Ядерные реакции, их классификации. Деление ядер под действием нейтронов, цепная реакция деления. Ядерные реакторы. Ядерные реакции и их классификации Ядерные реакции классифицируют по виду бомбардирующих ядро

Ядерной реакцией называется процесс перестройки ядра, сопровождаемый генерацией новых частиц, возникающий под действием или в результате взаимодействия двух ядер или ядра и частицы при их сближении до расстояний, на которых начинает проявляться действие ядерных сил .

В лабораторных условиях ядерные реакции осуществляются в основном при бомбардировке ядер пучками быстрых частиц. В результате столкновения появляются новые частицы, перераспределяется энергия и ймпульсы частиц.

Запись реакции производится либо в форме, аналогичной записи химических реакций:

Либо, что более принято в ядерной физике, как

где а - частица пучка, А - ядро мишени, вылетающая частица, В - ядро-продукт (или конечное ядро).

Полная запись ядерной реакции содержит символы элементов, число зарядов и массовые числа. Например, первую реакцию осуществленную Резерфордом в 1919 г., можно записать в виде

Если речь идет об общем типе реакции, безотносительно к частному виду мишени, то запись производится и в такой форме:

Первая буква в скобке обозначает тип налетающей частицы, буква (или буквы) после запятой показывает, какие частицы образуются в результате реакции помимо ядра отдачи.

Столкновение бомбардирующей частицы с ядром мишени может вызвать различные эффекты:

1. Упругое рассеяние - взаимодействие, при котором частица и ядро сохраняют свою индивидуальность и происходит только перераспределение их кинетической энергии. Движение частиц после взаимодействия подчиняется законам упругого удара. Состав и внутренняя энергия ядра, так же как и вид частицы, при этом не меняются:

2. Неупругое рассеяние. В этом случае вылетает частица того же вида, что и падающая, но конечное ядро образуется в возбужденном состоянии, что обозначается звездочкой. Состав ядра при этом также не меняется:

3. Собственно ядерная реакция - взаимодействие, при котором изменяются внутренние свойства и состав ядра мишени и вылетает новая частица:

Каждое из такого рода уравнений определяет, как говорят, свой канал реакции.

При исследовании ядерной реакции стремятся определить: вероятность протекания ее по различным каналам при различных энергиях падающих частиц - так называемый «выход» данной реакции, угловое и энергетическое распределение продуктов реакции.

Как уже говорилось, эффективное сечение реакции выражает вероятность возникновения данного превращения за при бомбардировке ядра потоком с плотностью в 1 частйцу в сек на Если в мишени содержится ядер и на нее падает поток I частиц на в 1 сек, то происходит ядерных превращений в 1 сек. Полное эффективное сечение представляет собой сумму сечений процессов по всем каналам

Важной характеристикой реакции является зависимость эффективного сечения от энергии падающей частицы:

Эти зависимости называют функциями возбуждения ядерной реакции.

Выход реакции при данной энергии падающих частиц, т. е. отношение числа происшедших актов реакции к числу упавших на мишень частиц при условии, что на все ядра мишени падает одинаковый поток бомбардирующих частиц. Выход можно рассчитать, зная эффективное сечение процесса где число атомов мишени в столбике сечением и высотой, равной толщине мишени

Если плотность вещества мишени, то

Для толстой мишени, в которой происходит как изменение энергии, так и уменьшение потока частиц, выражение для выхода ядерных реакций имеет более сложный вид.

Наши задачи: познакомить с основными видами радиоактивного распада, в виртуальных экспериментах показать цепочки радиоактивных превращений и способ измерения постоянной распада.

Ядерная реакция - вынужденное превращение атомного ядра под действием других частиц (о спонтанном изменении атомных ядер путём испускания элементарных частиц - радиоактивности читайте в другой лекции).

Если Вы сомневаетесь, видели ли когда нибуть ядерную реакцию, взгляните в ясный день на небо. О реакциях на Солнце поговорим позднее.

Чаще всего на ядро А налетает сравнительно легкая частица а (например, нейтрон, протон, α -частица и т.д.), и при сближении на расстояние порядка 10 -15 м в результате действия ядерных сил образуется ядро В и более легкая частица b .

Совокупность частиц и ядер, вступающих в реакцию (на рисунке А + а ), называют входным каналом ядерной реакции, а получающиеся в результате реакции - выходными каналами. Если кинетическая энергия налетающей частицы а невелика, то образуется две частицы: собственно частица и ядро.

Упругое и неупругое рассеяния - частные случаи ядерного взаимодействия, когда продукты реакции совпадают с исходными.

Классификация ядерных реакций

Можно придумать великое множество выходных каналов для любой реакции. Однако большинство из них окажется невозможным. Выбрать осуществимые на деле реакции помогают законы сохранения:

Последние два верны для сильного взаимодействия. В ядерных реакциях проявляется еще целый ряд законов, они существенны для реакций с элементарными частицами, их назовем в другом месте.

Совокупность законов сохранения позволяет отобрать возможные выходные каналы реакции и получить важные сведения о свойствах взаимодействующих частиц и продуктов реакции. Прямые ядерные реакции

В прямой реакции частица успевает столкнуться с одним (реже с двумя - -тремя) нуклонами. Эти реакции протекают очень быстро - за время пролета частицы через ядро (10 -22 - 10 -21 с). Рассмотрим для примера (n,p)-реакции. Импульс нейтрона передается в основном одному нуклону, который сразу вылетает из ядра, не успев обменяться энергией с остальными нуклонами. Поэтому нуклоны должны вылетать из ядра преимущественно в переднем направлении. Энергия вылетевшего нуклона должна быть близка к энергии налетающего.

Кинетическая энергия налетающей частицы должна быть достаточно большой (представьте стенку, сложенную из кубиков. Если резко ударить по одному из них, то его можно выбить, почти не затронув остальных. При медленном воздействии стенка развалится.)

При малых энергиях может идти реакция срыва (d,p). Дейтрон поляризуется при приближении к ядру, нейтрон захватывается ядром, а протон продолжает движение. Для такого процесса взаимодействие должно происходить у края ядра. В дейтроне протон и нейтрон связаны слабо.

Рис.2 Схема экзотермической реакции

Энергетическая схема ядерной реакции

Изобразим ядерную реакцию в виде энергетической диаграммы (рис.2). Левая часть рисунка относится к первой стадии - образованию составного ядра, правая - распад этого ядра. T" a - часть кинетической энергии налетающей частицы, пошедшая на возбуждение ядра, ε a - энергия связи частицы a в составном ядре, ε b - энергия связи частицы b в том же ядре.

Налицо кажущееся противоречие: ядро C - квантовомеханическая система с дискретными энергетическими уровнями, а энергия возбуждения, как видно из (1), непрерывная величина (энергия T a может быть любой). Разобраться с этим позволит следующий раздел.

Сечение ядерной реакции, идущей через составное ядро

Рис.3 Размытие энергии уровня возбужденного состояния

Поскольку есть две независимые стадии в ходе реакции, сечение можно представить в виде произведения сечения образования составного ядра σ сост и вероятности распада его по i -му каналу f i

Атомное ядро является квантовой системой. Поскольку каждый из возбужденных уровней спектра имеет конечное среднее время жизни τ , ширина уровня Γ также конечна (рис.3) и связана со средним временем жизни соотношением, являющимся следствием соотношения неопределенности для энергии и времени Δt·ΔE ≥ ћ :

Рассмотрим случай, когда уровни энергии составного ядра разделены (ширины уровней Γ меньше расстояний между ними ΔE ). При совпадении энергии возбуждения с энергией одного из уровней E 0 сечение реакции (a,b) будет иметь резонансный максимум. В квантовой механике доказывается, что сечение образования составного ядра описывается формулой Брейта-Вигнера

(6)

где λ a - длина волны де Бройля падающей частицы, Γ - полная ширина уровня, Γ a - ширина уровня относительно упругого рассеяния (частичная, парциальная ширина).

Разберемся с ширинами уровня. Вероятность распада составного ядра f i обратно пропорциональна времени жизни τ i относительно этого распада. А время жизни τ i в свою очередь согласно (5) обратно пропорционально ширине Γ i , называемой парциальной (частичной). В итоге вероятности f i пропорциональны ширинам Γ i , и их можно представить

Рис.4 Сечение образования составного ядра

Сумма Σf i = 1 , а ΣΓ i = Γ . С парциальными ширинами удобней иметь дело, чем с вероятностями.

Полная ширина уровня Γ слабо зависит от скорости налетающей частицы v a , а Γ a пропорциональна этой скорости. Длина волны де Бройля обратно пропорциональна скорости v a . Поэтому вдали от резонанса при малых скоростях сечение растет как 1/v a (можно себе объяснить это тем, что медленная частица больше времени проводит у ядра, и вероятность захвата ее увеличивается). При E ~ E 0 сечение захвата резко возрастает (рис.4). В формуле (6) E - кинетическая энергия налетающей частицы, а E 0 - энергия уровня составного ядра, отсчитанная от энергии связи : энергия уровня = ε a + E 0 . Ядерные реакции под действием нейтронов

Основные реакции под действием нерелятивистских нейтронов показаны на схеме (рис.5). Там и в дальнейшем будем обозначать буквой A ядро с массовым числом A .

Рассмотрим их по порядку.

Упругое рассеяние

Нейтроны в ядерных реакциях с заряженными частицами и при делении ядер рождаются быстрыми (T n порядка нескольких МэВ), а поглощаются, как правило, медленными. Замедление происходит за счет многократных упругих столкновений с ядрами атомов.

Есть две возможности: отклонение нейтрона полем ядра без захвата - потенциальное рассеяние , и вылет нейтрона из составного ядра - резонансное рассеяние . Так что сечение есть сумма σ упр = σ пот + σ рез .

Рис.6 Сечение упругого рассеяния нейтронов на ядрах урана

В сечении резонансного рассеяния

ширина Γ n прямо пропорциональна скорости, а длина волны де Бройля λ обратно пропорциональна ей. Поэтому в зависимости от энергии имеем только резонансный пик при E = E 0 . В итоге для зависимости сечения упруго рассеяния нейтронов от энергии имеем пьедестал с резонансными пиками (рис.6).

Неупругое рассеяние

Ядро-рассеиватель оказывается в возбужденном состоянии: n + A => (A+1) * => A * + n . Очевидно, реакция имеет пороговый характер: энергия налетающего нейтрона должна быть достаточна для перевода ядра-мишени в возбужденное состояние. Изучая спектры нейтронов и сопровождающего γ - излучения, получают сведения о структуре энергетических уровней ядра.

Несколько слов о том, как можно измерить сечение неупругого рассеяния . При кинетической энергии нейтронов, большей примерно 1 МэВ,

Здесь N - концентрация ядер в мишени. Несколько измерений с разными толщинами позволяют найти сечение σ неупр .

Радиационный захват

Радиационный захват - захват нейтрона, образование составного ядра в возбужденном состоянии и последующий переход в основное с испусканием γ-излучения n + (A,Z) => (A+1,Z) * => (A+1,Z) + γ . Энергия возбуждения составного ядра (2), а значит и суммарная энергия γ-квантов, превышает энергию связи нейтрона в ядре, т.е. 7 - 8 МэВ.

Как проявляется радиационный захват?
• испускание γ-квантов;
• в радиоактивности (вылету β-частиц) образовавшегося ядра (A+1,Z) (очень часто ядро (A+1,Z) нестабильно);
• в ослаблении потока нейтронов N = N 0 exp(-σ β nd) (σ β - сечение радиационного захвата, d - толщина мишени).

Рис.10 Сечение радиационного захвата ядрами индия.

При малых энергиях нейтронов очень сильны резонансные эффекты и сечение радиационного захвата

Для медленных нейтронов Γ = Γ n + Γ γ и Γ γ ≈ const ~ 0.1 эВ . Поэтому зависимость сечения радиационного захвата от энергии повторяет зависимость сечения образования составного ядра. Отметим очень большое значение сечения захвата индием (рис.10) при энергии нейтронов 1.46 эВ. Оно на 4 порядка превышает геометрическое сечения ядра. Индий включают в соединения с кадмием для использования в качестве поглощающих материалов в реакторах.

Как отмечалось, ядро (A+1,Z) , образовавшееся в результате захвата нейтрона очень часто радиоактивно с коротким периодом полураспада. Радиоактивное излучение и радиоактивный распад хорошо известны для каждого элемента. С 1936 года наведенная облучением нейтронами радиоактивность используется для идентификации элементов. Метод получил название "активационный анализ" . Достаточно пробы около 50 мг. Активационный анализ может обнаружить до 74 элементов и используется для определения примесей в сверхчистых материалах (в реакторостроении и электронной промышленности), содержания микроэлементов в биологических объектах при экологических и медицинских исследованиях, а также в археологии и криминалистике. Активационный анализ успешно используется также при поиске полезных ископаемых, для контроля технологических процессов и качества выпускаемой продукции.

Деление ядра - явление, при котором тяжелое ядро делится на два неравных осколка (очень редко на три). Открыто оно в 1939 году немецкими радиохимиками Ганом и Штрасманом, которые доказали, что при облучении урана нейтронами образуется элемент из середины периодической системы барий 56 Ba .

Через несколько дней после известия об этом итальянский физик Э.Ферми (переехавший в США) поставил опыт по наблюдению осколков деления. Соль урана была нанесена на внутреннюю сторону пластин импульсной ионизационной камеры (рис.11). При попадании заряженной частицы в объем камеры на выходе имеем электрический импульс, амплитуда которого пропорциональна энергии частицы. Уран радиоактивен, α-частицы дают многочисленные импульсы малой амплитуды. При облучении камеры нейтронами обнаружены импульсы большой амплитуды, вызванные осколками деления. Осколки обладают большими зарядом и энергией ~100 МэВ. Несколькими днями раньше Отто Фриш наблюдал осколки в камере Вильсона.

Различают
• вынужденное деление - деление под действием налетающей частицы (чаще всего нейтрона)

  Обычно кинетическая энергия налетающей частицы T a невелика и реакция идет через составное ядро: a + A => C * => B 1 + B 2

• спонтанное деление (самопроизвольное) . Открыто советскими физиками Флеровым и Петржаком в 1940 году. Уран 235 U делится с периодом полураспада примерно 2*10 17 лет. На 1 деление приходится 10 8 α-распадов, и обнаружить это явление чрезвычайно трудно.

С помощью капельной модели выясним основные условия возможности деления.

Энергия деления

Рассмотрим деление ядра C на два осколка C => B 1 + B 2 . Энергия будет выделяться, если энергии связи ядра и осколков связаны соотношением

G оск = G C - G 1 - G 2 На основе капельной модели выясним, при каких массовых числах A C и порядковых номерах Z C условие (7) выполняется.

(8)

Подставим эти выражения в (7), при этом примем для меньшего осколка Z 1 = (2/5)Z C , A 1 = (2/5)A C и для более тяжелого Z 2 = (3/5)Z C , A 2 = (3/5)A C .

Первые и четвертые слагаемые в (8) сократятся, т.к. они линейны относительно A и Z .

Первые два слагаемых в (9) - изменение энергии поверхностного натяжения ΔW пов , а последние два - изменение кулоновской энергии ΔW кул . Неравенство (7) теперь выглядит так

G оск = - ΔW пов - ΔW кул = 0.25·ΔW пов - 0.36·ΔW кул

Если Z 2 /A > 17 , то энергия выделяется. Отношение Z 2 /A называют параметром деления .

Условие Z 2 /A > 17 выполняется для всех ядер, начиная с серебра 47 108 Ag . Ниже станет ясно, почему в реакторах используется в качестве горючего дорогой уран, а не более дешевые материалы.

Механизм деления

Условие Z 2 /A > 17 выполняется для всех элементов второй половины таблицы Менделеева. Однако опыт говорит, что делятся только очень тяжелые ядра. В чем дело? Вспомним α -распад. Очень часто он энергетически выгоден, а не происходит, т.к. препятствует кулоновский барьер. Посмотрим, как обстоит дело в случае деления. Возможность деления зависит от величины суммы поверхностной и кулоновской энергий исходного ядра и осколков. Посмотрим, как меняются эти энергии при деформации ядра - увеличении параметра деления ρ .

Энергия поверхностного натяжения W пов увеличивается, затем, когда осколки примут сферическую форму, остается постоянной. Кулоновская энергия W кул только уменьшается, сначала медленно, а затем как 1/ρ . Сумма их при Z 2 /A > 17 и Z 2 /A ведет себя, как показано на рисунке 13. Налицо наличие потенциального барьера высотой B f , препятствующего делению. Спонтанное деление может происходить за счет квантово-механического явления просачивания (туннельного эффекта), но вероятность этого чрезвычайно мала, поэтому период полураспада, как упоминалось выше, очень велик.

Если Z 2 /A > 49 , то высота барьера B f = 0 , и деление такого ядра происходит мгновенно (за ядерное время порядка 10 -23 с).

Для деления ядра надо сообщить ему энергию, бОльшую B f . Это возможно при захвате нейтрона. В этом случае формула (2) будет выглядеть как

(11)

Здесь ε n - энергия связи нейтрона в ядре, получившегося при его захвате; T n - кинетическая энергия налетающего нейтрона.

Подведем итог рассмотрения взаимодействия нейтронов.

В отличие от нейтронов при рассмотрении столкновений заряженных частиц с ядром необходимо учитывать наличие кулоновского

Например, для протонов при столкновении с ядром кислорода высота барьера составит 3.5 МэВ, а с ураном - 15 МэВ. Для α -частиц высоты барьеров в 2 раза выше. Если кинетическая энергия частицы T , есть вероятность, что частица попадет в ядро за счет туннельного эффекта . Но прозрачность барьера чрезвычайно мала, скорей всего произойдет упругое рассеяние. По этой же причине заряженной частице трудно покинуть ядро. Вспомним α -распад .

Зависимость сечения ядерной реакции для заряженных частиц имеет пороговый характер. Но резонансные пики слабо выражены или совсем отсутствуют, т.к. при энергиях ~МэВ плотность уровней ядра велика и они перекрываются.

В будущем большие надежды связаны с термоядерными реакциями синтеза типа 2 H + 2 H => 3 He + p или 2 H + 3 H => 4 He + n , которые отличаются очень большим выделением энергии. Препятствием для осуществления таких реакций является кулоновский барьер. Надо разогревать вещество до таких температур, чтобы энергия частиц kT позволила им вступить в реакцию. Температура 1.16·10 7 соответствует 1 кэВ. Для получения самоподдерживающейся "плазменной" реакции должны выполняться три условия:

плазма должна быть нагрета до требуемых температур,

плотность плазмы должна быть достаточно высокой,

температура и плотность должны поддерживаться в течение длительного интервала времени.

И тут сплошные проблемы: удержание плазмы в магнитных ловушках, создание материалов для реактора, которые выдержали бы мощное нейтронное облучение и т.п. Пока неясным является даже то, насколько может быть рентабельным производство электроэнергии с использованием термоядерного синтеза. Наблюдается постоянный прогресс в исследованиях.

Максимальная потеря энергии (минимальная E" n ) будет при θ = π : E" мин = αE (для водорода E" мин = 0 ).

При малых энергиях (см. (1)) рассеяние изотропно, все значения углов θ равновероятны. Поскольку между углом рассеяния θ и энергией рассеянного нейтрона E" n связь однозначная (12), распределение нейтронов по энергии после однократного рассеяния будет равномерным (рис.15). Его можно представить в виде формулы

(13)

Средняя логарифмическая потеря энергии. Замедляющая способность. Коэффициент замедления

Посмотрим, как скажется на энергии нейтрона большое число столкновений. При этом удобно пользоваться не шкалой энергий, а шкалой логарифмов ε = lnE : мы видели (см. (12)), что E"/E не зависит от E , т.е. в среднем одинаков процент потери энергии. На шкале энергий изменение энергии выглядит так

Т.е. именно lnE , а не E меняется на более или менее фиксированную величину.

Средняя энергия нейтрона после столкновения

Средняя потеря энергии

Средняя логарифмическая потеря энергии

ξ не зависит от E . Движение вдоль оси lnE равномерное. Можно просто подсчитать среднее число столкновений n для замедления от E нач до конечной E кон :

(14)

В таблице ниже приведены значения ξ и n для ряда ядер при замедлении нейтрона от энергии 1 МэВ до тепловой 0.025 эВ.

Разглядывая 4-ую колонку, может показаться, что лучше других замедляет водород. Но надо учесть еще частоту столкновений. Для газообразного и жидкого водорода ξ = 1 , но ясно, что путь, проходимый при замедлении будет разный. В 5-ой колонке приведены логарифмические потери ξ , умноженные на частоту столкновений - замедляющая способность . И здесь лучший замедлитель - обычная вода. Но хороший замедлитель должен слабо поглощать нейтроны. В последней, 6-ой колонке, средняя логарифмическая потеря умножена на отношение макроскопических сечений рассеяния и поглощения. Сравнивая числа, понятно, почему в атомных реакторах в качестве замедлителя используют тяжелую воду или графит.

Среднее время замедления

Оценим время, необходимое нейтрону для замедления в результате столкновений от начальной энергии E 0 до конечной E к . Разобьем ось энергий на малые отрезки ΔE . Число столкновений на отрезке ΔE вблизи E

Длина свободного пробега λ s определяется сечением упругого рассеяния σ s и концентрацией ядер замедлителя N

, (15)

где Σ s - величина, называемая макроскопическим сечением . Время, требуемое для замедления на ΔE , определим как произведение отрезка времени на прохождение длины свободного пробега на число столкновений на ΔE

Переходя к бесконечно малым величинам и интегрируя, получим для времени замедления t

Например, для бериллия при E 0 = 2 МэВ, E к = 0.025 эВ, λ s = 1.15 см, ξ = 0.21 получаем ~3.4·10 -5 с. Отметим, что,во-первых, эта величина много меньше периода полураспада свободного нейтрона (~600 с), и, во-вторых, она определяется движением вблизи конечной энергии.

Пространственное распределение нейтронов

Пусть в среде имеется точечный изотропный источник быстрых нейтронов с начальной энергией E 0 . Расстояние L зам , на которое в среднем удаляются нейтроны при замедлении до E к , называется длиной замедления . Реальный путь, проходимый нейтроном, существенно больше, т.к. траектория движения - это ломаная линия из отрезков длиной λ s . Величина L зам определяется параметрами среды замедления, начальной и конечной энергией нейтрона:

Для тяжелой воды при замедлении от 2 МэВ до тепловой 0.025 эВ L зам ~ 11 см, для графита ~ 20 см.

В результате замедления в объеме с радиусом порядка длины замедления рождаются тепловые нейтроны с максвелловским распределением по энергии. Тепловые нейтроны начинают диффундировать (хаотически двигаться), распространяясь по веществу во все стороны от источника. Этот процесс описывается уравнением диффузии с обязательным учетом поглощения нейтронов

(16)

В этом уравнении Φ - поток нейтронов (число нейтронов, пересекающих единичную площадку в единицу времени), Σ s и Σ a - макроскопические сечения рассеяния (см. (15)) и поглощения, соответственно, D - коэффициент диффузии, S - источник нейтронов. В этом уравнении первое слагаемое описывает движение нейтронов в веществе, второе - поглощение, и третье рождение.

Основной характеристикой среды, описывающей процесс диффузии, является длина диффузии L дифф

Длина диффузии характеризует среднее удаление нейтрона от источника до поглощения. Для тяжелой воды L дифф ~ 160 см, для графита ~ 50 см. Обычная вода сильно поглощает нейтроны и L дифф всего 2.7 см. Насколько извилист и длинен путь нейтрона при диффузии можно судить, если сравнить длину диффузии (в графите 50 см) со средней длиной пути нейтрона до поглощения λ a = 1/Σ a (в том же графите 3300 см).

На практике часто имеют дело с переходом нейтронов из одной среды в другую. Например, активная зона реактора окружена отражателем. Коэффициент отражения β - доля нейтронов, возвращающихся в среду, имеющую источники, из окружающей среды без источников. Приближенно, β ≈ 1 - 4·D/L дифф , где параметры относятся к среде без источников. Например, из графитового отражателя β = 0.935, т.е. 93% нейтронов вернется. Графит - отличный отражатель. Лучше только тяжелая вода, где β = 0.98!

Цепная реакция в среде, содержащей делящееся вещество

Имеем однородную среду, содержащую делящееся вещество. Посторонних источников нейтронов нет, они могут появляться только в результате деления ядер. Будем считать, что все процессы идут при одной энергии (так называемое односкоростное приближение ). Вопрос: можно ли из этого вещества сделать шар, в котором поддерживалась бы стационарная цепная реакция?

Нам потребуются:

• макроскопическое сечение поглощения нейтронов Σ погл , которое складывается из сечения захвата без деления Σ захв (радиационный захват) и сечения деления Σ дел : Σ погл = Σ захв + Σ дел ;
• среднее число нейтронов υ , освобождающихся в одном акте деления.

Тогда уравнение для потока нейтронов Φ в стационарном случае будет выглядеть как

с граничным условием

,

которое обозначает, что на некотором расстоянии d от шара с делящимся веществом радиуса R поток должен обратиться в ноль.

Если сравнить уравнение для потока Φ с (16), то видно, что в качестве источника выступает величина υΣ дел Φ - число нейтронов, рождаемых в единице объема в единицу времени.

Рассмотрим три случая

υΣ дел - нейтронов рождается меньше, чем поглощается. Очевидно, стационарная реакция невозможна.

• υΣ дел = Σ погл - источник компенсирует поглощение нейтронов. Решение уравнения (17) дает Φ = const только для бесконечной среды , иначе за счет утечки нейтронов через границу среды реакция затухнет.

  υΣ дел > Σ погл - можно подобрать такие размеры шара из делящегося вещества, чтобы излишек нейтронов уходил через границы шара (не допустить ядерного взрыва).

Введем обозначение ω 2 = (Σ погл - υΣ дел)/D > 0 . Уравнение (17) примет вид

(18)

Его общее решение выглядит как

(19)

Коэффициент B в (19) надо положить равным нулю, чтобы решение не расходилось при r = 0 . Нахождение окончательного решения осложнено корректным учетом граничного условия, и для естественной смеси изотопов урана (235 U - 0.7%, 235 U - 99.3%, Σ погл = 0.357 1/см, Σ дел = 0.193 1/см, υ = 2.46) получаем в качестве минимального значения всего R ≈ 5 см. Чем эта задача отличается от реальной? В действительности нейтроны рождаются быстрыми, и их надо замедлить до тепловых энергий. Первый реактор, построенный Э. Ферми (1942 год), имел размеры порядка 350 см.

Цепная реакция. Атомный реактор

Устройства, в которых энергия получается за счет стационарной цепной реакции деления, называют атомными реакторами (например, говорят, атомная электростанция, АЭС), хотя по сути это ядерные реакторы. Конструкция атомных реакторов очень сложна, но необходимым элементом любого реактора является активная зона, в которой происходит реакция деления.

Активная зона содержит делящееся вещество, замедлитель, управляющие (регулирующие) стержни, элементы конструкции и окружена отражателем нейтронов для уменьшения потерь последних. Все это находится внутри защиты от потока нейтронов, γ -излучения.

Судьба нейтрона в активной зоне

захват ядром урана с последующим делением этого ядра;

захват ядром урана с последующим переходом ядра в основное состояние с испусканием γ -квантов (радиационный захват);

захват ядрами замедлителя или элементов конструкции;

вылет из активной зоны;

поглощение регулирующими стержнями.

Нейтроны испускаются при делении ядер, затем поглощаются или покидают активную зону. Обозначим через k коэффициент размножения - отношение числа нейтронов последующего поколения n i+1 к числу в предыдущем n i

Если ввести время жизни поколения τ , то уравнение для числа нейтронов n и его решение будут выглядеть так

(21)

Если коэффициент k отличен от 1, то число нейтронов убывает (k) или возрастает (k > 1 ) по экспоненциальному закону, т.е.очень быстро.

(Проследите за влиянием коэффициента размножения k и времени жизни поколения τ на динамику числа нейтронов на простом опыте )

Коэффициент размножения k можно представить в виде произведения коэффициента k ∞ для бесконечной среды и вероятности не покинуть активную зону χ

Величина χ зависит от состава активной зоны, ее размеров, формы, материала отражателя.

Рассматривая реактор, работающий на тепловых нейтронов, коэффициент k ∞ можно представить в виде четырех сомножителей

где

ε - коэффициент размножения на быстрых нейтронах (для реальных систем из урана и графита ε ~ 1.03);

p - вероятность избежать резонансного захвата при замедлении. Вспомним, что рождаются нейтроны быстрыми, и при замедлении до тепловых энергий им надо преодолеть область резонансов в сечении поглощения (см. рис.10);

f - доля нейтронов, поглощаемая ядрами урана (а не замедлителя или элементов конструкции). ε·p·f ≈ 0.8 ;

η - среднее число нейтронов, испускаемых на один акт захвата ядром урана (при захвате может произойти деление ядра, а может испускание γ -квантов). η ≈ 1.35 (сравните с ~2.5 для числа нейтронов на один акт деления).

Из приведенных данных следует k ∞ = 1.08 и χ = 0.93 , что соответствует размерам реактора порядка 5 - 10 м.

Критическая масса – минимальная масса делящегося вещества, при которой в нём может происходить самоподдерживающаяся ядерная реакция деления. Если масса вещества ниже критической, то слишком много нейтронов, необходимых для реакции деления, теряется, и цепная реакция не идёт. При массе больше критической цепная реакция может лавинообразно ускоряться, что приведет к ядерному взрыву.

Критическая масса зависит от размеров и формы делящегося образца, так как они определяют утечку нейтронов из образца через его поверхность. Минимальную критическую массу имеет образец сферической формы, так как площадь его поверхности наименьшая. Отражатели и замедлители нейтронов, окружающие делящееся вещество, могут существенно снизить критическую массу. Критическая масса зависит и от химического состава образца.

"Дедушкой" отечественных ядерных реакторов является первый физический реактор Ф-1, получивший статус памятника науки и техники. Он запущен в 1946 году под руководством И.В. Курчатова. В качестве замедлителя использован очищенный графит в виде брусков с отверстиями для урановых стержней. Управление осуществлялось стержнями, содержащими кадмий, сильно поглощающий тепловые нейтроны. В активной зоне котла находилось 400 т графита и 50 т урана. Мощность реактора составляла порядка 100 Вт, специальной системы теплоотвода не было. При работе тепло аккумулировалось в большой массе графита. Затем графитовую кладку охлаждали струей воздуха от вентилятора. Этот реактор исправно работает и до сих пор.

Доля ядерной энергетики в глобальном производстве электричества составляла в разные годы 10-20%. Наибольший процент (~74) электроэнергии производится на АЭС во Франции. В России ~15%.

Как выглядит процесс физического пуска атомного реактора показывает компьютерная модель.

Если Вы хотите проверить, как усвоен материал лекции,

Профессор

И.Н.Бекман

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Лекция 16. ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Развитие ядерной физики в большой степени определяется исследованиями в области ядерных реакций. В данной лекции мы рассмотрим современную классификацию ядерных взаимодействий, их

термодинамику и кинетику, а также приведём отдельные примеры ядерных реакций.

Благодаря действию ядерных сил две частицы (два ядра или ядро и нуклон) при сближении до расстояний порядка 10 -13 см вступают между собой в интенсивное ядерное взаимодействие, приводящее к преобразованию ядра. Этот процесс называется ядерной реакцией. Во время ядерной реакции происходит перераспределение энергии и импульса обеих частиц, которое приводит к образованию нескольких других частиц, вылетающих из места взаимодействия. При столкновении налетающей частицы с атомным ядром между ними происходит обмен энергией и импульсом, в результате чего могут образовываться несколько частиц, вылетающих в различных направлениях из области взаимодействия.

Ядерные реакции – превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, γ -квантами или друг с другом.

Ядерная реакция - процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Э. Резерфорд в 1919, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

Рис. 1. Процессы, происходящие в ходе ядерных реакций

(представлены входной и выходной каналы реакции).

Первая ядерная реакция осуществлена Э. Резерфордом в 1919: 4 He + 14 N→ 17 O + p или 14 N(α,p )17 O. Источником α -частиц являлся α- радиоактивный препарат. Радиоактивные α -препараты в то время были единственными источниками заряженных частиц. Первый ускоритель, специально созданный для изучения ядерных реакций был построен Кокрофтом и Уолтоном в 1932. На этом ускорителе впервые был

получен пучок ускоренных протонов и осуществлена реакция p + 7 Li → α + α.

Ядерные реакции – основной метод изучения структуры и свойств атомных ядер. В ядерных реакциях изучаются механизмы взаимодействия частиц с атомными ядрами, механизмы взаимодействия между атомными ядрами. В результате ядерных реакций получаются новые не встречающиеся в естественных условиях изотопы и химические элементы. Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным

рассеянием.

Следствием взаимодействия бомбардирующих частиц (ядер) с ядрами мишени может быть:

1) Упругое рассеяние, при котором ни состав, ни внутренняя энергия не меняются, а происходит лишь перераспределение кинетической энергии в соответствии с законом внутреннего удара.

2) Неупругое рассеяние, при котором состав взаимодействующих ядер не меняется, но часть кинетической энергии бомбардирующего ядра расходуется на возбуждение ядра мишени.

3) Собственно ядерная реакция, в результате которой меняются внутренние свойства и состав взаимодействующих ядер.

В качестве a и b могут быть взяты нейтрон (n ), протон (p ), α - частица, дейтон (d ) и γ -квант.

Пример 1 . Ядерная реакция

4 He + 14 N→ 17 O+ 1 H

в сокращённом виде записывается как 14 N (α , p ) 17 O

Пример 2. Рассмотрим реакцию 59 Co(p,n). Что является продуктом этой реакции? Решение. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z С

левой стороны имеем 27+1 протон. С правой стороны 0+Х протонов, где Х – атомный номер продукта. Очевидно, Х =28 (Ni). С левой стороны 59+1 нуклонов, а с правой 1+Y нуклонов, где Y =59. Таким образом, продукт реакции 59 Ni.

Реакция может идти несколькими конкурирующими путями:

Разные возможные пути протекания ядерной реакции на втором этапе называют каналами реакции. Начальный этап реакции называется входным каналом.

Рис. 3. Каналы взаимодействия протонов с 7 Li.

Два последних канала реакции в схеме (6) относятся к случаям неупругого (А *+а ) и упругого (А+а ) ядерного рассеяния. Это частные случаи ядерного взаимодействия, отличающиеся от других тем, что продукты реакции совпадают с частицами,

вступающими в реакцию, причём при упругом рассеянии сохраняется не только тип ядра, но и его внутреннее состояние, а при неупругом рассеянии внутреннее состояние ядра изменяется (ядро переходит в возбуждённое состояние). Возможность различных каналов реакции определяется налетающей частицей, её энергией и ядром.

При изучении ядерной реакции представляют интерес идентификация каналов реакции, сравнительная вероятность протекания её по разным каналам при различных энергиях падающих частиц, энергия и угловое распределение образующихся частиц, а также их внутреннее состояние (энергия возбуждения, спин, чётность, изотопический спин).

Ядерные реакции - это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами (в том числе и с γ -квантами) или друг с другом. Символически реакции записываются в виде:

X + a→Y + b , или X(a,b) Y

где X и Y - исходное и конечное ядра, a и b - бомбардирующая и испускаемая (или испускаемые) в ядерной реакции частицы.

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрических зарядов и массовых чисел: сумма зарядов (и массовых чисел) ядер и частиц, вступающих в ядерную реакцию, равна сумме зарядов (и сумме массовых чисел) конечных продуктов (ядер и частиц) реакции. Выполняются также законы сохранения энергии, импульса и момента импульса.

Ядерные реакции могут быть как экзотермическими (с выделением энергии) так и эндотермическими (с поглощением энергии).

Ядерные реакции классифицируются:

1) по роду участвующих в них частиц - реакции под действием нейтронов; заряженных частиц; γ -квантов;

2) по энергии вызывающих их частиц - реакции при малых, средних и высоких энергиях;

3) по роду участвующих в них ядер - реакции на легких (A < 50) ; средних (50 < A 100) ядрах;

4) по характеру происходящих ядерных превращений - реакции с испусканием нейтронов, заряженных частиц; реакции захвата (в случае этих реакций составное ядро не испускает никаких частиц, а переходит в основное состояние, излучая один или несколько γ -квантов).

Первая в истории ядерная реакция была осуществлена Резерфордом

1939 год - О. Ган и Ф. Штрассман открыли деление ядер урана: при бомбардировке урана нейтронами возникают элементы средней части периодической системы – радиоактивные изотопы бария (Z = 56), криптона (Z = 36) – осколки деления и др. Деление тяжелого ядра на два осколка сопровождается выделением энергии порядка 1 МэВ на каждый нуклон.

Например, возможны два варианта протекания реакции деления ядер урана.

Каждый из мгновенных нейтронов, возникших в реакции деления, взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, вызывает в них реакцию деления. При этом идет лавинообразное нарастание числа актов деления - начинается цепная реакция деления - ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Условием возникновения цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов.

Коэффициентом размножения нейтронов k называется отношение числа нейтронов, возникающих в некотором звене реакции, к числу таких нейтронов в предшествующем звене.

Необходимое условие развития цепной реакции: k >1. Такая реакция называются развивающаяся реакция. При k =1 идет самоподдерживающаяся реакция. При k .. >> Следующая

20.5.7. При резонансном захвате нейтрона изотопом урана 292U образуется радиоактивный изотоп урана 239U . Он испытывает Р-распад и превращается в изотоп трансуранового элемента нептуния 2^Np . Нептуний является Р-радиоактивным и превра-

щается в плутоний 94Pu , который играет важнейшую роль в получении ядерной энергии. Запишите описанные ядерные реакции.

20.5.8. Большинство ядерных реакций могут идти несколькими способами, получившими название «каналы реакции». Например, при облучении изотопа лития 7Ll протонами могут регистри-

398
роваться: а) два одинаковых ядра; б) ядро изотопа бериллия Be и нейтрон. Напишите реакции указанных «каналов реакции».

20.5.9. Напишите недостающие обозначения в следующих реакциях:

ч 27.. ,1 А„ , 4ТТ... 56-- , А„ 56„ , 1

а) 13AI + 0 n ^ Z X + 2 He; б) 25МП + z X ^ 26Fe + 0 n ;

А 1 22 4 27 26 А

в) ZX +iH ^ nNa + 2He; г) 13Al + Y ^ 12Mg + zx*

20.5.10. Элемент резерфордий получили, облучая плутоний

94Pu ядрами неона 10Ne . Напишите реакцию, если известно, что кроме него образуются еще четыре нейтрона.

20.6. Энергия ядерной реакции

20.6.1. Определите энергию ядерной реакции 3Li + 1H ^ ^24He.

20.6.2. Определите тепловые эффекты следующих реакций:

а) 3Li + 1p ^ 4Be + 0n ; б) 4Be + 0n ^ 4Be + y;

7 4 10 1 16 2 14 4

в) 3Li + 2a ^ 5 B + 0n ; г) 8O + 1 d ^ 7N + 2а.

20.6.3. Какую минимальную энергию должна иметь a-частица

для осуществления ядерной реакции 3Li + 2He ° 5B + 0n ?

20.6.4. Найдите энергию Y-кванта, излученного при ядерной

23 реакции 1H + n ^ 1H + Y.

20.6.5. При взрыве водородной бомбы протекает термоядерная реакция образования атомов гелия 4He из дейтерия 1н и трития 1н.

Напишите ядерную реакцию и определите ее энергетический выход.

20.6.6. Определите энергию ядерной реакции 4Be +1H ^

^ 14Be + ^ H . Какая энергия выделится при полной реакции бериллия массой m = 1 г?

20.6.7. Термоядерная реакция 1h + 2He ^ 4He + ^p идет с выделением энергии E1 = 18,4 МэВ. Какая энергия выделится в

реакции 3He + 2He ^ !He + 2^ , если дефект массы ядра 2He на

Am = 0,006 а.е.м. больше, чем у ядра 1H ?

399
20.6.8. Используя определение энергии связи, покажите, что энергию, необходимую для разделения ядра C на ядра A и B, можно представить в виде: Eab = Ec - (Ea + Eb), где Ea, Eb, Ec - энергии связи соответствующих ядер. Определите энергию, необходимую для разделения ядра кислорода 16O на а-частицу и ядро углерода 12С. Энергии связи: E16^ = 127,62 МэВ, Ea = 28,30 МэВ,E12^ =

92,16 МэВ.

20.6.9. При реакции 3Li + 1H ^ 3Li + 1р выделяется энергия Q = 5,028 МэВ. Энергия связи ядра лития E1 = 39,2 МэВ, дейтерия E2 = 1,72 МэВ. Определите массу ядра лития.

20.6.10. При делении ядер с удельной энергией связи є = = 8,5 МэВ/нукл образуются два осколка - один с массовым числом Ai = 140 и удельной энергией связи Єї = 8,3 МэВ/нукл, другой - с массовым числом A2 = 94 и удельной энергией связи є2 = = 8,6 МэВ. Оцените количество теплоты, которое выделится при делении массы m = 1 г исходных ядер. Считать тр = mn =

1,6724 10-27 кг.

20.6.11. Считая, что в одном акте деления ядра урана 235U освобождается энергия Ео = 200 МэВ, определите энергию, выделяющуюся при сгорании m = 1 кг урана, и массу каменного угля mi, эквивалентную в тепловом отношении 1 кг урана.

20.6.12. При делении ядра урана 235U выделяется энергия Q = 200 МэВ. Какую долю энергии покоя урана составляет выделившаяся энергия?

20.6.13. Определите массовый расход ядерного горючего 235U в ядерном реакторе атомной электростанции. Тепловая мощность электростанции P = 10 МВт; ее КПД п = 20% . Энергия, выделяющаяся при одном акте деления, Q = 200 МэВ.

20.6.14. Найдите мощность атомной станции, расходующей в сутки m = 220 г изотопа урана 235U и имеющей КПД п = 25% . Считать, что в одном акте деления 235U выделяется энергия Q = 200 МэВ.

20.6.15. Для плавления алюминия используется энергия, выделяющаяся при позитронном Р-распаде изотопов углерода 11C , причем каждое ядро углерода испускает один позитрон. Продукты распада не радиоактивны. Сколько потребуется углерода 1I1C для

выполнения плавки M = 100 т алюминия за і = 30 мин, если начальная температура алюминия 0о = 20 °С?

20.6.16. Натрий и Na массой m = 10 г, испытывающий электронный Р-распад, помещают в ампуле в цистерну, содержащую

400
M = 1000 т воды. Продукты распада не радиоактивны. Период по-

лураспада натрия T = ^ суток. На сколько градусов возрастет температура воды за первые сутки от начала распада натрия?

20.6.17. Полоний 84P0 распадается с испусканием а-частицы

и образованием ядер свинца. Продукты распада не радиоактивны. Период полураспада полония T =140 дней. Какую массу льда, взятого при температуре 0 = 0 0C, можно растопить, используя энергию, выделяющуюся при распаде m = 10 г полония за время t = 35 дней?

20.7. Ядерные реакции и законы сохранения

20.7.1. Покоившееся ядро полония 84P0 выбросило а-частицу с кинетической энергией Ek = 5,3 МэВ. Определите кинетическую энергию ядра отдачи и полную энергию, выделившуюся при а-распаде.