Ядерное деление урана¶

Ядерное деление урана — это процесс расщепления атомного ядра изотопа урана на два или более осколка, сопровождающийся выделением значительного количества энергии и, как правило, испусканием нескольких нейтронов. Данное явление лежит в основе работы ядерных реакторов и атомного оружия, а также является ключевым механизмом энерговыделения в некоторых типах звёзд. Ядерное деление урана было открыто в 1938 году немецкими учёными Отто Ганом и Фрицем Штрассманом, а его теоретическое объяснение дали Лиза Мейтнер и Отто Фриш.

¶История открытия

¶Предпосылки

В 1930-х годах физики активно изучали структуру атомного ядра. После открытия нейтрона Джеймсом Чедвиком в 1932 году итальянский физик Энрико Ферми предложил использовать нейтроны для бомбардировки тяжёлых элементов, надеясь получить новые трансурановые элементы. В 1934 году Ферми облучил уран нейтронами и обнаружил несколько радиоактивных продуктов, которые ошибочно принял за новые элементы с атомными номерами больше 92.

¶Открытие деления

В 1938 году Отто Ган и Фриц Штрассман в Берлине повторили эксперименты Ферми с более тщательным химическим анализом. Они обнаружили, что среди продуктов облучения урана нейтронами присутствует барий — элемент с атомным номером 56, что было невозможно при образовании трансурановых элементов. Ган сообщил об этом своей бывшей коллеге Лизе Мейтнер, эмигрировавшей в Швецию. Мейтнер вместе с племянником Отто Фришем интерпретировала результат как расщепление ядра урана на две примерно равные части — процесс, который они назвали «делением» (по аналогии с делением клеток в биологии). В январе 1939 года Фриш подтвердил это экспериментально, зарегистрировав мощные импульсы ионизации от осколков деления.

¶Цепная реакция

В 1939 году Фредерик Жолио-Кюри, Ханс фон Хальбан и Лев Коварски во Франции, а также Энрико Ферми и Лео Силард в США независимо друг от друга показали, что при делении урана испускаются дополнительные нейтроны. Это открытие сделало возможным осуществление самоподдерживающейся цепной реакции деления, что привело к созданию ядерного реактора и атомной бомбы.

¶Физические основы процесса

¶Механизм деления

Ядро урана, особенно изотоп уран-235 (²³⁵U), способно захватывать медленный (тепловой) нейтрон. После захвата образуется возбуждённое ядро урана-236, которое находится в неустойчивом состоянии. Из-за сильного кулоновского отталкивания между протонами ядро начинает деформироваться, принимая форму гантели, и в конечном итоге разрывается на два осколка — ядра средних масс (например, криптон-92 и барий-141). При этом высвобождается 2–3 нейтрона (в среднем 2,47 для ²³⁵U) и значительная энергия (около 200 МэВ на одно деление).

¶Энерговыделение

Энергия деления распределяется следующим образом:

• Кинетическая энергия осколков: ~167 МэВ
• Энергия мгновенных нейтронов: ~5 МэВ
• Энергия мгновенного гамма-излучения: ~6 МэВ
• Энергия бета-распада осколков: ~8 МэВ
• Энергия нейтрино (неуловимая): ~12 МэВ
• Энергия запаздывающих гамма-квантов: ~7 МэВ

Общая выделяемая энергия составляет около 200 МэВ, что в миллионы раз больше энергии, выделяемой при химических реакциях (например, при сгорании одной молекулы углерода выделяется около 4 эВ).

¶Цепная реакция

Испускаемые при делении нейтроны могут быть захвачены другими ядрами урана-235, вызывая их деление. Если масса делящегося материала превышает критическую массу, количество делений лавинообразно нарастает, и реакция становится самоподдерживающейся. Для управления цепной реакцией в ядерных реакторах используют замедлители (графит, тяжёлая вода) для замедления нейтронов до тепловых скоростей и поглотители (кадмий, бор) для регулировки потока нейтронов.

¶Изотопы урана, участвующие в делении

¶Уран-235

Единственный природный изотоп урана, способный к делению под действием тепловых нейтронов. Его содержание в природном уране составляет около 0,72%. Для использования в ядерных реакторах и оружии уран обогащают, повышая концентрацию ²³⁵U до 3–5% (реакторный) или более 90% (оружейный).

¶Уран-238

Основной изотоп природного урана (99,27%). Он не делится под действием тепловых нейтронов, но может делиться под действием быстрых нейтронов с энергией выше 1 МэВ. При захвате медленного нейтрона ²³⁸U превращается в плутоний-239 (²³⁹Pu) через два последовательных бета-распада. Плутоний-239, в свою очередь, является делящимся материалом и используется в ядерном оружии и реакторах.

¶Применение

¶Ядерная энергетика

Деление урана-235 является основным источником энергии в атомных электростанциях (АЭС). В реакторах типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) или РБМК (реактор большой мощности канальный) управляемая цепная реакция деления обеспечивает нагрев теплоносителя (воды), который затем вращает турбину электрогенератора. По данным на 2023 год, в мире эксплуатируется около 440 ядерных реакторов, обеспечивающих около 10% мирового производства электроэнергии.

¶Ядерное оружие

В атомных бомбах используется быстрое (неуправляемое) деление урана-235 или плутония-239. Для достижения сверхкритической массы применяется имплозивное сжатие (сферический заряд) или пушечная схема (соединение двух подкритических масс). Первая атомная бомба «Малыш» (Little Boy), сброшенная на Хиросиму 6 августа 1945 года, содержала около 64 кг урана-235.

¶Научные исследования

Деление урана используется в нейтронных источниках для физических экспериментов, в том числе для изучения структуры ядра, получения радиоизотопов и нейтронной радиографии.

¶Безопасность и риски

¶Радиоактивные отходы

При делении урана образуются высокорадиоактивные осколки деления (например, стронций-90, цезий-137) с периодом полураспада от нескольких лет до десятков тысяч лет. Обращение с отработавшим ядерным топливом требует специальных хранилищ и переработки.

¶Аварии

Неконтролируемая цепная реакция может привести к ядерному взрыву (в оружии) или к расплавлению активной зоны реактора (как на Чернобыльской АЭС в 1986 году и на АЭС Фукусима-1 в 2011 году). Для предотвращения аварий используются системы защиты, включая аварийную остановку реактора с помощью поглощающих стержней.

¶Критика и альтернативы

Использование деления урана вызывает споры из-за рисков ядерной безопасности, проблемы захоронения отходов и возможности распространения ядерного оружия. Альтернативными источниками энергии являются термоядерный синтез (пока не реализован промышленно), возобновляемые источники (солнце, ветер) и реакторы на быстрых нейтронах, которые могут сжигать долгоживущие отходы.

¶Интересные факты

• При делении одного грамма урана-235 выделяется энергия, эквивалентная сжиганию примерно 2,7 тонн каменного угля.
• В природе существует единственное известное место, где происходила самоподдерживающаяся цепная реакция деления урана — природный ядерный реактор в Окло (Габон), работавший около 2 миллиардов лет назад.
• Нейтроны, испускаемые при делении, имеют скорость около 20 000 км/с, что в 6% от скорости света.