Радиоактивные изотопы и их применение

Рис. 9. Схема деления ядра урана 235. При делении образуются два «осколка» (в данном примере криптон и барий)

Число нейтронов, а следовательно, и число актов деления, в этом случае будет возрастать, как лавина, охватывая все новые и новые атомы урана. Таким образом может идти так называемый цепной процесс деления (рис. 10). Однако для того чтобы этот процесс осуществлялся на практике, необходимо, чтобы выделяющиеся при делении нейтроны вызывали новые деления; а не какие-либо посторонние процессы. Такими посторонними процессами являются: уход нейтронов за пределы куска урана; взаимодействие ядер урана 238 с нейтронами с образованием урана 239, который затем испускает электроны и переходит в плутоний 239; взаимодействие нейтронов с примесями, находящимися в уране.

Рис. 10. Схема цепной реакции деления урана 235:

Сверху — без замедлителя в чистом уране 235; снизу — с замедлителем в смеси изотопов урана

Несмотря на то, что плутоний 239 подобно урану 235 способен к делению с размножением нейтронов и сам по себе является ценным изотопом, получение которого важно для атомной энергетики, в процессе развития реакции деления урана 235 его образование может вести к затуханию цепной реакции деления.

Количество атомов плутония, получающихся в процессе деления, как правило, меньше количества атомов разделившегося урана 235.

Если устранить по возможности посторонние процессы, то раз начавшийся процесс деления урана будет происходить самопроизвольно, при этом будет выделяться большое количество энергии.

Цепная реакция деления ядер природного урана благодаря наличию в нем урана 238 может осуществляться только на так называемых медленных нейтронах. Медленные, или тепловые, нейтроны имеют скорость порядка 2000 м/сек. В состав природного урана входят три изотопа:

U²³⁸ (99,28%), U²³⁵ (0,714%) и U²³⁴ (0,006%)

Изучение процесса деления урана показало, что делению подвергаются главным образом ядра урана 235. Его деление происходит легче под действием медленных нейтронов. Ядра атомов урана 238 делятся только под действием быстрых нейтронов. Уран 238 не делится под действием медленных нейтронов. Уран 234 в смеси находится в таком небольшом количестве, что он практически не влияет на процесс деления.

Деление урана начинается самопроизвольно благодаря внутренней неустойчивости его ядра[8] или под действием случайных нейтронов, которые образуются под влиянием космических лучей на ядра атомов азота и кислорода воздуха. Нейтроны, выделившиеся при первом делении, легко могут вылететь за пределы куска урана (если объем его мал) или поглотиться в каком-либо постороннем акте в случае наличия в уране ядер атомов других элементов. Процесс деления в этом случае не будет развиваться, он прекратится; поэтому необходимо, чтобы масса урана была велика — больше определенной величины (критической), когда практически большая часть нейтронов успевает вступить во взаимодействие с ураном. В куске урана с массой меньше критической процесс деления не будет развиваться, ибо нейтроны, выделяющиеся при делении, будут уходить за пределы этого куска и процесс прекратится. В куске урана с массой больше критической раз начавшийся процесс деления вследствие действия выделяющихся нейтронов на новые ядра атома урана будет развиваться со все возрастающей скоростью. Чем больше содержание урана 235 в уране, тем меньше критические размеры, поэтому цепную реакцию деления лучше проводить на уране, обогащенном ураном 235. Обогащение достигается при разделении изотопов урана. Одним из способов разделения изотопов урана служит газовая диффузия. Из урана получают жидкость — шестифтористый уран, ее испаряют и пропускают через ряд пористых перегородок. Скорость прохождения изотопных молекул через перегородки неодинакова. Более легкие молекулы, содержащие уран 235, проходят быстрее. В связи с этим при прохождении каскада перегородок происходит частичное разделение (обогащение) или полное разделение изотопов урана.