Механизмы ядерных реакций.

По механизму взаимодействия ядерные реакции делятся на два основных вида:

• реакции с образованием составного ядра, это двустадийный процесс, протекающий при не очень

большой кинетической энергии сталкивающихся частиц (примерно до 10 МэВ).

• прямые ядерные реакции, проходящие за ядерное время, необходимое для того, чтобы частица

пересекла ядро. Главным образом такой механизм проявляется при очень больших энергиях бомбардирующих частиц

РАДИОКТИВНЫЕ ПРЕВРАЩЕНИЯ ИСТОЧНИКОВ ЭНЕРГИИ

радиоктивные исто́чники эне́ргии — устройства различного конструктивного исполнения, использующие энергию, выделяющуюся при радиоактивном распаде, для нагрева теплоносителя или преобразующие её в электроэнергию.

Радиоизотопный источник энергии принципиально отличается от атомного реактора тем, что в нём используется не управляемая цепная реакция, а энергия естественного распада радиоактивных изотопов.

РЕАКЦИИ АТОМНОГО ДЕЛЕНИЯ

Деление атомных ядер может происходить самопроизвольно или при воздействии на них элементарных частиц и легких ядер.

Для получения взрыва используют деление ядер тяжелых изотопов, которое происходит при воздействии на них нейтронов любых энергий, протекает с высокой скоростью (одно деление длится 10-15—10-14 с), сопровождается выделением большого количества энергии (около 200 МэВ на одно деление) и испусканием двух или более нейтронов, способных вызвать деление других ядер. В большой массе таких изотопов под воздействием нейтронов любых энергий возникает саморазвивающаяся цепная ядерная реакция деления, сопровождающаяся лавинообразным нарастанием числа делящихся ядер и выделением вследствие этого большого количества энергии в течение малого промежутка времени. Такими свойствами обладают уран-233, уран-235, плутоний-239, плутоний-241 и ряд трансплутониевых элементов. Их называют делящимися изотопами.

В ядерных боеприпасах могут использоваться и изотопы, деление ядер которых вызывают нейтроны с энергией не ниже определенного значения — изотопы с пороговым характером деления, например уран-238. Ядра урана-238 делятся только под воздействием быстрых нейтронов. Их деление происходит без самоподдерживающейся цепной реакции. Вещества, которые используют для получения энергии в результате взрывных реакций деления их атомных ядер, называют ядерным горючим. К ним относятся делящиеся изотопы, а также изотопы с пороговым характером деления.

Основными делящимися изотопами, используемыми в настоящее время в качестве ядерного горючего, являются уран-235, плутоний-239 и уран-233. Из них практически только уран-235 существует в природе. Он встречается в природном уране, представляющем собой смесь трех изотопов: урана-238 (99,282%), урана-235 (0,712%) и урана-234 (0,006%). Изотопы плутония-239 и урана-233 в промышленных количествах получают в результате облучения нейтронами в ядерных реакторах урана-238 и тория-232 соответственно. Из изотопов с пороговым характером деления в качестве ядерного горючего применяется уран-238.

Цепная реакция деления

Рассмотрим механизм цепной реакции деления. При делении тяжелых ядер под действием нейтронов возникают новые нейтроны. Например, при каждом делении ядра урана ₉₂U²³⁵ в среднем возникает 2,4 нейтрона. Часть этих нейтронов снова может вызвать деление ядер.   Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.     Цепная реакция деления идет в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной зоной. Важнейшей физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент   размножения  нейтронов в средеk_∞. Коэффициент размножения равен отношению количества нейтронов в одном поколении к их количеству в предыдущем поколении. Индекс ∞ указывает, что речь идет об идеальной среде бесконечных размеров. Аналогично величине k_∞ определяется коэффициент размножения нейтронов в физической системе k. Коэффициент k является характеристикой конкретной установки.      В делящейся среде конечных размеров часть нейтронов будет уходить из активной зоны наружу. Поэтому коэффициент k зависит еще от вероятности Р для нейтрона не уйти из активной зоны. По определению

k = k∞P.

(1)

Величина Р зависит от состава активной зоны, ее размеров, формы, а также от того, в какой степени окружающее активную зону вещество отражает нейтроны.     С возможностью ухода нейтронов за пределы активной зоны связаны важные понятия критической массы и критических размеров. Критическим размером называется размер активной зоны, при котором k = 1. Критической массой называется масса активной зоны критических размеров. Очевидно, что при массе ниже критической цепная реакция не идет, даже если k_∞  > 1. Наоборот, заметное превышение массы над критической   ведет к неуправляемой реакции - взрыву.      Если в первом поколении имеется N нейтронов, то в n-м поколении их будет Nkⁿ. Поэтому при  k = 1 цепная реакция идет стационарно, при k < 1 реакция гаснет, а при k > 1 интенсивность реакции нарастает. При k = 1 режим реакции называется критическим, при k > 1 – надкритическим и при  k < 1  – подкритическим.