Электронный захват (к-захват)

Состоит в захвате ядром электрона с внутренней оболочки атом, обычно из К-оболочки, с испусканием нейтрино:

Цепочки β-распадов одного из многих осколков деления урана Te и Nd:

γ-излучение

Явление γ-излучения состоит в испускании ядром γ-кванта без изменения A и Z. γ-излучение возникает за счёт энергии возбуждения ядра при α- и β-распадах, спектр его дискретен, поскольку дискретны ядерные уровни.

Времена жизни γ-активных ядер составляет порядок 10-7 — 10-11 сек. Однако существуют такие γ-активные ядра с временами жизни до нескольких часов — так называемые изомеры.

В отличие от γ-излучения R-излучение (рентгеновское) сопровождает изменения в состоянии электронной оболочки атома. В остальном природа γ- и R-излучений одинакова — это электромагнитные излучения высоких энергий.

Примерное распределение энергии при делении ядра u235

Носитель энергии	Энергия в Мэв	Доля в %%
Кинетическая энергия осколков деления	168	84
Энергия нейтронов деления	5	2,5
Энергия мгновенного γ-излучения	5	2,5
β-частицы продуктов деления	7	3
γ-излучение продуктов деления	6	3
Нейтрино, испускаемые продуктами деления	10	5

В процессе деления U²³⁵ образуются:

• 2 осколка деления;

• 2-3 мгновенных нейтрона;

• γ-излучение от мгновенных нейтронов;

• продукты β-распада продуктов деления;

• γ-излучение продуктов деления;

• запаздывающие нейтроны.

Наиболее часто встречающиеся деления ядра U²³⁵:

n + ₉₂U²³⁵  ₅₇La¹⁴⁷ + ₃₅Br⁸⁷ + 2-3 n

n + ₉₂U²³⁵  ₅₅Xe¹⁴⁰ + ₃₈Sr⁹⁴ + 2-3 n

n + ₉₂U²³⁵  ₆₂Sm¹⁴⁹ + ₃₀Zn⁸⁵ + 2-3 n

n + ₉₂U²³⁵  ₅₆Ba¹³⁹ + ₃₆Kr⁹⁵ + 2-3 n

n + ₉₂U²³⁵  ₅₅Cs¹³⁷ + ₃₇Rb⁹⁷ + 2-3 n

n + ₉₂U²³⁵  ₃₈Sr⁹⁵ + ₅₄Xe¹³⁸ + 2-3 n

Деление U²³⁵ нейтронами даёт осколки разных масс в соотношении, близком к 2 к 3 (чаще всего массы осколков составляют 95 и 139 а. е. м.). Общее число разновидностей осколков деления U²³⁵ около 60. Осколки деления испытывают в среднем три β^—-распада, поэтому продуктами деления U²³⁵ в конце концов являются примерно 200 радиоактивных изотопов, или почти вся таблица Менделеева.

Количество исходного U²³⁵ и осколков деления остаётся постоянным в ТВэл при работе реактора (за исключением дефекта масс, которым можно пренебречь), поэтому при меньшей плотности осколки занимают больший объём, чем исходный U²³⁵. Это приводит к разбуханию ТВэл и, в конечном счете, снижает надёжность активной зоны.

Ядерные реакции

Ядерная реакция — это превращение атомных ядер при взаимодействии их с частицами (в том числе с γ-квантами) или друг с другом.

Самыми вероятными реакциями ядер являются их реакции с нейтронами и γ-квантами.

Наиболее важны для осуществления и управления ЦЯР следующие ядерные реакции:

• деление тяжёлых ядер U, Pu;

• рассеяние нейтронов;

• поглощение ядром нейтронов и γ-квантов;

• выбивание нейтронов из ядер и заряженных частиц из ядер.

Деление ядер: поглотив нейтрон, ядро U или Pu с большой вероятностью делится на 2 осколка с соотношением масс примерно 2 к 3. Кинетическая энергия осколков составляет примерно 170 МэВ. Остальные продукты деления: мгновенные нейтроны, γ-излучение, продукты радиоактивного распада осколков деления (и β- и γ-излучение как следствие), нейтрино, запаздывающие нейтроны.

Рассеяние нейтронов: столкновение нейтрона с ядром, замедление его и изменение направления движения. Упругое рассеяние – в результате изменяется только кинетическая энергия ядра и нейтрона. Неупругое рассеяние – возбуждение ядра с последующим испусканием γ-кванта.

Радиационный захват: нейтрон поглощается ядром, ядро превращается в новый нуклид с последующим γ-излучением. Используется в компенсирующих решётках и в выгорающем поглотителе:

₄₈Cd¹¹³ (n, γ) ₄₈Cd¹¹⁴

Фотонейтронные (фотоядерные) реакции: реакции выбивания нейтронов из ядра γ-квантом. Играют важную роль при повторных пусках реактора, имеющих в активной зоне воду и бериллий:

₁D² (γ) n + p

₄Be⁹ (γ) ₄Be⁸ + n

Реакции замещения: поглощение одной частицы ядром с последующим рождением новой частицы:

₅B¹⁰ (n, α) ₃Li⁶

Такая реакция используется в ионизационных камерах для регистрации нейтронного потока и в выгорающем поглотителье

₈О¹⁶ (n, p) ₇N¹⁶

активация воды.

Время жизни мгновенных нейтронов в ВВЭР включает в себя:

• время реакции деления ≈ 10^-14 сек;

• время замедления до тепловой энергии ≈ 10^-5 сек;

• время диффузии до поглощения ≈ 10^-5 — 10^-3 сек.

Таким образом, среднее время жизни мгновенных нейтронов определяется временем диффузии и составляет 10^-5 — 10^-3 сек.

В процессе ЦЯР, кроме мгновенных нейтронов с энергией около 2 МэВ, появляются и так называемые запаздывающие нейтроны (появляются после ряда β^--распадов продуктов деления U²³⁵). Время запаздывания доходит до нескольких минут. Для U²³⁵ характерны следующие группы запаздывающих нейтронов с временами запаздывания 0.4 сек, 1.8 сек, 4.4 сек, 23 сек, 56 сек, в среднем 12 сек (см. приложение).

Приближённо можно считать, что среднее время жизни всех групп запаздывающих нейтронов составляет 10 — 13 сек.

Среднее время жизни поколения нейтронов с учётом мгновенных и запаздывающих нейтронов составляет ≈ 0.1 сек.

Доля запаздывающих нейтронов составляет β = 0.64 %.

Запаздывающие нейтроны образуются с энергиями около 0.5 МэВ, поэтому они быстрее мгновенных замедляются до тепловых энергий, что повышает вероятность их участия в реакции деления U²³⁵. Это учитывается коэффициентом ценности запаздывающих нейтронов γ = 1.1, что даёт эффективную долю запаздывающих нейтронов β_эфф = β * γ = 0.7 %.