Введение
Изотоп урана
Уран-235 (235U или U-235) — изотоп урана, составляющий около 0,72% природного урана. В отличие от преобладающего изотопа уран-238, он является делящимся, то есть способен поддерживать ядерную цепную реакцию. Это единственный делящийся изотоп, встречающийся в природе как первичный нуклид. Период полураспада урана-235 составляет 703,8 миллиона лет. Он был открыт в 1935 году Артуром Джеффри Демпстером. Его сечение деления для медленных тепловых нейтронов составляет около 584,3 барна. Для быстрых нейтронов оно составляет примерно 1 барн. Большинство захватов нейтронов вызывают деление, хотя меньшая часть приводит к образованию урана-236.
Свойства деления
Расщепление одного атома урана-235 выделяет 202,5 (3,24) МэВ внутри реактора. Это соответствует 19,54 ТДж/моль, или 83,14 ТДж/кг. Еще 8,8 МэВ покидает реактор в виде антинейтрино. Когда ядра <sup>235</sup>U бомбардируются нейтронами, одной из множества возможных реакций деления является следующая (показана на соседнем изображении): тяжеловодные реакторы и некоторые графито-модерированные реакторы могут использовать природный уран, но легководные реакторы должны использовать низкообогащенный уран из-за более высокого сечения поглощения нейтронов легкой водой. Обогащение урана уменьшает содержание урана-238 и увеличивает долю урана-235. Высокообогащенный уран (HEU), содержащий еще большую долю урана-235, иногда используется в реакторах атомных подводных лодок, исследовательских реакторах и ядерном оружии. Если хотя бы один нейтрон, образовавшийся при делении урана-235, вызывает деление другого ядра, то цепная реакция будет продолжаться. Если реакция самоподдерживающаяся, она называется критической, а масса <sup>235</sup>U, необходимая для достижения критического состояния, называется критической массой. Критическая цепная реакция может быть достигнута при низких концентрациях <sup>235</sup>U, если нейтроны, образующиеся при делении, замедляются, поскольку вероятность деления медленными нейтронами выше. Цепная реакция деления производит промежуточные осколки деления, которые сильно радиоактивны и выделяют дополнительную энергию при радиоактивном распаде. Некоторые из них испускают нейтроны, называемые запаздывающими нейтронами, которые вносят вклад в цепную реакцию деления. Мощность ядерных реакторов регулируется положением в активной зоне реактора регулирующих стержней, содержащих элементы, сильно поглощающие нейтроны, например, бор, кадмий или гафний. В ядерных бомбах реакция неконтролируемая, и большое количество выделяемой энергии приводит к ядерному взрыву.
Heavy water reactors and some graphite moderated reactors can use natural uranium, but light water reactors must use low enriched uranium because of the higher neutron absorption of light water. Uranium enrichment removes some of the uranium 238 and increases the proportion of uranium 235. Highly enriched uranium (HEU), which contains an even greater proportion of uranium 235, is sometimes used in the reactors of nuclear submarines, research reactors and nuclear weapons. If at least one neutron from uranium 235 fission strikes another nucleus and causes it to fission, then the chain reaction will continue. If the reaction continues to sustain itself, it is said to be critical, and the mass of 235U required to produce the critical condition is said to be a critical mass. A critical chain reaction can be achieved at low concentrations of 235U if the neutrons from fission are moderated to lower their speed, since the probability for fission with slow neutrons is greater. A fission chain reaction produces intermediate mass fragments which are highly radioactive and produce further energy by their radioactive decay. Some of them produce neutrons, called delayed neutrons, which contribute to the fission chain reaction. The power output of nuclear reactors is adjusted by the location of control rods containing elements that strongly absorb neutrons, e. g., boron, cadmium, or hafnium, in the reactor core. In nuclear bombs, the reaction is uncontrolled and the large amount of energy released creates a nuclear explosion.