Реакція ядерного поділу. Ланцюгова реакція поділу. Ядерний реактор
До початку 40-х років XX ст. роботами багатьох учених було доведено, що під час опромінення урану нейтронами утворюються елементи із середини періодичної системи – лантан і барій. Цей результат поклав початок дослідженню ядерних реакцій нового типу – реакцій поділу ядра, суть яких в тому, що важке ядро під дією нейтронів, а також інших частинок ділиться на декілька більш легких ядер, найчастіше на два близькі за масою ядра.
Поділ атомних ядер може відбуватися різними шляхами. Спостерігається більше, ніж 30 різних варіантів реалізації процесу поділу, зокрема
.
Серед осколків поділу є нукліди з масовими числами від 72 до 161 і значеннями Z від 30 до 65. Криві виходу продуктів на один поділ наведені на рис. 342,
де крива 1 відповідає дії теплових нейтронів, а крива 2 – швидких. При поділі на теплових нейтронах утворюються переважно осколки зі співвідношенням мас 2:3. Найімовірнішими продуктами поділу з виходом 
є осколки з масовими числами 195 і 139.
Поділ на два рівні осколки є малоймовірним 
.
Особливістю поділу ядра є те, що він супроводжується випусканням двох –трьох вторинних нейтронів, які називаються нейтронами поділу. Продукти поділу є радіоактивними. Це зв’язано з тим, що в ядрах – осколках, які утворилися, є надлишок нейтронів в порівнянні з протон-нейтронним співвідношенням, при якому ядра стабільні. Так, у стійких середніх ядер 
, а у тяжких ядрах 
.
Осколки поділу зазнають тому ряд 
розпадів, які супроводжуються випромінюванням 
квантів і перетворенням нейтрона в протон. В результаті співвідношення між нейтронами і протонами в осколку досягає величини, що відповідає стабільному ізотопу.
Наприклад, одна з типових реакцій ядерного поділу є реакція
.
Осколки поділу – ксенон і стронцій – зазнають розпадів:
,
.
Кінцеві продукти – цезій і цирконій – є стабільними.
Іншою типовою реакцією є така:
.
Більшість нейтронів при поділі випускаються практично миттєво 
, а частина (близько 
) випускаються осколками поділу через деякий час після поділу 
. Перші з них називаються миттєвими, другі – такими, що запізнюються. Загалом на кожний акт поділу припадає 2.5 випущеного нейтрона, а на один нейтрон в середньому припадає енергія близько 2 МеВ.
Якщо розглянути реакцію поділу, в результаті якої ядро 
розщеплюється на ядра 
, 
, 6 
частинок і 2 нейтрона, то цей поділ супроводжується виділенням великої кількості енергії, а саме: 
.
Ймовірність поділу ядер визначається енергією нейтронів. Наприклад, якщо високоенергетичні нейтрони викликають поділ практично всіх ядер, то нейтрони з енергією в декілька МеВ - лише важких ядер 
.
Нейтрони, що мають енергію активації (мінімальну енергію, необхідну для здійснення реакції поділу ядра) порядку 1 МеВ, викликають поділ ядра урану 
, торію 
, протактинію 
і плутонію 
.
Тепловими нейтронами діляться ядра 
, 
, 
, 
. Два останні ізотопи в природі не зустрічаються, їх отримують штучно.
Теорію поділу важких ядер запропонували Н. Бор і Я. Френкель, в основу її покладено краплинну модель ядра.
Нейтрон, що проникнув у ядро, вносить туди енергію, яка за дуже короткий час поширюється між всіма нуклонами і в результаті утворюється нове ядро у збудженому стані. Якщо енергія збудження невелика, то поділ ядра не відбувається. Таке ядро, втративши надлишок енергії через випускання 
- кванта, протона або нейтрона, повернеться в рівноважний стан. Якщо ж енергія, яку вносить нейтрон, велика, то збуджене ядро – крапля починає деформуватися, в результаті відбувається поділ на два осколки, що розлітаються з великими швидкостями внаслідок дії між ними сил електростатичного відштовхування (рис. 343).
Для практичного застосування поділу важких ядер найважливіше значення має виділення великої енергії при кожному акті поділу і поява при цьому 2-3 нейтронів. Кожен з цих нейтронів взаємодіє з сусідніми ядрами речовини, що, у свою чергу спричиняє в них реакцію поділу, тобто відбувається лавиноподібне зростання
кількості актів поділу. Така реакція поділу називається ланцюговою.
Схематично ланцюгова реакція поділу ядер зображена на рис. 344.
Ланцюгова реакція поділу характеризується коефіцієнтом розмноження k нейтронів, який дорівнює відношенню кількості нейтронів у даному поколінні до їх кількості в попередньому поколінні.
Виявляється, що не всі вторинні нейтрони, які утворюються, викликають наступний поділ ядер, що приводить до зменшення k. По-перше, внаслідок скінчених розмірів активної зони (простір, де відбувається ланцюгова реакція) і великої проникної здатності нейтронів, частина з них покине активну зону раніше, ніж буде захоплена яким-небудь ядром. По-друге, частина нейтронів захоплюється ядрами домішок, що не діляться, і які завжди присутні в активній зоні.
Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, а для даного ізотопу – від його кількості, а також від розмірів і форми активної зони.
Мінімальні розміри активної зони, при яких можливе здійснення ланцюгової реакції, називають критичними розмірами. Мінімальна маса речовини, що ділиться, яка необхідна для здійснення ланцюгової реакції, називається критичною масою. Для зменшення втрат нейтронів і критичних параметрів речовини її оточують відбивачем - шаром неподільної речовини, яка має малий ефективний поперечний переріз для захоплення нейтронів і великий переріз для їх розсіяння.
Обчислимо швидкість розвитку
ланцюгової реакції. Нехай 
– середній час життя одного покоління, а N - число нейтронів у попередньому поколінні. В даному поколінні їх кількість дорівнює kN, тобто приріст кількості нейтронів за одне покоління 
.
Приріст кількості нейтронів за одиницю часу, тобто швидкість наростання ланцюгової реакції
, 
.
Інтегруючи цей вираз, отримуємо
,
де 
- кількість нейтронів в початковий момент часу, а N - їх кількість в момент часу t. При k>1 йде наростаюча реакція, кількість поділів безперервно росте, і реакція може стати вибуховою.
При k=1 йде самопідтримуюча реакція, при якій кількість нейтронів з часом не змінюється. При k<1 йде загасаюча реакція.
Ланцюгові реакції діляться на керовані і некеровані. Вибух атомної бомби є некерованою реакцією. Керовані ланцюгові реакції здійснюються в ядерних реакторах.
Як сировинні і подільні речовини в реакторах використовуються 
, , 
, а також 
. У природній суміші ізотопів урану ізотопу у 140 разів
більше, ніж ізотопу .
Велике значення в ядерній енергетиці має не лише здійснення ланцюгової реакції поділу, але і керування нею.
Пристрій, в якому здійснюється і підтримується керована ланцюгова реакція поділу, називається ядерним реактором.
Розглянемо типову схему реактора на теплових нейтронах (рис. 345).
В активній зоні реактора розміщені тепловиділяючі елементи 1 і сповільнювачі 2, в яких нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей. Тепловиділяючі елементи (твели) – це блоки з радіоактивного матеріалу, що знаходиться в герметичній оболонці, яка слабо поглинає нейтрони. За рахунок енергії, що виділяється при поділі ядер, твели розігріваються, і їх поміщають в потік теплоносія (З – канал для протікання теплоносія). Проходячи через активну зону, теплоносій у вигляді газу, води або розплавленого металу нагрівається і передає теплоту через спеціальний пристрій робочому тілу, наприклад, воді в паротурбогенераторі, а потім знову поступає в активну зону реактора. Активна зона оточується тепловідбивачем 4, що зменшує витік нейтронів.
Керування ланцюговою реакцією здійснюється спеціальними керуючими стрижнями 5 з матеріалів, що сильно поглинають нейтрони. При повністю вставлених стрижнях реакція не йде. При поступовому вийманні стрижнів k росте і при певному положенні доходить до одиниці. В цей момент реактор починає працювати. В міру його роботи кількість матеріалу, який ділиться в активній зоні, зменшується і відбувається її забруднення осколками поділу. Щоб реакція не припинилась, з активної зони за допомогою автоматичного пристрою поступово виймаються керуючі стрижні. В реакторі є аварійні стрижні, введення яких при збільшенні інтенсивності реакції зразу її припиняє. Кожний реактор має біологічний захист - систему екранів із захисних матеріалів.
Ядерні реактори розрізняють:
1) за характером основних матеріалів, що знаходяться в активній зоні (ядерне паливо, сповільнювач, теплоносій); в ролі подільних і сировинних речовин використовують 
, 
, 
, 
, 
, в ролі сповільнювачів - воду (звичайну і важку), графіт, берилій, кадмій; в ролі теплоносіїв – повітря, воду, водяну пару, Не, Со тощо.
2) за енергією нейтронів (реактори на
теплових і швидких нейтронах);
3) за характером розміщення ядерного палива і сповільнювача в активній зоні: гомогенні (обидві речовини рівномірно змішані одна з одною) і гетерогенні (обидві речовини розміщуються окремо у вигляді блоків);
4) за типом режиму (неперервні й імпульсні);
5) за призначенням (енергетичні, дослідні реактори виробництва нових подільних матеріалів, радіоактивних ізотопів і та ін.).
СТРУТИНСЬКИЙ ВІЛЕН МИТРОФАНОВИЧ
(нар.1929 р.)
Виконав праці з теорії поділу ядер. Розвинув кількісну теорію кутових розподілів фрагментів поділу і продуктів реакцій, розробив метод розрахунку мас і енергій деформації ядер, який дав змогу відокремити оболонкові ефекти в енергії ядра і дослідити їх вплив на властивості ядер.
Теоретично встановив в 1966 р. явище сильно деформованих важких атомних ядер в квазістаціонарному стані, зумовлене деформуванням в ядрах з числом нуклонів 230-250 оболонкової структури при досягненні ядрами деформацій з станом осей порядку 1,8-2,0. Вперше висунув і обґрунтував уявлення про наявність у важких ядер двогорбого бар’єру поділу.
БРОДСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ІЛЛІЧ
(1895-1969)
В 1934 р. перший в СРСР отримав важку воду. Розробив теорію розділення ізотопів та методи концентрування важкої води, що мало велике значення для виробництва останньої та розділення ізотопів урану.
ЛЕЙПУНСЬКИЙ ОЛЕКСАНДР ІЛЛІЧ
(1903-1972)
Прийшов у 1946-1948 рр. до ідеї реакторів на швидких нейтронах, вказав на фізичні особливості ланцюгової ядерної реакції на швидких нейтронах і на перевагу використання в ролі теплоносіїв у швидких реакторах рідких металів.
ІВАНОВ ВІКТОР ЄВГЕНОВИЧ
(1908-1980)
Під керівництвом Іванова виконані розробки ядерного палива на основі металічного урану, розроблені методи дисперсійного зміцнення урану і підвищення його радіаційної стійкості, створено металічне уранове паливо з великою радіаційною стійкістю до вигорання.
АХІЄЗЕР ОЛЕКСАНДР ІЛЛІЧ
(1911-2000)
Виконав (1943 р.) дослідження над розсіянням повільних нейтронів у кристалах і кінетичними властивостями ділимих середовищ (реакторів). Один з перших висловив ідею про використання в ядерних реакторах так званих „холодних” нейтронів і провів розрахунки критичних розмірів реактора з врахуванням скінченої довжини сповільнення нейтронів.
ТОЛУБИНСЬКИЙ ВСЕВОЛОД ІВАНОВИЧ
(нар.1904 р.)
Дослідив умови виникнення і перебігу кризисних явищ при кипінні недогрітої рідини в умовах вимушеного руху і високого тиску в каналах складного профілю. Результати цих досліджень використовуються при розрахунках і конструюванні атомних реакторів та інших машин і апаратів.