2 Взаимодействие нейтронов с веществом

2.1 Деление ядер и ядерные процессы в реакторе

Деление ядер (n,f). Некоторые тяжелые ядра (А>90) в состоянии неустойчивости могут делиться самопроизвольно (спонтанно) или при облучении их нейтронами. Минимальную энергию, которую необходимо внести в ядро, чтобы получить данную ядерную реакцию, называют пороговой или энергией активации Е_акт. Вносимая нейтроном в ядро энергия называется энергией возбуждения Е_возб. Она равна сумме кинетической энергии налетающей частицы и энергии ее связи в образовавшемся ядре. Чтобы произошло деление ядра необходимо выполнение условия . Например, нуклиды ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu и некоторые другие имеют Е_акт ≈ ε_св , поэтому они способны делиться под действием нейтронов с произвольной энергией. Такие делящиеся нуклиды называют беспороговыми. Нуклиды ²³²Th,²³⁸U и некоторые другие имеют Е_акт>>ε_св , поэтому они могут делиться только нейтронами, имеющими Е_кин > 1 МэВ (пороговые нуклиды). Поглотив нейтрон, тяжелое ядро при Е_возб > Е_акт спустя примерно 10^-14с делится на два осколка, которые в течение 10^-17с разлетаются в противоположных направлениях под действием кулоновских сил отталкивания. Пройдя расстояние ̴ 10^-8 см (до находящегося рядом атома), они приобретут суммарную кинетическую энергию ̴ 165 МэВ. С этого момента осколки тормозятся, при этом отдавая энергию окружающим атомам и молекулам. Находясь в сильно возбужденном состоянии (20 МэВ), они передают часть этой энергии вылетающим нейтронам и γ-квантам: 1-2 нейтрона и 2-3 γ-кванта на каждый осколок. Имея все еще большой избыток нейтронов, но недостаточную для их вылета Е_возб, осколки претерпевают несколько (в среднем три) β-распада с превращением нейтрона в  протон и излучением  антинейтрино. После β-распада излучаются еще γ-кванты и очень редко испускается запаздывающий нейтрон.

Рисунок 2.1 Схема деления ядра урана (плутония) [15, 53 с.].

Итак, при делении тяжелого ядра образуются (рисунок 2.1) осколки деления А₁, А₂, мгновенные нейтроны и γ-излучение, β- и γ-излучение осколков и продуктов их распада, антинейтрино, запаздывающие нейтроны. Семейство нуклидов, родоначальником которого является осколок деления топлива, а конечным продуктом стабильный нуклид, образует цепочку продуктов деления [15].

Цепная ядерная реакция – поочередный процесс деления ядер топлива, начатый первичным нейтроном, разделившим ядро, в результате чего появляются вторичные нейтроны, способные поддерживать цепную реакцию деления. Цепная реакция бывает самоподдерживающейся (k>=1) и затухающей (k<1). Необходимым условием самоподдерживающейся цепной реакции является рождение в новом поколении не менее одного нейтрона. Достаточность этого условия зависит от результата «состязания» четырех процессов, которые могут иметь место в размножающей среде (среде, содержащей нуклиды ядерного топлива): а) деление ядер топлива, б) радиационный захват в топливе, в) захват нейтронов конструкционными материалами активной зоны, а также компонентами топлива, не участвующими в процессе деления, г) утечка нейтронов.

Эффективный коэффициент размножения с учетом утечки нейтронов для критического ядерного реактора на тепловых нейтронах имеет вид:

, (2.1)

где р_зам и р_диф – вероятности избежать утечки нейтрону в процессе замедления и диффузии.

– вероятность нейтрону избежать утечки (остаться в размножающей среде) в процессе замедления, то есть с момента рождения до его замедления до тепловой энергии. Чем больше размеры реактора, то есть чем меньше параметр В, тем больше р_зам.

– вероятность тепловому нейтрону избежать утечки в процессе диффузии. Чем больше размеры зоны (меньше В) и меньше L, тем больше р_диф.

В (м^-2) – геометрический параметр, который зависит от геометрии (размеров и формы) активной зоны реактора. Для цилиндрической АЗ с радиусом R(м) и высотой H(м) геометрический параметр равен [15]:

, (2.2)

а для сферической АЗ радиусом R(м) –

, (2.3)

где δ_эф (м) – эффективная добавка – уменьшение линейных размеров АЗ за счет отражателя нейтронов. Между диаметром и высотой цилиндрической АЗ существует альтернативное соотношение, которое обеспечивает минимальные критические размеры (то есть минимальную потерю нейтронов) [15]:

. (2.4)