На главную
Физика - одна из самых удивительных наук! Физика столь интенсивно развивается, что даже лучшие педагоги сталкиваются с большими трудностями, когда им надо рассказать о современной науке. Данный ресурс поможет эффективно и интересно изучать физику. Учите физику!
   

Обучение и материалы
Физический справочник
Формулы по физике
Шпаргалки по физике
Энциклопедия
Репетиторы по физике
Работа для физиков
Быстрый устный счет
Виртуальные лабораторные
Опыты по физике
ЕГЭ онлайн
Онлайн тестирование
Ученые физики
Необъяснимые явления
Ваша реклама на сайте
Разное
Контакты
Спецкурс
Фейнмановские лекции

В мире больших скоростей

Введение в теорию относительности

Лекции по биофизике
Лекции по ядерной физике
Ускорение времени...
Лазеры
Нанотехнологии
Книги
полезное
Смешные анекдоты о физике
Готовые шпоры по физике
Физика в жизни
Ученые и деньги
Нобелевские лауреаты
Фото
Видео
Карта сайта
На заметку
Если вам понравился сайт, предлагаем разместить нашу кнопку
Кнопка сайта All-fizika.com
Компьютерные программы
по физике
Программы по физике


Физика и юмор
Физика и юмор


Онлайн тестирование
по физике
Онлайн тестирование по физике



-









2.1. Основные типы нейтронных реакций в ядерном реакторе

Ядерной реакцией принято называть процесс и результат взаимодействия ядер с различными ядерными частицами (альфа-, бета-частицами, протонами, нейтронами, гамма-квантами и т.д.).
Для понимания физических процессов, происходящих в ядерном реак­торе, наиболее важен класс нейтронных ядерных реакций, то есть реакций, инициируемых свободными нейтронами.
Нейтронные реакции - это процесс и результат взаимодействия нейт­ронов с атомными ядрами.
Нейтроны, входящие в состав атомных ядер, называют связанными, в от­личие от нейтронов, перемещающихся в объёме среды вне ядер атомов, ко­торые называют свободными. Именно они, эти свободные нейтроны, сталки­ваясь в процессе своего пространственного перемещения с ядрами атомов среды и взаимодействуя с последними, вызывают различного рода нейтрон­ные реакции.
Лёгкая осуществимость подавляющего большинства нейтронных реакций обусловлена электронейтральностью нейтронов, благодаря которой (в от­личие от частиц с электрическим зарядом) они имеют возможность легко преодолевать энергетический барьер электростатического поля заряженно­го ядра, попадать в сферу действия его ядерного притяжения и взаимо­действовать с нуклонами ядра, вызывая их кардинальную перестройку.  Это и составляет суть нейтронных ядерных реакций.

Начнём с тривиального факта: всякая нейтронная реакция начинается с проникновения свободного нейтрона в объём ядра, в сферу диаметром по­рядка 10-13 см, в пределах которой действуют ядерные силы притяжения нуклонов.
Но устойчивое ядро, как отмечалось, может быть образовано не из любых произвольных количеств протонов и нейтронов, а в реальных комби­нациях, которые соответствуют устойчивым ядрам, потенциальная энергия связанных нуклонов принимает не произвольные,  а строго определённые значения.
 
Квантовая физика рассматривает ядро любого устойчивого атома как систему частиц (нуклонов), суммарная потенциальная энергия которых мо­жет принимать ряд строго определённых, присущих только этому ядру зна­чений (энергетических уровней). И если в устойчивое ядро привносится извне дополнительная масса, энергия, или то и другое вместе, суммарная потенциальная энергия такого ядра в общем случае уже не будет соответ­ствовать ни одному из присущих ему уровней устойчивости. А это значит, что образующееся в результате проникновения в него нейтрона  составное ядро - ядро возбуждённое или неустойчивое.
Возбуждённое составное ядро (как и любая другая неустойчивая сис­тема в Природе) в таком состоянии длительно существовать не может и по мере возможностей стремится "скатиться" к ближайшему устойчивому энер­гетическому уровню, то есть - избавиться от избытка потенциальной энер­гии сверх ближайшего уровня устойчивости.  Время пребывания составного ядра в возбужденном состоянии - величина порядка 10 -15,  10 -13  с.
 
Это естественное устремление возбуждённого составного ядра к устой­чивому состоянию может быть реализовано различными способами.
Рассмотрим их, поскольку от того, каким способом возбуждённое сос­тавное ядро устремляется к устойчивому состоянию, зависит конечный результат взаи­модействия нейтрона с ядром, что и определяет тип нейтронной реакции.
Кратко охарактеризуем основные способы (каналы) превращения возбуж­дённого составного ядра в более устойчивые образования.
 
 
2.1.1. Радиационный захват. Возбуждённое составное ядро оказыва­ется способным удержать в своём составе проникший в него нейтрон, а из­быток энергии сверх ближайшего уровня устойчивости - "сбросить" в виде испускаемого γ-кванта электромагнитного излучения.
Таким образом, результатом подобного взаимодействия нейтрона с ядром является захват нейтрона исходным ядром, сопровождающийся испус­канием γ-радиации, благодаря чему этот тип нейтронной реакции и полу­чил название реакции радиационного захвата.

Маленькое изображениеРис.2.1. Схематическое представление о реакции радиационного захвата

К реакциям радиационного захвата склонны в различной степени все без исключения известные нуклиды.  Наиболее склонные  к  радиационному захвату сорта атомных ядер называют поглотителями нейтронов.
Например, бор-10 (10B), самарий-149 (149Sm), ксенон-135 (135Xe), европий (Eu), кадмий (Cd), гадолиний (Gd) - все это сильные поглотители нейтронов. Уран-235 (235U),  основной топливный компонент подавляющего большинства ядерных реакторов, а также плутоний-239 (239Pu), являющийся вторичным ядерным топливом, воспроизводимым в реакторах, - также явля­ются достаточно сильными поглотителями нейтронов.
 
2.1.2. Рассеяние. При неспособности возбуждённого составного ядра удержать в своём составе проникший в него нейтрон природное стремление ядра к устойчивости может быть реализовано путём "выталкивания" из ядра захваченного или любого другого нейтрона из своего состава.

Маленькое изображениеРис.2.2. Схематическое представление о ядерной реакции рассеяния

Таким образом, и до, и после взаимодействия нейтрона с ядром име­ются свободный нейтрон и одно и то же ядро, и единственным результатом такого взаимодействия является лишь то,  что кинетические энергии ис­ходного и испущенного нейтронов неодинаковы: энергия испускаемого нейтрона в подавляющем большинстве случаев оказывается ниже энергии исходного нейтрона.  Кроме того, направления движения исходного и испус­каемого нейтронов также неодинаковы.
Внешне такое взаимодействие выглядит не как ядерное, а скорее как обычное механическое соударение нейтрона с ядром, в результате которо­го нейтрон передает ядру часть своей кинетической энергии, меняя при этом свою скорость и направление движения.
Многократно повторяемые акты таких соударений в классической ме­ханике, как известно, называют рассеяниями. По аналогии с механически­ми рассеяниями нейтронные реакции подобного типа называют  реакциями рассеяния.
Склонностью к реакции рассеяния, как и склонностью к радиационно­му захвату, обладают все (без исключения) известные нуклиды, хотя и в различной степени.
Для реакторщика важно знать, ядра каких элементов наделены Приро­дой этой склонностью к рассеянию, поскольку в тепловом реакторе за счёт реакций рассеяния идёт процесс уменьшения кинетической энергии нейтронов при их перемещении в среде активной зоны. Этот процесс ко­ротко именуется замедлением. Поэтому ядра - хорошие рассеиватели нейт­ронов, обладающие пониженной склонностью к радиационному захвату, как правило, оказываются и хорошими замедлителями.
Например, ядра атомов водорода (1Н), дейтерия (2D), бериллия (9Be), углерода (12С), кислорода (16О), циркония (91Zr) и ряд других ядер со слабыми захватными свойствами и сильно выраженной склонностью к рассеянию являются хорошими замедлителями.
Материалы - простые и сложные - с хорошими замедляющими свойства­ми являются столь же принципиально важными компонентами конструкции активных зон ядерных реакторов,  как и ядерное топливо и поглотители.
И ещё одна аналогия ядерного рассеяния с механическим: рассеяние может быть упругим и неупругим, причём, критерии оценки упругости рас­сеяния в обоих случаях одинаковы:
- если суммы кинетических энергий ядра и нейтрона до и после рас­сеяния равны между собой
я + Ен)до = (Ея + Ен)после ,
рассеяние называют упругим. Иначе говоря, при упругом рассеянии происходит простое перераспределение кинетической энергии: нейтрон от­дает часть своей кинетической энергии ядру, кинетическая энергия ядра увеличивается после рассеяния именно на величину этой отдачи, а потен­циальная энергия ядра (энергия связи нуклонов) остается прежней, а, следовательно, энергетическое состояние и структура ядра до и после рассеяния остаются неизменными;
- если же сумма кинетических энергий ядра и нейтрона после рассе­яния оказывается ниже, чем их сумма до рассеяния,
я + Ен)до > (Ея + Ен)после,
рассеяние называют неупругим.
Не следует думать, что при неупругом рассеянии нарушается закон сохранения энергии: просто разница сумм кинетических энергий до и пос­ле рассеяния затрачивается на изменение внутренней структуры ядра по­добно тому, как при неупругом механическом соударении тел (например, свинцовых шариков) суммарное изменение их кинетической энергии расхо­дуется на их деформацию. Изменение структуры исходного ядра в процессе неупругого рассеяния равноценно переходу ядра в новое квантовое состо­яние, в котором в общем случае всегда имеет место некоторый избыток энергии сверх уровня устойчивости, который "сбрасывается" ядром в виде испускаемого гамма-кванта. Физические эксперименты подтверждают, что электромагнитное излучение - непременный спутник реакций неупругого рассеяния, что делает эту реакцию похожей на реакцию радиационного захвата, с той лишь разницей, что при неупругом рассеянии исходный нейтрон не удерживается ядром.
Отметим для памяти еще одну важную закономерность ядерного рассе­яния:
- упругое рассеяние в большей степени свойственно лёгким ядрам (с атомной массой А < 20) при взаимодействии их с нейтронами сравнительно небольших кинетических энергий (Е < 0.1 МэВ),  тогда как к реакци­ям неупругого рассеяния более склонны тяжёлые ядра при взаимодействии с нейтронами больших (Е > 1 МэВ) энергий.
*) Иногда выделяют еще один вид рассеяния - так называемое по­тенциальное рассеяние, - представляя его механизм как скользящий проход нейтрона по периферийной зоне сферы действия ядерных сил ядра и последующий выход его за пределы этой сферы с изме­нениями в направлении движения и его скорости (кинетической энергии). Структура ядра от такого взаимодействия, конечно, не меняется, составного ядра не образуется, и результатом взаимо­действия является только обмен кинетическими энергия­ми нейтрона и ядра. Разумеется, такой вид рассеяния может быть только упругим, и, поскольку потенциальное рассеяние в работе реактора особо выдающейся роли не играет, его можно попросту расс­матривать как небольшую составляющую упругого рассеяния.
 
И последнее замечание по реакции рассеяния. Качественная идентичность ис­ходных продуктов и результатов реакции рассеяния позволяет при решении некоторых задач физики реакторов игнорировать то, что рассеяние явля­ется полноправной нейтронной ядерной реакцией, начинающейся с поглоще­ния ядром свободного нейтрона и образования составного ядра.
Создатель теории замедления Э.Ферми для упрощения представлений рассматривал акт упругого ядерного рассеяния как его механический ана­лог (то есть как упругое соударение нейтрона с ядром) и получил на та­кой упрощённой аналитической модели теоретические результаты, правиль­ность которых была подтверждена физическими экспериментами.
При рассмотрении процесса замедления нейтронов в реакторе мы тоже будем пользоваться такими представлениями по той причине, что класси­ческие механические образы просты, понятны, привычны, легко восприни­маемы и запоминаемы. Однако, находя в них правильное отражение законо­мерностей процесса замедления нейтронов, не будем всё же забывать, что это - лишь механическая модель процесса, а сам процесс - значительно более сложен.

2.1.3. Реакция деления. Третий способ выхода возбуждённого сос­тавного ядра в более устойчивое образование - деление его на две, три (или даже более) протонно-нейтронных комбинации, называемых осколками деления.
В отличие от реакций радиационного захвата и рассеяния, к делению склонны далеко не все известные ядра, а лишь некоторые чётно-нечётные ядра тяжёлых элементов.  Вот некоторые из них:
233U,   235U,   239Pu,   241Pu,   251Cf, ...
Наиболее важным из перечисленных нуклидов является уран-235 - ос­новное топливо большинства существующих ядерных реакторов. Уран-235 делится нейтронами любых кинетических энергий.
Другим по значимости делящимся нуклидом является плутоний-239 - вторичное топливо в урановых реакторах, воспроизводящееся в процессе их работы. Как и уран-235, плутоний-239 делится нейтронами любых кине­тических энергий.
Третьим по значению для реакторщика делящимся нуклидом является чётно-чётный изотоп урана - уран-238 (238U). Чётное число нейтронов в его ядре дает более устойчивую комбинацию, чем нечётное их число, благодаря чему деление урана-238 имеет пороговый характер: для инициа­ции деления ядер 238U годны не любые нейтроны, а лишь нейтроны с энергиями выше Еп = 1.1 МэВ. (Говорят: Eп = 1.1 МэВ - энергетический по­рог деления урана-238).
Казалось бы: стоит ли обращать серьёзное внимание на уран-238 ?
Стройте реакторы с ураном-235 в качестве топлива, раз он такой хороший!... Но:
- во-первых, урана-238 в Природе больше всего: природная смесь изотопов урана содержит в себе 99.28% урана-238 и лишь 0.71% урана-235; операции разделения изотопов с целью получения чистого или высокообо­гащенного урана-235 весьма энергоёмки, а потому экономически невыгодны; уже по этой причине стоит задуматься над тем, что следует "сжи­гать" в реакторах в первую очередь - уран-235 или уран-238 ?
- во-вторых, уран-238 как раз и является тем исходным сырьевым нуклидом, из которого в работающем реакторе воспроизводится вторичное топливо - плутоний-239; это побуждает не просто терпимо относиться к неизбежному присутствию в реакторе урана-238, но и думать о том, как организовать в реакторе процесс наиболее эффективного превращения ура­на-238 в плутоний-239 с целью получения и использования наибольшего количества последнего.
Реакция деления, разумеется, является самой важной и практически значимой из трёх упомянутых нейтронных реакций. Ядерный реактор, по существу, конструируется и строится ради осуществления самоподдержива­ющейся цепной реакции деления требуемой интенсивности, а реакции ради­ационного захвата и рассеяния оказываются либо вынужденно необходимыми, либо просто неизбежными, идущими параллельно и одновременно с реакцией деления, то есть сопутствующими ей.
Особая роль реакции деления в ядерном реакторе побуждает к более детальному рассмотрению её особенностей. Но прежде, чем сделать это, упомянем ещё о некоторых видах нейтронных реакций, сопровождающих работу ядерного реактора, но не имеющих принципиального значения.
 
2.1.4. Ещё три нейтронные реакции.  Во-первых, это реакция типа (n,p) - то есть нейтронная реакция, завершающаяся испусканием протона.

Маленькое изображениеРис.2.3. Схематическое представление о реакции типа (n,p)

В результате этой реакции образуется изобара исходного ядра, пос­кольку протон уносит один элементарный заряд, а масса ядра практически не меняется (нейтрон привнесен, а протон - унесен).
Во-вторых, это реакция типа (n,α) - то есть реакция, завершающая­ся испусканием возбужденным составным ядром α-частицы (лишённого электронной оболочки ядра атома гелия  4He),

Маленькое изображениеРис.2.4. Схематическое представление о реакции типа (n,a)

в результате которой массовое число результирующего ядра снижа­ется на 3 а.е.м. сравнительно с массой исходного ядра, а протонный за­ряд уменьшается на две единицы.
И, наконец, это реакция типа (n,2n) - то есть реакция с испуска­нием возбужденным составным ядром двух нейтронов,

Маленькое изображениеРис.2.5. Схематическое представление о реакции типа (n,2n).

в результате которой образуется изотоп исходного элемента, на единицу меньшей массы сравнительно с массой исходного ядра.
Эти три упомянутых реакции свойственны лишь очень немногим ядрам при их взаимодействии с нейтронами высоких кинетических энергий. В ядерных реакторах эти типы нейтронных взаимодействий относительно ред­ки и принципиального влияния на работу реактора не оказывают. Упомянуты они здесь только потому, что используются в плутоний-бериллиевых и по­лоний-бериллиевых искусственных источниках нейтронов, о необходимости которых будет сказано при изучении кинетики ядерных реакторов.



ЧИТАЙТЕ ТАКЖЕ:


Социальные комментарии Cackle


 
 
© All-Физика, 2009-2016
При использовании материалов сайта ссылка на www.all-fizika.com обязательна.