Цепная реакция деления

Цепная реакция деления — это процесс, в котором деление атомных ядер, вызванное нейтронами, приводит к появлению новых нейтронов, способных вызвать деление других ядер, что обеспечивает самоподдерживающийся характер реакции. Данное явление лежит в основе работы ядерных реакторов и атомного оружия.

История открытия

Предпосылки

В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон — нейтральную частицу, способную легко проникать в атомные ядра из-за отсутствия кулоновского отталкивания. В 1934 году Энрико Ферми облучал нейтронами различные элементы, включая уран, и получил радиоактивные изотопы, которые он ошибочно принял за трансурановые элементы.

Открытие деления

В декабре 1938 года немецкие химики Отто Ган и Фриц Штрассман, проводя эксперименты по облучению урана нейтронами, обнаружили среди продуктов реакции барий — элемент с массой примерно вдвое меньше массы урана. В январе 1939 года австрийские физики Лизе Мейтнер и Отто Фриш дали теоретическое объяснение этому явлению, назвав его «делением ядер». Они также предсказали выделение значительной энергии (около 200 МэВ на одно деление) и испускание дополнительных нейтронов.

Обнаружение цепного характера

В 1939 году Фредерик Жолио-Кюри, Ханс фон Хальбан и Лев Коварски экспериментально доказали, что при делении ядер урана испускается в среднем 2–3 нейтрона. Это открытие подтвердило принципиальную возможность самоподдерживающейся цепной реакции. В том же году Нильс Бор и Джон Уилер разработали капельную модель ядра, объясняющую механизм деления.

Физические основы

Механизм деления

Деление ядра происходит, когда оно поглощает нейтрон и переходит в возбуждённое состояние. Ядро начинает колебаться, принимая форму гантели, и, если энергия возбуждения превышает энергетический барьер деления, оно разрывается на два осколка (реже на три или четыре). Осколки деления — это ядра элементов средней массы (например, криптон-92 и барий-141 при делении урана-235). При этом испускаются 2–3 свободных нейтрона и выделяется энергия в виде кинетической энергии осколков, гамма-излучения и нейтрино.

Условия возникновения

Для самоподдерживающейся цепной реакции необходимо, чтобы количество нейтронов, образующихся при делении, было достаточным для поддержания процесса. 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).

Коэффициент размножения зависит от:

• Вероятности поглощения нейтрона ядром делящегося изотопа;
• Потери нейтронов на захват неделящимися материалами;
• Утечки нейтронов из активной зоны.

Делящиеся изотопы

Основные изотопы, способные поддерживать цепную реакцию деления:

• Уран-235 — единственный природный изотоп, способный к делению под действием тепловых нейтронов. Его содержание в природном уране составляет 0,7204 %.
• Плутоний-239 — искусственный изотоп, образующийся в ядерных реакторах при захвате нейтронов ураном-238. Является основным материалом для атомного оружия.
• Уран-233 — искусственный изотоп, получаемый из тория-232. Используется в некоторых типах реакторов.

Классификация цепных реакций

По типу нейтронов

• Реакция на тепловых нейтронах — нейтроны замедляются до энергий порядка 0,025 эВ (тепловое равновесие со средой). Используется в большинстве энергетических реакторов (ВВЭР, PWR, BWR). Требует наличия замедлителя (вода, графит, тяжёлая вода).
• Реакция на быстрых нейтронах — нейтроны не замедляются и имеют энергию более 0,1 МэВ. Используется в реакторах-размножителях (бридерах) и в атомном оружии. Не требует замедлителя, но требует более высокой концентрации делящегося материала.

По управляемости

• Управляемая цепная реакция — поддерживается в контролируемых условиях в ядерных реакторах. Коэффициент размножения поддерживается равным 1 с помощью регулирующих стержней (поглотителей нейтронов) и изменения концентрации топлива.
• Неуправляемая цепная реакция — развивается лавинообразно в надкритическом состоянии. Используется в ядерных взрывных устройствах. Время развития реакции — порядка микросекунд.

Управляемая цепная реакция

Ядерный реактор

Основным устройством для осуществления управляемой цепной реакции является ядерный реактор. Его ключевые компоненты:

• Активная зона — содержит ядерное топливо (делящиеся изотопы) и замедлитель (в реакторах на тепловых нейтронах).
• Регулирующие стержни — изготавливаются из материалов, сильно поглощающих нейтроны (бор, кадмий, гафний). Вводятся в активную зону для снижения коэффициента размножения.
• Теплоноситель — отводит тепло от активной зоны (вода, жидкий натрий, газ).
• Отражатель нейтронов — окружает активную зону, уменьшая утечку нейтронов.

Замедлители

Для эффективного деления урана-235 необходимы тепловые нейтроны. Замедлители снижают энергию быстрых нейтронов, образующихся при делении, до теплового уровня. Основные замедлители:

• Обычная вода (H₂O) — эффективный замедлитель, но сильно поглощает нейтроны. Используется в реакторах ВВЭР и PWR.
• Тяжёлая вода (D₂O) — поглощает нейтроны значительно слабее, что позволяет использовать природный уран. Используется в канадских реакторах CANDU.
• Графит — используется в реакторах РБМК и в первых реакторах (Чикагская поленница-1). Позволяет работать на природном уране.

Регулирование

Управление реакцией осуществляется путём изменения положения регулирующих стержней. При введении стержней в активную зону поглощается часть нейтронов, коэффициент размножения снижается. При извлечении стержней — увеличивается. Для быстрого останова реактора используются аварийные стержни, которые вводятся мгновенно.

Неуправляемая цепная реакция

Атомное оружие

В ядерных взрывных устройствах цепная реакция развивается в сверхкритическом состоянии. Для достижения этого используются два основных метода:

• Пушечная схема — два подкритических куска делящегося материала (обычно уран-235) соединяются с помощью взрывчатого вещества, образуя надкритическую массу. Использовалась в бомбе «Малыш» (Хиросима).
• Имплозивная схема — сферическая оболочка из делящегося материала (плутоний-239) сжимается с помощью сходящейся ударной волны от взрывчатки, что увеличивает плотность и создаёт надкритическое состояние. Использовалась в бомбе «Толстяк» (Нагасаки).

Критическая масса

Минимальная масса делящегося материала, необходимая для возникновения самоподдерживающейся цепной реакции, называется критической массой. Она зависит от:

• Изотопа (уран-235 — около 50 кг без отражателя, плутоний-239 — около 10 кг);
• Формы образца (сфера имеет минимальную критическую массу);
• Наличия отражателя нейтронов (снижает критическую массу);
• Плотности материала (сжатие уменьшает критическую массу).

Применение

Энергетика

Цепная реакция деления является основой работы атомных электростанций (АЭС). В 2024 году в мире насчитывалось более 440 действующих ядерных реакторов, вырабатывающих около 10 % мировой электроэнергии. В России эксплуатируются 37 энергоблоков на 11 АЭС (включая плавучие), обеспечивающие около 20 % выработки электроэнергии в стране.

Научные исследования

Исследовательские реакторы используются для:

• Получения нейтронных пучков для изучения структуры материалов (нейтронография);
• Наработки радиоизотопов для медицины и промышленности;
• Тестирования материалов для ядерных реакторов;
• Облучения полупроводников (нейтронное легирование кремния).

Военные цели

Помимо создания ядерного оружия, цепная реакция используется в ядерных энергетических установках для подводных лодок, надводных кораблей и космических аппаратов. В России созданы атомные ледоколы, использующие реакторы с цепной реакцией деления.

Безопасность и аварии

Радиационная опасность

Цепная реакция деления сопровождается интенсивным гамма-излучением и образованием радиоактивных осколков деления, которые представляют опасность для живых организмов. Для защиты используются биологическая защита (бетон, свинец) и системы локализации.

Крупные аварии

• Авария на Чернобыльской АЭС (1986) — неконтролируемый рост мощности реактора РБМК-1000 из-за конструктивных недостатков и ошибок персонала привёл к разрушению активной зоны и выбросу радиоактивных веществ. Причина — положительный паровой коэффициент реактивности, который привёл к разгону реактора на мгновенных нейтронах.
• Авария на АЭС Фукусима-1 (2011) — потеря охлаждения активной зоны из-за цунами привела к расплавлению топлива и выбросу радиоактивности. Реакция деления была остановлена, но остаточное тепловыделение (от распада осколков) вызвало перегрев.

Интересные факты

• Первая в мире искусственная цепная реакция деления была осуществлена 2 декабря 1942 года в Чикагском университете под руководством Энрико Ферми. Реактор «Чикагская поленница-1» работал на природном уране и графите.
• В природных условиях самоподдерживающаяся цепная реакция могла происходить около 2 миллиардов лет назад в урановом месторождении Окло (Габон). Это было возможно из-за более высокого содержания урана-235 в то время (около 3 % вместо современных 0,72 %).
• Время жизни одного поколения нейтронов в цепной реакции на тепловых нейтронах составляет около 0,001 секунды, а на быстрых нейтронах — около 10⁻⁸ секунды.

Источники

• Гласстоун С., Долан П. «Ядерные реакторы и ядерная безопасность». — М.: Атомиздат, 1979.
• Петунин В. П. «Теплоэнергетика ядерных установок». — М.: Энергоатомиздат, 1984.
• Уилер Дж. А. «Деление ядер и цепные реакции». — УФН, 1940.
• Отчёт МАГАТЭ «Nuclear Power Reactors in the World», 2024.
• Материалы Росатома «Основы ядерной физики и реакторостроения».