Колебания и волны. Оптика. Атомная и ядерная физика
жүктеу/скачать 6,71 Mb. Pdf көрінісі
|
| Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия
569
Более удачными для цепной реакции свойствами обладает изотоп
235 U, который содержится в природном уране в коли- честве 0,7 %. Он делится под действием нейтронов л ю б о й энергии — быстрых и медленных и тем лучше, чем меньше энергия нейтронов. Конкурирующий с делением процесс — про- стое поглощение нейтронов — мало вероятен в 235 U в отличие от 238
U. Поэтому в чистом уране-235 возможна цепная реакция деления п р и у с л о в и и, однако, ч т о м а с с а у р а н а-2 3 5 д о с т а т о ч н о в е л и к а. В уране малой массы реакция деле- ния обрывается из-за вылета вторичных нейтронов за пределы его вещества. В самом деле, ввиду крошечных размеров атомных ядер нейтрон проходит в веществе значительный путь (измеряемый сантиметрами), прежде чем случайно натолкнется на ядро. Если размеры тела малы, то вероятность столкновения на пути до выхода наружу мала. Почти все вторичные нейтроны деления вылетают через поверхность тела, не вызывая новых делений, т. е. не продолжая реакции. Из тела больших размеров вылетают наружу главным обра- зом нейтроны, образовавшиеся в поверхностном слое. Нейтроны, образовавшиеся внутри тела, имеют перед собой достаточную толщу урана и в большинстве своем вызывают новые деления, продолжая реакцию (рис. 405). Чем больше масса урана, тем меньшую долю объема составляет поверхностный слой 1 ), из ко- торого теряется много нейтронов, и тем благоприятнее условия для развития цепной реакции. Увеличивая постепенно количество 235
U, мы достигнем кри- тической массы, т. е. наименьшей массы, начиная с которой возможна незатухающая цепная реакция деления в 235 U. При
дальнейшем увеличении массы 235
U реакция начнет бурно раз- виваться (начало ей положат с п о н т а н н ы е д е л е н и я). При уменьшении массы 235
U ниже критической реакция затухает. Итак, можно о с у щ е с т в и т ь ц е п н у ю р е а к ц и ю д е- л е н и я , е с л и р а с п о л а г а т ь д о с т а т о ч н ы м к о л и- ч е с т в о м ч и с т о г о 235 U , о т д е л е н н о г о о т 238 U. Как мы видели в § 202, разделение изотопов представляет со- бой хотя сложную и дорогую, но все же выполнимую операцию. И действительно, извлечение 235 U из природного урана явилось 1 ) Поверхность шара пропорциональна квадрату, а объем — кубу его ра- диуса. Поэтому при увеличении радиуса шара объем его растет быстрее, чем поверхность. 570 Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия одним из тех способов, при помощи которых цепная реакция деления была осуществлена на практике. Рис. 405. Развитие цепной реакции деления в 235 U. а) В малой массе 235 U большинство нейтронов деления вылетает наружу. б) В большой массе урана многие нейтроны деления вызывают деления новых ядер; число делений возрастает от поколения к поколению. Кружочки — осколки деления, стрелки — нейтроны деления Наряду с этим цепная реакция была достигнута и другим способом, не требующим разделения изотопов урана. Этот спо- соб несколько более сложен в принципе, но зато более прост в осуществлении. Он использует з а м е д л е н и е б ы с т р ы х в т о р и ч н ы х н е й т р о н о в д е л е н и я до скоростей тепло- вого движения. Мы видели, что в природном уране н е з а м е д- л е н н ы е вторичные нейтроны поглощаются главным образом изотопом 238
U. Так как поглощение в 238
U не приводит к де- лению, то реакция обрывается. Как показывают измерения, при замедлении нейтронов до тепловых скоростей поглощающая спо- собность
235 U в о з р а с т а е т с и л ь н е е поглощающей спо- собности 238
U. Поглощение нейтронов изотопом 235
U, ведущее к делению, получает перевес. Поэтому, если замедлить нейтро- ны деления, не дав им поглотиться в 238
U, цепная реакция станет возможной и с природным ураном. На практике такого результата добиваются, помещая тонкие стержни из п р и р о д н о г о урана в виде редкой решетки в за- медлитель (рис. 406). В качестве замедлителей используют веще- ства, обладающие малой атомной массой и слабо поглощающие нейтроны. Хорошими замедлителями являются графит, тяжелая вода, бериллий.
Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия 571
Рис. 406. Система из природного урана и замедлителя, в которой может развиваться цепная реакция деления Пусть в одном из стержней произошло деление ядра ура- на. Так как стержень сравнительно тонкий, то быстрые вто- ричные нейтроны вылетят почти все в замедлитель. Стержни Рис. 407. Развитие цепной реакции деления в системе из природного урана и замедлителя. Быстрый нейтрон, вылетев из тонкого стержня, попадает в замедлитель и замедляется. Попав снова в уран, замед- ленный нейтрон скорее всего поглощается в 235
U, вызывая деление (обозначение: два светлых кружка). Некоторые нейтроны поглощаются в 238
U, не вызывая деления (обозначение: черный кружок) расположены в решетке довольно редко. Вылетевший нейтрон до попадания в новый стержень испытывает много соударений
572 Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия с ядрами замедлителя и замедляется до скорости теплового движения (рис. 407). Попав затем в урановый стержень, ней- трон поглотится скорее всего в 235 U и вызовет новое деление, продолжая тем самым реакцию. Цепная реакция деления была впервые осуществлена в США в 1942 г. группой ученых под руководством итальянского физика Энрико Ферми (1901–1954) в системе с природным ураном. Независимо этот процесс был реализован в СССР в 1946 г. академиком Игорем Васильевичем Курчатовым (1903–1960) с сотрудниками. жүктеу/скачать 6,71 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|