Ядерные реакции под действием нейтронов

В зависимости от скорости (энергии) нейтроны делятся на медленные и быстрые.

Медленные нейтроны:

- умер. холодные (≤10^-7 эВ)

- очень холодные (10^-7 – 10^-4 эВ)

- холодные (10^-4 – 10^-3 эВ)

- тепловые (10^-3 – 0,5)

- резонантные (0,5 – 10⁴ эВ)

Быстрые нейтроны:

- быстрые (10⁴ – 10⁸ эВ)

- высокоэнергитичные (10⁸ – 10¹⁰ эВ)

- релетивистские (≥10¹⁰ эВ)

Замедлить нейтроны можно пропуская их через вещество, содержащее водород (например, воду). Они испытывают при этом расщепление и замедляются.

Реакции на медленных нейтронах

Медленные нейтроны эффективны для возбуждения ядерных реакций, поскольку они относительно долго могут находиться вблизи атомного ядра, а потому вероятность захвата нейтрона ядром очень большая

, например

Реакции на быстрых нейтронах

( - не тот нейтрон который протек в ядро; - ядро в возбужденном состоянии)

например,

Реакция деления ядра

Реакция деления ядра – деление тяжёлых ядер под действием нейтронов ( а в последствии оказалось и других частиц) на несколько более лёгких ядер (осколков), чаще всего на два ядра, близких по массе.

Особенность деления ядер – испускание двух – трёх вторичных нейтронов, называемых нейтронами деления.

Для тяжёлых ядер число нейтронов значительно превышает число протонов (NIZ = 1,6). Образовавшиеся осколки деления перегружены нейтронами, в результате чего они и выдают нейтроны деления.

Однако испускание нейтронов деления не устраняет полностью перегрузку ядер – осколков нейтронами. Это приводит к тому, что осколки оказываются радиоактивными. Они могут претерпеть ряд β - превращений, сопровождаемых испусканием γ- квантов.

Например, при делении ядра урана

Осколок деления в результате трех актов β - распада превращается в стабильный изотоп лантана

Осколок деления разнообразны, поэтому приведённая реакция не единтична.

6. Цепная реакция деления

Ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию. Образуются как продукты реакции называется цепной реакцией деления.

Условием возникновения цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов.

Коэффициентом размножения нейтронов

K называется отношение числа нейтронов, возникающих в некотором звене реакции, K числу таких нейтронов в предшествующем звене.

Условие цепной реакции K>1.

Минимальные размеры активной зоны, при которой возможно осуществление цепной реакции называется критическими размерами.

Минимальная масса делящегося вещества в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой.

Пусть Т – среднее время жизни одного поколения , N – число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их равно KN, т.е. число нейтронов за одно поколение

dN = kN – N = N(k-1)

скорость нарастания цепной реакции

где N₀ и N – соответственно число нейтронов в начальный момент времени и в момент времени t.

Тип реакций:

- самоподдерживающаяся. Реакция, при которой часть нейтронов с течением времени не изменяется (k=1);

- развивающаяся. Реакция, при которой число делений не прерывно растёт, и реакция может стать взрывной (k>1);

- затухающая. Реакция при k<1.

Цепная реакция делится на управляемые и неуправляемые.

Неуправляемая цепная ядерная реакция. Атомная бомба. В пуске чистого ²³⁵U (или ²³⁹Рu) каждый захваченный ядром нейтрон вызывает деление с испусканием около 2,5 новых нейтронов. Однако если масса такого пуска меньше определённого критического значения, то большинство испущенных нейтронов вылетает наружу, и вызывает деление, так что цепная реакция не возникает. При массе, большей критической, нейтроны быстро размножаются, и реакция приобретает взрывной характер. На этом основано действие атомной бомбы.

Ядерный заряд такой бомбы представляет собой два или более кусков почти чистого ²³⁵U (или ²³⁹Рu). Масса каждого куска меньше критической, следствие чего цепная реакция не возникает.

В земной атмосфере всегда имеется некоторое количество нейтронов, рождённых космическими лучами. Поэтому, чтобы вызывать взрыв, достаточно соединить части ядерного заряда в один кусок с массой, большей критической.

Это нужно делать очень быстро, и соединение кусков должно быть очень плотным. В противном случае ядерный заряд разлетится на части прежде, чем успеет прореагировать заметная доля делящегося вещества. Для соединения используются обычное взрывчатое вещество (запал), с помощью которого одна часть ядерного заряда выстреливает в другую. Всё устройство заключено в массивную оболочку из металла большей плотности. Оболочка служит отражателем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления до тех пор, пока максимально возможное число его ядер выделит свою энергию при делении. Цепная реакция в атомной бомбе идёт на быстрых нейтронах.

Управляемые цепные ядерные реакции. Ядерные реакторы. Устройство, в котором осуществляется и поддерживается управляемая цепная реакция деления называется ядерным реактором.

Принцип действия реактора на тепловых нейтронах.

В атомной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы) и замедлители (в них нейтроны замедляются до тепловых скоростей). ТВЭЛы – блоки из делящегося материала. За счёт выделяющегося при делении ядер энергии ТВЭЛы разогреваются и помещаются в поток теплоносителя. Активная зона окружена отражателем нейтронов.

Управление цепной реакции осуществляется специально управляющими стержнями из материалов сильно поглощающих нейтроны ( например, B,Cd). При полностью восстановленных стержней реакция не идёт, при постепенном вынимании стержней коэффициент размножения, нейтронов растёт, и когда достигает единицы, реакция начинает работать. По мере его работы количество делящегося материала в атомной зоне уменьшается и происходит её загрязнение осколками деления, среди которых могут быть и сильные носители нейтронов.

Чтобы реакция не прекратилась, из активной зоны постепенно извлекают управляющие стержни.

Ядерный реактор – источник происходящей радиации, поэтому он имеет биологическую защиту и пульт дистанционного управления.