Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЯД)"
Автор книги: Большая Советская Энциклопедия
Жанр:
Энциклопедии
сообщить о нарушении
Текущая страница: 5 (всего у книги 10 страниц)
Ядерные силы
Я'дерные си'лы , силы, удерживающие нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре. Обусловливают самые интенсивные из всех известных в физике взаимодействий (см. Сильные взаимодействия ). Я. с. являются короткодействующими (радиус их действия ~ 10-13см , подробнее см. Ядро атомное ).
Ядерные цепные реакции
Я'дерные цепны'е реа'кции , ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций. Пока единственная известная Я. ц. р. – реакция деления урана и некоторых трансурановых элементов (например, 239 Pu) под действием нейтронов. После открытия (1939) немецкими учёными О. Ганом и Ф. Штрасманом деления ядер нейтронами (см. Ядра атомного деление ) Ф. Жолио-Кюри с сотрудниками, Э. Ферми , У. Зинн и Л. Силард (США) и Г. Н. Флёров показали, что при делении ядра вылетает больше 1 нейтрона:
n+U ® А+В+ u. (1)
Здесь А и В – осколки деления с массовыми числами A от 90 до 150, u > 1 – число вторичных нейтронов. Я. ц. р. впервые была осуществлена Э. Ферми (1942).
Пусть только часть f общего числа вторичных нейтронов может быть использована для продолжения реакции деления. Тогда на 1 нейтрон первого поколения, вызвавший деление, придется К = uf нейтронов следующего поколения, которые вызовут деление, и если К , называемый коэффициентом размножения нейтронов, больше 1, то число таких нейтронов будет возрастать во времени t по закону: n = nu e (K-1) t/t , где t – время жизни поколения нейтронов. Если К – 1 = 1, то число делений в единицу времени постоянно, и может быть осуществлена самоподдерживающаяся Я. ц. р., Устройство, в котором происходит регулируемая самоподдерживающаяся Я. ц. р., называется ядерным реактором . При достаточно больших значениях К – 1 реакция перестаёт быть регулируемой и может привести к ядерному взрыву .
Рассмотрим Я. ц. р. на природном уране, содержащем практически 2 изотопа: 238 U (99,29%) и 235 U (0,71%), содержание 234 U ничтожно. Ядро 238 U делится только под действием быстрых нейтронов с энергией (x> 1 Мэв и малым эффективным поперечным сечением sд = 0,3 барна. Напротив, ядро 235 U делится под действием нейтронов любых энергий, причём с уменьшением x сечение его деления о резко возрастает. При делении 238 U или 235 U быстрым нейтроном вылетает u~2,5 нейтрона с энергией от 0,1 Мэв до 14 Мэв. Это означает, что при отсутствии потерь Я. ц. р. могла бы развиться в природном уране. Однако потери есть: ядро 238 U могут захватывать нейтроны (см. Радиационный захват ) с образованием 239 U. Кроме того, при столкновении нейтронов с ядром 238 U происходит неупругое рассеяние, при котором энергия нейтронов становится ниже 1 Мэв , и они уже не могут вызвать деление 238 U. Бо'льшая часть таких нейтронов испытывает радиационный захват или вылетает наружу. В результате в этих условиях не может развиться Я. ц. р.
Для возбуждения Я. ц. р. в естественном уране используется замедление нейтронов при их столкновении с лёгкими ядрами (2 H, 12 C и др. замедлители). Оказалось, что сечение деления 235 U на тепловых нейтронах (sд (5)= 582 барна , сечение радиационного захвата в 235 U (с образованием 236 U) sд (5)= 100 барн , а в 238 Usp (8) = 2,73 барна. При делении тепловыми нейтронами n = 2,44. Отсюда следует, что число нейтронов h, которые могут вызвать деление 235 U, приходящееся на 1 поглощённый тепловой нейтрон предыдущего поколения, равно:
(2)
Здесь r8 / r5 — отношение концентраций 238 U и 235 U Это означает возможность развития Я. ц. р. в смеси природного урана с замедлителем.
Однако при делении на тепловых нейтронах рождаются быстрые нейтроны , которые, прежде чем замедлиться до тепловой энергии, могут поглотиться. Сечение радиационного захвата 238 U имеет резонансный характер, т. е. достигает очень больших значений в определённых узких интервалах энергии. Роль резонансного поглощения в Я. ц. р. на тепловых нейтронах в однородных (гомогенных) смесях урана и замедлителей была впервые исследована Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном в 1940. В однородной смеси вероятность резонансного поглощения слишком велика, чтобы Я. ц. р. на тепловых нейтронах могла осуществиться. Эту трудность обходят, располагая уран в замедлителе дискретно, в виде блоков, образующих правильную решётку. Резонансное поглощение нейтронов в такой гетерогенной системе резко уменьшается по 2 причинам: 1) сечение резонансного поглощения столь велико, что нейтроны, попадая в блок, поглощаются в поверхностном слое, поэтому внутренняя часть блока экранирована и значительная часть атомов урана не принимает участия в резонансном поглощении: 2) нейтроны резонансной энергии, образовавшиеся в замедлителе, могут не попасть в уран, а, замедляясь при рассеянии на ядрах замедлителя, «уйти» из опасного интервала энергии. При поглощении теплового нейтрона в блоке рождается h вторичных быстрых нейтронов, каждый из которых до выхода из блока вызовет небольшое количество делений 238 U. В результате число быстрых нейтронов, вылетающих из блока в замедлитель, равно eh, где e – коэффициент размножения на быстрых нейтронах. Если j – вероятность избежать резонансного поглощения, то только ehj нейтронов замедлится до тепловой энергии. Часть тепловых нейтронов поглотится в замедлителе. Пусть q – вероятность того, что тепловой нейтрон поглотится в уране (коэффициент теплового использования нейтронов). В гомогенной системе:
,
в гетерогенной системе:
.
Здесь ru и r3 – концентрации урана и замедлителя, sп — соответствующие сечения поглощения, Ф – потоки нейтронов. В результате на 1 тепловой нейтрон первого поколения, совершающий деление, получается Кэф = ehjq нейтронов след. поколения, которые могут вызвать деление. К¥ — коэффициент размножения нейтронов в бесконечной гетерогенной системе. Если К¥ – 1 > 0, то реакция деления в бесконечной решётке будет нарастать экспоненциально.
Если система имеет ограниченные размеры, то часть нейтронов может покинуть среду. Обозначим долю нейтронов, вылетающих наружу, через 1—Р, тогда для продолжения реакции деления остаётся Кэф = К~Р нейтронов, и если Кэф>1 , то число делении растет экспоненциально и реакция является саморазвивающейся. Т. к. число делений и, следовательно, число вторичных нейтронов в размножающей среде пропорционально её объёму, а их вылет (утечка) пропорционален поверхности окружающей среды, то Я. ц. р. возможна только в среде достаточно больших размеров. Например, для шара радиуса 
отношение объёма к поверхности равно R/3 , и, следовательно, чем больше радиус шара, тем меньше утечка нейтронов. Если радиус размножающей среды становится достаточно большим, чтобы в системе проходила стационарная Я. ц. р., т. е. R – 1 = 0, то такую систему называют критической, а её радиус критическим радиусом.
Для осуществления Я. ц. р. в природном уране на тепловых нейтронах используют в качестве замедлителя вещества с малыми сечением радиационного захвата (графит или тяжёлую воду D2 О). В замедлителе из обыкновенной воды Я. ц. р. на природном уране невозможна из-за большого поглощения нейтронов в водороде.
Чтобы интенсивность Я. ц. р. можно было регулировать, время жизни одного поколения нейтронов должно быть достаточно велико. Время жизни t тепловых нейтронов мало (t = 10-3сек ). Однако наряду с нейтронами, вылетающими из ядра мгновенно (за время 10-16сек ), существует небольшая доля m. т. н. запаздывающих нейтронов, вылетающих после b-распада осколков деления со средним временем жизни t3 = 14,4 сек. Для запаздывающих нейтронов при делении 235 U m»0,75-10-2 . Если Кэф >1+m, то время Т «разгона» Я. ц. р. (равное времени, за которое число деления увеличивается в e раз) определяется соотношением:
т. е. запаздывающие нейтроны не участвуют в развитии Я. ц. р. Практически важен другой предельный случай: Кэф – 1 << m, тогда:
т. е. мгновенные нейтроны не играют роли в развитии реакции. Т. о., если Кэф < 1 + m, то Я. ц. р. будет развиваться только при участии запаздывающих нейтронов за время порядка минут и будет хорошо регулируемой (роль запаздывающих нейтронов была впервые отмечена Зельдовичем и Харитоном в 1940).
Я. ц. р. осуществляется также на уране, обогащенном 235 U, и в чистом 235 U. В этих случаях она идёт и на быстрых нейтронах. При поглощении нейтронов в 238 U образуется 239 Np, а из него после двух b-распадов – 239 Pu, который делится под действием тепловых нейтронов, с n = 2,9. При облучении нейтронами 232 Th образуется делящийся на тепловых нейтронах 233 U. Кроме того, Я. ц. р. возможна в 231Pu и изотопах Cm и Cf с нечётным массовым числом (см. Ядерное топливо ). Из u нейтронов, образующихся в 1 акте деления, один идёт на продолжение Я. ц. р., и, если снизить потери, для воспроизводства ядерного горючего может сохраниться больше одного нейтрона, что может привести к расширенному воспроизводству горючего (см. Реактор-размножитель ).
Лит.: Галанин А. Д., Теория ядерных реакторов на тепловых нейтронах, 2 изд., М., 1959; Вейнберг А., Вигнер Е., Физическая теория ядерных реакторов, пер. с англ., М., 1961; Зельдович Я. Б., Харитон Ю. Б., «Журнал экспериментальной и теоретической физики», 1940, т. 10, в. 1, с. 29—36; в. 5, с. 477—82; Ферми Э., Научные труды, т. 2, М., 1972, с. 308.
П. Э. Немировский.
Ядерный взрыв
Я'дерный взрыв , грандиозный по своим масштабам и разрушительной силе взрыв , вызываемый высвобождением ядерной энергии . К возможности овладения ядерной энергией физики вплотную подошли в начале второй мировой войны 1939—45. Первая так называемая атомная бомба была создана в США объединёнными усилиями большой группы крупнейших учёных, многие из которых эмигрировали из Европы, спасаясь от гитлеровского режима. Первый испытательный Я. в. был произведён 16 июля 1945 близ Аламогордо (штат Нью-Мексико, США); 6 и 9 августа 1945 две американские атомные бомбы были сброшены на японские города Хиросима и Нагасаки (см. Ядерное оружие ). Энергия первых Я. в. оценивалась примерно в 1021эрг (1014дж ), что эквивалентно выделению энергии при взрыве около 20 тыс. т (кт ) тротила (энергию Я. в. обычно характеризуют его тротиловым эквивалентом ). В СССР первый атомный взрыв был осуществлен в августе 1949, а 12 августа 1953 в СССР было проведено первое испытание значительно более мощной водородной бомбы. В дальнейшем ядерные державы производили испытательные Я. в. с энергиями до десятков млн. т (Мт ) тротилового эквивалента.
К Я. в. может привести либо ядерная цепная реакция деления тяжёлых ядер (например, 235 U и 239 Pu), либо термоядерная реакция синтеза ядер гелия из более лёгких ядер. Ядра 235 U и 239 Pu делятся при захвате нейтрона на два осколочных ядра средней атомной массы; при этом рождается также несколько нейтронов (обычно два-три). Сумма масс всех дочерних частиц меньше массы исходного ядра на величину Dm , называемую дефектом массы . Дефекту массы, согласно соотношению А. Эйнштейна, отвечает энергия DЕ = Dm × c2 (с — скорость света), которая представляет собой энергию связи продуктов деления в исходном ядре. Высвобождение этой энергии при быстро развивающейся цепной ядерной реакции деления и приводит к взрыву. На одно делящееся ядро энергия DE составляет около 200 Мэв. В 1 кг235 U или 239Pu содержится 2,5 × 1024 ядер. При делении всех этих ядер выделяется огромная энергия, равная примерно 1021эрг.
Возможность протекания цепной реакции деления обусловлена тем, что в акте деления рождается более одного нейтрона. Каждый из них также может произвести деление ядер. Следующее поколение нейтронов делит другие ядра и т. д. Например, если по два нейтрона каждого поколения производят деление, то через 80 поколений реакция, начавшаяся с одного нейтрона, приведёт к распаду всех ядер 1 кг делящегося вещества. Обычно не все нейтроны вызывают деление ядер, часть из них теряется. Если потери слишком велики, то цепная реакция развиться не может. Вероятность потери отдельного нейтрона тем выше, чем меньше линейные размеры и масса делящегося вещества. Предельные условия, когда в веществе может развиться цепная реакция, называются критическими. Они характеризуются плотностью, геометрией, массой вещества (например, существует критическая масса ). Делящееся вещество в ядерном заряде располагают так, чтобы оно находилось в докритических условиях (например, чтобы масса была рассредоточена). В нужный момент осуществляются сверхкритические условия (всю массу собирают вместе), и тогда инициируется цепная реакция. Собрать всю массу необходимо очень быстро, для того чтобы реакция протекала при возможно большей степени сверхкритичности и до разлёта нагревающегося вещества успела бы прореагировать возможно большая его доля. Возможности повышения мощности Я. в., основанного на цепной реакции деления ядер, практически ограничены, т. к. очень трудно большую массу делящегося вещества, вначале расположенную в докритической форме, достаточно быстро превратить в сверхкритическую.
Я. в. большой мощности с эквивалентом в миллионы и десятки млн. т тротила основаны на использовании реакции термоядерного синтеза. Основная реакция здесь – превращение двух ядер тяжёлых изотопов водорода (дейтерия2 H и трития3 H) в ядро гелия 4 He и нейтрон. В одном акте выделяется энергия 17,6 Мэв . При полном превращении 1 кг тяжёлого водорода выделяется энергия, примерно в 4 раза превышающая энергию деления 1 кг235 U или 239Pu . Для того чтобы положительно заряженные ядра 2 H и 3 H могли столкнуться и испытать превращение, они должны преодолеть действующие между ними электрические силы отталкивания, т. е. обладать значительной скоростью (кинетической энергией). Поэтому термоядерная реакция, используемая в водородной бомбе, протекает при очень высоких температурах – порядка десятков млн. градусов, что достигается при Я. в. атомной бомбы, применяемой в качестве «запала» в водородной бомбе. Поскольку водород в обычном состоянии представляет собой газ, при осуществлении термоядерного взрыва используют твёрдые водородсодержащие вещества 6 Li 2 H, 6 Li 3 H. Ядра лития и сами участвуют в термоядерной реакции, повышая энергетический выход термоядерного взрыва.
Непосредственно после завершения ядерной реакции к моменту времени 10-7сек , отсчитываемому от её начала, выделившаяся энергия оказывается сосредоточенной в весьма ограниченных массе и объёме (порядка 1 т и 1 м3 ). температура и давление при этом достигают колоссальных величин порядка 10 млн. градусов и миллиарда атмосфер. Существенная доля энергии высвечивается этим нагретым веществом в виде мягкого рентгеновского излучения, которое, однако, может распространиться на большое расстояние только при Я. в. в чрезвычайно разреженной атмосфере – на высотах порядка 100 км и выше. Во всех остальных случаях – при взрывах в воздухе на не очень больших высотах, под землёй, под водой – почти вся энергия взрыва переходит в среду, непосредственно окружающую вещество ядерного заряда: воздух, землю, воду. Под действием высокого давления в окружающей среде возникает сильная ударная волна . Я. в. порождает также проникающую радиацию – потоки гамма-квантов и нейтронов, которые уносят несколько процентов от всей энергии взрыва и распространяются в воздухе при атмосферном давлении на много сотен м .
Воздух в ударной волне Я. в. нагревается до сотен тыс. градусов и начинает ярко светиться, возникает так называемый огненный шар. Вначале поверхность огненного шара совпадает с фронтом ударной волны, и они вместе расширяются с большой скоростью. Например, при Я. в., эквивалентном 20 кт , в воздухе атмосферного давления через 10-4сек радиус огненного шара равен примерно 14 м ; через 0,01 сек – 100 м . На этой стадии происходит отрыв ударной волны от границы огненного шара. Ударная волна, уже не вызывая свечение, уходит далеко вперёд; расширение огненного шара замедляется, а затем вовсе прекращается. Через 0,1 сек радиус огненного шара достигает своей максимальной величины – примерно 150 м ; температура свечения в этой стадии составляет около 8000 К. Через 1 сек яркость свечения начинает падать, и через 2—3 сек свечение практически прекращается. Всего на световое излучение приходится примерно треть всей энергии взрыва. Это излучение, более яркое, чем излучение Солнца, оказывает очень сильное поражающее действие, вызывая даже на расстоянии 2 км пожары, обгорание предметов, ожоги у людей и животных. Через 10 сек ударная волна уходит на расстояние 3,7 км от центра Я. в. Сильное разрушающее действие на дома, промышленные постройки, военную технику ударная волна Я. в. в 20 кт оказывает на расстоянии до 1 км .
Нагретый воздух огненного шара после прекращения свечения, будучи менее плотным, чем окружающий воздух, поднимается вверх под действием архимедовой силы (см. Архимеда закон ). В процессе подъёма нагретый воздух расширяется и охлаждается, в нём происходит конденсация паров воды. Так образуется характерное клубящееся облако Я. в. поперечником в сотни м . Через минуту оно достигает высоты 4 км , через 10 мин – 10 км . В дальнейшем это облако, содержащее продукты ядерных реакций, разносится ветрами и воздушными течениями на расстояния в десятки и сотни км . Продукты деления ядер обладают радиоактивностью, они испускают g -кванты и электроны. Под действием радиоактивности и вследствие выпадения радиоактивных осадков происходит радиоактивное заражение местности в области следа облака, которое является одним из опаснейших последствий Я. в., вызывая лучевую болезнь у людей и животных. Особенно опасны в отношении радиоактивного действия Я. в. на малой высоте, когда огненный шар при своём расширении касается поверхности Земли, вверх вздымается огромный столб пыли и земли, и радиоактивные продукты впоследствии выпадают вместе с пылью. Радиус действия ударной волны приблизительно пропорционален корню кубическому из значения энергии, выделяющейся при взрыве. Например, радиус очень сильного разрушающего действия Я. в. в 20 Мт примерно в 10 раз больше, чем для Я. в. в 20 кт , т. е. порядка 10 км . Такой взрыв может уничтожить большой город.
При Я. в. на очень больших высотах, выше 100—200 км , также возникают ударная волна и огненный шар, но в световое излучение переходит значительно меньшая доля энергии Я. в., т. к. вследствие сильной разреженности воздух излучает свет гораздо слабее. Одним из важнейших последствий высотного Я. в. являются возникновение больших областей повышенной ионизации с радиусом в десятки и даже сотни км и возмущение атмосферы. Ионизация вызывается действием рентгеновского и g-излучении (а также нейтронов) и приводит к серьёзным нарушениям в работе средств радиолокации и радиосвязи. Высотные Я. в., осуществленные в 1958—62 в США, показали, что устойчивая радиосвязь может прерываться на десятки мин.
При подводном взрыве примерно половина всей энергии содержится в первичной ударной волне, которая и производит основные разрушения. Для подводного взрыва характерно образование большого пузыря вокруг центра взрыва, который совершает пульсирующие движения, затухающие с течением времени. Вторичные волны, излучаемые за счёт пульсаций пузыря, оказывают значительно меньшее действие, чем первичная ударная волна. Радиус сильного разрушающего действия, приводящего к нототению кораблей (при Я. в. в 20 кт на небольшой глубине), составляет ~ 0,5 км . При подводном Я. в. появляется «султан» – огромный столб над поверхностью воды, состоящий из водяной пыли и брызг. Возникают также сильные поверхностные волны, которые распространяются на многие км (при взрыве в 20 кт на расстоянии 3 км от эпицентра взрыва высота гребня волны достигает 3 м ).
При подземном Я. в. разрушения производит также ударная волна. Как и при подводном взрыве, в центре возникает газовый пузырь высокого давления. При неглубоком взрыве образуется огромная воронка, в воздух поднимается столб пыли и земли. Подземный Я. в. вызывает толчок, по своему действию аналогичный землетрясению. По своей энергии Я. в. в 20 кт можно сравнить с землетрясением силой в 5 М (магнитуд) по шкале Рихтера (см. Магнитуда землетрясения ). Я. в. водородной бомбы в 20 Мт соответствует землетрясению с силой 7 М . Сейсмические волны подземных Я. в. регистрируются на расстояниях в тысячи км от места взрыва.
Ю. П. Райзер.
Подземные Я. в. применялись в мирных целях для крупномасштабных горных работ, добычи полезных ископаемых и др. Различают заглубленный Я. в. наружного действия и подземного (камуфлетного), когда радиус разрушающего действия не достигает поверхности земли. Я. в. наружного действия, с помощью которых можно направленно перемещать огромные массы горных пород (для вскрытия месторождений полезных ископаемых, строительства каналов, набросных плотин, водоёмов, искусственных гаваней и т. п.), требуют создания ядерных устройств и методов их детонации, гарантирующих отсутствие радиоактивного загрязнения атмосферы и полную безопасность биосферы. Камуфлетные Я. в. осуществляются при заглублении заряда до нескольких км . Эти взрывы интенсифицируют разработку истощённых нефтяных и газовых месторождений, создают (в пластичных породах) ёмкости-хранилища (для природного газа, нефтепродуктов, захоронения отходов и т. п.), позволяют дробить крепкие рудные тела (для их извлечения), ликвидируют аварийные газовые и нефтяные фонтаны.
Лит.: Действие ядерного оружия, пер. с англ., М., 1960; Зельдович Я. Б., Райзер Ю. П., Физика ударных волн и высокотемпературных гидродинамических явлений, 2 изд., М., 1966; Коул Р., Подводные взрывы, пер. с англ., М., 1950; Подземные ядерные взрывы, пер. с англ., М., 1962; Ядерный взрыв в космосе, на земле и под землей, пер. с англ., М., 1974; Атомные взрывы в мирных целях, М., 1970; Израэль Ю. А., Мирные ядерные взрывы и окружающая среда, Л., 1974.
