Термоядерні реакції

Вивчаючи питому енергію зв’язку, ви з’ясували, що виділення енергії може відбуватися як під час поділу важких ядер, так і під час об’єднання (синтезу) деяких легких ядер. Наприклад, якщо зблизити ядра Дейтерію 2 ₁H і Тритію 3 ₁Н, унаслідок їх об’єднання виділіться 17,6 МеВ енергії (3,5 МеВ на кожний нуклон), оскільки утворюється ядро Гелію 4 ₂Не з більшою питомою енергією зв’язку:

Реакцію злиття легких ядер у важчі ядра, яка відбувається за дуже високих температур (понад 10 7 °С) і супроводжується виділенням енергії, називають термоядерним синтезом.

Високі температури, тобто великі кінетичні енергії ядер, потрібні для того, щоб подолати сили електричного відштовхування ядер. Без цього неможливо зблизити легкі ядра на такі відстані, на яких починають діяти ядерні сили притягання.

У природі термоядерні реакції відбуваються в надрах зір, де різні нукліди Гідрогену об’єднуються в ядра атомів Гелію. Так, за рахунок термоядерних реакцій, які відбуваються в надрах Сонця, воно щосекунди випромінює в космічний простір 3,8 • 10 26 Дж енергії. Це колосальна енергія — щоб стільки її отримати, потрібно спалити в тисячу разів більше вугілля, ніж усі відомі запаси на Землі.

Термоядерні реакції — це майже невичерпне джерело енергії. Фізики вже навчилися створювати умови для виникнення таких реакцій, а от їх використання в промисловому масштабі поки що залишається на рівні експериментів. Освоєння термоядерного синтезу виявилося значно складнішим, ніж здавалося на початку досліджень. Але фізики впевнені: майбутнє енергетики — за термоядерним синтезом.

5. Атомна енергетика України

Україна належить до тих країн світу, в яких завдяки наявності високих технологій, висококваліфікованих інженерів і вчених створена потужна атомна енергетика. На сьогодні в країні працюють чотири атомні електростанції: Запорізька, Рівненська, Южно-Українська, Хмельницька (рис. 42.6-42.9).

Рис. 42.6. Запорізька АЕС — найбільша атомна електростанція Європи: б атомних енергоблоків потужністю 1000 МВт кожен

Рис. 42.7. Рівненська АЕС: 4 атомні енергоблоки загальною потужністю 2835 МВт

Рис. 42.8. Южно-Українська АЕС: 3 атомні енергоблоки потужністю 1000 МВт кожен

Рис. 42.9. Хмельницька АЕС: 2 атомні енергоблоки потужністю 1000 МВт кожен

На АЕС України діють 15 атомних енергоблоків, загальна потужність яких становить 13 835 МВт, що забезпечує більш ніж половину потреб України в електроенергії. АЕС обслуговуються багатотисячними колективами висококваліфікованих фахівців. Фактично навколо кожної з українських АЕС виросло невелике місто.

Наявність в Україні джерел електроенергії, які працюють на ядерному паливі, безперечно, пом’якшує дедалі більший дефіцит «звичних» вуглеводних невідновлюваних енергоносіїв: газу, нафти, торфу, кам’яного вугілля.

Фізика в цифрах

• 3,8 • 10 26 Дж енергії випромінює Сонце в навколишній простір.

• 1,7 • 10 17 Дж енергії падає від Сонця на Землю.

• 0,8 • 10 17 Дж енергії досягає поверхні Землі.

• 10 14 Дж енергії накопичується рослинами в ході фотосинтезу.
• 10 13 Дж енергії (10 % енергії фотосинтезу) припадає на ріллю, луки, пасовища.
• 0,5 • 10 13 Дж енергії споживає людина (тобто вона споживає половину енергії, накопиченої ріллею, луками, пасовищами).

Підбиваємо підсумки

• Поглинення нейтрона ядром Урану може спричинити розпад ядра. Ця реакція супроводжується звільненням нейтронів, які містяться в ядрі, а ті, у свою чергу, можуть спричинити поділ інших ядер Урану — відбуватиметься ланцюгова ядерна реакція, яка супроводжується виділенням енергії.

• Процес перетворення ядерної енергії на теплову здійснюється в ядерних реакторах — пристроях, призначених для здійснення керованої ланцюгової реакції поділу. Основні складові ядерного реактора: сповільнювач нейтронів; теплоносій; система керування ланцюговою ядерною реакцією; система захисту.

• Виділенням енергії супроводжується і процес синтезу деяких легких ядер. Така реакція отримала назву термоядерної, оскільки для її початку необхідна дуже висока температура.

• Зараз в Україні працюють чотири атомні електростанції загальною потужністю 13 835 МВт, що забезпечує понад половину потреб України в електроенергії.

Контрольні запитання

1. Які процеси відбуваються внаслідок поглинення нейтрона ядром Урану? 2. Опишіть механізм ланцюгової ядерної реакції. 3. Чи може ланцюгова ядерна реакція відбуватися в природному урані? Відповідь обґрунтуйте. 4. Як побудований ядерний реактор? Для чого призначені його основні елементи? 5. Як працює атомна електростанція? 6. Звідки «беруть» енергію зорі?

Вправа № 42

1. Яка відповідь є правильною? Найбільша частка енергії, що вивільняється під час поділу ядра Урану, припадає: а) на кінетичну енергію вивільнених нейтронів; б) енергію γ-випромінювання; в) кінетичну енергію осколків поділу; г) енергію нейтрино, які випромінюються продуктами поділу.

2. На скільки щосекунди змінюється маса Сонця, якщо потужність його випромінювання становить 3,8 • 10 26 Вт?

3. Якій енергії відповідає спалення в ядерному реакторі 15 г урану ( 235 ₉₂U), якщо в результаті поділу одного його ядра виділяється 200 МеВ енергії?

4. Потужність реактора атомного криголама — 80 000 кВт. За добу реактор споживає 500 г урану ( 235 ₉₂U). Визначте ККД реактора.

5. Із дейтерію і тритію в результаті термоядерної реакції синтезу утворилося 2 г гелію. Яка енергія при цьому виділилася?

6. Дізнайтесь, які експерименти провели науковці, які пристрої побудували, які способи утримання плазми винайшли, намагаючись створити термоядерний реактор.

§ 46. Ядерні реакції. Ланцюгова реакція поділу ядер Урану

Попередньо ми з’ясували, що внаслідок взаємодії частинок відбуваються реакції, які отримали назву ядерних.

Зміну атомних ядер унаслідок їхньої взаємодії з елементарними частинками і між собою називають ядерною реакцією.

Ядерні реакції відбуваються тоді, коли частинки впритул наближаються до ядра і потрапляють у сферу дії ядерних сил. Однойменно заряджені частинки взаємно відштовхуються. Тому зближення позитивно заряджених частинок з ядрами (чи ядер між собою) можливе, якщо цим частинкам (або ядрам) надати великої кінетичної енергії. Таку енергію надають протонам, дейтронам, α-частинкам та іншим важчим ядрам за допомогою прискорювачів елементарних частинок та йонів. Для здійснення ядерних реакцій вони ефективніші, ніж α-частинки, що їх випромінюють природні радіоактивні елементи. Їм можна надати значно більшої енергії (порядку 10 5 МеВ), ніж та, яку мають α-частинки (максимально 9 МеВ). Можна використати також протони, які не з’являються в процесі радіоактивного розпаду. А також можна прискорити ядра, важчі, ніж ядра Гелію.

Першу штучну ядерну реакцію здійснив Резерфорд, «бомбардуючи» ядра Нітрогену α-частинками. Вона мала такий вигляд: 14 ₇Ν + 4 ₂Не → 17 ₈O + 1 ₁Н.

Перше перетворення атомних ядер за допомогою протонів великої енергії, добутих на прискорювачі, було здійснено в 1932 р., коли вдалося розщепити Літій на дві α-частинки: 7 ₃Li + 1 ₁Н → 4 ₂He + 4 ₂Не.

Як видно на фотографії треків у камері Вільсона (мал. 3.24), ядра Гелію розлітаються в різні боки вздовж однієї прямої відповідно до закону збереження імпульсу (імпульс протона значно менший від імпульсів α-частинок, що виникають).

Мал. 3.24

У розглянутій ядерній реакції кінетична енергія двох утворених ядер Гелію виявилася більшою на 7,3 МеВ від кінетичної енергії протона, який вступив у реакцію. Перетворення ядер супроводжується зміною їхньої внутрішньої енергії (енергія зв’язку). У реакції питома енергія зв’язку в ядрах Гелію більша від питомої енергії зв’язку в ядрі Літію. Тому частина внутрішньої енергії ядра Літію перетворюється в кінетичну енергію α-частинок, які розлітаються. Зміна енергії зв’язку ядер означає, що сумарна енергія спокою частинок і ядер, які беруть участь у реакціях, не залишається сталою. Адже енергія спокою ядра М_яс 2 відповідно до формули E_зв = Mc 2 = (Zm_п + Nm_н – М_я)с 2 виражається через енергію зв’язку. За законом збереження енергії зміна кінетичної енергії в процесі ядерної реакції дорівнює зміні енергії спокою ядер і частинок, які беруть участь у реакції.

Енергетичним виходом ядерної реакції називають різницю енергій спокою ядер і частинок до реакції і після реакції.

Отже, енергетичний вихід ядерної реакції дорівнює також зміні кінетичної енергії частинок, що беруть участь у реакції.

Відкриття нейтрона було поворотним пунктом у дослідженні ядерних реакцій. Оскільки нейтрони не мають заряду, то вони без перешкод проникають в атомні ядра і спричинюють їхнє перетворення.

Наприклад, спостерігається така реакція: 27 ₁₃Аl + 1 ₀n → 24 ₁₁Na + 4 ₂He.

Відомий італійський фізик Енріко Фермі (1901-1954), який перший почав вивчати реакції, що спричиняються нейтронами, виявив таке: ядерні перетворення зумовлюються навіть повільними нейтронами.

Причому ці повільні нейтрони здебільшого навіть ефективніші, ніж швидкі. Тому швидкі нейтрони доцільно спочатку сповільнювати. Сповільнюються нейтрони до теплових швидкостей у звичайній воді. Цей ефект пояснюється тим, що у воді є багато ядер Гідрогену — протонів, маса яких майже дорівнює масі нейтронів. А під час зіткнення куль однакової маси найінтенсивніше передається кінетична енергія. Під час центрального зіткнення нейтрона з протоном, що перебуває в стані спокою, він повністю передає протону свою кінетичну енергію.

Поділ атомних ядер — це особливий вид ядерних реакцій, коли ядро важкого елемента ділиться на дві частини, одночасно випромінюючи два-три нейтрони, γ-промені та значну кількість енергії. Це дає можливість здійснити ланцюгову ядерну реакцію.

Поділ ядер Урану відкрили в 1938 р. німецькі вчені Отто Ган (1879-1968) і Фріц Штрассман (1902-1980). Вони встановили, що під час бомбардування Урану нейтронами виникають елементи середньої частини Періодичної системи: Барій, Криптон та ін. Проте правильно пояснили цей факт — як поділ ядра Урану, яке захопило нейтрон, — англійський фізик Отто Фріш (1904-1979) і австрійський фізик Ліза Мейтнер (1878-1968) у 1939 р. Вони вважали, що ядро Урану, захопивши повільний нейтрон, перетворюється в ядро радіоактивного ізотопу Урану , яке розпадається на дві приблизно рівні частини X і Y, при цьому виділяється кілька нейтронів. Реакція відбувається за схемою:

235 ₉₂U + 1 ₀n → 236 ₉₂U → X + Y + нейтрони.

Процес поділу атомного ядра можна пояснити за допомогою краплинної моделі ядра. За цією моделлю згусток нуклонів має нагадувати краплину зарядженої рідини (мал. 3.25, а). Ядерні сили між нуклонами короткодіючі, подібно до сил, що діють між молекулами рідини. Одночасно з великими силами електростатичного відштовхування між протонами, які намагаються розірвати ядро на частини, діють ще більші ядерні сили притягання. Ці сили не дають ядру розпастися.

Мал. 3.25

Ядро Урану має форму кулі. Захопивши зайвий нейтрон, ядро збуджується і починає деформуватися, набуваючи витягнутої форми (мал. 3.25, б). Ядро розтягується, доки сили відштовхування між кінцями витягнутого ядра не переважатимуть сили зчеплення, які діють на перешийку (мал. 3.25, в). Розтягуючись дедалі дужче, ядро розривається на дві частини (мал. 3.25, г). Під дією кулонівських сил відштовхування ці частини, чи уламки, розлітаються зі швидкістю, що дорівнює 1/30 швидкості поширення світла.

Більш пізні дослідження показали, що внаслідок бомбардування ядер Урану нейтронами можуть утворюватися уламки 80 «сортів». Причому найвірогіднішим виявляється поділ на уламки, маси яких відносяться приблизно як 2 : 3.

Одна з можливих реакцій поділу Урану відбувається за схемою:

Енергетичний вихід такої реакції становить 208 МеВ. Енергія, яка виділяється при одному акті горіння Гідрогену в Оксигені, дорівнює 10 еВ.

Отже, реакція поділу ядер Урану відбувається з виділенням енергії. Ця енергія розповсюджується уламками та нейтронами у вигляді їхньої кінетичної енергії, а також випромінюванням під час супроводу цієї реакції.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО

• 1. Що таке ядерна реакція?
• 2. Які ядерні реакції було проведено вперше?
• 3. Що таке енергетичний вихід ядерної реакції?
• 4. У чому полягає основна відмінність ядерних реакцій на нейтронах від ядерних реакцій, спричинених зарядженими частинками?
• 5. Що таке ланцюгова ядерна реакція?
• 6. Хто відкрив і пояснив поділ ядер Урану?
• 7. Які елементи утворюються під час поділу ядер Урану?
• 8. Яка енергія виділяється під час поділу ядер Урану?