1. Основы теории реакторов.

1.1. Деление ядер под действием нейтронов.

1.1.1. Строение атома. Изотопы.

Атом - мельчайшая химически неделимая частица элемента, обладающая его свойствами.

В центре атома расположено ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атомное ядро состоит из Z протонов (Z - целое число, численно равное по­рядковому номеру элемента в Периодической таблице Менделеева) и N нейтронов. Общее число протонов и нейтронов в ядре А=Z+N называют массовым числом. Положительный заряд ядра равен Zе, где е=1,6•10^-19 Kл - элементарный электрический заряд.

Протон представляет собой ядро атома водорода и является носителем положительного заряда "е". Масса протона равна m_p=1,00758 а.е.м.

Нейтрон не имеет заряда и является электрически нейтраль­ной частицей. Масса нейтрона m_n =1,00867 а.е.м.

Вокруг ядра движется Z электронов. Заряд электронов нейт­рализует заряд ядра, вследствие чего атом - электрически ней­тральная частица. Масса электрона m_е=5,49•10^-4 а.е.м.

Для частиц, составляющих ядро - нейтроны и протоны, при­нято общее название нуклиды.

Химические свойства атомов зависят только от заряда яд­ра, т.е. от числа протонов в ядре. Следовательно, два атома с одинаковым числом Z, но различными А обладают одинаковыми хими­ческими свойствами. Такие атомы называют изотопами. Пример: природные изотопы урана ₉₂U²³⁵, ₉₂U²³⁸ и ₉₂U²³⁴, где Z=92 и А=238, 235 и 234.

1.1.2. Дефект массы, энергия связи, энергия деления.

Суммарная энергия взаимодействия нуклонов в ядре опреде­ляется ядерными силами притяжения всех нуклонов и электроста­тическими силами отталкивания протонов и называется энергией связи ядра. Она равна работе, которую необходимо совершить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или, иначе говоря, равна энергии, которая выделяется при образовании яд­ра из отдельных нуклонов.

В ядерной физике часто используют энергетический эквива­лент массы. Согласно соотношению Эйнштейна, каждому значению массы М соответствует полная энергия:

Е= Мс² (1.1),

где с - скорость света в вакууме.

Как правило, в ядерной физике энергия и масса измеряются в электрон-вольтах (эВ). 1эВ=1,60•10^-19 Дж - энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов в 1В. Установим соотношение между а.е.м и ее энергетическим эквива­лентом:

Е_1а.е.м. =1,492439•10^-10 Дж=9,31502•10⁸ эВ=931,502 МэВ.

Таким образом, 1 а.е.м соответствует энергия 931,502 МэВ.

Энергии связи ядра Е_св соответствует дефект массы ядра m, который равен разности между суммой масс покоя нуклонов, составляющих ядро, и массой ядра:

m = Z•m_р + (А-Z)•m_n - m_я (1.2),

где m_p , m_n , m_я - массы протона, нейтрона и ядра соответственно, а.е.м.

В этом случае Есв. = 931•m МэВ.

Отношение полной энергии связи ядра к массовому числу да­ет среднее значение энергии связи на один нуклон и называется удельной энергией связи:

= Е _св./А (1.3).

Тем самым удельная энергия связи характеризует интенсивность ядерных сил. Как видно из рис.1.1, при малых значениях массо­вых чисел  резко возрастает и достигает максимума при А50-60. Нуклиды с такими массовыми числами наиболее устойчивы. С дальнейшим ростом А средняя энергия связи уменьшается, однако в широком интервале массовых чисел значение  почти постоянно и равно 8 МэВ.

Из факта убывания удельной энергии связи для нуклидов с массовыми числами больше или меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми А энергетически выгоден процесс слияния - тер­моядерный синтез, приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими А - процесс деления. В обоих случаях об­разующиеся новые ядра имеют большую удельную энергию связи, чем исходные. Следовательно, в таких реакциях будет высвобож­даться энергия.

Нейтрон, поглощенный ядром, увеличивает энергию ядра на энергию связи присоединенной частицы:

Е_n = 931• [(М_(Z,_A) + m_n ) - М_(Z,A+1) ] МэВ (1.4),

где m_n , М_(Z,_A) , М_{(Z, A+1)} - массы нейтрона и нуклида до и после поглощения нейтрона, а.е.м.

При делении тяжелого (А>90) ядра нейтроном на два осколка происходит изменение массы на величину:

m_f = m_я + m_n -(m₁ + m₂ + V_f •m_n ) (1.5),

где m_я, m_n , m₁ и m₂ - массы исходного ядра, нейтрона и ядер-осколков соответственно, а.е.м.;

V_f - количество свободных нейтронов, образовавшихся при делении. Соответственно энергия деления равна

Е_f = 931•m_f (1.6).

При любом типе деления тяжелых ядер происходит развал яд­ра на два (реже на три) осколка с отношением масс примерно 2:3. Это ядра различных нуклидов средней части Периодической системы в пределах значений А=72-166, распределение которых по выходу на одно деление представлено на рис.1.2.