4.6. Ядерный реактор как источник ядерных превращений

Различные виды радиоактивных превращений можно описать:

, где X^* - составное ядро, A=A₁+A₂, Z=Z₁+Z₂, E - выделенная энергия.

Для оценки ядерной энергии, выделяющейся в том или ином превращении, пользуются кривой зависимости удельной энергии связи нуклонов в ядре  = Е_св /А.

Средняя энергия связи на нуклон (рис. 4.2) возрастает с увеличением массового числа.

Для ядер с А  20 удельная энергия связи изменяется мало. Максимальное значение

 = 8,7 Мэв наблюдается у ядер с А от 50 до 80 и ядер с так называемыми «магическими» числами, имеющих 2, 8, 14, 20, 50, 82, 126 протонов или нейтронов.

При дальнейшем увеличении массового числа  постепенно уменьшается. Для ядер с массовым числом А  200 удельная энергия связи равна 7,5 МэВ.

Удельная энергия связи для ядер с массовыми числами от 80 до 140, которой обладают большинство осколков деления, равна около 8,35 МэВ, а для ядер урана - 7,5 МэВ. Разность полной энергии связи ядра урана, содержащего 235 нуклонов, и суммарной энергии связи, образующихся из него осколков деления, приблизительно равна

(8,35 – 7,5) • 235 ≈ 200 МэВ

Рис 4.2. Средняя энергия связи на нуклон ε как функция

массового числа А для природных изотопов.

Наиболее устойчивы ядра элементов середины таблицы Менделеева. Поэтому процессы, при которых будут получены такие ядра, должны сопровождаться выделением энергии. К ним относятся:

1. Деление тяжелых, менее устойчивых ядер, с образованием более устойчивых ядер из середины таблицы Менделеева.

2. Синтезом легких ядер с образованием ядер с максимальной удельной энергией связи.

Энергию связи по отношению к делению тяжелых ядер на осколки называют ядерной энергией деления.

Энергию, которая выделяется при слиянии ядер, называют ядерной реакцией синтеза или термоядерной энергией. Следует отметить, что выделение энергии при реакции синтеза в несколько раз выше, чем при реакции деления.

Изотопы U²³³ , U²³⁵ и Pu²³⁹ принято называть ядерным горючим. Изотопы U²³³ и Pu²³⁹ не встречаются в природе. Их получают из тория Th²³² и урана U²³⁸, называемых ядерным сырьем.

Рассмотрим реакцию деления на примере U²³⁵.

U²³⁵ поглощает тепловой нейтрон.

₉₂U²³⁵ + n = ₉₂U^236*

Далее реакция может проходить двумя путями.

С вероятностью 15% ₉₂U^236* переходит в стабильное состояние с испусканием γ-кванта.

₉₂U^236*  ₉₂U²³⁶ + γ

С вероятностью около 85% за 10^-14 с происходит деление ₉₂U^236* на два осколка с испусканием двух или трех быстрых нейтронов и выделением кинетической энергии осколков деления.

₉₂U^236*  _Z1 Х^А1 + _Z2 Х^А2 + (2 – 3)n + E

При делении около 88% энергии преобразуется в кинетическую энергию продуктов деления, 3% связано с энергией гамма-излучения, 3% уносится образующимися нейтронами, а 11% выделяются в виде энергии β- и -излучения в процессе распадов ядер нуклонов, образующихся при делении.

Нейтроны, образующиеся в результате реакции, подразделяются на быстрые мгновенные (~ 99 %) с энергией ~ 3,2·10^-13 Дж (2 МэВ) и запаздывающие (~ 1 %) с энергией около 0,8·10^-13 Дж (0,5 МэВ).

Рожденные после деления ядер осколки ядер, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большое число α-, β-частиц и -квантов. Запаздывающие нейтроны образуются с постепенно уменьшающей интенсивностью в течение нескольких минут после реакции деления.

Энергия легких осколков деления составляет около 100 МэВ, а более тяжелых - 67 МэВ. Проникновение осколков деления в различных материалах невелика и равна (5 - 14)·10^-6 м., при этом кинетическая энергия осколков превращается в тепло. Кривые выхода осколков деления U²³⁵ и Pu²³⁹ тепловыми нейтронами, а U²³⁸ быстрыми нейтронами приведены на рис. 4.3.

Рис. 4.3. Кривые выхода осколков деления U²³⁵ и Pu²³⁹ тепловыми нейтронами и

U²³⁸ быстрыми нейтронами; ε – выход осколков

Полная энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана ₉₂U²³⁵, составляет около 3,2·10^-11 Дж (200 МэВ). Симметрическое деление ядра на два осколка с примерное равными массовыми числами (А = 110 -125) происходит очень редко. Асимметрия масс осколков деления является характерной особенностью процесса деления ядер урана нейтронами.

Вопросы для повторения

1. Изотопы, изобары и изотоны.

2. Активность источников излучения. Единицы активности.

3. Вероятность взаимодействия излучения с веществом. Понятие о сечении взаимодействия.

4. Взаимодействие заряженных частиц с веществом и защита от излучения.

5. Взаимодействие гамма-излучения с веществом и защита от излучения.

6. Взаимодействие нейтронов с веществом и защита от нейтронного излучения.

7. Основные ядерные реакции в реакторе. Осколки деления. Необходимость в защите от излучения.