3. Ядерные реакции

Ядра различных атомов могут взаимодействовать между собой в процессе ядерных реакций аналогично взаимодействию молекул в хи­мических реакциях. Одна из особенностей ядерных реакций — выделение или поглощение колоссальной энергии, в миллионы раз превышающей изменение энергии в химических реакциях.

Ядерные силы действуют на расстоянии примерно 10^-15 м. Если в зоне действия ядерных сил появляется частица (нейтрон, протон, альфа-частица и другие ядра), то между ядром и частицей происходит ядерная ре­акция. В ядерной реакции сохраняется число нуклонов и заряд, как и при радиоактивном распаде. Происходит только перераспределение за­ряда и нуклонов между ядрами и частицами.

В ядерных реакциях может происходить преобразование части энергии покоя ядра-мишени и бомбардирующей частицы в кинетическую энергию продуктов реакции. Такая реакция называется экзоэнергетической (экзо­термической), т. е. идет с выделением тепла. Изменение кинетической энергии в реакции, равное по абсолютному значению изменению энергии покоя, называют энергией реакции (тепловым эффектом).

Ядерные реакции другого типа, в которых происходит преобразование кинетической энергии в энергию покоя, называются эндоэнергетическими (эндотермическими). Такие реакции протекают при кинетической энер­гии бомбардирующей частицы больше пороговой £п_0р, поэтому их назы­вают пороговыми реакциями.

Ядерную реакцию принято записывать в виде уравнения, в левой час­ти которого указывают бомбардируемое ядро (ядро-мишень) и налетаю­щую частицу, а в правой части - частицу, покидающую ядро, и ядро отда­чи (ядро-продукт). Например, реакция захвата протоном нейтрона с об­разованием ядра дейтерия и испусканием гамма-кванта запишется так:

¹₁Н + ¹₀n → γ + ²₁Н.

Иногда используют сокращенную запись ядерной реакции. При этом налетающую частицу и покидающую ядро частицу заключают в скобки. Для рассматриваемого примера захвата нейтрона протоном короткая за­пись имеет вид: ¹₁Н (п, γ) ²₁H.

Тип ядерной реакции определяется бомбардирующей и вылетающей частицами.

В реакции (а, β) частица а исчезает, поглощается, а вместо нее испус­кается частица β, при этом состав ядра-мишени изменяется, т. е. происхо­дит ядерное превращение. Некоторые (а, β) - реакции имеют специаль­ные названия. Так, (а, γ) - реакцию называют радиационным захватом частицы а. Поглощение частицы а в радиационном захвате сопровожда­ется испусканием γ -квантов.

Если бомбардирующая и вылетающая частицы совпадают, то протекает реакция (а, а) называемая рассеянием частицы а. Различают упругое и неупругое рассеяние частиц.

При упругом рассеянии ядро и частица взаимодействуют как два упру­гих шарика. В этой реакции внутреннее состояние и состав ядра не изме­няются, а между ядром и частицей происходит перераспределение кине­тической энергии. Ядро, движущееся после упругого рассеяния нейтрона, называют ядром отдачи.

Неупругое рассеяние сопровождается возбуждением ядра-мишени без изменения его состава. Возбужденное ядро испускает γ –квант. Часть ки­нетической энергии неупруго рассеянной частицы тратится на возбужде­ние ядра. В этой реакции возникает ядро, отличающееся от ядра-мишени энергетическим состоянием. Такое ядро называют ядром-продуктом.

Изучение ядерных реакций дает основные сведения о строении ядер и природе ядерных сил, а кроме того, имеет практическое значение. Так, радиоактивные вещества, получаемые в ядерных реакциях, исполь­зуют во многих отраслях науки и техники. Для современной ядерной энергетики наибольший интерес представляют реакции взаимодействия нейтронов с ядрами различных веществ.

В соответствии с теорией составного (промежуточного) ядра, пред­ложенной Нильсом Бором для теоретического объяснения ядерных пре­вращений, ядерные реакции имеют две фазы. Первая наступает непосред­ственно после столкновения налетающей частицы с ядром-мишенью. В результате образуется возбужденное промежуточное ядро, обладаю­щее избытком энергии. В энергию возбуждения переходит лишь часть энергии налетающего нейтрона. Остальная часть переходит в кинетичес­кую энергию промежуточного ядра, которая, однако, не может влиять на процесс ядерной реакции.

В течение очень короткого времени (порядка 10^-14 с) избыточная энергия распределяется между всеми нуклонами.

Далее начинается вто­рая, более продолжительная фаза. Ядро может в процессе столкновения нуклонов потерять всю избы­точную энергию в виде γ-излучения, т. е. произойдет реакция радиацион­ного захвата. Наконец, при бомбардировке нейтронами ядер тяжелых элементов возбужденное ядро может оказаться столь неустойчивым, что распадется на два ядра более легких элементов, т. е. произойдет реакция деления.

Для количественной характеристики вероятности какой-либо ядерной реакции, как и любого взаимодействия ионизирующих частиц, вводят понятие сечения σ_і -данной реакции. Сечения для различных ядер, ха­рактеризующие различные ядерные реакции, находятся в диапазоне 10^-26 – 10^-30 м². Поэтому за единицу сечения условились принимать 10^-28 м², которую называют барн. Эта внесистемная единица получила широкое распространение в отечественной и зарубежной практике.

Нейтроны, взаимодействуя с веществом, рассеиваются или поглоща­ются ядрами. В зависимости от типа взаимодействия различают сечение рассеяния (замедления) σ_s и сечение поглощения σ_а. Последнее вклю­чает в себя сечения: радиационного захвата σ_у, деления σ_f, сечения (n, α)- и (п, 2n)-реакций и др. Эти сечения называют микроскопичес­кими. В некоторых случаях используется понятие макроскопического сечения Σ, представляющего собой произведение полного микроскопи­ческого сечения реакции на число ядер N в единице объема:

Σ = Σ_а + Σ_s =N• σ, где σ = σ_а + σ_s.

Расстояние, пробегаемое нейтроном между двумя последовательны­ми рассеивающими столкновениями, называют длиной свободного про­бега рассеяния. После ряда последовательных рассеяний нейтрон погло­щается средой. Полный путь, проходимый нейтроном в среде от рожде­ния до поглощения, называют длиной свободного пробега поглощения (длиной поглощения). Средняя длина рассеяния λ_s и поглощения свя­заны очень простым соотношением с макроскопическими сечениями:

λ_{S =} 1/ Σ_S; λа ⁼ 1/ Σа

Диффузия (перемещение) нейтронов обусловлена рассеивающими столкновениями с ядрами среды и описывается примерно такими же соотношениями, как и диффузия молекул в жидкостях и газах. Рассеи­вающие свойства среды характеризуются коэффициентом диффузии, который обратно пропорционален числу столкновений нейтрона в среде на единице пути.

Сечения взаимодействия зависят от энергии нейтронов. Например, сечение деления урана-235 на тепловых нейтронах гораздо больше, чем на быстрых.

Замедление быстрых нейтронов, образующихся при делении ядерного горючего, до тепловых энергий осуществляется в результате упру­гих и неупругих столкновений с ядрами.

При упругом столкновении (рассеянии) процесс замедления нейтро­нов происходит до тех пор, пока их энергия не станет тепловой. При этом происходит обмен кинетической энергией без изменения внутренне­го состояния ядра. Наиболее эффективно процесс замедления идет на легких ядрах и средняя потеря энергии нейтроном при одном столкнове­нии тем больше, чем легче ядро. Идеальное замедление происходит при лобовом столкновении нейтрона с ядром водорода, так как их массы примерно равны. В этом случае нейтрон может потерять всю кинетичес­кую энергию, т. е. в одном акте столкновения может произойти полное замедление.

Замедляющие свойства характеризуются замедляющей способностью вещества. Чем она выше, тем быстрее замедляются нейтроны в нем. Легкие вещества имеют наиболее высокую замедляющую способность и называются замедлителями.

Второй характеристикой замедлителя является коэффициент замед­ления нейтронов, который пропорционален отношению удельных скорос­тей образования и поглощения тепловых нейтронов. Наилучшим замедли­телем является тяжелая вода. Однако наиболее широко в ядерной энер­гетике применяют не тяжелую воду, стоимость которой высока, а деше­вые воду и графит.