Ядерною реакцією прийнято називати процес і результат взаємодії ядер з різними ядерними частинками (альфа-, бета-частинками, протонами, нейтронами, гамма-квантами тощо).
Для розуміння фізичних процесів, що відбуваються в ядерному реакторі, найважливіший клас нейтронних ядерних реакцій, тобто реакцій, які ініціюються вільними нейтронами.
Нейтронні реакції - це процес і результат взаємодії нейтронів з атомними ядрами.
Нейтрони, що входять до складу атомних ядер, називають зв'язаними, на відміну від нейтронів, які переміщуються в об'ємі середовища поза ядрами атомів і які називають вільними. Саме вони, ці вільні нейтрони, стикаючись у процесі свого просторового переміщення з ядрами атомів середовища і взаємодіючи з ними, спричиняють різні нейтронні реакції.
Легка здійсненність переважної більшості нейтронних реакцій зумовлена електронейтральністю нейтронів, завдяки якій (на відміну від частинок з електричним зарядом) вони мають змогу легко долати енергетичний бар'єр електростатичного поля зарядженого ядра, потрапляти в сферу дії його ядерного притягання і взаємодіяти з нуклонами ядра, спричиняючи їхню кардинальну перебудову. Це й становить суть нейтронних ядерних реакцій.
Почнімо з тривіального факту: кожна нейтронна реакція починається з проникнення вільного нейтрона в об'єм ядра, у сферу діаметром порядку 10-13 см, у межах якої діють ядерні сили притягання нуклонів.
Але стійке ядро, як зазначалося, може бути утворене не з будь-яких довільних кількостей протонів і нейтронів, а в реальних комбінаціях, які відповідають стійким ядрам, потенціальна енергія зв'язаних нуклонів набуває не довільних, а строго визначених значень.
Квантова фізика розглядає ядро будь-якого стійкого атома як систему частинок (нуклонів), сумарна потенціальна енергія яких може набувати ряду строго визначених, притаманних лише цьому ядру значень (енергетичних рівнів). І якщо в стійке ядро ззовні вноситься додаткова маса, енергія, або те й інше разом, сумарна потенціальна енергія такого ядра в загальному випадку вже не відповідатиме жодному з притаманних йому рівнів стійкості. А це означає, що складене ядро, яке утворюється внаслідок проникнення в нього нейтрона, - ядро збуджене, або нестійке.
Збуджене складене ядро (як і будь-яка інша нестійка система в Природі) у такому стані довго існувати не може і, наскільки можливо, прагне "скотитися" до найближчого стійкого енергетичного рівня, тобто - позбутися надлишку потенціальної енергії понад найближчий рівень стійкості. Час перебування складеного ядра в збудженому стані - величина порядку 10 -15, 10 -13 с.
Це природне прагнення збудженого складеного ядра до стійкого стану може бути реалізоване різними способами.
Розглянемо їх, оскільки від того, яким способом збуджене складене ядро прагне до стійкого стану, залежить кінцевий результат взаємодії нейтрона з ядром, що й визначає тип нейтронної реакції.
Коротко схарактеризуємо основні способи (канали) перетворення збудженого складеного ядра на стійкіші утворення.
2.1.1. Радіаційне захоплення. Збуджене складене ядро виявляється здатним утримати у своєму складі нейтрон, що проник у нього, а надлишок енергії понад найближчий рівень стійкості - "скинути" у вигляді випроміненого γ-кванта електромагнітного випромінювання.
Таким чином, результатом такої взаємодії нейтрона з ядром є захоплення нейтрона вихідним ядром, що супроводжується випусканням γ-радіації, завдяки чому цей тип нейтронної реакції й дістав назву реакції радіаційного захоплення.
Рис.2.1. Схематичне уявлення про реакцію радіаційного захоплення
До реакцій радіаційного захоплення схильні різною мірою всі без винятку відомі нукліди. Сорти атомних ядер, найбільш схильні до радіаційного захоплення, називають поглиначами нейтронів.
Наприклад, бор-10 (10B), самарій-149 (149Sm), ксенон-135 (135Xe), європій (Eu), кадмій (Cd), гадоліній (Gd) - усе це сильні поглиначі нейтронів. Уран-235 (235U), основний паливний компонент переважної більшості ядерних реакторів, а також плутоній-239 (239Pu), що є вторинним ядерним паливом, яке відтворюється в реакторах, - також є досить сильними поглиначами нейтронів.
2.1.2. Розсіяння. Коли збуджене складене ядро нездатне утримати у своєму складі нейтрон, що проник у нього, природне прагнення ядра до стійкості може бути реалізоване шляхом "виштовхування" з ядра захопленого або будь-якого іншого нейтрона з його складу.
Рис.2.2. Схематичне уявлення про ядерну реакцію розсіяння
Таким чином, і до, і після взаємодії нейтрона з ядром є вільний нейтрон і те саме ядро, і єдиним результатом такої взаємодії є лише те, що кінетичні енергії вихідного та випроміненого нейтронів неоднакові: енергія нейтрона, що випускається, у переважній більшості випадків виявляється нижчою за енергію вихідного нейтрона. Крім того, напрямки руху вихідного та випущеного нейтронів також неоднакові.
Зовні така взаємодія виглядає не як ядерна, а скоріше як звичайне механічне зіткнення нейтрона з ядром, у результаті якого нейтрон передає ядру частину своєї кінетичної енергії, змінюючи при цьому свою швидкість і напрямок руху.
Багаторазово повторювані акти таких зіткнень у класичній механіці, як відомо, називають розсіяннями. За аналогією з механічними розсіяннями нейтронні реакції такого типу називають реакціями розсіяння.
Схильністю до реакції розсіяння, як і схильністю до радіаційного захоплення, володіють усі (без винятку) відомі нукліди, хоча й різною мірою.
Для реакторника важливо знати, ядра яких елементів наділені Природою цією схильністю до розсіяння, оскільки в тепловому реакторі за рахунок реакцій розсіяння відбувається процес зменшення кінетичної енергії нейтронів під час їх переміщення в середовищі активної зони. Цей процес коротко називають сповільненням. Тому ядра - добрі розсіювачі нейтронів, які мають знижену схильність до радіаційного захоплення, як правило, виявляються й добрими сповільнювачами.
Наприклад, ядра атомів водню (1H), дейтерію (2D), берилію (9Be), вуглецю (12C), кисню (16O), цирконію (91Zr) та ряд інших ядер зі слабкими захоплювальними властивостями і сильно вираженою схильністю до розсіяння є добрими сповільнювачами.
Матеріали - прості й складні - з добрими сповільнювальними властивостями є такими самими принципово важливими компонентами конструкції активних зон ядерних реакторів, як і ядерне паливо та поглиначі.
І ще одна аналогія ядерного розсіяння з механічним: розсіяння може бути пружним і непружним, причому критерії оцінки пружності розсіяння в обох випадках однакові:
- якщо суми кінетичних енергій ядра і нейтрона до і після розсіяння рівні між собою
(Eя + Eн)до = (Eя + Eн)після ,
розсіяння називають пружним. Іншими словами, при пружному розсіянні відбувається просте перерозподілення кінетичної енергії: нейтрон віддає частину своєї кінетичної енергії ядру, кінетична енергія ядра збільшується після розсіяння саме на величину цієї віддачі, а потенціальна енергія ядра (енергія зв'язку нуклонів) залишається колишньою, а отже, енергетичний стан і структура ядра до і після розсіяння залишаються незмінними;
- якщо ж сума кінетичних енергій ядра і нейтрона після розсіяння виявляється нижчою, ніж їхня сума до розсіяння,
(Eя + Eн)до > (Eя + Eн)після,
розсіяння називають непружним.
Не слід думати, що при непружному розсіянні порушується закон збереження енергії: просто різниця сум кінетичних енергій до і після розсіяння витрачається на зміну внутрішньої структури ядра подібно до того, як при непружному механічному зіткненні тіл (наприклад, свинцевих кульок) сумарна зміна їхньої кінетичної енергії витрачається на їхню деформацію. Зміна структури вихідного ядра в процесі непружного розсіяння рівноцінна переходу ядра в новий квантовий стан, у якому в загальному випадку завжди має місце деякий надлишок енергії понад рівень стійкості, який "скидається" ядром у вигляді гамма-кванта, що випускається. Фізичні експерименти підтверджують, що електромагнітне випромінювання - неодмінний супутник реакцій непружного розсіяння, що робить цю реакцію схожою на реакцію радіаційного захоплення, з тією лише різницею, що при непружному розсіянні вихідний нейтрон не утримується ядром.
Зазначимо для пам'яті ще одну важливу закономірність ядерного розсіяння:
- пружне розсіяння більшою мірою властиве легким ядрам (з атомною масою A < 20) при взаємодії їх з нейтронами порівняно невеликих кінетичних енергій (E < 0.1 МеВ), тоді як до реакцій непружного розсіяння більш схильні важкі ядра при взаємодії з нейтронами більших (E > 1 МеВ) енергій.
*) Іноді виділяють ще один вид розсіяння - так зване потенціальне розсіяння, - уявляючи його механізм як ковзний прохід нейтрона по периферійній зоні сфери дії ядерних сил ядра і подальший вихід його за межі цієї сфери зі змінами в напрямку руху та його швидкості (кінетичної енергії). Структура ядра від такої взаємодії, звісно, не змінюється, складене ядро не утворюється, і результатом взаємодії є лише обмін кінетичними енергіями нейтрона і ядра. Зрозуміло, такий вид розсіяння може бути тільки пружним, і, оскільки потенціальне розсіяння в роботі реактора особливо визначної ролі не відіграє, його можна попросту розглядати як невелику складову пружного розсіяння.
І останнє зауваження щодо реакції розсіяння. Якісна ідентичність вихідних продуктів і результатів реакції розсіяння дає змогу під час розв'язання деяких задач фізики реакторів ігнорувати те, що розсіяння є повноправною нейтронною ядерною реакцією, яка починається з поглинання ядром вільного нейтрона і утворення складеного ядра.
Творець теорії сповільнення Е.Фермі для спрощення уявлень розглядав акт пружного ядерного розсіяння як його механічний аналог (тобто як пружне зіткнення нейтрона з ядром) і отримав на такій спрощеній аналітичній моделі теоретичні результати, правильність яких була підтверджена фізичними експериментами.
Під час розгляду процесу сповільнення нейтронів у реакторі ми теж користуватимемося такими уявленнями з тієї причини, що класичні механічні образи прості, зрозумілі, звичні, легко сприймаються і запам'ятовуються. Проте, знаходячи в них правильне відображення закономірностей процесу сповільнення нейтронів, не забуватимемо все ж, що це - лише механічна модель процесу, а сам процес - значно складніший.
2.1.3. Реакція поділу. Третій спосіб виходу збудженого складеного ядра в стійкіше утворення - поділ його на дві, три (або навіть більше) протонно-нейтронні комбінації, що називаються уламками поділу.
На відміну від реакцій радіаційного захоплення і розсіяння, до поділу схильні далеко не всі відомі ядра, а лише деякі парно-непарні ядра важких елементів. Ось деякі з них:
233U, 235U, 239Pu, 241Pu, 251Cf, ...
Найважливішим із перелічених нуклідів є уран-235 - основне паливо більшості існуючих ядерних реакторів. Уран-235 ділиться нейтронами будь-яких кінетичних енергій.
Другим за значущістю нуклідом, що ділиться, є плутоній-239 - вторинне паливо в уранових реакторах, яке відтворюється в процесі їхньої роботи. Як і уран-235, плутоній-239 ділиться нейтронами будь-яких кінетичних енергій.
Третім за значенням для реакторника нуклідом, що ділиться, є парно-парний ізотоп урану - уран-238 (238U). Парне число нейтронів у його ядрі дає стійкішу комбінацію, ніж непарне їх число, завдяки чому поділ урану-238 має пороговий характер: для ініціації поділу ядер 238U придатні не будь-які нейтрони, а лише нейтрони з енергіями вище Eп = 1.1 МеВ. (Кажуть: Eп = 1.1 МеВ - енергетичний поріг поділу урану-238).
Здавалося б: чи варто звертати серйозну увагу на уран-238 ?
Будуйте реактори з ураном-235 як паливом, коли він такий добрий!... Але:
- по-перше, урану-238 у Природі найбільше: природна суміш ізотопів урану містить 99.28% урану-238 і лише 0.71% урану-235; операції поділу ізотопів з метою отримання чистого або високозбагаченого урану-235 вельми енергоємні, а тому економічно невигідні; уже з цієї причини варто замислитися над тим, що слід "спалювати" в реакторах насамперед - уран-235 чи уран-238 ?
- по-друге, уран-238 якраз і є тим вихідним сировинним нуклідом, з якого в працюючому реакторі відтворюється вторинне паливо - плутоній-239; це спонукає не просто терпимо ставитися до неминучої присутності в реакторі урану-238, а й думати про те, як організувати в реакторі процес найефективнішого перетворення урану-238 на плутоній-239 з метою отримання і використання найбільшої кількості останнього.
Реакція поділу, звісно, є найважливішою і практично найзначущою з трьох згаданих нейтронних реакцій. Ядерний реактор, по суті, конструюється і будується заради здійснення самопідтримної ланцюгової реакції поділу потрібної інтенсивності, а реакції радіаційного захоплення і розсіяння виявляються або вимушено необхідними, або просто неминучими, такими, що йдуть паралельно й одночасно з реакцією поділу, тобто супутніми їй.
Особлива роль реакції поділу в ядерному реакторі спонукає до докладнішого розгляду її особливостей. Але перш ніж зробити це, згадаємо ще про деякі види нейтронних реакцій, які супроводжують роботу ядерного реактора, але не мають принципового значення.
2.1.4. Ще три нейтронні реакції. По-перше, це реакція типу (n,p) - тобто нейтронна реакція, що завершується випусканням протона.
Рис.2.3. Схематичне уявлення про реакцію типу (n,p)
У результаті цієї реакції утворюється ізобара вихідного ядра, оскільки протон забирає один елементарний заряд, а маса ядра практично не змінюється (нейтрон внесено, а протон - віднесено).
По-друге, це реакція типу (n,α) - тобто реакція, що завершується випусканням збудженим складеним ядром α-частинки (позбавленого електронної оболонки ядра атома гелію 4He),
Рис.2.4. Схематичне уявлення про реакцію типу (n,a)
у результаті якої масове число результуючого ядра знижується на 3 а. о. м. порівняно з масою вихідного ядра, а протонний заряд зменшується на дві одиниці.
І, нарешті, це реакція типу (n,2n) - тобто реакція з випусканням збудженим складеним ядром двох нейтронів,
Рис.2.5. Схематичне уявлення про реакцію типу (n,2n).
у результаті якої утворюється ізотоп вихідного елемента, на одиницю меншої маси порівняно з масою вихідного ядра.
Ці три згадані реакції властиві лише дуже небагатьом ядрам при їх взаємодії з нейтронами високих кінетичних енергій. У ядерних реакторах ці типи нейтронних взаємодій відносно рідкісні і принципового впливу на роботу реактора не мають. Згадано їх тут лише тому, що вони використовуються в плутоній-берилієвих і полоній-берилієвих штучних джерелах нейтронів, про необхідність яких буде сказано під час вивчення кінетики ядерних реакторів.
Для розуміння фізичних процесів, що відбуваються в ядерному реакторі, найважливіший клас нейтронних ядерних реакцій, тобто реакцій, які ініціюються вільними нейтронами.
Нейтронні реакції - це процес і результат взаємодії нейтронів з атомними ядрами.
Нейтрони, що входять до складу атомних ядер, називають зв'язаними, на відміну від нейтронів, які переміщуються в об'ємі середовища поза ядрами атомів і які називають вільними. Саме вони, ці вільні нейтрони, стикаючись у процесі свого просторового переміщення з ядрами атомів середовища і взаємодіючи з ними, спричиняють різні нейтронні реакції.
Легка здійсненність переважної більшості нейтронних реакцій зумовлена електронейтральністю нейтронів, завдяки якій (на відміну від частинок з електричним зарядом) вони мають змогу легко долати енергетичний бар'єр електростатичного поля зарядженого ядра, потрапляти в сферу дії його ядерного притягання і взаємодіяти з нуклонами ядра, спричиняючи їхню кардинальну перебудову. Це й становить суть нейтронних ядерних реакцій.
Почнімо з тривіального факту: кожна нейтронна реакція починається з проникнення вільного нейтрона в об'єм ядра, у сферу діаметром порядку 10-13 см, у межах якої діють ядерні сили притягання нуклонів.
Але стійке ядро, як зазначалося, може бути утворене не з будь-яких довільних кількостей протонів і нейтронів, а в реальних комбінаціях, які відповідають стійким ядрам, потенціальна енергія зв'язаних нуклонів набуває не довільних, а строго визначених значень.
Квантова фізика розглядає ядро будь-якого стійкого атома як систему частинок (нуклонів), сумарна потенціальна енергія яких може набувати ряду строго визначених, притаманних лише цьому ядру значень (енергетичних рівнів). І якщо в стійке ядро ззовні вноситься додаткова маса, енергія, або те й інше разом, сумарна потенціальна енергія такого ядра в загальному випадку вже не відповідатиме жодному з притаманних йому рівнів стійкості. А це означає, що складене ядро, яке утворюється внаслідок проникнення в нього нейтрона, - ядро збуджене, або нестійке.
Збуджене складене ядро (як і будь-яка інша нестійка система в Природі) у такому стані довго існувати не може і, наскільки можливо, прагне "скотитися" до найближчого стійкого енергетичного рівня, тобто - позбутися надлишку потенціальної енергії понад найближчий рівень стійкості. Час перебування складеного ядра в збудженому стані - величина порядку 10 -15, 10 -13 с.
Це природне прагнення збудженого складеного ядра до стійкого стану може бути реалізоване різними способами.
Розглянемо їх, оскільки від того, яким способом збуджене складене ядро прагне до стійкого стану, залежить кінцевий результат взаємодії нейтрона з ядром, що й визначає тип нейтронної реакції.
Коротко схарактеризуємо основні способи (канали) перетворення збудженого складеного ядра на стійкіші утворення.
2.1.1. Радіаційне захоплення. Збуджене складене ядро виявляється здатним утримати у своєму складі нейтрон, що проник у нього, а надлишок енергії понад найближчий рівень стійкості - "скинути" у вигляді випроміненого γ-кванта електромагнітного випромінювання.
Таким чином, результатом такої взаємодії нейтрона з ядром є захоплення нейтрона вихідним ядром, що супроводжується випусканням γ-радіації, завдяки чому цей тип нейтронної реакції й дістав назву реакції радіаційного захоплення.
Рис.2.1. Схематичне уявлення про реакцію радіаційного захопленняДо реакцій радіаційного захоплення схильні різною мірою всі без винятку відомі нукліди. Сорти атомних ядер, найбільш схильні до радіаційного захоплення, називають поглиначами нейтронів.
Наприклад, бор-10 (10B), самарій-149 (149Sm), ксенон-135 (135Xe), європій (Eu), кадмій (Cd), гадоліній (Gd) - усе це сильні поглиначі нейтронів. Уран-235 (235U), основний паливний компонент переважної більшості ядерних реакторів, а також плутоній-239 (239Pu), що є вторинним ядерним паливом, яке відтворюється в реакторах, - також є досить сильними поглиначами нейтронів.
2.1.2. Розсіяння. Коли збуджене складене ядро нездатне утримати у своєму складі нейтрон, що проник у нього, природне прагнення ядра до стійкості може бути реалізоване шляхом "виштовхування" з ядра захопленого або будь-якого іншого нейтрона з його складу.
Рис.2.2. Схематичне уявлення про ядерну реакцію розсіяння
Таким чином, і до, і після взаємодії нейтрона з ядром є вільний нейтрон і те саме ядро, і єдиним результатом такої взаємодії є лише те, що кінетичні енергії вихідного та випроміненого нейтронів неоднакові: енергія нейтрона, що випускається, у переважній більшості випадків виявляється нижчою за енергію вихідного нейтрона. Крім того, напрямки руху вихідного та випущеного нейтронів також неоднакові.Зовні така взаємодія виглядає не як ядерна, а скоріше як звичайне механічне зіткнення нейтрона з ядром, у результаті якого нейтрон передає ядру частину своєї кінетичної енергії, змінюючи при цьому свою швидкість і напрямок руху.
Багаторазово повторювані акти таких зіткнень у класичній механіці, як відомо, називають розсіяннями. За аналогією з механічними розсіяннями нейтронні реакції такого типу називають реакціями розсіяння.
Схильністю до реакції розсіяння, як і схильністю до радіаційного захоплення, володіють усі (без винятку) відомі нукліди, хоча й різною мірою.
Для реакторника важливо знати, ядра яких елементів наділені Природою цією схильністю до розсіяння, оскільки в тепловому реакторі за рахунок реакцій розсіяння відбувається процес зменшення кінетичної енергії нейтронів під час їх переміщення в середовищі активної зони. Цей процес коротко називають сповільненням. Тому ядра - добрі розсіювачі нейтронів, які мають знижену схильність до радіаційного захоплення, як правило, виявляються й добрими сповільнювачами.
Наприклад, ядра атомів водню (1H), дейтерію (2D), берилію (9Be), вуглецю (12C), кисню (16O), цирконію (91Zr) та ряд інших ядер зі слабкими захоплювальними властивостями і сильно вираженою схильністю до розсіяння є добрими сповільнювачами.
Матеріали - прості й складні - з добрими сповільнювальними властивостями є такими самими принципово важливими компонентами конструкції активних зон ядерних реакторів, як і ядерне паливо та поглиначі.
І ще одна аналогія ядерного розсіяння з механічним: розсіяння може бути пружним і непружним, причому критерії оцінки пружності розсіяння в обох випадках однакові:
- якщо суми кінетичних енергій ядра і нейтрона до і після розсіяння рівні між собою
(Eя + Eн)до = (Eя + Eн)після ,
розсіяння називають пружним. Іншими словами, при пружному розсіянні відбувається просте перерозподілення кінетичної енергії: нейтрон віддає частину своєї кінетичної енергії ядру, кінетична енергія ядра збільшується після розсіяння саме на величину цієї віддачі, а потенціальна енергія ядра (енергія зв'язку нуклонів) залишається колишньою, а отже, енергетичний стан і структура ядра до і після розсіяння залишаються незмінними;
- якщо ж сума кінетичних енергій ядра і нейтрона після розсіяння виявляється нижчою, ніж їхня сума до розсіяння,
(Eя + Eн)до > (Eя + Eн)після,
розсіяння називають непружним.
Не слід думати, що при непружному розсіянні порушується закон збереження енергії: просто різниця сум кінетичних енергій до і після розсіяння витрачається на зміну внутрішньої структури ядра подібно до того, як при непружному механічному зіткненні тіл (наприклад, свинцевих кульок) сумарна зміна їхньої кінетичної енергії витрачається на їхню деформацію. Зміна структури вихідного ядра в процесі непружного розсіяння рівноцінна переходу ядра в новий квантовий стан, у якому в загальному випадку завжди має місце деякий надлишок енергії понад рівень стійкості, який "скидається" ядром у вигляді гамма-кванта, що випускається. Фізичні експерименти підтверджують, що електромагнітне випромінювання - неодмінний супутник реакцій непружного розсіяння, що робить цю реакцію схожою на реакцію радіаційного захоплення, з тією лише різницею, що при непружному розсіянні вихідний нейтрон не утримується ядром.
Зазначимо для пам'яті ще одну важливу закономірність ядерного розсіяння:
- пружне розсіяння більшою мірою властиве легким ядрам (з атомною масою A < 20) при взаємодії їх з нейтронами порівняно невеликих кінетичних енергій (E < 0.1 МеВ), тоді як до реакцій непружного розсіяння більш схильні важкі ядра при взаємодії з нейтронами більших (E > 1 МеВ) енергій.
*) Іноді виділяють ще один вид розсіяння - так зване потенціальне розсіяння, - уявляючи його механізм як ковзний прохід нейтрона по периферійній зоні сфери дії ядерних сил ядра і подальший вихід його за межі цієї сфери зі змінами в напрямку руху та його швидкості (кінетичної енергії). Структура ядра від такої взаємодії, звісно, не змінюється, складене ядро не утворюється, і результатом взаємодії є лише обмін кінетичними енергіями нейтрона і ядра. Зрозуміло, такий вид розсіяння може бути тільки пружним, і, оскільки потенціальне розсіяння в роботі реактора особливо визначної ролі не відіграє, його можна попросту розглядати як невелику складову пружного розсіяння.
І останнє зауваження щодо реакції розсіяння. Якісна ідентичність вихідних продуктів і результатів реакції розсіяння дає змогу під час розв'язання деяких задач фізики реакторів ігнорувати те, що розсіяння є повноправною нейтронною ядерною реакцією, яка починається з поглинання ядром вільного нейтрона і утворення складеного ядра.
Творець теорії сповільнення Е.Фермі для спрощення уявлень розглядав акт пружного ядерного розсіяння як його механічний аналог (тобто як пружне зіткнення нейтрона з ядром) і отримав на такій спрощеній аналітичній моделі теоретичні результати, правильність яких була підтверджена фізичними експериментами.
Під час розгляду процесу сповільнення нейтронів у реакторі ми теж користуватимемося такими уявленнями з тієї причини, що класичні механічні образи прості, зрозумілі, звичні, легко сприймаються і запам'ятовуються. Проте, знаходячи в них правильне відображення закономірностей процесу сповільнення нейтронів, не забуватимемо все ж, що це - лише механічна модель процесу, а сам процес - значно складніший.
2.1.3. Реакція поділу. Третій спосіб виходу збудженого складеного ядра в стійкіше утворення - поділ його на дві, три (або навіть більше) протонно-нейтронні комбінації, що називаються уламками поділу.
На відміну від реакцій радіаційного захоплення і розсіяння, до поділу схильні далеко не всі відомі ядра, а лише деякі парно-непарні ядра важких елементів. Ось деякі з них:
233U, 235U, 239Pu, 241Pu, 251Cf, ...
Найважливішим із перелічених нуклідів є уран-235 - основне паливо більшості існуючих ядерних реакторів. Уран-235 ділиться нейтронами будь-яких кінетичних енергій.
Другим за значущістю нуклідом, що ділиться, є плутоній-239 - вторинне паливо в уранових реакторах, яке відтворюється в процесі їхньої роботи. Як і уран-235, плутоній-239 ділиться нейтронами будь-яких кінетичних енергій.
Третім за значенням для реакторника нуклідом, що ділиться, є парно-парний ізотоп урану - уран-238 (238U). Парне число нейтронів у його ядрі дає стійкішу комбінацію, ніж непарне їх число, завдяки чому поділ урану-238 має пороговий характер: для ініціації поділу ядер 238U придатні не будь-які нейтрони, а лише нейтрони з енергіями вище Eп = 1.1 МеВ. (Кажуть: Eп = 1.1 МеВ - енергетичний поріг поділу урану-238).
Здавалося б: чи варто звертати серйозну увагу на уран-238 ?
Будуйте реактори з ураном-235 як паливом, коли він такий добрий!... Але:
- по-перше, урану-238 у Природі найбільше: природна суміш ізотопів урану містить 99.28% урану-238 і лише 0.71% урану-235; операції поділу ізотопів з метою отримання чистого або високозбагаченого урану-235 вельми енергоємні, а тому економічно невигідні; уже з цієї причини варто замислитися над тим, що слід "спалювати" в реакторах насамперед - уран-235 чи уран-238 ?
- по-друге, уран-238 якраз і є тим вихідним сировинним нуклідом, з якого в працюючому реакторі відтворюється вторинне паливо - плутоній-239; це спонукає не просто терпимо ставитися до неминучої присутності в реакторі урану-238, а й думати про те, як організувати в реакторі процес найефективнішого перетворення урану-238 на плутоній-239 з метою отримання і використання найбільшої кількості останнього.
Реакція поділу, звісно, є найважливішою і практично найзначущою з трьох згаданих нейтронних реакцій. Ядерний реактор, по суті, конструюється і будується заради здійснення самопідтримної ланцюгової реакції поділу потрібної інтенсивності, а реакції радіаційного захоплення і розсіяння виявляються або вимушено необхідними, або просто неминучими, такими, що йдуть паралельно й одночасно з реакцією поділу, тобто супутніми їй.
Особлива роль реакції поділу в ядерному реакторі спонукає до докладнішого розгляду її особливостей. Але перш ніж зробити це, згадаємо ще про деякі види нейтронних реакцій, які супроводжують роботу ядерного реактора, але не мають принципового значення.
2.1.4. Ще три нейтронні реакції. По-перше, це реакція типу (n,p) - тобто нейтронна реакція, що завершується випусканням протона.
Рис.2.3. Схематичне уявлення про реакцію типу (n,p)У результаті цієї реакції утворюється ізобара вихідного ядра, оскільки протон забирає один елементарний заряд, а маса ядра практично не змінюється (нейтрон внесено, а протон - віднесено).
По-друге, це реакція типу (n,α) - тобто реакція, що завершується випусканням збудженим складеним ядром α-частинки (позбавленого електронної оболонки ядра атома гелію 4He),
Рис.2.4. Схематичне уявлення про реакцію типу (n,a)у результаті якої масове число результуючого ядра знижується на 3 а. о. м. порівняно з масою вихідного ядра, а протонний заряд зменшується на дві одиниці.
І, нарешті, це реакція типу (n,2n) - тобто реакція з випусканням збудженим складеним ядром двох нейтронів,
Рис.2.5. Схематичне уявлення про реакцію типу (n,2n).у результаті якої утворюється ізотоп вихідного елемента, на одиницю меншої маси порівняно з масою вихідного ядра.
Ці три згадані реакції властиві лише дуже небагатьом ядрам при їх взаємодії з нейтронами високих кінетичних енергій. У ядерних реакторах ці типи нейтронних взаємодій відносно рідкісні і принципового впливу на роботу реактора не мають. Згадано їх тут лише тому, що вони використовуються в плутоній-берилієвих і полоній-берилієвих штучних джерелах нейтронів, про необхідність яких буде сказано під час вивчення кінетики ядерних реакторів.