Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
входящих в формулу (15.22). При делении ||5U на быстрых нейтронах спектра
деления (Тп = 2 МэВ) эти величины имеют следующие значения: v = 2,43; (jf
= 1,81 барн ; сга = 2,33 барн. Для Ц5\] получаем: г] = 2,43 • 1,81/2,33 =
1,89. Для if Ри в тех же условиях: г] = 2,94-1,76/2,22 = 2,33. Так как
для этих изотопов г] 1, то из них могут быть изготовлены ядерные заряды,
в которых ц.р.д. будет развиваться быстро. В размножающей среде ядерного
заряда к = гекоо = = adrj. Для осуществления ц.р.д. должно выполняться
условие к ^ 1. При к = 1 вероятность избежать утечки зе = 1/ту. Такому
значению зе будут соответствовать "критический размер" и "критическая
масса" размножающей среды. Существуют различные методы расчета
критических размеров и масс размножающих сред. Но любые расчетные
значения проверяются в "критопытах", т. е. в опытах, в которых
критические параметры определяются экспериментально. Для ||5U Мкр. ~ 50
кг, а для 94Р11239 критическая масса значительно меньше, порядка десяти
килограммов (зависит от чистоты размножающей среды, наличия отражателя
нейтронов и др. причин).
k = Ni/Ni-1,
(15.21)
1] = V • Of !<та,
(15.22)
§79. Цепная реакция деления. Проблемы ядерной энергетики 415
Ядерный и термоядерный заряды. Для изготовления ядерного заряда (атомной
бомбы, ядерной боеголовки) используется преимущественно Ри-239. Масса
делящегося вещества в заряде должна быть больше критической (М > Мкр), но
до взрыва заряд должен находиться в подкритическом состоянии (к < 1).
Подкритичность заряда может быть достигнута разделением делящегося
вещества на 2 или больше частей с Mi < Мкр, размещенных в общей оболочке.
Для перехода в надкритическое состояние, что необходимо для возникновения
взрыва, нужно быстро сблизить все части ядерного заряда; для сближения
обычно используется взрыв химического заряда (взрывателя). Если ядерное
горючее разделено в заряде на две части (например, две полусферы), то
уровень надкритичности заряда М/Мкр < 2 и при взрыве заряда может
прореагировать количество делящегося вещества, не превышающее AM < Мкр.
Легко подсчитать, что при полном делении всех ядер в 1 кг gfPu выделится
энергия W = 1021 эрг, что эквивалентно энерговыделению 2 • 107 кг
тротила, т. е. ядерная взрывчатка "эффективнее" химической в ~ 2 • 107
раз.
В центре взрыва развиваются огромные температура (~ 108 К) и давление (~
1012 атм); за время t = неск. мкс вещество заряда переходит в состояние
плазмы, разлетается и теряет надкритичность, взрыв прекращается. Обычная
энергия ядерного взрыва 1 20 кт тротилового
эквивалента.
Существенно большая энергия выделяется при взрывах термоядерных зарядов
(тротиловый эквивалент 0,1 1 Мт). Непременной состав-
ной частью термоядерного заряда является ядерный заряд, при взрыве
которого создаётся необходимая для термоядерного синтеза температура (см.
конец §77). Ядерный заряд окружают веществом, содержащим ядра 2D и fT,
при синтезе которых образуются ядра |Не и нейтроны (формула (15.15)).
Очень удобным для использования в термоядерных зарядах оказался дейтерид
лития LiD. Нейтроны, возникающие при ядерном взрыве, вызывают реакцию:
|Li + n^He + fT.
Образовавшиеся в этой реакции ядра трития вступают в реакцию с ядрами
дейтерия:
3гТ + jD ^ jHe + п.
Общий итог обеих реакций:
IjLi + ID -> 2^Не, Q = 22,4 МэВ.
416
Глава 15
Средняя энергия, выделяющаяся на 1 нуклон в этих реакциях, равна: дсинт =
Qchht/E^ ~ 22,4/8 & ЗМэВ/нукл. Это в ~ 3,5 раза больше, чем при делении
(ддел ~ 200МэВ/239 " 0,85 МэВ/нукл).
Для веществ, вступающих в реакции термоядерного синтеза, не существует
понятия "критической массы", и эти вещества могут полнее "выгорать" при
взрыве, чем делящиеся. Мощность термоядерной бомбы можно значительно
увеличить, если окружить ее слоем дешевого U-238. Нейтроны термоядерного
взрыва (их энергия Тп " 14 МэВ) будут вызывать деление ядер 928U, что
приведет к увеличению мощности бомбы, а также к увеличению количества
радиоактивных изотопов, выпадающих на Землю после взрыва и являющихся
одним из поражающих факторов ядерного и термоядерного взрывов. Другими
поражающими факторами являются электромагнитный импульс (ЭМИ), поток
нейтронов и 7-лучей, и ударная волна. Радиус поражения R от взрывной
волны зависит от мощности заряда. Для заряда с тротиловым эквивалентом 20
кт R ж 1км. Радиоактивное же облако (нагретый воздух, содержащий продукты
деления) поднимается вверх на высоту 10 км и более и распространяется
затем на сотни километров.
Скорость развития цепной реакции деления. Влияние запаздывающих
нейтронов. Рассмотрим размножающую среду, в которой осуществляется ц.р.д.
с коэффициентом размножения к. Найдем закон, по которому изменяется с
течением времени число нейтронов (а следовательно, и делящихся ядер).
Пусть N - число нейтронов в произвольном поколении, тогда N-k - число
нейтронов в следующем поколении, a AN = N-k-N = N-(k-l) = = N-Ak -
приращение числа нейтронов за 1 поколение. Характеристика размножающей
