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 .