Fission

Fission (от лат. fissio — расщепление) — в ядерной физике процесс деления атомного ядра на два или более осколка, сопровождающийся выделением значительного количества энергии. В наиболее распространённом контексте термин относится к делению ядер — цепной реакции, лежащей в основе работы ядерных реакторов и атомного оружия. В биологии и химии термин «fission» может использоваться для обозначения деления клеток (бинарное деление) или расщепления молекул, однако в данной статье рассматривается преимущественно ядерный аспект.

История открытия

Предпосылки и первые наблюдения

Явление деления ядер было открыто в 1938 году немецкими радиохимиками Отто Ганом и Фрицем Штрассманом. В ходе экспериментов по бомбардировке урана нейтронами они обнаружили среди продуктов реакции барий — элемент с массой примерно вдвое меньше массы урана. Интерпретацию этого результата как деления ядра урана дали австрийские физики Лизе Мейтнер и Отто Фриш, которые в начале 1939 года опубликовали теоретическое объяснение процесса, введя сам термин «fission» (по аналогии с биологическим делением клеток).

Развитие в СССР

В Советском Союзе исследования деления ядер начались в конце 1930-х годов. В 1939 году Георгий Флёров и Лев Русинов подтвердили факт деления урана под действием нейтронов. В 1940 году Флёров и Константин Петржак открыли спонтанное деление урана — самопроизвольный распад ядер без внешнего воздействия. Эти работы заложили основу для советской ядерной программы.

Физические основы

Механизм деления

Деление ядра происходит, когда оно поглощает нейтрон или другое возбуждающее воздействие. Ядро переходит в возбуждённое состояние, начинает колебаться и деформироваться, принимая форму гантели. Когда электростатические силы отталкивания между протонами в двух долях ядра превышают ядерные силы притяжения, ядро разрывается на два (реже три) осколка. При этом выделяется 2–3 свободных нейтрона и значительная энергия (около 200 МэВ на одно деление).

Цепная реакция

Ключевое свойство деления — возможность цепной реакции. Нейтроны, испускаемые при делении одного ядра, могут вызвать деление соседних ядер, создавая лавинообразный процесс. Для поддержания цепной реакции необходимо, чтобы количество нейтронов, вызывающих новые деления, оставалось постоянным или возрастало. Это условие выражается через коэффициент размножения нейтронов (k):

• k < 1 — реакция затухает (подкритическое состояние);
• k = 1 — реакция стабильна (критическое состояние);
• k > 1 — реакция нарастает (надкритическое состояние).

Критическая масса

Минимальная масса делящегося материала, необходимая для возникновения самоподдерживающейся цепной реакции, называется критической массой. Для урана-235 в чистом виде она составляет около 50 кг (в сферической конфигурации с отражателем нейтронов). Для плутония-239 — около 10 кг. Критическая масса зависит от формы образца, наличия отражателей и замедлителей нейтронов.

Виды деления

Спонтанное деление

Самопроизвольное деление ядер без внешнего воздействия. Наблюдается у некоторых тяжёлых изотопов (например, уран-238, калифорний-252). Вероятность спонтанного деления мала по сравнению с альфа-распадом, но для трансурановых элементов она возрастает.

Вынужденное деление

Деление, вызванное поглощением нейтрона, протона, гамма-кванта или другой частицы. Наиболее практически значимый тип — деление под действием тепловых нейтронов (с энергией около 0,025 эВ), характерное для урана-235 и плутония-239.

Деление быстрыми нейтронами

Деление ядер под действием нейтронов с высокой энергией (более 1 МэВ). Используется в реакторах на быстрых нейтронах и в некоторых типах ядерного оружия. Позволяет вовлекать в реакцию уран-238, который не делится тепловыми нейтронами.

Применение

Ядерная энергетика

Основное применение деления ядер — производство электроэнергии в ядерных реакторах. В реакторах на тепловых нейтронах (ВВЭР, РБМК) используется уран-235, обогащённый до 3–5 %. В реакторах на быстрых нейтронах (БН-600, БН-800) применяется смесь урана-238 и плутония-239. Тепловая энергия деления преобразуется в электрическую через теплоноситель (вода, жидкий натрий) и турбину.

Ядерное оружие

Деление ядер лежит в основе атомных бомб. В оружейных устройствах используется быстрое (за микросекунды) соединение двух подкритических масс делящегося материала для достижения надкритического состояния. Первое испытание атомной бомбы (проект «Тринити», 1945) и бомбардировки Хиросимы и Нагасаки (август 1945) продемонстрировали разрушительную силу деления. В современном ядерном оружии деление часто используется как первичный инициатор для термоядерной реакции.

Научные исследования

Деление применяется для получения радиоактивных изотопов (например, технеций-99m для медицинской диагностики), в нейтронно-активационном анализе, в исследованиях свойств ядерной материи.

Делящиеся материалы

Природные изотопы

• Уран-235 — единственный природный изотоп, способный к делению тепловыми нейтронами. Содержание в природном уране — 0,72 %.
• Уран-238 — делится только быстрыми нейтронами, используется в реакторах-размножителях.

Искусственные изотопы

• Плутоний-239 — получается из урана-238 в реакторах. Основной материал для ядерного оружия и топлива для быстрых реакторов.
• Уран-233 — получается из тория-232, перспективный материал для ториевого цикла.
• Калифорний-252 — интенсивный источник нейтронов спонтанного деления, используется в нейтронной радиографии и медицине.

Безопасность и риски

Радиационная опасность

Продукты деления — радиоактивные изотопы с различными периодами полураспада (от секунд до тысяч лет). Наиболее опасны стронций-90 (период полураспада 29 лет) и цезий-137 (30 лет), которые накапливаются в биосфере. Утечка продуктов деления при авариях (Чернобыльская АЭС, 1986; АЭС «Фукусима-1», 2011) представляет серьёзную угрозу для здоровья и окружающей среды.

Ядерное нераспространение

Технологии деления ядер двойного назначения — могут использоваться как в мирных, так и в военных целях. Международное сообщество (МАГАТЭ) контролирует оборот делящихся материалов и технологий обогащения урана. Россия, как участник Договора о нераспространении ядерного оружия (ДНЯО), соблюдает обязательства по нераспространению.

Интересные факты

• При делении одного ядра урана-235 выделяется примерно в 50 миллионов раз больше энергии, чем при сжигании одного атома углерода в угле.
• В 1940 году советские физики Г. Н. Флёров и К. А. Петржак открыли спонтанное деление урана, за что были удостоены Сталинской премии.
• В реакторах на быстрых нейтронах возможно «сжигание» долгоживущих радиоактивных отходов (трансурановых элементов), что снижает их опасность.

Источники

• Ган О., Штрассман Ф. «О доказательстве возникновения щелочноземельных металлов при облучении урана нейтронами» (1939)
• Мейтнер Л., Фриш О. «Деление урана нейтронами: новый тип ядерной реакции» (1939)
• Флёров Г. Н., Петржак К. А. «Спонтанное деление урана» (1940)
• Мурин А. Н. «Ядерная физика» (М.: Атомиздат, 1974)
• Доклад МАГАТЭ «Ядерная энергетика и нераспространение» (2020)