Лекция 18. Ядерные реакции в оружии одно из важнейших применений ядерной физики создание оружия: атомных и водородных бомб
жүктеу/скачать 0,83 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- 1.2 Ядерные цепные реакции
- Ядерные цепные реакции
- 1. 3 Цепная реакция деления
| Профессор И.Н.Бекман ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА Лекция 18. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ В ОРУЖИИ Одно из важнейших применений ядерной физики – создание оружия: атомных и водородных бомб, нейтронного оружия, рентгеновских и гамма-лазеров и др.
ядерная реакция. В узком смысле – взрывное устройство, использующее энергию деления тяжёлых ядер. Ядерное оружие включает как ядерные боеприпасы, так и средства их доставки к цели и средства управления; относится к оружию массового поражения. В боеприпасе ядерного оружия в момент взрыва происходит ядерная реакция деления тяжёлых элементов с образованием более лёгких; иногда выделяют так называемые «чистые» ядерные заряды, снижающие до минимума радиоактивное заражение местности. Атомная бомба - сильно надкритичный реактор на быстрых нейтронах.
В этой лекции мы рассмотрим ядерные реакции, вовлечённые в функционирование атомных бомб (урановых и плутониевых) и нейтронного оружия.
ЦЕПНЫЕ ПРОЦЕССЫ 1.1 Цепные реакции в химии Цепные реакции – химические реакции, идущие путем последовательности одних и тех же элементарных стадий, на каждой из которых возникает одна или несколько промежуточных активных частиц. В таких реакциях идёт многократное (цепное) превращение исходных химических веществ. По цепному механизму протекают реакции крекинга, горения, окисления, пиролиз, галогенирования углеводородов, радикальной полимеризации, а так же многие атмосферные процессы (например, разложение озона). Цепные химические реакции были открыты не в физике, а в химии. Термин "цепные реакции" предложен М. Боденштейном, обнаружившим (1913), что в ряде фотохимических реакций (например, Н 2 + С1 2 → 2НС1, СО + С1 2 →СОС1
2 ) один поглощенный фотон вызывает превращение сотен тысяч молекул. Он предположил, что активной частицей, вызывающей цепь превращений, является возбужденная молекула Cl 2 *. В 1916 В. Нернст доказал атомарную природу активных частиц и предложил механизм цепных реакций с участием Сl 2 . Открытие Н.Н. Семеновым разветвленных цепных реакций отмечено Нобелевской премией (1958). Изучение протекания разветвленных цепных реакций предвосхитило будущее - регулируемое протекание ядерного деления в условиях атомного реактора и взрывное в атомной бомбе. Цепные реакции относятся к сложным реакциям и состоят из многих элементарных стадий. Цепная реакция включает три стадии: инициирование (зарождение цепи), продолжение и обрыв цепи. Инициирование - стадия, в которой из валентнонасыщенных молекул исходных веществ образуются переносчики цепи - активные частицы, участвующие в последующих реакциях и приводящие к расходованию исходных веществ и образованию продуктов. Переносчики цепи исчезают в реакциях обрыва цепи из-за столкновений друг с другом или со стенкой реакционного сосуда. В некоторых цепных реакциях происходит увеличение числа активных частиц, что приводит к разветвлению цепей (разветвленные реакции). Инициирование - наиболее энергоёмкая стадия цепной реакции, её энергия активации определяется энергией разрываемой химической связи. Образование активных частиц из молекул исходных веществ происходит лишь при достаточно высоких температурах или при воздействии света, ионизирующего излучения, ускоренных электронов и т. п. В отсутствие энергетического воздействия образование активных частиц и инициирование цепной реакции может происходить при обычных температурах лишь в присутствии инициаторов - веществ, в молекулах которых энергия разрыва химической связи существенно меньше, чем в молекулах исходных веществ. Переносчики цепи образуются при последующих реакциях радикалов с молекулами реагентов. Инициаторы ускоряют образование активных частиц, т. е. являются катализаторами инициирования, но в отличие от катализаторов обычных процессов они расходуются. Термин разветвлённые цепные реакции предложен Н. Н. Семеновым для открытых им цепных реакций с критическими явлениями, состоящими в том, что незначительные изменения концентрации реагентов, температуры, размеров сосуда, введение примеси могут приводить к скачкообразному росту скорости цепных реакций от практически ненаблюдаемой до столь большой, что ее невозможно измерить. Для разветвленных цепных реакций реализуется положительная обратная связь. Все известные разветвленно- цепные реакции являются экзотермическими, причем часть выделяемой энергии переходит в энергию активных частиц. Особенности разветвленно-цепных реакций - существование нижнего и верхнего предельных давлений, наличие полуострова воспламенения, зависимость положения нижнего предела от размеров сосуда и т. п.- присущи и реакции с энергетическим разветвлением цепи. Такие цепные реакции используются при создании лазеров с химической накачкой
Цепная ядерная реакция - последовательность единичных ядерных реакций, каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами, полученными при делении ядер в предыдущем поколении. Ядерные цепные реакции - ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций.
Впервые к идее осуществления цепной ядерной реакции и её применению для создания мощной взрывчатки пришёл в 1933 венгерский учёный, эмигрировавший из Германии в Англию, Лео Сциллард. В 1934 (за пять лет до открытия деления урана тепловыми нейтронами) он взял секретный патент на бомбу, работающую на цепном ядерном процессе. Запатентовано было военное использование цепной ядерной реакции, идущей под действием какой-либо частицы, в результате которой возникает более одной такой же частицы.
Цепная реакция деления - последовательность реакции деления ядер тяжелых атомов при взаимодействии их с нейтронами, в результате которых образуются более легкие ядра, новые нейтроны или другие элементарные частицы и выделяется ядерная энергия. Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Это происходит, если микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом, переход в которое возможен. Самопроизвольному переходу препятствует энергетический барьер, для преодоления которого частица должна получить извне какое-то количество энергии - энергии возбуждения. При экзоэнергетической реакции, в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы. Для заметного энерговыделения необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога, ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, т. е. химических реакций, такое повышение обычно составляет сотни градусов, в случае же ядерных реакций - это минимум 10 7 К из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез). Возбуждение ядра «прилипащими» к нему частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в больших масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются как продукты экзоэнергетической реакции. Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой. Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах. Если в каждом акте реакции появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, т.к. одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. С процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, что порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления. Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то цепная самоподдерживающаяся реакция оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объему вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы. Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов. Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона. Следовательно, процесс деления может породить разветвлённую цепную реакцию, носителями которой служат нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления, вылетов из реакционного объёма и т.д.) компенсирует скорость размножения нейтронов так, что коэффициент размножения нейтронов равен единице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратных связей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию. Если коэффициент размножения больше единицы, цепная реакция развивается экспоненциально; неуправляемая цепная реакция деления используется в ядерном оружии. После открытия (1939) немецкими учёными О. Ганом и Ф. Штрасманом деления ядер нейтронами Ф.Жолио-Кюри с сотрудниками, Э. Ферми, У. Зинн и Л. Сцилард (США) показали, что при делении ядра вылетает больше одного нейтрона: n+U →
ν. (1) Здесь А и В - осколки деления с массовыми числами A от 90 до 150, ν>1 - число вторичных нейтронов. Ядерная цепная реакция впервые была осуществлена Э. Ферми (1942). Пусть только часть f общего числа вторичных нейтронов может быть использована для продолжения реакции деления. Тогда на один нейтрон первого поколения, вызвавший деление, придётся К= ν
следующего поколения, которые вызовут деление, и если К, называемый коэффициентом размножения нейтронов, больше 1, то число таких нейтронов будет возрастать во времени t по закону: n = n u e (K-1) t/t , где t - время жизни поколения нейтронов. Если К-1=1, то число делений в единицу времени постоянно, и может быть осуществлена самоподдерживающаяся ядерная цепная реакция. При достаточно больших значениях К-1 реакция перестаёт быть регулируемой и может привести к ядерному взрыву.
Природный уран состоит из 238 U (99,29%) и 235 U (0,71%), содержание 234 U ничтожно, 238 U делится высокоэнергетическими нейтронами, 235
U – любыми, в том числе - тепловыми. В оружии применяется уран, обогащённый по 235 U до концентрации выше 95%. В таком уране цепная ядерная реакция деления идёт как на тепловых, так и на быстрых нейтронах. Другим ядерным горючим оружейного назначения является 233
U, образующийся при облучении 232 Th нейтронами. Наконец, третьим делящимся оружейным нуклидом является 239
Pu. При поглощении нейтронов в 238
U образуется 239
Np, а из него после двух β-распадов - 239 Pu,
который делится под действием тепловых нейтронов, с ν = 2,9. Выделение при делении более одного нейтрона открыло перспективы использования цепной реакции деления в двух направлениях: 1) управляемая ядерная реакция деления – создание атомных реакторов; 2) неуправляемая ядерная реакция деления – создание ядерного оружия. При делении ядра обычно образуются два осколка с массовыми числами А 1 и А 2 и зарядами Z 1 и Z 2 , а также γ - излучение, нейтрино и в среднем от двух до трёх нейтронов. Полное энерговыделение на один акт деления ядра
235 U равно ∼200 МэВ. Такое энерговыделение определяет огромную теплотворную способность ядерной взрывчатки, превышающую в миллионы раз теплотворную способность химических взрывчатых веществ.
Как и всякие разветвленные цепные реакции, ядерные цепные реакции – экзотермические. Реальные условия протекания ядерной цепной реакции определяются соотношением вероятностей процессов разветвления реакции и её обрыва. Преобладание разветвления обеспечивает самоподдерживающийся процесс, преобладание обрыва означает отсутствие ядерной цепной реакции. К разветвлению цепей приводит лишь деление, тогда как обрыв цепей (т.е. уничтожение нейтронов, без появления новых) может происходить при различных побочных ядерных реакциях с ядрами как самого делящегося вещества, так и других веществ, присутствующих в системе, а также вследствие вылета нейтрона за пределы системы.
Для выяснения принципиальной возможности получения цепной ядерной реакции чрезвычайно важно знать число вторичных нейтронов ν, возникающих в одном акте деления. Табл. 1. Число вторичных нейтронов, возникающих при делении некоторых нуклидов. Вынужденное деление 233 U
U 239
Pu
2,58 2,47 3,05 Спонтанное деление 240
Pu 244
Cm 252
Cf
2,26 2,80 3,87 При делении урана вторичные нейтроны уносят в среднем 5 МэВ энергии. Величина ν зависит от энергии нейтронов. Не каждый захват нейтрона ядром приводит к делению ядра. Некоторую часть нейтронов ядра захватывают по реакции (n, γ) без какого-либо деления. Поэтому число нейтронов η, идущих на деление, меньше ν и определяется отношением поперечного сечения процесса деления σ f к общему поперечному сечению σ f + σ c (Табл. 2). Табл. 2. Ядерные свойства делящихся изотопов 0,025 эВ 1 МэВ Изотоп
σ f барн σ c барн ν η σ f барн
σ c барн ν η 239 Pu 233
U 235
U 238
U Природный уран 740
530 580
0 3,9
290 60
110 2,7
3,5 2,9
2,5 2,5
0 2,5
2,1 2,3
2,1 0 1,3 2 2 1,3 0,5 0,01
0,1 0,1
0,1 0,15
0,15 3 2,5 2,5 - 2,5 3 2,5
2,5 - 0,2 Поперечные сечения много меньше для нейтронов высокой энергии, особенно по отношению к (n, γ) захвату. При высокой энергии нейтронов большая часть их захватывается делящимся материалом и вызывает деление, а меньшая часть поглощается по (n, γ) реакции захвата.
В Табл. 3 представлены основные параметры делящихся изотопов. Полное сечение характеризует вероятность взаимодействия любого типа между нейтроном и данным ядром. Сечение деления характеризует вероятность деления ядра нейтроном. От того, какая доля ядер не участвует в процессе деления, зависит выход энергии на один поглощенный нейтрон. Число нейтронов, испускаемых в одном акте деления, важно с точки зрения поддержания цепной реакции. Число новых нейтронов, приходящихся на один поглощенный нейтрон, важно, поскольку характеризует интенсивность деления. Доля запаздывающих нейтронов, испускаемых после того, как деление произошло, связана с энергией, запасенной в данном материале. Табл. 3. Характеристики делящихся изотопов. Для практического осуществления цепной реакции знания одной величины ν недостаточно, так как судьба Изотоп Уран-235 Уран-233 Плутоний-239 Энергия нейтрона 1 МэВ 0,025 эВ 1 МэВ 0,025 эВ 1 МэВ 0,025 эВ Полное сечение 6,6 695 6,2
600 7,3
1005 Сечение деления 1,25 581 1,85
526 1,8
751 Доля ядер, неучаствующих в делении 0,077 0,174 0,057 0,098 0,08 0,37 Число нейтронов, испускаемых в одном акте деления 2,6 2,43 2,65 2,50 3,03 2,84 Число нейтронов на один поглощенный нейтрон 2,41 2,07 2,51 2,28 2,8 2,07 Доля запаздывающих нейтронов, % 0,64
0,65 0,26
0,26 0,21
0,22 Энергия деления, МэВ 200 197 207 Все сечения приведены в барнах (10 28 м 2 ). возникших нейтронов деления не одинакова из-за многообразия видов взаимодействия нейтронов с веществом. Обычно нейтрон претерпевает три превращения: выделяется из системы и теряется; захватывается любым материалом в активной зоне неделящимися материалом; захватывается делящимся материалом, продолжая цепную реакцию.
Характеристика развития ядерной цепной реакции в данной системе – коэффициент размножения нейтронов k системы, равный отношению числа нейтронов, поглощаемых делящимся веществом в данном и предыдущем звеньях цепи. Наличие самоподдерживающегося цепного процесса возможно лишь при k ≥1. Системы, в которых k=1, (цепная реакция протекает при постоянной мощности) называются критическими, системы с k>1 (мощность реакции нарастает) – надкритическими и системы с k<1 – подкритическими; k зависит от изотопного состава, размеров и формы системы, в которой осуществляется ядерная цепная реакция. Масса делящегося изотопа и размеры (объём) критической системы, необходимые для возникновения самоподдерживающейся цепной реакции деления, называют критическими.
Коэффициент размножения определяется величиной ν, вероятностями различных взаимодействий (приводящих и не приводящих к делению) нейтронов с ураном и примесями, а также конструкцией и размерами устройства. Поэтому очень важно знать сечения для процессов деления, неупругого рассеяния и захвата нейтронов ураном при тех энергиях, с которыми они образуются, и, следовательно, энергетический спектр вторичных нейтронов. Одной из важнейших характеристик цепной реакции является скорость её нарастания, которая определяется не только коэффициентом размножения нейтронов k, но и временем, проходящим между двумя последовательными актами деления, т.е. средним временем жизни одного поколения нейтронов, τ n . Среднее время жизни одного поколения, или средний промежуток времени между двумя последовательными актами деления, складывается из времени деления, времени запаздывания вылета нейтрона из делящегося ядра относительно момента деления и времени перемещения вылетевшего нейтрона до следующего делящегося ядра. Для сокращения τ н , т.е. для получения цепной реакции взрывного типа, процесс размножения нейтронов ведут на мгновенно вылетающих и быстро движущихся нейтронах, а для получения управляемой цепной реакции нужно, чтобы время запаздывания вылета и время перемещения нейтронов было большим. Первая составляющая определяется механизмом возникновения вторичных нейтронов, вторая – характером ее взаимодействия с окружающими ядрами после вылета из делящегося ядра, т.е. процессами замедления, диффузии и захвата.
жүктеу/скачать 0,83 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|