9.Зависимость сечений ядерных реакций от энергии нейтронов.

Сечения ядерных реакций зависят от энергии нейтронов. При низких энергиях нейтронов сечения ядерных реакций поглощения и деления выше. Исключение составляет сечение рассеяния, которое практически не зависит от энергии нейтронов (см. рис. 3).

Энергия нейтронов в реакторе принимает значения в диапазоне от 10 МэВ до 0,001 эВ. Можно выделить три характерных диапазона энергий:

Быстрые нейтроны	0,1…10 МэВ
Промежуточные замедляющиеся нейтроны	0,2…0,1 МэВ
Тепловые нейтроны	0,005…0,2 эВ

Энергия тепловых нейтронов соизмерима с энергией теплового движения атомов среды. Стандартной энергией тепловых нейтронов считается энергия 0,025 эВ, что соответствует температуре 20 ^oС (T = 293 K).

E_n = k T,

где k = 8,6 10^-5 эВ/К – постоянная Больцмана.

Учитывая зависимость сечений поглощения и деления от энергии нейтронов, следует отметить, что вероятность указанных взаимодействий для тепловых нейтронов значительно выше, чем для быстрых нейтронов. Поэтому большинство энергетических реакторов, включая ВВЭР, являются реакторами, в которых реакция деления ядерного топлива протекает в основном за счет тепловых нейтронах.

E, эВ

σ, барн

Рис. 3. Зависимость микроскопических сечений от энергии нейтрона для ²³⁵U

10.Деление тяжелых ядер. Энергия деления и ее составляющие.

Деление тяжелого ядра нейтронами любой энергии возможно, когда энергия связи нейтрона ε_n в тяжелом ядре больше значения барьера деления тяжелого ядра w_f. Тяжелые ядра с нечетным чис­лом нейтронов ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu делятся нейтронами любых энергий.

Если же ε_n < w_f , то деление возможно лишь нейтронами с кинетической анергией, превышающей некое пороговое значение.

Ядра с четным числом нейтронов ²³² Th, ²³⁸ U пороговые и пороговые энергии для них составляют 1,2 и 1,0 МэВ соответственно.

В природе встречаются только ²³²Th , ²³⁵U. При­чем природный уран представляет собой смесь изотопов с массовыми долями 99,3 % ²³⁸U и 0,7 % ²³⁵U. Делящиеся изотопы ²³³U, ²³⁹Pu получают искусственным путем. Поэтому наибольшее распространение в качестве де­лящегося материала получил U.

Процесс деления происходит в несколько стадий. После поглоще­ния нейтрона ядром ²³⁵U образуется возбужденное составное ядро ²³⁶U. Через 10^-14с происходит распад составного ядра, который может идти по двум каналам:

• либо избыточная энергия выделится в виде γ-кванта, и ядро переходит в основное состояние – радиационный захват,

• либо происходит деление, что случается в шесть раз чаще, с образованием осколков деления (тяжелого и легкого) и мгновенных нейтронов.

Осколки деления являются радиоактивными, испытывают α-, β-, γ- распады и испускают запаздывающие нейтроны (см. рис. 4).

Вклад запаздывающих нейтронов в среднее число нейтронов, вы­деляющихся на акт деления, мал (мгновенные 99,35 % и запаздывающие 0,65 %), но они играют решающую роль в обеспечении безопас­ности и управлении ядерными реакторами.

Рис. 4. Схема процесса деления ядер ²³⁵U

Осколки разлетаются с большой скоростью, и на их долю приходится 80 % энергии, выделяющейся в процессе деления. Двигаясь в веществе, осколки теряют свою энергию на ионизацию других атомов и молекул окружающей среды, их энергия переходит в энергию тепло­вого движения частиц среды, т.е. разогрев.

Общая энергия, выделяющаяся при делении, составляет порядка 200 МэВ и складывается из составляющих перечисленных в таблице 5.

После радиационного захвата нейтронов деления матери­алы реактора испускают γ-кванты, энергия которых в среднем равна 8 МэВ. Антинейтрино, не взаимодействуя с веществом, уносит 11 МэВ.

Таким образом, деление ²³³U, ²³⁵U и ²³⁹Pu обеспечивает нагрев среды реактора в результате одного акта деления энергией в количестве 200, 203, 210 МэВ. Эта основная характеристика ядерного топлива позволяет определить расход горючего на выработку тепловой энергии в ядерном реакторе.

200 МэВ = 3,2 10^-11 Дж

1 МВт·сут = 1,23 · 10^-3 кг

3000 МВт = 3,7 кг ²³⁵U /сут

Таблица 5. Энергия, выделяющаяся при делении ядер нуклидов ²³³U, ²³⁵U и ²³⁹Pu тепловыми нейтронами, МэВ.

Продукты деления	233U	235U	239Pu
Легкий осколок	99,94 ±1	99,8 ±1	101,8 ±1
Тяжелый осколок	67,9 ±0,7	68,4 ±0,7	73,2 ±0,7
Мгновенные нейтроны	5,0	4,8	5,8
Мгновенные γ-кванты	7,0	7,5	7,0
β-Частицы, испускаемые продуктами деления	8,0	7,8	8,0
γ-Кванты продуктов деления	4,2	6,8	6,2
Антинейтрино	11,0	11,0	11,0
Полная энергия, выделяющаяся в результате одного акта деления	203,0	206,0	213,0

Процесс деления ²³⁵U нейтронами имеет статистический харак­тер и протекает не по строгой схеме, а по тридцати различным ка­налам деления.

Осколки деления образуются в диапазоне массовых чисел А = 72...161 и образуют две группы: легкие А = 80...110 и тяжелые А = 125..155. Наиболее вероятное соотношение масс 2 / 3. Таких осколков образуется 6 %, в то время как при соотношении масс 1 / 1 выход составляет 0,01 %.

Зависимость выхода продуктов деления ядер ²³⁵U от массового числа осколков представлена на рис. 5.

Рис. 5. Выход осколков на одно деление ²³⁵U

Контрольные вопросы.

1. Чем отличается ядерное топливо и процесс его использования в ядерных реакторах от источников энергии, работающих на органическом топливе?

2. Какие элементарные частицы образуют атом и каково его строение?

3. Из чего состоит ядро атома?

4. От чего зависит атомный вес вещества?

5. Что такое изотоп?

6. В каких единицах измеряется атомный вес?

7. Чем определяется концентрация ядер вещества?

8. что такое энергия связи?

9. Какая единица энергии используется в атомной и ядерной физике?

10. Как изменяется средняя энергия связи на нуклон с увеличением атомного веса атома?

11. Почему при синтезе и делении ядер возможно получение тепловой энергии?

12. Какие две группы ядерных реакций можно выделить?

13. Как протекает радиоактивный распад ядер?

14. Какая характеристика процесса распада не зависит от времени?

15. Какая часть радиоактивного вещества останется, если прошло время в три раза большее, чем период полураспада?

16. От чего зависит и в чем измеряется активность?

17. Какие виды нейтронных ядерных реакций известны?

18. Каков физический смысл микроскопического и макроскопического сечений ядерных реакций?

19. Какие зависимости существуют между сечениями основных видов ядерных реакций?

20. Что такое выход ядерной реакции?

21. Какие характерные энергетические группы нейтронов выделяют?

22. Какова зависимость величины сечений от энергии нейтрона?

23. Какие вещества способны делиться под действием нейтронов?

24. Как протекает процесс деления урана?

25. Какая ядерная реакция обязательно предшествует реакции деления?

26. Из чего состоит полная энергия, выделяющаяся при делении одного атома урана?

27. Какие существуют закономерности выхода осколков деления?