Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

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.

Ядро атома урана 235, захватив попавший в него нейтрон, будет иметь 236 нуклонов (92 протона и 144 нейтрона). Допустим теперь, что оно делится на два равных «осколка». Тогда в каждом таком «осколке» будет по 46 протонов и по 72 нейтрона. Это будут ядра атомов палладия ( Z =46) с массовым числом 118. Но самый тяжелый изотоп палладия, существующий в природе, то есть самый тяжелый устойчивыйизотоп этого элемента, имеет массовое число 110 и содержит в своем ядре всего 64 нейтрона против 72. Таким образом, в каждом ядре палладия, образовавшемся в результате деления, получится до 10 лишних нейтронов, в силу чего такое ядро не может быть устойчивым. Подобное положение бывает и в других ядрах-«осколках». Вот почему часть лишних нейтронов освобождается (испаряется) в процессе самого деления. Такие нейтроны называют мгновенными; они составляют более 99% общего числа нейтронов, вылетающих при делении. Часть нейтронов испускается уже после деления с запаздыванием 0,6–80 секунд. Эти нейтроны называются запаздывающими; они составляют несколько меньше 1% общего числа нейтронов деления. На опыте установлено, что при делении урана 235 медленными нейтронами на каждое ядро, испытывающее деление, приходится в среднем всего 2,5 вторичных нейтронов; средняя кинетическая энергия каждого из них порядка 2 Мэв . Среднее число вторичных нейтронов не является целым, потому что массовые числа «осколков», получающихся при делении ядер урана, оказываются, как мы уже знаем, весьма разнообразными. В соответствии с этим число нейтронов, вылетающих в каждом индивидуальном акте деления, оказывается различным и колеблется от 1 до 3.

Как видим, число вылетающих нейтронов невелико. Поэтому и после испускания нейтронов ядра-«осколки» обладают еще большим избытком нейтронов. Это ведет к тому, что в дальнейшем лишние нейтроны последовательно превращаются внутри ядра-«осколка» в протоны, что сопровождается, как известно, испусканием бета-частиц и нейтрино и во многих случаях гамма-лучей. Внутриядерное превращение нейтронов в протоны происходит до тех пор, пока не установится такое соотношение между ними, при котором ядро делается устойчивым (стабильным).