В 1934 році італійський фізик Е.Фермі виявив, що опромінений нейтронами уран, перетворюється по такій схемі:
92 U 238 + 0n1 ⇒ 92 U 239 ⇒ -1 e 0 + 93 Np 239
93 Np 239 ⇒ -1 e 0 + 94 Pu 239 ⇒ 2 He 4 + 92 U 235
Тут в реакції утворюються елементи, які мають порядковий номер більший, ніж 92. Такі елементи називаються трансурановими. 93 –й елемент - нептуній. Цей елемент бета-радіоактивний з періодом піврозпаду 2,3 дня. 94-й елемент - плутоній альфа-радіоактивний з періодом піврозпаду 24 години.
У наступні роки при опроміненні важких ядер нейтронами, альфа-частинками і важкими іонами було добуто ізотопи трансуранових елементів із все більшими значеннями атомного номера. На сьогодні – це 110 елементів. Встановлено, що періоди піврозпаду цих елементів коротшають із збільшенням порядкового номера.
Поділ важких ядер.
У 1938 році німецькі фізики Ганн і Штрассман при опроміненні ядер урану нейтронами одержали елементи, які знаходяться в середній частині таблиці Менделєєва. Це означало, що відбувся поділ ядра урану на два осколки – цезій і рубідій.
Було встановлено, що поділ може відбуватися різними способами. Але найчастіше утворюються осколки, маси яких відносяться як 2:3. По скільки енергія зв’язку на один нуклон для важких ядер менша, ніж у ядер середньої маси, то при поділі важких ядер виділяється енергія. Утворені осколки є переобтяжені нейтронами, тому декілька з них вивільняється. Реакція поділу ядра така:
92 U 235 + 0 n 1 ⇒ 92 U 236 ⇒ 55 Cs 140 + 37 Rb 96 + 2 0n 1
Більшість нейтронів вивільняється відразу (~ 10-14 с ) , але близько 1% нейтронів вивільняється з запізненням до 1 хвилини. Всередньому при поділі кожного ядра вивільняється ~ 2,5 нейтронів.
Навіть при такому вивільненні нейтронів, новоутворені ядра все ще залишаються переобтяжені нейтронами. Тому вони є радіоактивні. Такі ядра зазнають кілька - разового бета – розпаду, поки не утворюються стабільні ізотопи. При цьому виділяється гамма – випромінювання.
Було досліджено, що ядра 92U235 діляться при бомбардуванні їх будь-якими нейтронами. Але особливо добре – повільними нейтронами. Ядра 92U 238 діляться лише швидкими нейтронами.
Так як при поділі важких ядер вивільняються нові нейтрони, то їх можна використати для поділу наступних ядер. Таким чином виникає можливість здійснення ланцюгової реакції.
Нехай після кожного ділення випускаються три нейтрони. Тоді один нейтрон може викликати ділення і породити три нові нейтрони. Ці нейтрони називають нейтронами першого покоління Вони в свою чергу створять 9 нових нейтронів другого покоління. В третьому поколінні виникне 27 нейтронів і т.д. Так виглядає схема розмноження нейтронів. Початковий нейтрон відіграє роль сірника, який запалює пальне. Такий тип реакції і є ланцюговою реакцією
. Але під час поділу ядер не всі нейтрони викликають наступні поділи ядер. Частина нейтронів може бути захоплена домішками до урану, які не діляться, а частина може вилетіти за межі об’єму пального. Тому умовою виникнення ланцюгової реакції є наявність розмноження нейтронів. Такий процес характеризують коефіцієнтом розмноження k, який дорівнює
k = N i / N i-1.
Тут N i - кількість нейтронів, що викликають поділ ядер на наступному етапі;
N i-1 - кількість нейтронів, що викликають ядер поділ на попередньому етапі.
Якщо k > 1, то ланцюгова реакція розвивається у формі вибуху; якщо k = 1, то реакція буде стаціонарною, тобто сама себе буде підтримувати, і якщо k < 1, реакція швидко затухає.
Керована ланцюгова реакція.
Практичне здійснення ланцюгової реакції складне. Природний уран є сумішшю двох ізотопів: 92 U 235 в кількості 0,7 % і 92 U 238 в кількості 99,3 %. Ці ізотопи під дією нейтронів ведуть себе по-різному. Ядра урану 92 U 235 діляться нейтронами будь-яких енергій, а ядра 92 U 238 - лише дуже швидкими нейтронами з енергією понад 1 МеВ. Нейтрони меншої енергії поглинаються ядрами цього урану без наступного поділу.
Ця істотна відмінність у поведінці ізотопів робить неможливим здійснення ланцюгової реакції в природньому урані. Щоб здійснити такцу реакцію, слід:
- виділити U235 з природнього, що дуже складно;
- збагатити природній уран ядрами U235.
Але питання про принципову можливість керування ланцюговою реакцією є дуже цікавим. Це можливо, якщо коефіцієнт розмноження нейтронів автоматично підтримувати рівним одиниці. Така керована ланцюгова реакція має місце у ядерних реакторах.
Основними елементами ядерних реакторів є ядерне пальне, пристрій для регулювання ходу ядерної реакції, запобіжні пристрої, які забезпечують захист від випромінювання, теплоносій, який відводить надлишоу теплоти. В реакторах на повільних нейтронах важливим елементом є сповільнювач.
| 
