Цепная ядерная реакция: что это за процесс, виды цепных ядерных реакций

Понятие цепной ядерной реакции деления (ЦЯРД) у многих вызывает ассоциации с Хиросимой и Нагасаки, ядерными взрывами, проводимыми сверхдержавами во время Холодной войны. Этот тип реакций применяется не только при создании ядерного оружия. Рассмотрим, какую ядерную реакцию называют цепной, каковы условия её возникновения, поддержания. Коснёмся темы использования явления человеком.

Что такое цепная ядерная реакция

Ядерной реакцией называется процесс взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей, вследствие которого образуется новое ядро и выделяется вторичная частица (-ы), называемая гамма-квантом. Впервые её провёл Эрнест Резерфорд в 1919 году. Физик заметил образование протонов вследствие бомбардировки атомов азота α-частицами. Вследствие реакции азот 714N превращался в кислород 817O с выделением атома водорода. Протекают ядерные реакции не только с выделением, но и с поглощением энергии.

Цепная ядерная реакция – это последовательность делений атомных ядер, каждое из которых вызывается высвобожденной на предыдущем шаге процесса частицей. Протекают только в тяжёлых химических элементах, инициируется появившимися при прошлом делении ядер. Вследствие протекания самоподдерживающихся реакций продукт предыдущего взаимодействия вступает в реакцию с образовавшимся тогда же ядром. Чаще всего провоцируются нейтроны. В результате появляется пара более лёгких в сумме элементов (осколков деления), чем исходные.

На очередном этапе взаимодействия число вовлекаемых в процесс ядер может превышать их численность на прежнем этапе, тогда их количество растёт лавинообразно. Если их численность на каждом этапе удерживается на одном уровне, цепная ядерная реакция называется управляемой.

Лавинообразное появление новых ядер в уране возможно только для изотопа 235U. Впервые о явлении заговорили в 1934 благодаря работам Жолио-Кюри. Они, в 1939 году, вместе с Коварски провели бомбардировку урана и, кроме осколков деления, обнаружили высвобождение 2-3 нейтронов. При попадании в другие ядра последние снова делятся с выделением уже 6-9 элементарных частиц.

 В процессе исследований и экспериментов Ферми, супруги Кюри, Штрассман, Фриш, Ган установили: попавший в ядро 235U нейтрон делит его в два-три раза. Вследствие распада выделяется около 200 МэВ энергии, 165 МэВ уходит на перемещение так называемых осколков, остальную с собой уносят гамма-кванты.

При распаде 1 кг 235-го изотопа урана высвобождается 80*10¹² Дж энергии – в миллионы больше, чем 1 кг сожжённого каменного угля. С середины XX века начали вести работы по освобождению и обузданию этого энергетического потенциала для получения электрической энергии.

Проблемы при протекании ЦЯРД

Мы разобрались, какую ядерную реакцию называют цепной. Проблемы их проведения следующие.

Энергии высвободившихся нейтронов достаточно для расщепления 235U, на долю которого припадает около 0,7% встречающегося в природе урана. Элемента с массовым числом 238 – свыше 99%. Для протекания ЦЯРД нужно несколько десятков килограмм очищенного или обогащённого 235U, иначе практически вся энергия нейтронов уходит на столкновение с ураном-238.

Вторая беда – неуправляемость процессом. В области деления урана температура повышается до миллионов градусов, мгновенно испаряя все вещества вокруг. Образуется раскалённый газообразный шар, сносящий и сжигающий всё вокруг. Контролировать процесс научились благодаря установкам, названным ядерными реакторами.