Спонтанное деление ядер урана
Спонтанное деление ядер урана — это вид радиоактивного распада, при котором ядро атома урана самопроизвольно, без внешнего воздействия (например, захвата нейтрона), разделяется на два (реже три) осколка сравнимой массы, с выделением значительного количества энергии и испусканием нескольких нейтронов. Данный процесс является одним из видов деления ядер и относится к классу редких типов радиоактивного распада, конкурирующих с альфа-распадом.
История открытия
Спонтанное деление ядер было открыто в 1940 году советскими физиками Георгием Николаевичем Флёровым и Константином Антоновичем Петржаком в Лаборатории ядерных проблем Академии наук СССР (ныне Курчатовский институт). Работа проводилась под руководством И. В. Курчатова. Учёные обнаружили, что ядра урана-238 могут делиться самопроизвольно, без предварительного облучения нейтронами. Это открытие было сделано в ходе экспериментов по изучению деления урана, инициированного нейтронами, когда исследователи заметили редкие акты деления, происходящие в отсутствие источника нейтронов.
Для регистрации столь редкого события (период полураспада урана-238 относительно спонтанного деления составляет около 8,04·10¹⁵ лет, что в миллионы раз больше возраста Земли) потребовалось создание специальной аппаратуры, способной отсеивать фоновые сигналы от космических лучей. Эксперимент проводился на глубине 60 метров под землёй в метро Москвы (станция «Динамо»), что позволило снизить уровень фона. За открытие спонтанного деления ядер урана Флёров и Петржак в 1946 году были удостоены Сталинской премии.
Механизм процесса
Спонтанное деление является квантово-механическим туннельным эффектом. Ядро урана, несмотря на свою стабильность по отношению к альфа-распаду, может преодолеть потенциальный барьер, разделяющий его состояние и состояние двух осколков. В отличие от вынужденного деления, где барьер преодолевается за счёт энергии, полученной от захваченного нейтрона, при спонтанном делении ядро «просачивается» сквозь барьер благодаря туннельному эффекту.
Вероятность спонтанного деления резко возрастает с увеличением зарядового числа Z и массового числа A ядра. Для лёгких ядер (например, свинца) этот процесс практически не наблюдается из-за высокого барьера. Для урана-238 барьер достаточно высок, что и обуславливает огромный период полураспада. Для более тяжёлых трансурановых элементов (например, калифорния-252) спонтанное деление становится основным видом распада.
Характеристики процесса
Энергия и осколки
При спонтанном делении урана выделяется около 200 МэВ энергии, что значительно превышает энергию альфа-распада (около 4–5 МэВ). Энергия распределяется между осколками (кинетическая энергия), нейтронами, гамма-излучением и бета-частицами от распада осколков. Осколки деления — это ядра элементов средней части таблицы Менделеева (например, криптон, барий, ксенон, стронций), которые, как правило, являются радиоактивными и претерпевают дальнейший бета-распад.
Нейтроны
Каждый акт спонтанного деления ядра урана сопровождается испусканием в среднем 2–3 мгновенных нейтронов (для урана-238 — около 2,3 нейтрона на деление). Эти нейтроны имеют широкий спектр энергий — от тепловых (0,025 эВ) до быстрых (до 10 МэВ). Именно наличие нейтронов делает возможным цепную ядерную реакцию, хотя при спонтанном делении их количество ничтожно мало для поддержания самоподдерживающейся реакции в природном уране.
Периоды полураспада для изотопов урана
Спонтанное деление — не единственный канал распада для изотопов урана. Для разных изотопов вклад этого процесса в общий распад различен:
| Изотоп | Период полураспада (спонтанное деление) | Период полураспада (альфа-распад) | Доля спонтанного деления |
|---|---|---|---|
| Уран-234 | 1,5·10¹⁶ лет | 2,46·10⁵ лет | ~1,6·10⁻⁹ % |
| Уран-235 | 3,5·10¹⁷ лет | 7,04·10⁸ лет | ~2,0·10⁻⁷ % |
| Уран-238 | 8,04·10¹⁵ лет | 4,47·10⁹ лет | ~5,5·10⁻⁵ % |
Как видно, для урана-238 спонтанное деление происходит в 5,5·10⁻⁵ % случаев, то есть примерно 1 деление на 1,8 миллиона альфа-распадов. Для урана-235 этот показатель ещё ниже.
Значение и применение
Ядерная энергетика и оружие
Спонтанное деление является источником фоновых нейтронов в ядерных реакторах и ядерных зарядах. В реакторах на тепловых нейтронах (например, ВВЭР) эти нейтроны незначительны по сравнению с нейтронами от вынужденного деления, но их необходимо учитывать при расчёте критичности. В ядерном оружии спонтанное деление может стать причиной преждевременного начала цепной реакции (предетонации), что снижает мощность взрыва. Для минимизации этого эффекта в оружейном уране (обогащённом до 90% и более по урану-235) содержание урана-238 сводится к минимуму, так как именно уран-238 даёт основной вклад в спонтанное деление.
Геохронология
Спонтанное деление урана используется в трековом датировании (трековый метод). При распаде ядра урана в минерале (например, в цирконе или апатите) осколки деления оставляют в кристаллической решётке микроскопические повреждения — треки. Подсчитывая количество таких треков и зная концентрацию урана, можно определить возраст горной породы. Метод применяется для датирования геологических объектов возрастом от нескольких тысяч до миллиардов лет.
Научные исследования
Изучение спонтанного деления даёт информацию о структуре атомного ядра, о свойствах ядерного потенциала и о механизмах туннелирования. Оно также используется для синтеза сверхтяжёлых элементов: при бомбардировке мишеней из урана тяжёлыми ионами могут образовываться новые элементы, которые затем распадаются путём спонтанного деления.
Связь с цепной ядерной реакцией
Спонтанное деление урана не способно само по себе вызвать цепную ядерную реакцию в природном уране (0,72% урана-235, 99,27% урана-238, 0,005% урана-234). Причина — низкая плотность нейтронов, рождающихся при спонтанном делении. Для поддержания цепной реакции необходимо, чтобы на каждый акт деления приходилось в среднем более одного нейтрона, способного вызвать следующее деление. В природном уране среднее число нейтронов от спонтанного деления на единицу объёма в секунду составляет около 0,02 нейтрона на кубический сантиметр, что недостаточно для преодоления потерь нейтронов на захват без деления и утечку. Однако в обогащённом уране (содержание урана-235 более 5–20%) спонтанное деление может служить источником «затравочных» нейтронов для запуска реакции в ядерном реакторе.
Интересные факты
- Открытие спонтанного деления было сделано в условиях секретности, так как работы велись в рамках советского атомного проекта.
- В 1940 году, одновременно с Флёровым и Петржаком, аналогичные исследования проводили американские физики Л. Силард и У. Зинн, но они не смогли однозначно подтвердить открытие из-за высокого фона.
- Скорость спонтанного деления урана-238 такова, что в одном грамме этого изотопа происходит примерно 24 акта деления в секунду.
- Для урана-235, который используется в ядерных реакторах и оружии, скорость спонтанного деления примерно в 40 раз меньше, чем для урана-238.
Источники
- Флёров Г. Н., Петржак К. А. «Спонтанное деление урана». — Успехи физических наук, 1941.
- Мурин А. Н. «Физика ядерного деления». — М.: Атомиздат, 1970.
- Бекман И. Н. «Радиохимия. Том 1. Радиоактивность и радиоактивные элементы». — М.: Издательство МГУ, 2005.
- «Ядерная физика в интернете» (сборник материалов по ядерной физике и радиохимии). — М.: МИФИ, 2018.
BFOmetr — база данных и аналитика по компаниям России.
На главную BFOmetr →