Для преобразования внутренней энергии атомных ядер в электрическую на атомных электростанциях используют так называемые цепные реакции деления ядер.
Рассмотрим механизм протекания цепной реакции деления ядра изотопа урана -235U. На рисунке 173 вверху изображено ядро атома урана, которое в результате захвата нейтрона разделилось на две части, излучив при этом три нейтрона. Два из этих нейтронов вызвали реакцию деления еще двух ядер, при этом образовалось уже четыре нейтрона. Эти, в свою очередь, вызвали деление четырех ядер, после чего образовалось девять нейтронов и т. д.
Цепная реакция возможна благодаря тому, что при делении каждого ядра образуется 2—3 нейтрона, которые могут принять участие в делении других ядер.
На рисунке показана схема цепной реакции, при которой общее число свободных нейтронов в куске урана лавинообразно увеличивается со временем. Соответственно резко возрастает число делений ядер и энергия, выделяющаяся в единицу времени. Поэтому такая реакция носит взрывной характер (она протекает в атомной бомбе).
Возможен другой вариант, при котором число свободных нейтронов уменьшается со временем. В этом случае цепная реакция прекращается. Следовательно, такую реакцию тоже нельзя использовать для производства электроэнергии.
В мирных целях возможно использовать энергию только такой цепной реакции, в которой число нейтронов не меняется с течением времени.
Как же добиться того, чтобы число нейтронов все время оставалось постоянным? Для решения этой проблемы нужно знать, какие факторы влияют на увеличение и на уменьшение общего числа свободных нейтронов в куске урана, в котором протекает цепная реакция.
Одним из таких факторов является масса урана. Дело в том, что не каждый нейтрон, излученный при делении ядра, вызывает деление других ядер (рис. 174). Если масса (и соответственно размеры)
Рис.174
куска урана слишком мала, то многие нейтроны вылетят за его пределы, не успев встретить на своем пути ядро, вызвать его деление и породить таким образом новое поколение нейтронов, необходимых для продолжения реакции. В этом случае цепная реакция прекратится. Чтобы реакция не прекращалась, нужно увеличить массу урана до определенного значения, называемого критическим.
Почему при увеличении массы цепная реакция становится возможной? Чем больше масса куска, тем больше его размеры и тем длиннее путь, который проходят в нем нейтроны. При этом вероятность встречи нейтронов с ядрами возрастает. Соответственно увеличивается число делений ядер и число излучаемых нейтронов.
При некоторой так называемой критической массе урана число нейтронов, появившихся при делении ядер, становится равным числу потерянных нейтронов {т. е. захваченных ядрами без деления и вылетевших за пределы куска).
Поэтому их общее число остается неизменным. При этом цепная реакция может идти длительное время, не прекращаясь и не приобретая взрывного характера.
Наименьшая масса урана, при которой возможно протекание цепной реакции, называется критической массой.
Если масса урана больше критической, то в результате резкого увеличения числа свободных нейтронов цепная реакция приводит к взрыву, а если меньше критической, то реакция не протекает из-за недостатка свободных нейтронов.
Уменьшить потерю нейтронов (которые вылетают из урана, не прореагировав с ядрами) можно не только за счет увеличения массы урана, но и с помощью специальной отражающей оболочки. Для этого кусок урана помещают в оболочку, сделанную из вещества, хорошо отражающего нейтроны (например, из бериллия). Отражаясь от этой оболочки, нейтроны возвращаются в уран и могут принять участие в делении ядер.
Помимо массы и наличия отражающей оболочки существует еще несколько факторов, от которых зависит возможность протекания цепной реакции. Например, если кусок урана содержит слишком много примесей других химических элементов, то они поглощают большую часть нейтронов и реакция прекращается.
Еще одним фактором, влияющим на ход реакции, является наличие в уране так называемого замедлителя нейтронов. Дело в том, что ядра урана-235 с наибольшей вероятностью делятся под действием медленных нейтронов. А при делении ядер образуются быстрые нейтроны. Если быстрые нейтроны замедлить, то большая их часть захватится ядрами урана-235 с последующим делением этих ядер. В качестве замедлителей используются такие вещества, как графит, вода, тяжелая вода (в состав которой входит дейтерий — изотоп водорода с массовым числом 2) и некоторые другие. Эти вещества только замедляют нейтроны, почти не поглощая их.
Таким образом, возможность протекания цепной реакции определяется массой урана, количеством примесей в нем, наличием оболочки и замедлителя и некоторыми другими факторами.
Критическая масса шарообразного куска урана-235 приблизительно равна 50 кг. При этом его радиус составляет всего 9 см, поскольку уран имеет очень большую плотность.
Применяя замедлитель и отражающую оболочку и уменьшая количество примесей, удается снизить критическую массу урана до 0,8 кг.
1. Расскажите о механизме протекания цепной реакции, пользуясь рисунком 174.
2. Что называется критической массой урана?
3. Возможно ли протекание цепной реакции, если масса урана меньше критической? Почему?
4. Как идет цепная реакция в уране, если его масса боль иге критической? Почему?
5. За счет каких факторов можно увеличить число свободных нейтронов в куске
урана, обеспечив тем самым возможностъ протекания в нем цепной реакции?
