Возьмите тяжелый атом, такой как уран или плутоний. Поразьте его нейтроном. Наблюдайте, как он раскалывается.
Это и есть ядерное деление. Это не химическая реакция. Это нечто гораздо более мощное и энергичное. Ядро делится на два примерно равных фрагмента. Тяжелые осколки. Радиоактивные побочные продукты. Но главная история не в обломках. Она в энергии.
При разрушении атома высвобождается огромное количество энергии.
Этот процесс является двигателем атомных электростанций. Это также механизм, лежащий в основе ядерного оружия. Разница заключается в контроле. В одном случае возникает неконтролируемая цепная реакция. В другом поддерживается стабильная, управляемая пульсация.
Механика расщепления
Почему расщепление атома высвобождает энергию? Ответ кроется в дефекте массы.
Суммарная масса двух фрагментов немного меньше массы исходного ядра. Эта недостающая масса не исчезает. Она преобразуется непосредственно в энергию. Уравнение Альберта Эйнштейна E=mc² объясняет это преобразование. Крошечная масса дает колоссальное количество энергии, потому что квадрат скорости света — это огромное число.
Фрагменты разлетаются в стороны. Они несут кинетическую энергию. Они сталкиваются с окружающими атомами. Температура повышается. Пар вращает турбины. Ток течет.
Контроль цепной реакции
Деление не происходит изолированно. Процесс расщепления часто высвобождает дополнительные нейтроны. Эти нейтроны могут поразить другие атомы урана. Эти атомы расщепляются. Они выделяют больше нейтронов.
Это цепная реакция.
Если её не сдерживать, реакция ускоряется экспоненциально. Это бомба. Если контролировать, реакция остается стабильной. Это реактор.
В активную зону вставляются стержни управления из материалов, поглощающих нейтроны, таких как бор или кадмий. Они поглощают избыточные нейтроны. Они замедляют реакцию. Операторы регулируют эти стержни, чтобы поддерживать желаемый уровень мощности.
Почему это важно сегодня
Ядерное деление обеспечивает значительную часть низкоуглеродной электроэнергии в мире. Оно работает надежно. В отличие от солнечной или ветровой энергии, оно не зависит от погоды. Оно не производит прямых выбросов углерода в процессе эксплуатации.
Однако отходы остаются. Радиоактивные фрагменты от расщепленных атомов остаются опасными в течение тысяч лет. Хранение и утилизация остаются постоянными проблемами. Технология мощная. Она также глубоко сложна.
За пределами энергии
Деление — это не только электростанции. Медицинские изотопы часто производятся в реакторах. Эти изотопы помогают диагностировать и лечить заболевания. Терапия рака полагается на точные источники излучения. Некоторые из них происходят из побочных продуктов деления.
Наука проста по своей сути. Расщепите тяжелое ядро. Получите энергию. Именно применение становится областью сложности. Безопасность, отходы и политика усложняют картину.
Физика не меняется. Меняются последствия.
По мере развития технологий новые конструкции реакторов стремятся к большей эффективности и безопасности. Малые модульные реакторы обещают более дешевую и масштабируемую энергию. Исследования в области термоядерного синтеза предлагают совершенно иной путь — объединение атомов, а не их расщепление. Но деление остается краеугольным камнем текущей энергетической системы.
Мы полагаемся на него. Мы боимся его. Мы управляем им.
Атом раскалывается. Энергия течет. Вопрос не в том, можем ли мы это сделать. Вопрос в том, можем ли мы сделать это мудро.
Как на самом деле работает деление ядра
Всё начинается с раскола. При ядерном делении ядро атома распадается на два более лёгких ядра. Это происходит не просто так. Иногда это случается спонтанно. Но чаще всего приходится действовать принудительно.
Вы можете спровоцировать расщепление с помощью частиц, таких как нейтроны, протоны, дейтроны или альфа-частицы. Также подходят гамма-лучи.
Как только ядро раскалывается, награда оказывается колоссальной.
Выделяется огромное количество энергии. Мгновенно образуются радиоактивные продукты. Несколько нейтронов вылетают в пустоту.
И вот здесь кроется ключевой момент. Эти освобождённые нейтроны? Они не просто улетают прочь. Они сталкиваются с соседними ядрами делящегося материала, вызывая там деление. Высвобождая ещё больше нейтронов.
Эта последовательность повторяется. Запускается цепная реакция. Ядра подвергаются делению массово. Огромное количество энергии взрывается во все стороны.
Контролируемая энергия против неконтролируемого разрушения
Поставьте эту цепную реакцию под контроль. Сделайте это в ядерном реакторе. Вы получаете энергию. Чистую, концентрированную энергию на благо общества.
Сделайте это неправильно. Или сделайте это намеренно. Как в атомной бомбе. Результатом становится взрыв разрушительной силы.
Одни и те же физические законы. Противоположные результаты. Одна питает города. Другая их уничтожает.
Атомная эра и её сложности
Открытие ядерного деления открыло новую эпоху. Атомную эру.
Её потенциал как для добра, так и для зла сформировал всё. Социальные сдвиги. Политические потрясения. Экономические бумы. Научные прорывы.
Оно также принесло серьёзные опасения. Соотношение риска и выгоды не является простым. Это постоянное хождение по канату.
Даже с чисто научной точки зрения деление остаётся сложным. Оно ставит перед нами загадки. Теоретические объяснения неполны. Мы лучше понимаем механику, чем полную картину.
Мы знаем, как расщепить атом.
Мы всё ещё пытаемся понять, что на самом деле значит обладать этой силой.
Слово «деление» (fission) было придумано только в 1939 году. Немецкие физики Лиза Мейтнер и Отто Фриш ввели этот термин для описания процесса, при котором тяжелое ядро раскалывается на два более легких ядра примерно равного размера. Это стало концом хаотичной научной саги и началом интенсивного периода исследований.
Настоящая история началась раньше. В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон в Англии. Энрико Ферми и его команда в Италии вскоре начали облучать элементы этими нейтральными частицами. К 1934 году они заметили нечто странное. Облучение урана медленными нейтронами приводило к образованию четырех различных радиоактивных изотопов. Они испускали бета-частицы. Ученые полагали, что обнаружили трансурановые элементы с атомными номерами 93, 94 или выше.
Радиохимики бросились изучать эти новые изотопы. Результаты были запутанными. Путаница длилась до 1939 года.
Отто Ган и Фриц Штрассман в Германии окончательно доказали, что эти «трансурановые» элементы на самом деле были барием, лантаном и другими элементами средней части периодической таблицы. Они пошли по следу, указанному Ирен Жолио-Кюри и Павле Савичем во Франции.
Ида Ноддак в 1934 году предположила, что из тяжелых ядер могут образовываться более легкие элементы. Идея была проигнорирована. Она противоречила принятой ядерной физике и не имела химического подтверждения. Ган и Штрассман предоставили это подтверждение.
Мейтнер и Фриш использовали модель жидкой капли, чтобы объяснить этот процесс. Они указали на колоссальный выброс энергии. Лаборатории по всему миру подтвердили реакцию. В течение года более 100 статей описывали этот процесс.
Химические доказательства, которые были столь важны для того, чтобы привести Гана и Штрассмана к открытию ядерного деления, были получены с применением методов носителя и трассеров.
Как ученые идентифицировали продукты деления
Химические методы имели решающее значение. Создавались невидимые количества радиоактивных видов. Ученые определяли их тождество, отслеживая, как они перемещались вместе с известными элементами-носителями.
Они добавляли известные радиоактивные трассеры. Они сравнивали поведение, чтобы идентифицировать неизвестные вещества. С тех пор эти радиохимические методы позволили выделить из продуктов деления 34 элемента. Диапазон охватывает элементы от цинка (атомный номер 30) до гадолиния (атомный номер 64).
Широкий диапазон радиоактивностей делает деление богатым источником трассеров. Они используются в химических, биологических и промышленных приложениях.
Какие изотопы вызывают деление и почему это важно
Ранние эксперименты использовали обычный уран. Было быстро установлено, что за это отвечает уран-235. Он делится под воздействием медленных нейтронов.
Уран-238 более распространен. Для его деления требуются быстрые нейтроны с энергией, превышающей 1 МэВ. Ядра тория и протактиния также делятся под воздействием быстрых нейтронов.
Подходят и другие частицы. Быстрые протоны, дейтроны и альфа-частицы индуцируют реакцию. Гамма-лучи также эффективны.
Изобретение ядерного реактора
В 1939 году Фредерик Жолио-Кюри, Ганс фон Гальбан и Лев Коварски обнаружили, что при делении урана-235 испускается несколько нейтронов. Это указывало на возможность самоподдерживающейся цепной реакции.
Ферми и его коллеги увидели потенциал. Они осознали мощность управляемой реакции. 2 декабря 1942 года им удалось добиться успеха.
Они запустили первый в мире ядерный реактор. Он назывался «куча» (pile). Он состоял из блоков урана и графита. Он был построен на территории Чикагского университета.
После этого последовал Манхэттенский проект. Это был секретный проект. Он был направлен на создание атомной бомбы после вступления США во Вторую мировую войну.
Когда война закончилась, усилия сместились. Ученые разработали новые типы реакторов. Их целью стало крупномасштабное производство электроэнергии. Так зародилась атомная энергетика.
Фундаментальные основы процесса деления теперь были ясны. Технология перешла от теории к реальности. Последствия для энергетики и войны были немедленными. Мир изменился так, как мало кто мог предсказать в 1934 году.
Секрет ядерного деления не в магии. Он в структуре. Нужно смотреть на то, как устроено ядерное вещество. И насколько оно стабильно.
Ядра состоят из нуклонов. Это просто модное слово для обозначения протонов и нейтронов. Общее количество этих частиц — это ваше массовое число. Всё просто. Но здесь начинается самое интересное. Фактическая масса ядра всегда меньше суммы его составляющих. Если бы вы взяли все свободные нейтроны и протоны и взвесили их по отдельности, они весили бы больше, чем ядро, которое они образуют.
Разница между этими двумя весами называется дефектом массы. И эта недостающая масса? Она не исчезла. Она превратилась в энергию.
Эйнштейновская формула объясняет это. E = mc ². Энергия равна массе, умноженной на квадрат скорости света. Это колоссальный коэффициент конверсии. Этот дефект массы является прямой мерой энергии связи. Которая, по сути, является «клеем», удерживающим ядро вместе.
Представьте себе это так. Когда ядро образуется, оно выделяет энергию. Чтобы разорвать его на отдельные нуклоны, нужно затратить ровно столько же энергии. Чем выше энергия связи, тем стабильнее ядро. Тем труднее его разобрать.
«Разница известна как дефект массы и является мерой полной энергии связи (и, следовательно, стабильности) ядра».
Эта стабильность имеет значение. Потому что если ядро нестабильно, оно может расщепиться. Деление. Если оно стабильно, оно просто остаётся на месте. Ожидая.
Энергия, выделившаяся при образовании, — это та же самая энергия, которую пришлось бы затратить на его уничтожение. Это замкнутый цикл. Герметичная связь. Масса становится энергией. Энергия удерживает массу вместе. И именно поэтому одни атомы легко расщепляются, а другие остаются нетронутыми на протяжении миллиардов лет.
Посмотрите на кривую средней энергии связи на нуклон. Это знакомая в физике форма, достигающая пика примерно при массовом числе 56. Это и есть «золотая середина». Это — железо.
График рассказывает простую историю о стабильности. Железо находится на вершине холма. Если у вас есть ядро тяжелее железа, оно стремится расщепиться. Оно хочет разбиться на более легкие фрагменты, которые находятся ниже на энергетическом склоне. Разница в энергии связи не просто исчезает. Она высвобождается. Это деление.
Если у вас есть что-то легче железа, путь отличается. Эти ядра могут приобрести стабильность, сталкиваясь друг с другом. Они сливаются в более тяжелое ядро с большим дефектом массы. Разница в массе превращается в энергию. Это синтез. Это двигатель Солнца. Это основа водородной бомбы. Это также «святой Грааль» для генерации чистой энергии, в области которой уже десятилетия ведутся активные, часто разочаровывающие, поиски.
Барьер для спонтанного распада
Здесь простая энергетическая модель дает сбой.
Если бы энергетические соображения были единственным фактором, вся материя в конечном итоге коллапсировала бы в железо. Все стремилось бы к этой наиболее стабильной конфигурации. Но этого не происходит. Вселенная не такая ленивая — и не такая эффективная.
Существуют барьеры. Другие факторы препятствуют спонтанному превращению.
Чтобы понять почему, физики рассматривают ядро как заряженную каплю жидкости. Это качественный аналог, но он работает. Сильное ядерное взаимодействие связывает нуклоны вместе. Оно притягивающее. Оно мощное. Но оно короткодействующее. Оно работает только между ближайшими соседями.
Нуклоны на поверхности имеют меньше соседей, чем те, что погребены в глубине. Это создает поверхностное натяжение. Капля стремится минимизировать свою площадь поверхности, чтобы снизить энергию. Наиболее эффективной формой для ограничения объема является сфера. Поэтому ядро принимает сферическую форму.
Проблема кулоновского отталкивания
Протоны не подчиняются тем же правилам короткодействия. Они имеют положительный заряд. Они отталкиваются друг от друга посредством дальнодействующей кулоновской силы.
По мере роста ядра это отталкивание становится серьезной проблемой. Как только вы превышаете количество нуклонов примерно в 40, притягивающая сила сильного взаимодействия с трудом удерживает все вместе против электрического выталкивания.
Решение? Разбавление.
Тяжелые ядра сохраняют относительную стабильность за счет добавления избыточных нейтронов. Нейтроны увеличивают притяжение сильного взаимодействия, не увеличивая кулоновского отталкивания. Они действуют как клей, разбавляя плотность протонов. Вам нужно все больше и больше нейтронов по мере роста массового числа, чтобы удержать каплю от разлета.
Этот тонкий баланс определяет пределы периодической таблицы. Он объясняет, почему одни элементы стабильны, а другие распадаются. Он объясняет, почему мы не можем просто позволить Вселенной скатиться вниз в кучу железных шаров. Барьеры реальны. Физика сложна. И энергия, запертая в этих тяжелых, богатых нейтронами каплях? Все еще ждет, чтобы быть высвобожденной.
Когда ядро возбуждается, оно начинает вибрировать. Оно перестает быть идеальной сферой.
Сразу вступают в действие силы поверхностного натяжения. Они стремятся вернуть ядру круглую форму, поскольку сфера минимизирует поверхностное натяжение. Но существует противодействующая сила. Протоны внутри отталкиваются друг от друга. По мере растяжения ядра протоны отдаляются друг от друга. Отталкивание ослабевает.
Эти две противоположные тенденции создают проблему. Барьер.
На рисунке 2 это показано ясно. Кривая энергии сначала растет. Почему? Потому что сильное ядерное взаимодействие — клей, удерживающий ядро вместе, — является короткодействующим и мощным. Оно сопротивляется деформации.
Но кулоновское отталкивание между протонами ослабевает быстрее, чем растет поверхностное натяжение. В конце концов они приходят в равновесие.
Это точка B.
Это конкретное положение известно как «седловая точка».
На трехмерной карте потенциальной энергии этот пик выглядит как лошадная седловина. Это высшая точка сопротивления перед тем, как ядро решится на расщепление. Если у вас недостаточно энергии, чтобы преодолеть эту седловину, ничего не происходит.
За точкой B правила меняются. Кулоновское отталкивание берет управление на себя. Оно приводит ядро к дальнейшему вытягиванию. Протоны толкают сильнее, чем поверхностное натяжение может удержать. Ядро растягивается до тех пор, пока не разорвется.
Это точка S, точка разрыва. Ядро раскалывается на две части. Качественно деление — это просто результат того, что протоны отказываются оставаться близко друг к другу.
Индуцированное деление
Не каждое ядро распадается само по себе. Высота этого энергетического барьера полностью зависит от того, какое именно ядро вы рассматриваете.
Чтобы вызвать деление, нужно возбудить ядро. Необходимо ударить по нему достаточной энергией, чтобы преодолеть барьер. Это можно сделать с помощью гамма-лучей (фотоделение) или путем столкновения с ним частицы. Нейтроны, протоны, что угодно, что сработает.
Здесь проявляется важность четно-нечетной природы нейтронов. Это изменяет энергию связи.
Если вы добавите нейтрон к ядру, которое уже имеет нечетное число нейтронов, вы получите четное число. Это спаривание стабильно. Энергия связи увеличивается.
Если вы добавите нейтрон к ядру с четным числом нейтронов, вы получите нечетное число. Прирост энергии связи будет меньше.
Эта разница объясняет, почему некоторые материалы делятся под воздействием медленных нейтронов, в то время как другим требуются быстрые.
Большинство тяжелых элементов нестабильны в отношении деления, но они находятся в глубокой яме. Им нужен толчок, чтобы выбраться.
- Уран-233, Уран-235, Плутоний-239: У них нечетное число нейтронов. Добавление еще одного нейтрона высвобождает достаточно энергии связи, чтобы вытолкнуть их через барьер. Медленные, низкоэнергетические нейтроны вполне подходят.
- Торий-232, Уран-238: У них четное число нейтронов. Прирост энергии связи слишком слаб. Кинетическая энергия входящего нейтрона необходима, чтобы восполнить разницу. Требуется быстрый нейтрон с энергией около 1 МэВ.
Математика проста. Если активационной энергии нет, барьер удерживает.
Спонтанное деление
Квантовая механика странна. Она оперирует вероятностями, а не определенностями.
Даже в своем основном состоянии — конфигурации с наименьшей энергией, находящейся в безопасности ниже барьера — делящийся элемент имеет небольшую, но конечную вероятность оказаться по другую сторону.
Возьмите уран-238. Он заключен внутри барьера. Но квантовое туннелирование позволяет ему проникать сквозь стену. Он не перелезает через нее. Он проходит насквозь.
Это спонтанное деление. Никакого внешнего воздействия не требуется.
Вероятность ничтожно мала. Для урана-238 требуется более $10^{15}$ лет, чтобы половина материала распалась таким образом. Это очень долгое время.
Но для самых тяжелых известных нуклидов вероятность резко возрастает. Барьер становится тоньше. Спонтанное деление становится доминирующим режимом распада. Некоторые из этих сверхтяжелых ядер существуют лишь доли секунды.
Эта нестабильность является жестким пределом. Она может предотвратить образование еще более тяжелых ядер вообще. Вселенная проводит черту, и спонтанное деление — это ластик.
Стадии деления
На рисунке 3 показана временная шкала расщепления тяжелого ядра. Часы внизу показывают, насколько быстро это происходит. Это не медленное горение. Это бурный и мгновенный процесс.
Вероятность расщепления
Когда тяжелое ядро раскалывается, оно не всегда распадается на одни и те же части. Нейтроны и протоны перераспределяются непредсказуемым образом. Это создает распределение вероятностей по массе и ядерному заряду.
Ученые называют вероятность появления конкретного фрагмента его выходом при делении (fission yield). Он измеряется в процентах от всех актов деления, приводящих к данному конкретному результату.
После того как ядро разрывается, две его половины разлетаются в разные стороны. Они имеют положительный заряд. Кулоновское отталкивание между ними огромно. Они разлетаются с кинетической энергией, определяемой их зарядами и расстоянием между центрами зарядов в момент разрыва. Даже для одного и того же распределения по массам энергия варьируется. Параметры меняются. Скорость отдачи изменяется.
Срыв и замедление
Фрагменты движутся слишком быстро для своих собственных электронов. Атомные электроны не успевают за ними. Они срываются.
Оскоки деления разлетаются как сильно заряженные атомы, а не как нейтральные объекты.
Ядерный заряд не нейтрализуется атомными электронами немедленно. Фрагмент все еще деформирован. Когда он возвращается к стабильной форме, он высвобождает энергию деформации. Она превращается во внутреннюю энергию возбуждения. Испаряются нейтроны. Практически одновременно испускаются быстрые гамма-кванты.
Эти быстро движущиеся, сильно заряженные атомы сталкиваются со средой, через которую проходят. В воздухе их пробег составляет всего несколько сантиметров. Кинетическая энергия передается среде в виде ионизации и тепла. Атом замедляется.
Во время этого замедления он захватывает электроны из окружающей среды. К моменту остановки он становится нейтральным. Теперь он больше не является осколком. Это продукт деления.
Массовое число могло измениться. Нейтроны были потеряны в процессе перехода. Продукт все еще радиоактивен. Он нестабилен. Он подвергается бета-распаду. Временная шкала? От долей секунды до многих лет. Бета-излучение производит электроны и антинейтрино. Гамма-лучи и рентгеновские лучи часто присоединяются к этому процессу.
Скрытые переменные
Распределения по массе, заряду и кинетической энергии зависят от делящегося изотопа. Они также зависят от энергии возбуждения акта деления.
Феноменология обширна. Существует множество аспектов для интерпретации. Рассмотрим систематику сечений деления. Это мера вероятности того, что произойдет деление. Рассмотрим вариации в количестве испускаемых быстрых нейтронов. Это варьируется в зависимости от изотопа и распределения по массам.
Посмотрите на угловое распределение осколков относительно пучка частиц. Посмотрите на периоды полураспада спонтанного деления. Посмотрите на изомеры спонтанного деления, которые являются возбужденными состояниями ядра.
Некоторые события испускают легкие частицы, такие как тритий (водород-3), гелий-3 или гелий-4. Не всегда. Но в небольших, но значимых количествах. Среди продуктов существуют эмиттеры запаздывающих нейтронов. Временная шкала каждого этапа имеет значение. Распределение энергии, выделяемой между частицами и излучением, является сложным.
Полное обсуждение всех этих аспектов невозможно здесь. Но несколько деталей дают представление. Они предлагают вкус той увлекательности, которая заключена в этом явлении.
Распределения масс осколков деления
Способ, которым фрагменты распадаются, является одной из наиболее определяющих характеристик всего ядерного процесса. Это не случайный процесс. Он сильно зависит от двух факторов: массы распадающегося ядра и энергии возбуждения, присутствующей в момент деления.
При низких энергиях возбуждения процесс становится асимметричным. Возьмем уран-235 или плутоний-239. Они не делятся на две равные половины. Вместо этого они предпочитают неравное разделение. Это создает распределение вероятностей с двумя пиками. Легкая группа фрагментов смещается в сторону больших массовых чисел по мере увеличения массы делящегося ядра. Тяжелая группа остается в основном неподвижной.
Повышение энергии меняет правила игры.
Симметричные деления становятся более вероятными. Асимметричные — уменьшаются. Долина между двумя пиками заполняется. При высоких энергиях возбуждения кривая становится одногорбой. Максимальная выходная величина находится прямо в области симметрии.
Не все ядра подчиняются одним и тем же правилам. Изотопы радия демонстрируют странное распределение с тремя пиками. Более легкие нуклиды остаются одногорбыми и симметричными. Но для самого деления им требуется значительная энергия активации. Затем есть очень тяжелые ядра вблизи фермия-260. Здесь спонтанное деление дает симметричную одногорбую кривую. Кинетические энергии образующихся фрагментов аномально высоки.
Понимание этих распределений было большой загадкой. Полное теоретическое объяснение остается elusive (труднодостижимым), несмотря на значительный прогресс.
Как цепи распада восстанавливают баланс
Стабильность требует определенного соотношения нейтронов и протонов (n /p ). Это соотношение должно увеличиваться по мере роста числа протонов. До кальция (20 протонов) соотношение остается равным единице. После этого оно растет. Для самых тяжелых элементов оно достигает примерно 1,5.
Когда тяжелое ядро делится, оно испускает несколько нейтронов. Это помогает, но недостаточно. Оставшиеся фрагменты все еще имеют слишком высокое соотношение n /p для стабильности. Они нестабильны.
Они исправляют это посредством радиоактивного распада. А именно, бета-минус распада. Нейтроны превращаются в протоны. Испускаются отрицательный электрон (бета-частица) и антинейтрино. Массовое число остается прежним. Атомный номер увеличивается на единицу. С каждым превращением рождается новый элемент.
Эти последовательные бета-распады образуют изобарную цепь распада продуктов деления. Каждому массовому числу соответствует своя цепь. Периоды полураспада этих радиоактивных видов, как правило, увеличиваются по мере приближения к стабильному изобару в конце цепи.
Для ясности в терминологии:
— Изотопы имеют одинаковый ядерный заряд (Z, протоны), но различаются по количеству нейтронов и массовому числу (A ).
— Изобары имеют одинаковое массовое число (A ), но различаются по атомному номеру (Z ).
Рассмотрим типичное разделение масс при нейтрон-индуцированном делении урана-235. Если из начальных фрагментов испускаются два нейтрона, образуются комплементарные массы 93 и 141. Распределение заряда между этими фрагментами является критическим параметром в этом процессе.
Для этих конкретных масс изобарные цепи распада протекают следующим образом. Периоды полураспада для каждого шага бета-распада указаны вдоль стрелок перехода.
Математика ядерного деления точна. Если посмотреть на символ элемента, нижнее число обозначает Z (протоны), а верхнее — A (массовое число). Когда уран-235 распадается, он должен сохранить все 92 протона. Ядро не просто разрывается случайным образом. Оно, как правило, распадается на комплементарные пары. Криптон-36 и барий-56. Рубидий-37 и цезий-55. Стронций-38 и ксенон-54. Эти комбинации сохраняют заряд. Они являются наиболее вероятными исходами.
Независимый и кумулятивный выходы
Не все продукты деления образуются одинаково. Некоторые появляются мгновенно. Для образования других требуется время. Независимый выход измеряет, как часто конкретный нуклид образуется непосредственно из начальных фрагментов после их охлаждения. Это прямой выход. Но это не вся картина.
Если вы хотите получить полное представление, вам нужен кумулятивный выход. Это общий процент для любого нуклида в цепи распада. Он получается путем сложения независимого выхода этого нуклида с выходами всех предшественников, которые распадаются в него. Это игра сумм. Общий выход всей цепи для определенного массового числа называется кумулятивным выходом.
Гипотеза равного смещения заряда
Радиохимики изучают это явление на протяжении десятилетий. Они обнаружили закономерность. Наиболее вероятное распределение заряда не центрировано относительно стабильности. Оно смещено. И вот что интересно: оно смещено на одинаковое расстояние как для легких, так и для тяжелых фрагментов. Ученые называют это гипотезой равного смещения заряда (ECD). Физические измерения подтвердили ее.
В примере с рубидием-цезием, который я упоминал ранее, ECD предсказывает, что наиболее вероятные заряды приходятся на рубидий-37 и цезий-55. Но природа любит короткие пути. Если фрагмент имеет 50 протонов, вступает в силу сильный эффект оболочки. Это искажает ожидания, основанные на ECD. Распределение образования заряда становится узким. Оно выглядит как гауссово. Оно практически одинаково независимо от деления по массе или конкретного делящегося атома.
Наиболее вероятный заряд ($Z_p$) — это полезное понятие здесь. Он не обязан быть целым числом. Это статистическое среднее. По мере увеличения энергии деления фрагменты стремятся сохранить то же соотношение нейтронов к протонам ($n/p$), что и исходное ядро. Это называется распределением заряда без изменений.
Промпт-нейтроны: мгновенный выброс
Сколько нейтронов вылетает? Это варьируется. Среднее число нейтронов на одно деление обозначается как $\bar{\nu}$. Для спонтанного деления урана-238 оно составляет около 2,0. Для фермия-257 оно возрастает до 4,0. Для деления урана-235, индуцированного тепловыми нейтронами, оно равно 2,4.
Но $\bar{\nu}$ — это среднее значение. Каждое отдельное событие различается. Это зависит от того, как происходит деление по массе. Все еще ведутся споры о том, сколько нейтронов вылетает непосредственно в момент сцинтилляции (разрыва ядра). Однако большинство физиков согласны с тем, что основная масса нейтронов высвобождается отлетающими фрагментами сразу после их разделения.
Почему? Энергия. У фрагментов есть энергия. Внутренняя возбужденная энергия (тепло). Энергия деформации, накопленная подобно пружине. Когда фрагмент возвращается к своей стабильной форме, эта энергия высвобождает нейтроны. Чем больше энергии у фрагмента, тем больше нейтронов он выбрасывает.
Задержанные нейтроны: механизм управления
Большинство нейтронов являются промпт-нейтронами. Небольшая часть — задержанными. Это происходит, когда продукты деления подвергаются бета-распаду. Энергия бета-распада высока. Она выше энергии связи нейтрона в дочернем ядре. Это обычно происходит, когда дочернее ядро имеет на один или два нейтрона больше, чем закрытая оболочка с 50 или 82 нейтронами. Эти лишние нейтроны слабо связаны.
Бета-распад переводит дочернее ядро в возбужденное состояние. Возбужденное состояние, которое является нестабильным. Оно испускает нейтрон. Но это происходит не мгновенно. Это задерживается периодом полураспада предшественника. Мы идентифицировали шесть таких эмиттеров задержанных нейтронов. Их периоды полураспада варьируются от 0,5 секунды до 56 секунд.
Их выход ничтожно мал. Около 1 процента от числа промпт-нейтронов. Так почему же они важны? Без них управление ядерным реактором было бы практически невозможным. Цепная реакция изменялась бы слишком быстро, чтобы человеческие руки или даже большинство механических систем могли внести коррективы. Эти задержанные нейтроны дают нам время. Они делают реакцию управляемой.
Расчеты выделения энергии
Откуда берется тепло? Разница масс. Общий выделяемый энергия рассчитывается путем рассмотрения масс покоя. Реагенты по сравнению с продуктами. Возьмем уран-235 плюс нейтрон. Сравним его со стабильными конечными продуктами, такими как ниобий-93 и празеодим-141 плюс два нейтрона. Масса не сохраняется. Часть ее исчезает.
Уравнение Эйнштейна, $E=mc^2$, говорит нам, куда она делась. Она превратилась в энергию. Общий выброс зависит от конкретного деления по массе. Но при делении урана-235, индуцированном тепловыми нейтронами, энергия распределяется по предсказуемой схеме.
Большая часть остается у фрагментов. Кинетическая энергия. Фрагменты разлетаются с высокой скоростью, сталкиваясь с окружающими атомами, создавая тепло. Затем идут нейтроны. Они несут кинетическую энергию. Гамма-лучи выделяют энергию мгновенно. Бета-частицы и нейтрино уносят энергию во время распада. К сожалению, нейтрино полностью уходят. Они уносят с собой энергию и никогда не возвращают ее.
Именно поэтому проектирование реакторов столь сложно. Вы управляете теплом в твердых телах, излучением в вакууме и частицами, уходящими в космос. Математика чиста. Реальность же messy (грязна/сложна). И распределение энергии определяет, насколько горячим станет ваше активное ядро.
Физика потерянной энергии и ядерные модели
Не каждый нейтрон, захваченный в активном реакторе, остается там. Некоторые полностью покидают актив, и выделение энергии от этих быстрых нейтронов зависит от того, как они в конечном итоге останавливаются. Это выделение энергии происходит в масштабе времени около $10^{-12}$ секунд. В работающем реакторе оно в значительной степени преобразуется в тепло и используется для генерации электроэнергии.
Однако существует также отложенное выделение энергии. Оно происходит за счет радиоактивного распада продуктов деления, период полураспада которых варьируется от долей секунды до многих лет. Короткоживущие изотопы распадаются внутри реактора, и их энергия добавляется к выделяемому теплу; однако долгоживущие изотопы остаются радиоактивными и создают проблемы при обращении и утилизации элементов топлива реактора при их замене.
Антинейтрино, сопровождающие бета-распад продуктов деления, не вступают во взаимодействие, и их кинетическая энергия (около 10 МэВ на одно деление) не используется. В целом для энергетических приложений может быть использовано около 200 МэВ энергии на одно деление.
Проблема теоретической точности
Ядерное деление — это сложный процесс, включающий перестройку сотен нуклонов в одном ядре для образования двух отдельных ядер. Полное теоретическое понимание этой реакции потребовало бы детального знания сил, участвующих в движении каждого из нуклонов в течение всего процесса. Поскольку такие знания пока отсутствуют, необходимо создавать упрощенные модели реальной системы для имитации её поведения и получения максимально точного описания этапов процесса. Успехи и неудачи моделей в объяснении различных наблюдений процесса деления могут дать новое понимание фундаментальной физики, управляющей поведением реальных ядер, особенно при больших ядерных деформациях, возникающих в ядре, undergoing деление.
Основа для понимания ядерных реакций аналогична таковой для химических реакций и включает концепцию поверхности потенциальной энергии, на которой происходит реакция. Движущей силой физических или химических реакций является стремление снизить потенциальную энергию и повысить стабильность системы. Таким образом, например, камень на вершине холма скатится вниз, преобразуя свою потенциальную энергию на вершине в кинетическую энергию движения, и остановится у подножия в более стабильном состоянии с меньшей потенциальной энергией. Потенциальная энергия рассчитывается как функция различных параметров изучаемой системы. В случае деления потенциальная энергия может быть рассчитана как функция формы системы по мере её преодоления барьера к точке сцинтиляции (разрыва), и может быть определен путь с наименьшей потенциальной энергией.
Как было отмечено, точный расчет ядерной потенциальной энергии пока невозможен, и для аппроксимации этого расчета были созданы различные модели, имитирующие реальную систему. Некоторые из этих моделей были разработаны для решения аспектов ядерной структуры и спектроскопии, а также особенностей ядерных реакций, и они также применялись в попытках понять сложность ядерного деления. Модели основаны на различных предположениях и приближениях относительно природы ядерных сил и динамики пути к сцинтиляции. Ни одна модель не может объяснить всю обширную феноменологию деления, но каждая из них охватывает различные аспекты процесса и служит основой для дальнейшего развития в сторону полной теории.
Жидкая капля и загадка асимметрии
Ядро не просто находится в покое. Оно движется. Иногда вся система качается, как капля воды. В другие же время отдельные частицы танцуют в своих собственных «дорожках». Эта двойственность ставила физиков в тупик на протяжении десятилетий.
Джордж Гамов запустил этот процесс в 1935 году. Он представил ядро в виде несжимаемой капли жидкости. Нильс Бор развил эту идею. К 1939 году Бор и Джон А. Уилер использовали модель жидкой капли для объяснения ядерного деления. Концепция была простой. Вы вбиваете нейтрон в ядро. Он поглощается. Энергия распределяется. Ядро начинает колебаться. В конце концов оно раскалывается.
Модель хорошо работала для описания общих процессов. Она показывала, как сильное ядерное взаимодействие, стремящееся удержать частицы вместе, конкурирует с электростатическим отталкиванием между протонами, стремящимися разорвать их. Но у неё был фатальный недостаток. Она предсказывала, что при делении ядро распадается на две равные половины. Симметрично. Чисто.
Так не происходило.
Результаты деления имеют неравные массы. Одна часть большая. Другая — малая. Модель жидкой капли не могла объяснить эту асимметрию масс. Она также испытывала трудности с описанием масс основных состояний и барьеров деления. Для сильно возбуждённых ядер модель была хороша. Для стабильных? Не очень.
Оболочки и магические числа
Учёным нужен был другой подход. Они перестали рассматривать ядро как бесформенное пятно. Они начали смотреть на отдельные частицы.
Представьте один нуклон, движущийся в поле, создаваемом всеми остальными. Это усреднённый потенциал. Сферическая потенциальная яма. Квантовая механика решает задачу о движении частицы в такой яме. Результат? Энергетические уровни.
Нейтроны и протоны имеют свои собственные наборы уровней. Они группируются в оболочки. Точно так же, как электроны в атоме. Определённые числа нуклонов полностью заполняют эти оболочки. Это и есть магические числа.
2, 8, 20, 28, 50, 82, 126.
Ядра с этими числами обладают необычайной стабильностью. Они связаны очень прочно. Мария Гёпперт-Майер и Й. Ханс Д. Йенсен формализовали это в 1949 году. Они назвали это сферической оболочечной моделью. Также известной как модель независимых частиц.
Она объясняла массы основных состояний. Она объясняла ядерные спины. Она объясняла, почему некоторые возбуждённые состояния живут дольше других (изомеры). Если ядро сферическое и находится рядом с магическим числом, модель работает отлично.
Но что насчёт остальной части периодической таблицы?
Деформированное ядро
Возьмите лантаноиды и актиноиды. От лантана до лютеция. От актиния до лоуренсия. Числа их нуклонов находятся между магическими числами.
Сферическая оболочечная модель здесь не работает. Эти ядра не являются сферическими. Они деформированы. Они вытянуты. Они похожи на футбольный мяч. Или на арбуз.
В 1955 году Аге Бор, Бен Р. Моттельсон и Свен Г. Нильсон пришли на помощь. Они рассчитали движение нуклона в сфероидалном потенциале. Не в сфере. В сфероиде.
Сферой имеет три оси симметрии. Он может вращаться. Вращение происходит независимо от внутреннего возбуждения нуклонов. Ядро также может вибрировать. Оно может пульсировать.
Этот гибридный подход объединил движение независимых частиц с коллективным движением всей системы. Вращения. Колебания. Структуры оболочек.
Они назвали это единой моделью. Она стала известна как модель деформированных оболочек.
Это была не просто небольшая поправка. Это был сдвиг в том, как мы видим атомное ядро. Ядро — это не просто капля. Это не просто набор изолированных шариков. Это динамичный, деформируемый объект.
Почему это важно?
Потому что ядерное деление — это не просто разрушение вещей. Это понимание структуры, которая их удерживает. Асимметрия деления связана с этими оболочечными эффектами. Энергетические уровни смещаются по мере деформации ядра. Путь к расщеплению становится сложным.
Мы всё ещё используем модель жидкой капли. Она полезна для описания высокоэнергетических столкновений. Но для тонких деталей? Для распределения масс при делении? Для стабильности тяжёлых элементов? Вам нужна оболочечная модель. Вам нужен учёт деформации.
История ядра — это история этих конкурирующих моделей. Капля. Оболочка. Единая. Они не отменяют друг друга. Они наслаиваются друг на друга.
Мы всё ещё уточняем параметры. Всё ещё корректируем потенциалы. Ядро остаётся одной из самых сложных систем малого масштаба, которые нам известны.
И мы даже не начали рассматривать кварки внутри протонов.
Ааге Бор применил объединенную модель к делению, рассматривая возбужденные состояния системы как функции параметра деформации. Представьте этот параметр как вытянутость — физическое растяжение ядра по мере его приближения к расщеплению. Бор оценивал эти состояния в седловой точке. Это вершина энергетического барьера.
Вот в чем загвоздка. Как только система преодолевает седловую точку, большая часть ее энергии возбуждения уходит на деформацию ядра. Система становится «холодной». У нее остается мало тепловой энергии. Доступными остаются только низколежащие возбужденные состояния. Именно здесь теоретикам приходится нелегко.
Как спин и четность определяют пути деления
Спин и четность конкретного канала, в котором находится система в седловой точке, определяют исход деления. Это известно как анализ переходных состояний. Он качественно объясняет несколько ключевых характеристик процесса.
Пороги деления зависят от спина и четности составного ядерного состояния. Угловое распределение фрагментов определяется коллективным угловым моментом вращения этого состояния. Асимметрия в распределении масс возникает при прохождении через барьер в состоянии с отрицательной четностью. Отрицательная четность не обладает симметрией относительно отражения.
«Это единственная модель, которая обеспечивает удовлетворительную интерпретацию угловых распределений фрагментов деления».
Модель работает хорошо, но она имеет одно существенное допущение. Она предполагает, что свойства переходного состояния в седловой точке не изменяются под влиянием динамических факторов во время спуска к точке разрыва. Это большое «если». Несмотря на это, модель остается важной. Любая полная теория деления должна включать ее привлекательные особенности.
Почему магические числа важны для разделения масс
Первое использование сферической оболочечной модели в делении было более простым. Она учитывала, что пики в распределении масс деления коррелируют с магическими числами. Это предполагало качественную интерпретацию асимметричного деления масс.
Ядра стремятся к стабильности. Предпочтение образованию ядер с числом нейтронов, близким к 82, благоприятствует формированию пика тяжелой группы. Это определяет разделение масс для делящейся системы. См. Рис. 4 в исходных данных.
Ожидалась дополнительная стабильность для 50 протонов. Однако в данных это не особенно заметно. Возьмем олово-132. Это дважды магическое ядро с 50 протонами и 82 нейтронами. Его выход при делении с низкой энергией довольно низок. Модель не идеальна.
Питер Фог и статистический подход
Питер Фог в Соединенных Штатах в 1956 году сделал более количественное применение. Он использовал подход статистической модели. Он связал вероятность образования данной пары фрагментов с доступной плотностью состояний в точке разрыва.
Логика проста. Случайное движение означает, что система испытывает все возможные конфигурации. У нее выше вероятность оказаться в областях, где сосредоточено наибольшее число конфигураций. Модель предполагает, что потенциальная энергия в седловой точке преобразуется в энергию возбуждения. В точке разрыва устанавливается статистическое равновесие среди всех состояний.
Ядра с замкнутыми оболочками обладают дополнительной энергией связи. Это приводит к более высокой плотности состояний при данной энергии возбуждения. У других ядер этого нет. Это создает более высокую вероятность образования конфигураций с замкнутыми оболочками. В результате получается асимметричное распределение масс. Это хорошо согласуется с наблюдениями за делением урана-235, индуцированным нейтронами.
Проблема равновесия в точке разрыва
Изменения в распределении масс при увеличении энергии возбуждения также объясняются. По мере роста энергии возбуждения важность оболочечных эффектов снижается. Это увеличивает вероятность симметричного деления по сравнению с асимметричным.
Другие особенности объясняются качественно. Однако для согласования с экспериментами для других делящихся нуклидов требуются существенные изменения параметров модели. Существуют фундаментальные проблемы с базовыми допущениями.
Основной вопрос для моделей точки разрыва — это их обоснованность. Достаточно ли долго система находится в точке разрыва на крутом склоне поверхности потенциальной энергии? Есть ли время для установления квазиравновесного состояния?
Есть некоторые свидетельства того, что такое условие действительно имеет место. Однако оно не является четко установленным. Тем не менее, эти модели оказываются полезными. Они интерпретируют наблюдения за распределениями масс, зарядов и кинетической энергии. Они объясняют зависимость испускания нейтронов от массы фрагментов.
Оболочечная структура фрагментов, вероятно, играет значительную роль. Она определяет ход процесса деления. Детали остаются неразрешенными. Физика здесь запутанна.
Модели жидкой капли хорошо подходят для описания общих форм. Они дают сбой, когда ядра растягиваются. В частности, они не учитывают затраты энергии поверхности при больших деформациях. Это создает проблему при описании деления.
В.М. Струцинский решил эту проблему в 1967 году. Он был российским физиком. Он предложил гибридную модель. Она добавляет оболочечные эффекты к потенциалу жидкой капли. Часть, описываемая жидкой каплей, сохраняет коллективные эффекты поверхности и кулоновского отталкивания. Оболочечные поправки зависят от деформации. Эти поправки могут достигать нескольких миллионов электрон-вольт. Это значительно превосходит барьер жидкой капли, составляющий около 5 МэВ.
Стабильность оболочек изменяется с формой ядра. Магические числа смещаются от своих значений для сферической формы. Вблизи барьера деления это создает структуру на кривой энергии. На рисунке 7 это показано. Два пика различаются в зависимости от массового и зарядового числа.
Двойная структура барьера объясняет существование изомеров
Такая двойная форма решает загадки деления. Краткоживущие изомеры спонтанного деления существуют во втором потенциальном колодце. Это состояния класса II. Барьер для выхода из него меньше. Периоды полураспада короче.
Эти состояния отличаются по форме. Состояния класса I возвращаются в основное состояние посредством гамма-излучения. Для состояний класса II этот переход затруднен. Они являются изомерами формы. Двойная структура барьера также объясняет сечения деления, индуцированного нейтронами. Она структурирует угловые распределения фрагментов.
Метод Струцинского стимулировал проведение расчетов. Он последовательно учитывал макроскопические и микроскопические эффекты. Американские физики У.Дж. Звайнеки и Джеймс Р. Никс возглавили эти исследования. Они картографировали поверхности потенциальной энергии. Некоторые работы даже касались динамической эволюции системы.
Асимметрия и точка разрыва
Актиниды демонстрируют асимметрию при втором барьере. Асимметричное деление на массы имеет меньшую энергию. Симметричное деление становится предпочтительным на более поздних стадиях. Единый потенциал не работает при больших деформациях. Он не может адекватно описать два формирующихся фрагмента.
В точке разрыва возникает разрывность. Результаты зависят от того, рассматривается ли система как одно целое или как два отдельных ядра. Двухцентровой потенциал помогает решить эту проблему. Он использует перекрывающиеся сферы. Он совпадает с поведением одноцентрового потенциала при малых деформациях. Он совпадает с поведением разделенных ядер при больших деформациях.
Это предполагает предварительное формирование оболочек фрагментов на ранних стадиях. Модели точки разрыва могут иметь ненадежные допущения. Тем не менее, они согласуются с наблюдениями. Модель точки разрыва из Аргонской национальной лаборатории является ключевой. Она использует деформированные оболочки фрагментов. Она включает взаимодействие через «шейку». Она предсказывает распределения по массе, заряду и кинетической энергии. Она учитывает зависимость от испускания нейтронов. Она не предсказывает вероятность деления. Или угловые распределения.
Оболочечные поправки затухают с ростом энергии возбуждения. Макроскопическое поведение начинает доминировать.
Магические числа определяют симметричное деление
Фермий-264 подвергается симметричному делению. Кинетические энергии фрагментов аномально высоки. Почему? Стабильность магических чисел. 50 протонов. 82 нейтрона.
Образуются два фрагмента олова-132. Это двойная магическая конфигурация. Она энергетически выгодна. Деление урана или плутония при низкой энергии не благоприятствует образованию двух таких фрагментов. Только одного.
Фрагменты олова-132 являются сферическими. Не деформированными. Компактная конфигурация в точке разрыва. Центры зарядов находятся ближе друг к другу. Это приводит к более высокой кинетической энергии.
Физика здесь ясна. Структура имеет значение. Поверхности энергии не являются гладкими. Они имеют колодцы. И барьеры. И разрывы. Мы все еще составляем их карты.
Оболочечные эффекты остаются критически важными для процесса деления. Это верно, независимо от того, рассматриваем ли мы делящуюся систему в седловой точке или деформированные осколки вблизи точки разрыва. Эти квантово-механические свойства помогают объяснить многие наблюдаемые особенности. Однако у нас всё ещё нет четкого ответа относительно точного этапа, на котором определяются распределения осколков.
Ингредиенты для разумного понимания деления присутствуют. Они просто еще не синтезированы в полную динамическую теорию.
Адиабатическое приближение
Рассмотрим динамику спуска. Система движется по поверхности потенциальной энергии от седловой точки до точки разрыва. Одна из крайних точек зрения — это адиабатическое приближение. Эта модель предполагает, что коллективное движение системы происходит медленно. Или, возможно, связь между коллективными и внутренними степенями свободы одночастичного движения слаба.
Если это утверждение верно, быстрые одночастичные движения могут легко адаптироваться к изменениям формы делящегося ядра. Оно приближается к точке разрыва, не нарушая своего внутреннего состояния. Изменения происходят без приобретения или потери тепловой энергии.
Уменьшение потенциальной энергии между седловой и точками разрыва тогда будет проявляться преимущественно в коллективных степенях свободы в момент разрыва и будет связано с кинетической энергией относительного движения зарождающихся осколков.
Это известно как предразрывная кинетическая энергия. Энергия переходит в движение осколков по мере их разлета.
Неадиабатический перенос энергии
Противоположный крайний случай включает более быстрое коллективное движение. Или более сильную связь с движением частиц. Здесь коллективная энергия преобразуется во внутреннее возбуждение. Это становится тепловой энергией для нуклонов.
Представьте себе нагрев при движении вязкой жидкости. Трение между слоями генерирует тепло. В этом неадиабатическом процессе перемешивание среди одночастичных степеней свободы может быть полным. В точке разрыва может быть применима статистическая модель.
Золотая середина
Оба крайних случая являются приближениями. Они представляют сложное поведение, упрощенное для анализа. Экспериментальные данные могут поддерживать любую из интерпретаций в зависимости от конкретного ядра или энергии.
Природа редко вписывается в бинарные рамки. Истина, вероятно, лежит где-то между этими крайностями. И адиабатические, и неадиабатические механизмы, вероятно, играют роль в процессе деления. Взаимодействие между макроскопическими изменениями формы и микроскопическими квантовыми корректировками остается одним из открытых вопросов в ядерной физике. Мы знаем составляющие. Мы просто еще не собрали их воедино.
Деление происходит не единожды. Оно распространяется. Когда ядро расщепляется, оно выбрасывает нейтроны. Если эти нейтроны попадают в другой делящийся атом, тот тоже расщепляется. Он высвобождает больше нейтронов. Цепь разрастается. Или затухает.
Математика этого процесса проста, но смертоносна. Мы измеряем её с помощью k, коэффициента размножения. Это отношение числа делений в одном поколении к числу делений в предыдущем.
- Если k меньше 1, реакция затухает.
- Если k равно 1, возникает стабильный пульс. Критическая сборка.
- Если k больше 1, цепь взрывается. Сверхкритический режим.
Критическая сборка — это не просто кусок металла. Это тщательно спроектированная система. Вам нужен делящийся материал, обычно металл или оксид. Вам нужен замедлитель, чтобы замедлить нейтроны. Вам нужен отражатель, чтобы возвращать блуждающие нейтроны обратно в активную зону, предотвращая их утечку.
Физика бомбы против электростанции
В бомбе важна скорость. Вы хотите, чтобы k было как можно выше. Вы хотите, чтобы время между этапами было исчезающе малым. Цель — высвободить огромную энергию примерно за 10^-7 секунды.
Оцените масштаб. Один килограмм урана-235, подвергающегося делению, выделяет энергию, эквивалентную 20 000 тоннам тротила. Это убийца целых городов в одном килограмме.
Реакторы устроены иначе. Они не хотят взрываться. Они должны работать стабильно. В реакторе стационарного режима k держится на уровне 1. Но на практике? Вы не можете поддерживать его ровно на уровне 1. Вы проектируете его так, чтобы он был слегка выше 1.
Почему? Потому что всё изнашивается.
Топливо выгорает. Оно истощается. Накопляются продукты деления. Некоторые из этих побочных продуктов являются «ядом». Они поглощают нейтроны. Они снижают k. Если начать с ровно 1, реактор остановится, прежде чем вы получите полезную энергию. Начинать со значения немного выше позволяет компенсировать потерю топлива и накопление «ядов».
Вам также нужно сохранять часть нейтронов. Вы можете использовать их для исследований или для создания радиоактивных изотопов медицинского и промышленного назначения.
Управляющие стержни делают это возможным. Это перемещаемые стержни, изготовленные из материалов, поглощающих нейтроны, таких как бор, кадмий или гафний. Опустите их — k падает. Поднимите их — k растет.
Это происходит не мгновенно. Благодаря эмиттерам запаздывающих нейтронов среди продуктов деления существует задержка между поколениями нейтронов. Эта крошечная задержка дает время для реакции операторам-людям и механическим системам. Без неё управление реактором было бы невозможным.
Тепловые, промежуточные и быстрые реакторы
Не все реакторы работают одинаково. Они классифицируются по энергии нейтронов, обеспечивающих цепную реакцию.
Тепловые реакторы
Это наиболее распространенный тип. Они полагаются на «тепловые» нейтроны. Это медленные нейтроны, движущиеся со скоростями, сопоставимыми со скоростями молекул газа при комнатной температуре.
Деление производит быстрые нейтроны. Средняя кинетическая энергия превышает 1 МэВ. Они слишком быстры, чтобы эффективно расщеплять другие атомы урана-235. Их нужно замедлить. Это задача замедлителя.
Типичные замедлители:
— Обычная вода
— Тяжелая вода (D2O)
— Графит
Промежуточные реакторы
Они поддерживают цепную реакцию нейтронами промежуточной энергии. В качестве замедлителя может использоваться бериллий. Встречаются реже, но полезны в специфических конструкциях.
Быстрые реакторы
Не требуют замедлителя. Здесь свою работу выполняют быстрые нейтроны деления. Они поддерживают цепную реакцию без замедления. Это требует иных составов топлива и конструкций, но может быть более эффективным с точки зрения использования топлива.
Каждому типу необходим способ отвода тепла. Нельзя допускать работы реактора «всухую». Охлаждающие агенты различаются в зависимости от конструкции:
— Вода
— Газ
— Жидкий металл
Выбор охлаждающей жидкости зависит от требований к давлению, температуре и химической стабильности.
За пределами электричества: полезность продуктов деления
После того как реактор запущен и топливо исчерпано, отходы — это не просто мусор. Это ресурс. Продукты деления, созданные в ходе работы, содержат богатый набор радиоактивных изотопов.
Некоторые из них короткоживущие и опасные. Другие достаточно стабильны для сбора.
Медицинские изотопы являются основной целью. Технеций-99m, используемый в диагностической визуализации, часто является побочным продуктом деления. Йод-131 лечит заболевания щитовидной железы. Стронций-90 питает удаленные кардиостимуляторы и радиопередатчики.
Промышленное применение столь же обширно. Радиоизотопы используются для радиографии для проверки сварных швов трубопроводов. Они измеряют толщину на производственных линиях. Они стерилизуют медицинское оборудование без нагрева, сохраняя чувствительные материалы.
«Отходы» с одной точки зрения являются сырьем для другой отрасли. Тот же процесс, который генерирует энергию, также генерирует инструменты для современной медицины и промышленности.
Различие между производством энергии и производством материалов искусственно. В хорошо спроектированном цикле это два выхода одного и того же нейтронного потока.
В своей основе ядерный реактор — это печь. Он генерирует пар или горячие газы. Эти выходные параметры выполняют две функции. Они обеспечивают прямой нагрев. Или приводят в движение турбины, которые вращают генераторы для выработки электроэнергии.
Это всем знакомая история. Коммерческие электростанции используют эту технологию по всему миру. Военно-морские силы применяют её для движения подводных лодок и надводных судов. Но история на этом не заканчивается, если рассматривать только базовые аспекты. Реальная польза этих машин выходит далеко за пределы энергосети.
Почему высокий поток нейтронов имеет значение
Реакторы играют критически важную роль в материаловедении. Они обеспечивают интенсивные потоки нейтронов. Ученые используют это для изучения поведения материалов под нагрузкой. Они применяют это для исследования атомных структур. Но здесь есть еще один выходной продукт. Широкий спектр радиоизотопов.
Эти радиоизотопы — не просто отходы. Наряду с продуктами деления, они нашли множество применений. Их можно найти в медицинских процедурах. Их можно встретить в промышленной радиографии. Реактор является фабрикой по производству изотопов.
Преимущество атомных батарей
Тепло от радиоактивного распада имеет еще один трюк. Его можно напрямую преобразовать в электричество. Это происходит благодаря термоэлектрическому эффекту в полупроводниковых материалах. Результатом является атомная батарея.
Они не похожи на батареи в вашем телефоне. Они долговечны. Они полагаются на специфические изотопы. Некоторые испускают бета-частицы. Стронций-90 — один из примеров. Прометий-147 — другой. Другие испускают альфа-частицы. Плутоний-238 подходит для этой категории. Кюрий-244 также используется.
Зачем использовать их вместо солнечных или химических батарей? Потому что они работают без солнечного света. Они работают в экстремальном холоде. Они работают десятилетиями без технического обслуживания.
Где мы их размещаем
Это делает их идеальными для мест, куда людям трудно добраться. Или для мест, где пополнение запаса топлива невозможно.
Возьмите кардиостимуляторы. Ранние модели использовали эти ядерные батареи. Они служили дольше, чем человеческое сердце. Они поддерживали жизнь пациентов, когда другие источники питания выходили из строя.
Они также необходимы для удаленных безлюдных объектов. Подумайте о космических зондах. Миссии «Вояджер» использовали источники энергии на основе плутония-238. Солнечные панели не были вариантом так далеко от Солнца.
Рассмотрим полярные регионы. В Арктике и Антарктике долгая зима. Солнечного света мало. Ядерные батареи обеспечивают работу приборов.
Открытое море представляет аналогичные проблемы. Станции глубоководного мониторинга нуждаются в источнике питания, который не протекает и не подвергается быстрой коррозии. Эти изотопы обеспечивают стабильность.
Реальное влияние
Применение радиоактивности выходит за рамки просто выработки энергии. Существуют практические применения и для других радиоизотопов. Они помогают диагностировать заболевания. Они стерилизуют медицинское оборудование. Они отслеживают потоки жидкостей в нефтяных скважинах.
Когда вы смотрите на ядерный реактор, видите больше, чем просто электростанцию. Это источник точности. Это инструмент для открытий. Это система жизнеобеспечения в самых суровых условиях на Земле и за ее пределами.
Наука сложна. Применения повсюду. Нужно просто знать, куда смотреть.
