Деление ядра

Деление ядра — это процесс расщепления атомного ядра на два или более более лёгких ядра (осколков деления), сопровождающийся выделением значительного количества энергии и, как правило, испусканием нескольких нейтронов. Деление ядра является основой работы ядерных реакторов и ядерного оружия.

История открытия

Первые экспериментальные наблюдения деления ядер были сделаны в 1938 году немецкими учёными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом. Они облучали уран нейтронами и обнаружили среди продуктов реакции барий — элемент, который значительно легче урана. Интерпретацию этого явления как деления ядра урана дали австрийские физики Лизе Мейтнер и Отто Фриш, которые в 1939 году опубликовали теоретическое объяснение процесса и ввели термин «деление ядра». В том же году Фредерик Жолио-Кюри во Франции и Энрико Ферми в США независимо друг от друга показали, что при делении урана испускаются дополнительные нейтроны, что открыло возможность цепной реакции.

В СССР исследования деления ядра активно велись под руководством Игоря Курчатова. В 1940 году советские физики Георгий Флёров и Константин Петржак открыли спонтанное деление ядер урана-238 — процесс, при котором ядро распадается самопроизвольно, без внешнего воздействия.

Физическая природа процесса

Деление ядра возможно благодаря конкуренции двух фундаментальных сил: сильного ядерного взаимодействия, которое удерживает нуклоны (протоны и нейтроны) вместе, и кулоновского отталкивания между положительно заряженными протонами. В тяжёлых ядрах (например, урана или плутония) кулоновское отталкивание почти уравновешивает ядерные силы, делая ядро нестабильным.

При поглощении нейтрона ядро переходит в возбуждённое состояние. Если энергия возбуждения превышает так называемый барьер деления, ядро начинает сильно колебаться, принимая форму гантели, и затем разделяется на два осколка. Осколки разлетаются с большой скоростью, передавая свою кинетическую энергию окружающей среде (тепловыделение). Одновременно испускаются 2–3 нейтрона (в среднем 2,5 для урана-235), которые могут вызвать деление соседних ядер, создавая цепную реакцию.

Энергия деления

При делении одного ядра урана-235 выделяется около 200 МэВ энергии. Для сравнения: при сгорании одной молекулы углерода выделяется около 4 эВ. Основные компоненты энергии деления:

• Кинетическая энергия осколков — ~165 МэВ;
• Энергия нейтронов — ~5 МэВ;
• Энергия мгновенного гамма-излучения — ~7 МэВ;
• Энергия бета- и гамма-излучения радиоактивных осколков — ~23 МэВ.

Типы деления

Вынужденное деление

Наиболее распространённый тип, вызываемый захватом нейтрона ядром. Эффективно для изотопов урана-235, урана-233, плутония-239. Для урана-238 пороговая энергия нейтрона составляет около 1 МэВ, поэтому в реакторах на тепловых нейтронах он не делится.

Спонтанное деление

Самопроизвольный распад ядра без внешнего воздействия. Характерен для некоторых тяжёлых изотопов (например, уран-238, калифорний-252). Вероятность спонтанного деления мала по сравнению с альфа-распадом, но она возрастает для трансурановых элементов.

Фотоядерное деление

Деление ядра под действием гамма-квантов высокой энергии (более 5–6 МэВ). Имеет значение в некоторых астрофизических процессах и при проектировании ядерных установок.

Делящиеся изотопы

Практическое значение имеют следующие изотопы:

• Уран-235 — единственный природный изотоп, способный к цепной реакции на тепловых нейтронах. Содержание в природном уране — 0,72 %. Используется в ядерных реакторах и оружии.
• Уран-233 — искусственный изотоп, получаемый из тория-232. Рассматривается как топливо для ториевого цикла.
• Плутоний-239 — искусственный изотоп, образующийся в реакторах из урана-238. Основной материал для ядерного оружия и топливо для быстрых реакторов.
• Плутоний-241 и калифорний-252 — также способны к делению, но используются реже.

Цепная реакция деления

Цепная реакция — процесс, в котором нейтроны, испускаемые при делении одного ядра, вызывают деление других ядер, приводя к лавинообразному нарастанию числа делений. Для поддержания стационарной реакции необходимо, чтобы коэффициент размножения нейтронов (k) был равен 1. При k > 1 реакция нарастает (взрыв), при k < 1 — затухает.

Управляемая цепная реакция

Реализуется в ядерных реакторах. Для управления используются замедлители нейтронов (графит, тяжёлая вода, обычная вода), поглотители (бор, кадмий) и регулирующие стержни. В реакторах на тепловых нейтронах нейтроны замедляются до тепловых скоростей, что увеличивает вероятность деления урана-235.

Неуправляемая цепная реакция

Используется в ядерном оружии. Для создания сверхкритической массы делящегося материала применяется быстрое сжатие (имплозия) или соединение двух докритических частей. Время реакции составляет микросекунды.

Применение

Ядерная энергетика

Основное применение деления ядер — производство тепловой и электрической энергии на атомных электростанциях (АЭС). В 2023 году доля атомной генерации в мировом производстве электроэнергии составляла около 10 %. В России эксплуатируется 37 энергоблоков АЭС (по данным на 2024 год), включая плавучие атомные станции.

Ядерное оружие

Деление ядер лежит в основе атомных бомб. Первое испытание (Тринити, США, 1945) и бомбардировки Хиросимы и Нагасаки (6 и 9 августа 1945 года) продемонстрировали разрушительную силу этого процесса. Впоследствии на основе деления были созданы термоядерные боеприпасы, где деление служит запалом для синтеза.

Научные исследования

Деление ядер используется для получения радиоактивных изотопов (медицинских, промышленных), в нейтронно-активационном анализе и в фундаментальных исследованиях структуры ядра.

Безопасность и проблемы

Основные риски, связанные с делением ядер:

• Радиоактивные отходы — осколки деления остаются радиоактивными на протяжении тысяч лет. Требуют изоляции в специальных хранилищах.
• Аварии — наиболее известные: Чернобыльская (1986, СССР) и Фукусимская (2011, Япония). Причины — конструктивные недостатки и нарушение правил эксплуатации.
• Распространение ядерных материалов — плутоний и высокообогащённый уран могут быть использованы для создания оружия. Международное сообщество регулирует обращение с ними через МАГАТЭ.

Интересные факты

• При делении одного грамма урана-235 выделяется энергия, эквивалентная сжиганию примерно 2,5 тонн нефти.
• В природе существовал естественный ядерный реактор в Окло (Габон), который работал около 1,7 миллиарда лет назад за счёт самопроизвольной цепной реакции в урановой руде.
• Спонтанное деление калифорния-252 используется в портативных нейтронных источниках для поиска взрывчатки и нефти.

Источники

• Ган О., Штрассман Ф. «О продуктах деления урана при облучении нейтронами» (1939).
• Мейтнер Л., Фриш О. «Деление урана: новый тип ядерной реакции» (1939).
• Флёров Г. Н., Петржак К. А. «Спонтанное деление урана» (1940).
• Мурин А. Н. «Физика атомного ядра и элементарных частиц» (М.: Энергоатомиздат, 1990).
• Отчёт МАГАТЭ «Nuclear Power Reactors in the World» (2024).
• Данные Росатома о работе АЭС в России (2024).