Деление атомных ядер

Первые искусственные радионуклиды были произведены в лабораторных условиях еще в начале 1930;х гг. супругами Фредериком и Ирен Жолио-Кюри. Затем их стали производить на первых ускорителях заряженных частиц: циклотронах и электростатических генераторах, позже — на синхротронах, бетатронах и синхрофазотронах. Все эти ускорители являются мощными источниками ионизирующих излучений и на них ученые синтезировали сотни новых радионуклидов. Однако ни 70 лет тому назад, ни позднее они не представляли крупномасштабной экологической опасности, как не представляют ее и сейчас.

Пуск первого реактора, а затем введение в эксплуатацию реакторов, производящих плутоний, ознаменовали принципиальное изменение ситуации. С одной стороны, радионуклиды стали образовываться в таких количествах, которые за несколько лет до этого были просто немыслимы. С другой стороны, продукты, нарабатываемые в реакторах, изначально предназначались быть сырьем для новой отрасли промышленности, призванной производить ядерное оружие. В начальный период, даже тогда, когда эта промышленность работала в штатном (но экспериментальном) режиме того времени, в гидросферу и атмосферу выбрасывалось огромное количество радионуклидов. Загрязнение природной среды радионуклидами антропогенного происхождения стало реальностью.

Вероятности как а-распада, так и деления зависят от величины энергетического барьера, препятствующего такому процессу. Отношение кулоновской энергии к поверхностной определяет способность ядра к делению. Чем тяжелее ядро, тем меньше высота барьера, которая обратно пропорциональна параметру делимости, равному ZZ/A¹. В экологическом плане помимо плутония наиболее значимым является деление изотопов урана ²³⁸U и ²³⁵U. Для обоих существуют барьеры, но значения их различаются. Это объясняется двумя обстоятельствами. Во-первых, поскольку параметр Z^[1][2]/A для ²³⁹U меньше, чем для ²³⁶U (нужно рассматривать деление ядра, захватившего нейтрон), величина барьера для первого из этих изотопов будет больше. Во-вторых, энергия отделения^[2] нейтрона в ²³⁶U больше, чем в ²³⁹U (6,5 МэВ против 4,8 МэВ), поэтому ядро ²³⁶U оказывается в более возбужденном состоянии, чем ядро ²³⁹U.

Вынужденное деление ядер с ZZ/A < 49 может быть вызвано любыми частицами: фотонами, нейтронами, протонами, а-частицами и т. д., если энергия, которую они вносят в ядро, достаточна для преодоления барьера деления. Наиболее удобно воспользоваться нейтронами^[4], так как на их пути к ядру нет кулоновского барьера и вероятность их захвата — ст_захв, как правило, значительна.

Допустим, ядро ²³⁵U захватило нейтрон (рис. 8.3). Упрощая ситуацию, мы можем сказать, что полученная энергия может пойти либо на возбуждение нуклонов сферического ядра, либо на его деформацию, при которой сами нуклоны остаются невозбужденными. В результате деформации ядро удлиняется вплоть до седловой точки, в которой силы отталкивания между зарядами на концах вытянутого ядра становятся больше, чем ядерные силы притяжения. Ядро делится на два осколка, которые за счет электростатических сил отталкивания разлетаются со скоростью ~0,03с. Таким образом, энергия деления превращается в кинетическую энергию осколков ядра, т. е. в теплоту. Избыточная энергия уносится нейтронами и другими частицами. На рис. 8.3 представлен тот случай, когда осколками случайно оказались ⁸⁹Кг и ¹⁴⁴Ва и показана судьба двух из трех образовавшихся нейтронов. Один поглотился в управляющем стержне, а другой, замедлившись, попал в ядро ²³⁵U.

Огромное выделение энергии на один акт деления определило применение этой реакции как в военных целях, так и для производства электрической и тепловой энергий. В экологическом аспекте это ведет также и к тепловому загрязнению окружающей среды. ТЭС значительную часть энергии рассеивает в атмосферу вместе с уходящими горячими газами, а АЭС сбрасывают отработанное тепло в основном в гидросферу. Что же касается теплового загрязнения на единицу произведенной электроэнергии, то ситуация еще хуже, так как КПД новых ТЭС в ~2 раза больше, чем для АЭС. Экологические исследования на водоемах, в которые сбрасываются теплые воды из АЭС, ведутся уже в течение нескольких десятков лет. В нашей стране наибольшую известность получили работы, связанные со сбросом теплых вод Ленинградской АЭС (ЛАЭС), в Копорскую губу Финского залива и с изучением эвтрофикации этого водоема.

Вернемся к энергетическому балансу, имеющему место при делении. Усредненный баланс распределения энергии по различным каналам при делении ²³⁵U тепловыми нейтронами имеет следующий вид:

Рис. 8.3. Схематическое представление деления ядра ²³⁵U тепловым нейтроном Осколки деления, как правило, имеют разные массы. Современная теория не позволяет строго рассчитать абсолютные независимые выходы, необходимые для расчета удельных активностей и других радиационных характеристик продуктов деления. Обычно применяют экспериментальные данные, полученные для продуктов деления U²³⁵ тепловыми нейтронами. Абсолютным независимым выходом изотопа называется вероятность образования данного изотопа непосредственно в процессе деления при выборе нормировки на 200% для выходов всех изотопов, включая стабильные. Кумулятивным выходом изотопов с массовым числом А называется вероятность образования изотопов с данным А в результате всех процессов, ведущих к этому. Эта величина определяется кривыми выхода масс при делении и нормируется на 200%. В случае ²³⁵U наиболее вероятно деление на осколки с А = 139 и 95 и Z = 38 и 54. Распределение по массам осколков деления ²³⁵U тепловыми нейтронами показано на рис. 8.4. Среди продуктов деления можно обнаружить осколки с А = 72—161 и Z = 30—65, а вероятность симметричного деления ~0,01%.

Если для ²³⁵U отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре равно 1,55, то у стабильных ядер с Z = 30—65 это отношение — 1,25— 1,45. Следовательно, осколки деления всегда сильно перегружены нейтронами (они являются нейтронно-избыточными) и должны быть неустойчивы к р—распаду.

Рис. 8.4. Распределение по массовому числу А осколков деления ²³⁵U тепловыми нейтронами В качестве примера приведем цепочку радиоактивных превращений одного из осколков деления — ⁹⁷Кг, оканчивающуюся стабильным ядром ⁹⁷Мо:

Сильно возбужденные движущиеся осколки за время < 10^-14 с, т. е. до первого Р" -распада, испускают один нейтрон или более, а также у-кванты. Эти нейтроны и у-кванты называют мгновенными. После испускания мгновенных нейтронов осколки деления переходят в продукты деления. Среднее количество мгновенных нейтронов — v, образующихся в одном акте деления для ²³⁵U равно 2,47, а для ²³⁹Ри v = 3,05. Любое практическое применение реакции деления основано в первую очередь на том, что v > 2, и благодаря этому можно осуществлять ядерные цепные реакции¹. При увеличении энергии возбуждения среднее количество мгновенных нейтронов растет. Энергетический спектр мгновенных нейтронов непрерывный с максимумом около 1 МэВ. Средняя энергия мгновенного нейтрона близка к 2 МэВ.

Помимо мгновенных нейтронов имеется еще и небольшое количество нейтронов (до ~1%), появляющихся с запаздыванием относительно момента деления — запаздывающие нейтроны. Время запаздывания — т_зап может достигать минуты. Эти нейтроны испускаются продуктами деления, после предварительного р~-распада, в тех случаях, когда дочерние ядра образуются в возбужденных состояниях. Если энергия возбуждения превышает энергию отделения нейтрона е", то и происходит испускание запаздывающих нейтронов.

Существуют различные классификации радионуклидов, возникающих в результате деления. Сугубо в формальном плане выделяют три группы: продукты (осколки) деления, продукты активации и выделяемые из последней группы по ряду причин трансурановые радионуклиды. Наиболее известными и значимыми в экологическом плане продуктами деления являются ⁹⁰Sr, ¹³¹1 и ¹³⁷Cs, иногда к ним добавляют и^[5]Н. Самыми известными и значимыми продуктами активации являются ¹⁴С и ⁶⁰Со и, наконец, из трансурановых элементов — это изотопы плутония, а также ²³⁷Np и ²⁴¹Аш.

• [1] Из теоретической формулы Вайцзеккера для энергии связи ядра Еь следует, чтовысота барьера деления обращается в нуль при Z2/A > 49, т. е. согласно капельноймодели в природе должны отсутствовать ядра с Z2/A > 49, так как они практическимгновенно самопроизвольно делятся.
• [2] Образовавшееся ядро оказывается на мгновение в возбужденном состояниис энергией, равной энергии отделения (связи) нейтрона от ядра еп.
• [3] Образовавшееся ядро оказывается на мгновение в возбужденном состояниис энергией, равной энергии отделения (связи) нейтрона от ядра еп.
• [4] Барьер деления у 235U равен ~6 МэВ, т. е. чуть меньше той энергии, которую вносит медленный нейтрон в это ядро, поэтому оно легко делится при поглощении теплового нейтрона. Энергии 4,8 МэВ, вносимой тепловым нейтроном при захвате в 238Uнедостаточно для деления 239U.
• [5] для продолжения реакции деления.