Ядроның бөлiну реакциясы. Трансурандық элемент

Бөлiну реакциясы деп ядроның өзiнен немесе сыртқы қоздырғыштың əсерiнен массалары бір-біріне жуықтау, бiрақ тең емес екi немесе кейде үш жарықшақтарға жіктелуі айтылады. Ядроның бөлiну реакциясы көптеген жағдайларда бөлшектердiң: фотондар, протондар, дейтрондар, т.б. əсерлерiнен орындалуы мүмкiн. Ауыр ядролардың жарықшаларға бөлiнуiн зерттеудiң маңызы зор.

~ 222 ~

Ядроның бөлiну реакциясы кезiнде терең өзгерiстер болады. Олардың бөлiну механизмi басқа ядролық реакция механизмдерiнен өзгеше (ерекше) болады. Ядролық реакциялардың жұмыс iстеу принципi (яғни ядролық энергетика салалары) осы ядролардың нейтрондар əсерiнен орындайтын реакцияға негiзделген.

Əртүрлi изотоптарға протондар, дейтрондар жəне нейтрондар əсер еткенде орындалатын ядролық реакцияны зерттеу

нəтижесiнде ₃Li⁶(p,)₂He³;

1D²(,n)2He³; 1T³(,n)2He⁴; 2He³(,p)2He⁴ т.б. үлкен мөлшерде энергия бөлiнетiндiгi анықталды. Бiрақ осы реакция кезiнде алынған жаңа активтi бөлшектер жоғары энергияға ие болғанымен осы ядролық реакцияны əрi жалғастыру орнына, келесi жаңа ядромен соқтығысқанға дейiн энергиясын жоғалтады. 1939 жылға дейiн осындай ядролық реакция кезiнде энергияның бөлiнуiне байланысты əрi қарай ядролық реакцияны жалғастырып жаңа реакцияны жүзеге асыратындығы, өздiгiнен реакцияны ары жалғастыратын қасиеттерi болатындығы, белгiсiз болды.

1938 жылы Ирэн, Жолио-Кюрилер мен Савичтiң зерттеуiнде уранды нейтронмен атқылағанда лантан (57La¹⁴⁷), ал Ган мен Штрассман зерттеуiнде барий (₅₆Ba¹⁴⁰), бөлінетіні анықталды. Олай болса уран атомын нейтронмен атқылағанда, ураннан ауыр емес, одан екi еседей жеңiл атомдар ядросы пайда болатыны анықталады. Осындай ядроның бөлiну реакциясында өте үлкен энергия бөлiнiп шығады.

Табиғи уран екi изотоптан (U²³⁵ жəне U²³⁸) тұрады олардың

негiзгi массасын U²³⁸ құрайды, ал U²³⁵ қоспаның 0.714% ғана құрайды. Зерттеулерде U²³⁵ баяу нейтрон əсерiнен бөлiнетiндiгi,

ал U²³⁸ тек жылдам нейтрондар əсерiнен бөлiнетіндігі анықталды. Уран U²³⁵ - ядросы бөлiнгенде одан орташа 195 Мэв энергия бөлiнiп шығады да, жарықшалар қарама-қарсы бағытта шашырайды жəне олар жоғары кинетикалық энергияға ие болады. Бөлiну реакциясы кезiнде екi немесе үш нейтрон бөлiнедi. Олардың бөлiнуi əрi қарай өздiгiнше ядролық

реакцияны (тiзбектi) жалғастыру мүмкiндiгiн тудырады.

₉₂ U ²³⁵ n U ²³⁶; U ²³⁶ Te ¹³⁷ Zr ⁹⁷ 2 n (6.7.1)

~ 223 ~

Уран (U²³⁵) нейтронды қармау кезiнде орнықсыз уран (U²³⁶) ядросын құрайды да ол өздiгiнен екi жарықшаға бөлiнедi. Нəтижесiнде теллур (Те¹³⁷) жəне цирконийдiң (Zr⁹⁷) радиоактивті изотоптарына жіктеледі. Олар бiрнеше рет радиоактивті түрленуге қатысып, соңында тұрақты Ва¹³⁷ жəне Мо⁹⁷ ядросының изотоптарына айналады.

Негiзiнен U²³⁵ нейтронмен əсерлесу кезiнде, 233 немесе 234 нуклон жарықшақ ядросына кетедi. Егер жарықшаққа 234 нуклон кетсе, онда екi нейтрон бөлiнедi, ал жарықшағы 233 нуклон кетсе, онда үш нейтрон бөлiнедi.

₉₂ U ²³⁵ n ₉₂ U ²³⁶; ₉₂ U ²³⁶ ₃₆ Kr ⁹¹ ₅₆ Ba ¹⁴² 3n

немесе

₉₂ U ²³⁵ n U ²³⁶; U ²³⁶ ₅₆ Ba ¹⁴⁰ ₃₆ Kr ⁹³ 3n (6.7.4)

бөлiнедi.

Зерттеулерге байланысты (₉₂U²³⁵) - уран ядросының бөлiну реакциясының өнiмiнде селен мен гольмий арасындағы барлық элемент кездеседi. Сондықтан да ядроның бөлiну моментiндегi шығаратын нейтронның орташа саны 2,5-ке тең. Бұл бөлiнген нейтрондар, одан əрi өздiгiнше реакцияларға қатысып, реакцияны жалғастыра түседi. Бөлiнiп шыққан нейтрондардың энергетикалық спектрiнiң шегi 0-ден 7 Мэв аралығында болады. Орташа бiр нейтронға 2 Мэв энергия сəйкес келедi.

Уран (92U²³⁸) ядросы баяу нейтронды қармау нəтижесiнде, уран 239 (92U²³⁹) ядросына айналады жəне 5,3 Мэв энергия шығарады. Ол (U²³⁹) орнықсыз ядро, өздiгiнше - бөлшегiн

шығарып, нəтижесiнде нептунийге айналады. Уран -238 жылулық нейтронды қармау кезiнде жарықшаққа бөлiнбейдi. Уран-238

~ 224 ~

нейтрон əсерiнен жарықшаққа жiктелу үшiн, нейтронның кинетикалық энергиясы 1,8 Мэв - тан кем болмау керек.

Уран - 239 қармау реакциясының сұлбасын қарастырайық.

₉₂ U ²³⁸ n ₉₂ U ²³⁹ _{- орнықсыз}

92 ^{U 239} 93 ^{Np 239} 1 ^e _{; 93 Np} ²³⁹ _{94 Pu} ²³⁹ _{1 e (6.7.5.)}

Қармау реакциясының нəтижесiнде уран (238) -ден уран (239), одан нептуний, одан плутоний, яғни трансурандық (уран кейiнгi) элементтер алынады. Нептуний (93Np²³⁹) радиоактивті, оның жартылай ыдырау уақыты 2, 3 күн, сондықтан да ол тез, плутонийге айналады, ал плутоний ядросы орнықты, оның жартылай ыдырау уақыты 24 мың жыл. Плутоний - 239 да, уран - 235 сияқты баяу нейтронды қармайды.

6.1-суретте уран – 235-тiң атом ядросының бөлiнуi көрсетiлген, мұнда соқтығысқан нейтрон əсерiнен Kr⁹¹ мен Ba¹⁴² жарықшақтары жəне үш нейтрон бөлiнедi.

Атом ядросының бөлiну реакциясын жəне теориясын Бор, Уилер жəне Френкель жасады. Осы теория негiзi бойынша уран ядросы сұйық тамшы тəрiздес, оған бөлшектер соқтығысқанда ядро iшiндегi нейтрондар тербеледi, нəтижесiнде ядро үзiлiп, екi жарықшаққа жіктеліп, үлкен энергия бөлінеді (жарықшақтар энергиясының жиынтығы 166 Мэв құрайды). Бөлiну реакциясындағы өнiмнiң жалпы энергиясы шамамен 200 Мэв-қа тең.

6.1-сурет

Бөлiнген кездегi жарықшақтар радиоактивті, олардан бiрiнен кейiн бiрi өтетiн тiзбектi -ыдырау басталады. Жарықшақ-

~ 225 ~

тардың өздерi де нейтрондар шығарып ыдырайды жəне басқа ядроға немесе изотоптарға айналады. Мұндай нейтрондар

кiшкене нейтрондар деп аталады.

Бөлiну реакциясы, ядро шегi мен нейтрон энергиясына тəуелдi болады. Энергиясы (Е>100 Мэв) жоғары нейтрондар əсерiнен кез келген жеңiл, орташа жəне ауыр ядролар бөлiнедi. Ал энергиясы бiрнеше Мэв нейтрондар, ауыр ядроларды (массалық саны А=210-нан жоғары) бөле алмайды. Кейбiр ауыр

ядролар кезкелген нейтрондардың (энергиясы 0-ден бастап) əсерiнен бөлiнедi. Мұндай ядро қатарына (92U²³³; 92U²³⁵)- уран изотоптары, (94Pu²³⁹; 94Pu²⁴¹)-плутоний изотоптары, (95Am²⁴²;

95Am²⁴⁵)-америций изотоптары жəне басқа трансурандық элементтер жатады.

Кейбiр ядролар өздiгiнен, сыртқы күштiң əсерiнсiз бөлiнедi. Табиғатта ондай ядролардың үшеуi ғана 99U²³⁸; 90Th²³²; 91Pa²³¹ белгiлi.