Ядерные цепные реакции - ядерные реакции, в к-рых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Пока единственная известная Я. ц. р.- реакция деления урана и нек-рых трансурановых элементов (напр., 239Рu) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена Э. Ферми (Е. Fermi) в 1942. После открытия деления ядер У. Зинн (W. Zinn) и Л. Силард (L. Szilard) (США) и Г. Н. Флёров показали, что при делении ядра U вылетает больше 1 нейтрона:
Здесь А и В - осколки деления
с массовыми числами А от 90 до 150, v - число вторичных нейтронов.
Если только часть f общего числа вторичных нейтронов может быть использована
для продолжения реакции деления, то на 1 нейтрон первого поколения, вызвавший
деление, придётся K=vf нейтронов след. поколения, к-рые вызовут деление
(К наз. коэф. размножения нейтронов). При К> 1 число нейтронов
будет возрастать со временем t по закону n = n0е(K-1)
t/t, где t - время жизни поколения нейтронов. Если К-1=0, то число
делений в единицу времени постоянно и может быть осуществлена самоподдерживающаяся
Я. ц. р. При достаточно больших значениях (К- 1) реакция перестаёт быть
регулируемой и может привести к ядерному взрыву.
Рассмотрим ядерные цепные реакции на природном
уране, содержащем практически 2 изотопа: 238U(99,29%) и 235U
(0,71%). Ядро 238U делится только под действием быстрых нейтронов
с энергией >
1 МэВ, эфф. сечение деления мало (sд = 0,3 барна). Напротив, ядро
235U делится под действием нейтронов любых энергий, причём sд
резко возрастает с уменьшением .
При делении ядра 238U или 235U под действием быстрого
нейтрона вылетает в ср. v = 2,5 нейтрона с энергией от 0,1 МэВ до 14
МэВ. Это означает, что при отсутствии потерь энергии Я. ц. р. могла бы развиться
в природном уране. Однако потери есть: ядра 238U могут захватывать
нейтроны с образованием ядра 239U (см. Радиационный захват ).Кроме
того, при столкновении нейтронов с ядром происходит также неупругое рассеяние,
при к-ром энергия нейтронов становится ниже 1 МэВ и они уже не могут вызвать
деление 238U. Большая часть таких нейтронов испытывает радиац. захват
или вылетает наружу. В результате Я. ц. р. не может развиться.
Для возбуждения ядерных цепных реакций в естеств. уране используется замедление нейтронов при их столкновении
с лёгкими ядрами (2Н, 12С и др.). Сечение деления 235U
на тепловых нейтронах sд235 = 582 барна, сечение радиац.
захвата в 235U (с образованием 236U) sp235
= 100 барн, а sp238 = 2,73 барна. При делении тепловыми
нейтронами v = 2,44. Отсюда следует, что число нейтронов h, к-рые могут
вызвать деление, приходящееся на 1 поглощённый тепловой нейтрон предыдущего
поколения, равно
Здесь r238/r235
- отношение концентраций 238U и 235U. Соотношение (2)
означает возможность развития Я. ц. р. в смеси природного урана с замедлителем.
Однако при делении на тепловых
нейтронах рождаются быстрые нейтроны, к-рые, прежде чем замедлиться до тепловой
энергии, могут поглотиться. Сечение захвата нейтрона 238U имеет резонансный
характер, т.е. достигает очень больших значений в определ. узких интервалах
энергии (см. Нейтронная спектроскопия ).В однородной (г ом о г е н н
о й) смеси вероятность резонансного поглощения слишком велика, чтобы Я. ц. р.
на тепловых нейтронах могла осуществиться. Эту трудность обходят, располагая
уран в замедлителе дискретно, в виде блоков, образующих правильную решётку.
Резонансное поглощение нейтронов в
такой гетерогенной системе резко уменьшается по двум причинам: 1) сечение резонансного
поглощения столь велико, что нейтроны, попадая в блок, поглощаются в поверхностном
слое, поэтому часть ядер урана не участвует в резонансном поглощении; 2) нейтроны
резонансной энергии, образовавшиеся в замедлителе, могут не попасть в уран,
а, замедляясь при рассеянии на ядрах замедлителя, "уйти" из опасного
интервала энергии. При поглощении теплового нейтрона в блоке рождается v вторичных
быстрых нейтронов, каждый из к-рых до выхода из блока вызовет небольшое кол-во
делений ядер 238U. В результате число быстрых нейтронов, вылетающих
из блока в замедлитель, равно eh, где e- коэф. размножения на быстрых нейтронах;
если j - вероятность избежать резонансного поглощения, то только ehj нейтронов
замедлятся до тепловой энергии. Часть тепловых нейтронов поглотится в замедлителе.
Пусть q - вероятность того, что тепловой нейтрон поглотится в уране (коэф. теплового
использования нейтронов). В гомогенной системе
в гетерогенной системе
Здесь rU, rЗ-концентрации
урана и замедлителя, sUп, sЗп -
соответствующие сечения поглощения, Ф-потоки нейтронов. В результате
на 1 тепловой нейтрон первого поколения, вызывающий деление, приходится =
ehjq нейтронов след. поколения, к-рые могут вызвать деление;
- коэф. размножения нейтронов в бесконечной гетерогенной системе. Если >
1, то реакция деления в бесконечной решётке будет нарастать экспоненциально.
В системе, имеющей огранич. размеры, часть нейтронов может покинуть среду. Обозначим долю нейтронов, вылетающих
наружу, через (1-Р), тогда для продолжения реакции деления остаётся Кэф=Р нейтронов, и если Кэф>1, то число делений
растёт экспоненциально и реакция является саморазвивающейся. Т. к. число делений
и, следовательно, число вторичных нейтронов в размножающей среде пропорц. её
объёму, а их вылет пропорц. поверхности окружающей среды, то Я. ц. р. возможна
только в среде достаточно больших размеров. Напр., для шара радиусом R отношение
объёма к поверхности равно R/3 и, следовательно, чем больше R, тем
меньше утечка нейтронов. Если радиус размножающей среды становится достаточно
большим, чтобы в системе протекала стационарная Я. ц. р., т.е. Кэф-1=0,
то такую систему наз. критической (и её радиус - критическим).
Для осуществления ядерных цепных реакций в природном уране на тепловых нейтронах используют в качестве замедлителя
вещества с малым сечением радиац. захвата (графит или тяжёлую воду D2O).
В замедлителе из обыкновенной воды Я. ц. р. на природном уране невозможна из-за
большого поглощения нейтронов водородом.
Чтобы интенсивность ядерных цепных реакций можно было регулировать, время жизни одного поколения нейтронов должно
быть достаточно велико. Время жизни t0 тепловых нейтронов мало (t0~
10-3 с). Однако наряду с нейтронами, вылетающими из ядра практически
мгновенно (за время 10-16 с), существует небольшая доля m т. н.
запаздывающих нейтронов, вылетающих после b-распада осколков
деления со ср. временем жизни 14,4
с. Для запаздывающих нейтронов при делении 235U m~0,7.10-2.
Если Кэф> 1 + m, то в р е м я р а з г о н а Я. ц. р. Т (время, за к-рое число делений увеличивается в е раз) определяется
соотношением
т. е. запаздывающие нейтроны
не участвуют в развитии ядерных цепных реакций. Практически важен др. предельный случай: Кэф-
1<<m, тогда
т. е. мгновенные нейтроны
не играют роли в развитии реакции. Т. о., если Кэф< 1 + m, то Я. ц. р. будет развиваться только при участии запаздывающих нейтронов
за время порядка минут и будет хорошо регулируемой (см. Ядерный реактор).
Я. ц. р. осуществляется
также на уране, обогащённом 235U, и в чистом 235U. В этих
случаях она идёт и на быстрых нейтронах. При поглощении нейтронов в 238U
образуется 239U, а из него после двух b-распадов- 239Рu,
к-рый делится под действием тепловых нейтронов с v = 2,9. При облучении
нейтронами 232Th образуется делящийся на тепловых нейтронах 233U
(см. Ядерное горючее ).Кроме того, Я. ц. р. возможна в 241Рu
и изотопах Cm и Cf с нечётными массовыми числами.
П. Э. Немировский
Когда тот или иной физик использует понятие "физический вакуум", он либо не понимает абсурдности этого термина, либо лукавит, являясь скрытым или явным приверженцем релятивистской идеологии.
Понять абсурдность этого понятия легче всего обратившись к истокам его возникновения. Рождено оно было Полем Дираком в 1930-х, когда стало ясно, что отрицание эфира в чистом виде, как это делал великий математик, но посредственный физик Анри Пуанкаре, уже нельзя. Слишком много фактов противоречит этому.
Для защиты релятивизма Поль Дирак ввел афизическое и алогичное понятие отрицательной энергии, а затем и существование "моря" двух компенсирующих друг друга энергий в вакууме - положительной и отрицательной, а также "моря" компенсирующих друг друга частиц - виртуальных (то есть кажущихся) электронов и позитронов в вакууме.
Однако такая постановка является внутренне противоречивой (виртуальные частицы ненаблюдаемы и их по произволу можно считать в одном случае отсутствующими, а в другом - присутствующими) и противоречащей релятивизму (то есть отрицанию эфира, так как при наличии таких частиц в вакууме релятивизм уже просто невозможен). Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.