Ядерные реакторы

То же самое может происходить и с положительно заряженным ядром. Например, при попадании в него нейтрона оно нагревается и может не испускать отдельных частиц, а приходить в колебательное движение, как жидкая капля. Этот процесс схематически изображен на рис. 9. Благодаря таким колебаниям шарообразное ядро попеременно принимает либо сплющенную, либо удлиненную форму. Размах подобного колебания может быть настолько велик, что в средней части ядра образуется перетяжка, и оно под действием электростатических сил разрывается на две части.

^{Рис. 9. Колебательное движение тяжелого ядра перед делением. Размах колебания может быть настолько сильным, что в средней части ядра образуется перетяжка и оно разорвется на два ядра меньшей массы}

Такое расщепление скорее всего возможно у очень тяжелых ядер, так как заряд их довольно большой, а электростатические силы расталкивания растут с зарядом ядра.

Тяжелые ядра обладают меньшей энергией связи, а следовательно, и менее устойчивы. Если такое ядро придет в колебательное движение, то это движение усиливается электростатическим отталкиванием и ядро может разорваться на две части.

Ядерная реакция деления урана была открыта в 1939 году. Было обнаружено, что если нейтрон попадает в ядро урана, то в некоторых случаях это ядро раскалывается, делится на две части, два «осколка» (рис. 10). Из одного ядра урана получаются два радиоактивных ядра более легких элементов. При этом выделяется значительная энергия.

^{Рис. 10. Деление ядра урана. Из одного ядра урана получаются два радиоактивных ядра более легких элементов}

Эту энергию довольно просто подсчитать, воспользовавшись кривой энергии связи. Мы примем, что ядро урана разделится на два почти одинаковых ядра. В получившихся ядрах частицы связаны друг с другом более прочно, нежели в ядре урана. Энергия связи, приходящаяся на одну частицу в этих ядрах, больше энергии связи частицы в уране на 0,85 Мэв.

В момент разрыва ядра урана частицы в «осколках» сжимаются, и при этом выделяется энергия. Каждая частица выделяет как раз ту энергию, которую она приобрела, двигаясь под действием ядерных сил. Эта энергия и равна увеличению энергии связи одной частицы — 0,85 Мэв. Для всех частиц ядра урана выделение энергии составит около 200 Мэв. Сюда входит энергия движущихся «осколков» ядра, нейтронов, гамма-квантов и других частиц, получающихся как в самом процессе деления, так и при последующем радиоактивном распаде «осколков». Надо считать, что кинетическая энергия всех этих «осколков» и частиц в конечном счете превращается в теплоту.

В одном килограмме урана содержится около 2,46∙10²⁴ ядер. Если все ядра разделятся, то при этом выделится 200∙2,46∙10²⁴=4,92∙10²⁶

Мэв.

Для того чтобы пересчитать эту энергию в более знакомые нам единицы, надо учесть, что 1 Мэв равен 4,5∙10^-20 киловатт-часа. Деление одного килограмма урана дает 22 миллиона киловатт-часов энергии, что равноценно теплу, получающемуся при сгорании 2,5 тысячи тонн угля.

Но не это самое важное. Физики знают ядерные реакции, которые дают бóльшую энергию. Например, в реакции образования гелия, о которой говорилось раньше, выделяется в восемь раз большая энергия, чем при делении урана. Самое существенное в реакции деления заключается в том, что, кроме двух обладающих большой энергией «осколков», в этой реакции выделяется еще два или три новых нейтрона, а эти нейтроны могут произвести деление соседних ядер урана. Таким образом, в уране может быть осуществлен цепной процесс (рис. 11).

^{Рис. 11. Цепной процесс в уране. Процесс развивается лавинообразно}

Два нейтрона, получающиеся в результате первого деления, могут произвести деление еще двух ядер урана. Появятся уже четыре нейтрона, которые разделят четыре ядра, и т. д. Процесс развивается лавинообразно и мгновенно. Все ядерные процессы очень быстры, поскольку при малых междуядерных расстояниях скорость частиц, производящих ядерные реакции, обычно очень велика.

Так, например, скорость нейтронов, получающихся при делении, достигает 20 тысяч километров в секунду. Такая частица за полсекунды может преодолеть путь от Москвы до Владивостока! Поэтому достаточно миллионной доли секунды для того, чтобы в большом куске урана возник цепной процесс с огромным выделением энергии. А выделение большого количества энергии за короткий промежуток времени есть взрывной процесс. Этим и отличается взрыв от всякого другого метода получения энергии.

Но в природном уране такой цепной процесс не идет. Природный уран состоит в основном из двух изотопов: урана²³⁸ и урана²³⁵. Причем на тысячу ядер природного урана приходится всего только семь ядер урана²³⁵.