Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Ядра-«осколки» разлетаются в разные стороны с большой скоростью. Как показал Ф. Жолио-Кюри, «осколки», несмотря на их сравнительно большую величину, способны пробегать в воздухе до 2,1 см , что свидетельствует о наличии у них огромной энергии. Измеряя пробеги «осколков», нашли, что их кинетическая энергия составляет около 162 Мэв . Сталкиваясь с атомами окружающей среды, ядра-«осколки» передают им свою кинетическую энергию, вследствие чего происходит сильное нагревание среды.

Однако этим не исчерпывается количество выделяющейся энергии. Следует еще учесть энергию вторичных нейтронов, гамма-излучения, испускаемого в процессе самого деления (мгновенное гамма-излучение), и, наконец, энергию радиоактивных излучений «осколков», поскольку они получаются всегда радиоактивными и в дальнейшем уже после деления распадаются, испуская бета- и гамма-лучи и нейтрино. Примерное распределение энергии, выделяющейся при делении одного ядра урана 235, согласно современным расчетным и экспериментальным данным, таково:

Таким образом, общее количество энергии, выделяющейся при делении одного ядра урана 235, составляет почти 200 Мэв . В расчете на 1 г урана, содержащий 2,6∙10 21атомов, это дает огромную энергию, равную примерно 23 тыс. квт-ч . Если эту энергию выразить в килокалориях, то мы получим знакомую нам величину [7] См. главу IV, раздел 3. в 21 млн. ккал , что в 3 млн. раз превосходит то количество тепла, которое выделяется при сжигании 1 г хорошего каменного угля (7000 кал или 7 ккал ). Количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 г (или 1 кг ) топлива, называется, как известно, теплотворной способностьютоплива. По аналогии с этим количество энергии, которое выделяется в результате ядерной реакции деления 1 г урана (21 млн. ккал на 1 г ), называют теплотворной способностью ядерного горючего. Уран 235 и некоторые другие вещества, ядра которых делятся с высвобождением энергии, называют ядерный горючим.

Заметим, что полный запас энергии в 1 г любого вещества, в том числе и урана, составляет около 21 млрд. ккал , как это было показано на стр. 58, Сравнивая эту величину с приведенной выше теплотворной способностью урана, мы найдем, что при делении ядер урана освобождается около одной тысячной доли всей той энергии, которая в них заключена.

Природный уран представляет собой смесь в основном двух изотопов: изотопа с атомным весом (массовым числом) 238 (уран 238) и изотопа с массовым числом 235 (уран 235). Главную массу (около 99,3%) составляет уран 238; на долю урана 235 приходится 0,7%. Другими словами, на каждые 140 атомов урана 238 приходится всего лишь один атом урана 235. Свойства этих изотопов в отношении деления, вызываемого нейтронами, несколько различны. Это обусловлено тем, что энергия, которую нужно сообщить ядру для того, чтобы вызвать его деление, составляет 6,5 Мэв для урана 235 и 7,0 Мэв для урана 238. Эту энергию обычно называют критической энергией деленияили энергией активации ядра.

Чтобы лучше представить себе, что такое энергия активации, обратимся к знакомому явлению выстрела. Известно, что для того, чтобы освободить химическую энергию пороха в патроне и произвести выстрел, необходимо сначала сообщить пороху некоторую добавочную энергию, произведя взрыв капсюля патрона ударом бойка ударника. Так и атомному ядру надо сообщить добавочную энергию, чтобы оно поделилось и высвободило значительно большее количество скрытой в нем энергии. Наименьшая энергия, необходимая для этого, и есть энергия активации. Роль капсюля выполняет здесь нейтрон.

Энергия, которую приносит ядру нейтрон, называется энергией возбужденияядра. Чем больше скорость нейтрона, тем больше энергия возбуждения.

Важную роль в ядерной энергетике играют медленные, так называемые тепловые нейтроны. Такое наименование получили нейтроны, энергия которых имеет примерно такую же величину, как и у молекул и атомов окружающей среды в их непрерывном тепловом движении. При комнатной температуре средняя кинетическая энергия нейтрона равна 0,038 эв , его средняя скорость составляет при этом около 2,7 км/сек .

Энергия возбуждения, сообщаемая ядру попадающим в него тепловым нейтроном, имеет разную величину для различных изотопов урана. Критические энергии деления и соответствующие энергии возбуждения для удобства обозрения даны в нижеследующей таблице.

Как видим, тепловой нейтрон сообщает ядрам урана 238 и 235 разную энергию. Это различие объясняется тем, что нейтрон вносит в ядро не только кинетическую энергию (в обоих случаях одинаковую), но и свою энергию связи с ядром, которая для урана 235 составляет большую величину, чем для урана 238.

С другой стороны, из таблицы видно, что энергия возбуждения заметно больше критической энергии в случае урана 235 (6,8 против 6,5) и значительно меньше в случае урана 238 (5,5 против 7,0). Отсюда следует, как это бывает на практике, что ядра атомов урана 235 могут делиться как быстрыми, так и тепловыми нейтронами, в то время как ядра урана 238 делятся лишь весьма быстрыми нейтронами. Как показали советские физики Г. Н. Флёров и К. А. Петржак, деление ядер урана 238 могут вызвать только нейтроны, имеющие энергию больше 1,1 Мэв , что соответствует скорости свыше 14 тыс. км/сек . Такие же нейтроны, которые имеют меньшую скорость, ядрами этого урана захватываются без деления. В последующем эти ядра превращаются в результате радиоактивного распада в ядра атомов химического элемента плутония, имеющего атомный вес 239 и занимающего в таблице Менделеева 94 место.

Рассмотрим теперь поближе явление испускания нейтронов при делении и радиоактивность получающихся при этом «осколков». Мы уже знаем, что ядра урана 235 не отличаются большой устойчивостью. Поэтому нейтрон, попавший в такое ядро, легко вызывает его деление. Особенность этого явления состоит в том, что «осколки» деления могут быть самыми различными. В одном случае это будут ядра ксенона и стронция, в другом — ядра бария и криптона, в третьем случае деление даст ядра атомов редкого металла палладия и т. д. Деление ядер урана 235, вызываемое нейтронами, осуществляется десятками вариантов. Поэтому среди «осколков» встречаются изотопы более чем 30 элементов периодической системы Менделеева, начиная с селена ( Z =34) и кончая лантаном ( Z =57); их атомные веса (массовые числа) колеблются от 72 до 162. Интересно отметить, что деление ядер урана на две равные части происходит сравнительно редко. Чаще всего они делятся на два различных ядра-«осколка», массовые числа которых относятся как три к двум.