§ 63. Деление ядер урана. Цепная реакция

В 1939 году немецкие исследователи Отто Ган и Фриц Штрассман впервые зафиксировали процесс расщепления ядер урана под воздействием нейтронного облучения. Этот исторический эксперимент заложил фундамент для последующего освоения атомной энергии. Когда свободный нейтрон сталкивается с ядром изотопа уран-235, он проникает внутрь и поглощается. В результате система переходит в возбуждённое состояние, а само ядро начинает деформироваться, постепенно вытягиваясь в форму эллипсоида. Подобное искажение формы является первым шагом к последующему разделению, поскольку внутренние связи внутри нуклонной системы уже не способны удерживать частицы в исходном компактном объёме.

Внутри атомного ядра одновременно действуют две противоположные силы. Электрическое отталкивание протонов стремится разорвать систему, тогда как ядерные силы притяжения удерживают нуклоны вместе. Протоны в ядре несут положительный заряд, поэтому они отталкиваются друг от друга с огромной силой. Однако ядерное взаимодействие обладает крайне малым радиусом действия. При сильном вытягивании ядра расстояние между удалёнными участками превышает этот радиус, и притяжение ослабевает. В итоге кулоновское отталкивание побеждает, и ядро разрывается на два крупных осколка. При этом из точки разрыва вылетают два или три новых нейтрона.

В процессе разделения значительная часть внутренней энергии ядра преобразуется в кинетическую энергию разлетающихся осколков и вылетевших нейтронов. При движении сквозь окружающее вещество эти частицы сталкиваются с атомами среды и постепенно тормозятся. Столкновения частиц с атомами материала вызывают вибрацию кристаллической решётки и рост температуры. Их кинетическая энергия передаётся атомам среды, увеличивая энергию их теплового движения и взаимодействия. Если подобное событие происходит одновременно с миллиардами ядер, суммарное выделение тепла становится настолько мощным, что температура окружающей среды стремительно возрастает. Таким образом, реакция деления всегда сопровождается мощным выделением тепловой энергии. Сам акт деления изображён на рис. 1: слева в ядро урана-235 влетает нейтрон, а справа разлетаются два крупных осколка — ядра бария-141 и криптона-92 — и вместе с ними три новых нейтрона.

Масштаб энергии, скрытой в атомных ядрах, поражает воображение. Если бы удалось разделить абсолютно все ядра в одном грамме урана, выделилось бы количество теплоты, равное теплоте сгорания двух с половиной тонн нефти. Управление этим процессом требует точного расчёта и строгого контроля за каждым этапом превращения.