Важнейшим процессом, за счет которого можно получать энергию распада тяжелых ядер, является цепная реакция деления. Кратко рассмотрим это явление.
Механизм цепной реакции
Чем тяжелее ядро, тем большую часть среди нуклонов занимают нейтроны. Поскольку они не имеют заряда и не испытывают кулоновского отталкивания, для тяжелых ядер они являются «стабилизирующим» фактором.
Однако, легким ядрам большое число нейтронов не требуется. В результате при распаде тяжелого ядра урана на несколько осколков, образуется некоторый избыток нейтронов, которые свободно покидают зону распада.
Эти образующиеся нейтроны играют ключевую роль в схеме образования цепной реакции. Поскольку нейтроны образуются внутри некоторой массы урана, они часто сталкиваются с другими ядрами. В результате таких столкновений другие ядра, в свою очередь также теряют стабильность, и испытывают распад, также освобождая новые нейтроны.
Так в веществе возникает самоподдерживающийся процесс деления – цепная ядерная реакция. Нейтроны, сталкивающиеся с ядрами, вызывают их деление, каждое ядро при распаде образует новые нейтроны, которые также, в свою очередь вызывают деление ядер, и так далее.
Коэффициент размножения нейтронов
Для цепной реакции не требуется, чтобы все возникающие нейтроны обязательно вызывали распады ядер с образованием новых нейтронов. Важно лишь среднее число нейтронов, постоянно участвующих в таких распадах. И это число определяется специальным коэффициентом.
коэффициент размножения нейтронов $k$ – это отношение числа нейтронов в каком-то поколении к числу нейтронов предыдущего поколения.
Цепная реакция может продолжаться только в том случае, если коэффициент размножения нейтронов не меньше единицы:
$$k geqslant 1$$
Если коэффициент размножения нейтронов меньше единицы, то число нейтронов в каждом новом поколении будет меньше, чем в предыдущем, и рано или поздно их станет так мало, что новые ядра перестанут распадаться. Цепная реакция прекратится.
Если коэффициент размножения нейтронов больше единицы – в каждом новом поколении количество нейтронов будет возрастать, в результате цепная ядерная реакция будет неограниченно ускоряться, такой процесс происходит в ядерном оружии.
Если этот коэффициент близок единице, то в каждом поколении количество нейтронов будет одинаково, цепная реакция будет продолжаться с одинаковой скоростью. Так происходит на атомных электростанциях.
Что мы узнали?
Нейтрон, попадающий в ядро урана, вызывает его распад. При этом образуются несколько осколков и новые нейтроны. Эти новые нейтроны вызывают распад других ядер, которые, в свою очередь также испускают новые нейтроны. Данный процесс называется цепной ядерной реакцией.
