1.1.3. Радиоактивность.

Состояние, при котором ядро устойчиво, называется основ­ным. Ядра, имеющие избыток энергии по сравнению с основным состоянием, находятся в возбужденном (неустойчивом) состоянии. В возбужденном состоянии ядро находится конечное время, пока избыток энергии не будет унесен из ядра. Неустойчивые ядра переходят в устойчивое состояние путем радиоактивного распада.

Радиоактивный распад - это самопроизвольное, случайное, с определенной вероятностью превращение энергетически неустой­чивого ядра в другое ядро (или ядра) с новым зарядом, массой или энергетическим состоянием. Наиболее характерны следующие виды распада:

Альфа-распад (характерен для ядер с Z >83). Из тяжелого ядра вылетает -частица (ядро ₂Не⁴), и атомный номер нового ядра уменьшается на две единицы, а массовое число - на 4:

_ZХ^A  _Z-2У^A-4 + ₂Не⁴.

Бета-распад (различают электронный и позитронный распад). -распад происходит с испусканием ядром электрона и анти-нейтрино  вследствие превращения внутри нейтрона в протон. Число Z нового ядра увеличивается на 1, А не изменяется:

_ZХ^A  _Z+1У^A +  + .

⁺-распад происходит с испусканием ядром позитрона и ней­трино V вследствие превращения внутри ядра протона в нейтрон. Число Z нового ядра уменьшается на 1, А не изменяется.

_ZХ^A  _Z-1У^A + ⁺ + 

Спонтанное (самопроизвольное) деление тяжелых ядер. Ядро делится на два ядра-осколка с большим избытком нейтронов в них. Часть этих нейтронов (1-2 из каждого осколка) вылетает мгновенно n_мгн :

_ZХ^A _ZУ^A₁ + _ZУ^A₂ + n_мгн , где Z=Z₁ +Z₂ ; А=А₁ +А₂ + n_мгн .

Одновременно часть энергии возбуждения излучается в виде - квантов. Но и после этого осколки остаются в возбужденном состоянии с избытком нейтронов. Избыток энергии может быть унесен либо цепочкой  - распадов, либо испусканием нейтрона, запаздывающего по отношению к моменту деления ядра. Радиоактивный распад идет по экспоненциальному закону:

N(t)=N₀•e^-t =N₀•e^-t/r =N₀•e^{-(0.693/T)•t} =N₀•2^-t/T (1.7)

где: N - число радиоактивных ядер в момент t;

N₀ - число радиоактивных ядер в начальный момент;

t - время;

 - постоянная распада, представляющая собой вероятность распада в единицу времени;

r=1/ - среднее время жизни радиоактивного нуклида - вре­мя, в течении которого число ядер уменьшается в е=2,7 раз;

T=0,693•r - период полураспада.

На рис.1.3. представлены в графическом виде процессы рас­пада радиоактивного нуклида и накопления стабильного продукта распада.

Единицу измерения активности в СИ - распад в секунду ­называют беккерель (Бк). Внесистемной единицей активности является кюри (Кu): 1Кu=3,7•10¹⁰ расп/с=3,7•10¹⁰ Бк.

1.1.4. Ядерные реакции. Сечения взаимодействия.

Ядерной реакцией называется превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами, в том числе -квантами, или друг с другом.

Ядерные реакции в диапазоне кинетической энергии до 10МэВ протекают через двухстадийный механизм составного ядра. Пер­вая стадия реакции состоит в поглощении ядром-мишенью бомбар­дирующей частицы и образовании составного ядра. Составное яд­ро всегда сильно возбуждено, поскольку поглощенная частица вносит в образовавшееся ядро энергию. Вторая стадия реакции состоит в распаде составного ядра с испусканием той или иной частицы.

В осуществлении и управлении цепной реакцией наиболее важными ядерными реакциями являются:

- деление тяжелых ядер;

- рассеяние нейтронов;

- поглощение нейтронов и -квантов;

- выбивание из ядра нейтронов.

Существует сокращенная запись ядерных реакций, где перед скобкой и после скобки стоят ядро-мишень и конечное ядро со­ответственно, а в скобках - бомбардирующая частица и частица-продукт. Пример: + N¹⁴  О¹⁷ + р записывается как N¹⁴ ( , р) О¹⁷. Если речь идет о каком-либо классе ядерных реакций вообще, то говорят об ( ,р); (р,n); (n, ) и других реакциях.

Деление ядер (n,f).

Некоторые тяжелые ядра (А>90), будучи неустойчивыми, мо­гут делиться при облучении их нейтронами. Минимальная энергия возбуждения составного ядра есть энергия связи присоединяюще­гося к ядру нейтрона. Если эта энергия связи больше энергети­ческого барьера, то исходное ядро может делиться при поглоще­нии нейтронов с любой кинетической энергией. Если же энергия связи меньше барьера, то деление возможно лишь при условии, что кинетическая энергия нейтрона достаточно высока, чтобы в сумме с энергией связи превзойти барьер:

Е_возб.=Е _кин.+Е_св.. >Е_порог. .

Энергии связи нейтронов в ядрах, являющихся составными при делении наиболее важных тяжелых нуклидов, приведены ниже:

Нуклид	Энергия связи, МэВ	Нуклид	Энергия связи, Мэв
Th-233	4.79	Pu-240	6.53
U-239	4.80	U-236	6.55
U-234	6.84

Энергия связи парного нейтрона всегда больше, чем непар­ного. По этой причине энергия связи нейтрона в ядрах U-234, U-236 и Рu-240 оказывается больше энергетического барь­ера деления, а в ядрах Тh-233 и U-239 - меньше. Это обуслав­ливает возможность деления U-233,U-235 и Рu-239 нейтронами любых энергий. Такие нуклиды называются делящимися. Напротив, Тh-232 и U-238 могут делиться нейтронами только с достаточно большой кинетической энергией. Следовательно, по отношению к делению эти нуклиды являются пороговыми. Порог у Тh-232~1,2 МэВ, у U-238~1 МэВ и по этой причине они не могут поддерживать цепную реакцию.

Поглотив нейтрон, тяжелое ядро при Евозб.>Епор. спустя ~10^-14 сек делится на два осколка, которые разлетаются в противоположных направлениях с ускорением под действием кулоновских сил отталкивания. Пройдя расстояние ~10^-8 см (до находящегося рядом атома), они приобретут суммарную кинетическую энергию. С этого момента осколки тормозятся, отдавая энергию окружающим атомам и молекулам. Находясь в сильно возбужденном состоянии, осколки деления мгновенно отдают часть энергии вы­летающим (мгновенным) нейтронам и -квантам (1-2 нейтрона и 2-3 -кванта на каждый осколок). Имея все еще большой избыток нейтронов, но недостаточную для их вылета Евозб., осколки претерпевают несколько -распадов. После -распадов, как пра­вило, излучаются еще -кванты и очень редко испускается запаз­дывающий нейтрон.

Рассеяние нейтронов (n,n` ). Это ядерная реакция, в pe­зультате которой нейтрон при столкновении с ядром теряет часть энергии (замедляется) и изменяет направление движения (рассеивается, отражается). Если потерянная нейтроном энергия изменяет только кинетическую энергию ядра, то рассеяние назы­вают упругим (потенциальным). Если же ядро возбуждается с последующим переходом в устойчивое состояние путем излучения -кванта, рассеяние называют неупругим (резонансным). В замедлителе (теплоносителе) и частично в отражателе происходит в основном упругое рассеяние нейтронов - замедление и отраже­ние. В топливе и на других тяжелых ядрах - неупругое рассея­ние: замедление и отражение быстрых нейтронов.

Радиационный захват (n, ) - реакция, приводящая к погло­щению нейтрона и превращению ядра в новый нуклид с последую­щим излучением -кванта. Используется в регулирующих стержнях (₄₈Сd¹¹³ + ₀n¹  ₄₈Сd¹¹⁴ + ) для управления ЯР, в биологической защите. Однако эта реакция приводит к потере нейтронов и части делящихся нуклидов ( ₉₂U²³⁵ + ₀n^{1 } ₉₂U²³⁶ +), что ухудшает размножающие свойства топлива.

Фотонейтронная реакция ( ,n) - реакция выбивания нейтрона из ядер дейтерия и бериллия -квантом. Играет важную роль при повторных пусках ЯР, имеющего в активной зоне воду или берил­лий.

Реакции замещения (n,); (n,p); (,n) - ядерные реакции, сопровождающиеся поглощением одной частицы и рождением новой.

Характерна реакция ₈О¹⁶ (n,р) ₇N¹⁶, приводящая к активации воды в активной зоне и воздуха около ЯР вследствие образования ра­диоактивного нуклида ₇N¹⁶.

Вероятность той или иной реакции зависит от типа ядер и энергии нейтронов, -квантов и ядер в момент взаимодействия. Мерой вероятности взаимодействия нейтрона с ядром любого нуклида является микроскопическое сечение , которое физичес­ки можно представить как долю площади поперечного сечения яд­ра, попав в которую, бомбардирующий нейтрон вызывает ту или иную ядерную реакцию:  = _a + _s - полное микроскопическое се­чение взаимодействия бомбардирующей частицы и ядра-мишени, см², где _a = _f + _ - сечение поглощения (_а - сечение деления; _- сечение радиационного захвата); _s - сечение рассеяния. Единицей измерения в СИ является квадратный метр (сантиметр). Часто используется внесистемная единица барн (б):

1 б = 10^-28 м² = 10^-24 см ².

Произведение числа ядер в единице объема (концентрация ядер) N_я (ядер/см³) на  (см²) называется макроскопическим сечением и обозначается (см^-1 ):

= N_я•(1.8).

Физически  - мера вероятности взаимодействия частицы с ядрами вещества в 1 см³ при пробеге расстояния в 1 см.