Баранник Лекции по курсу Теория переноса нейтронов 2012

2)вероятности проникновения нейтрона сквозь потенциальный барьер внутрь ядра W;

3)вероятности захвата ядром нейтрона Р.

Характерная особенность реакций под действием заряженных частиц – наличие кулоновского барьера, препятствующего как влету, так и вылету частицы. Кроме прохода частицы сквозь потенциальный барьер, возможны подбарьерная реакция (туннелирование) и надбарьерное отражение.

Туннелирование – вероятностный процесс прохождения частицы сквозь препятствие без изменения её параметров, даже если энергии частицы недостаточно для этого (как будто частица прошла под препятствием по воображаемому туннелю). Вероятность этого процесса тем меньше, чем больше высота барьера и его ширина и чем меньше энергия налетающей частицы.

Надбарьерное отражение – вероятностный процесс отражения частицы от препятствия (барьера), даже если энергии частицы предостаточно для его преодоления (как будто человек шел и по пути не смог перешагнуть бордюр, поэтому пошел обратно).

Следует помнить, что все процессы в микромире для отдельных микрообъектов есть вероятностные события (реакция может пойти по любому из каналов с определенной вероятностью), в то время как поведение большого коллектива однотипных микрообъектов есть событие достоверное. В противном случае, подходя утром к зеркалу, мы каждый раз видели бы что-то новое вместо своего привычного облика.

Заряженная частица прежде, чем вступить в ядерную реакцию испытывает многократные взаимодействия с электронными оболочками атомов, т.е. расходует в среднем около 35 эВ энергии при каждом соударении на ионизацию атомов. При этом вероятность реакции ионизации обычно много больше вероятности какой-либо ядерной реакции.

Нейтронные реакции – это ядерные превращения под действием внешних свободных нейтронов, относительно легко протекающие в силу электронейтральности нейтронов (отсутствия для них потенциального кулоновского барьера) и их значительной массы:

I. Радиационный захват (capture) – индекс реакции «с»: по-

глощение нейтрона и испускание возбужденным ядром гаммаквантов (* означает составное возбужденное ядро):

31

(n,γ) ZA X + 01n → A+Z1 X* → A+Z1 X + γ ,

Примеры поглотителей: 235U, 239Pu, 10B, 135Xe, 149Sm, 113Cd, 157Gd,

152Eu.

Ярким примером реакции радиационного захвата может служить резонансное поглощение нейтронов ураном-238 в надтепловой области. С одной стороны, в этой реакции теряются нейтроны, но, с другой стороны, эта реакция является началом цепочки, при-

водящей к появлению вторичного ядерного топлива – плутония

239Pu и 241Pu:

23994 Pu + 01n → 24094 Pu + 01n → 24194 Pu .

II. Рассеяние (scattering), индексы реакций. Это ядерная реак-

ция, в результате 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 γ- 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.

-«se» (elastic) – упругое, без потерь энергии нейтроном (легкие

ядра с А < 20 и нейтроны с энергией Еn < 0,1 МэВ), часто говорят о потенциальном рассеянии (n,n);

-«si» (или «in» – inelastic) – неупругое (тяжелые ядра при Еn > 1 МэВ), протекает с определенной вероятностью через стадию со-

ставного или компаунд-ядра (n,n′).

ZA X + 01n → ZA X + 01n (упругое рассеяние), ZA X + 01n → ZA X + 01n′+ γ (неупругое рассеяние),

11 H + 01n → 11 H + 01n′ (упругое рассеяние);

32

126 C + 01n → 126 C + 01n′ (упругое рассеяние);

9040 Zr + 01n → 9040 Zr′+ 01n′+ γ (неупругое рассеяние),

23892 U + 01n → 23892 U + 01n′+ γ (неупругое).

Примеры замедлителей: 1Н, 2D, 9Be, 12С, 16О.

III. Деление тяжелых ядер (fission) нейтронами – индекс ре-

акции «f». Поглощение нейтронов может протекать в виде радиа-

ционного захвата (см. I), либо с последующим делением (тяжелых) ядер, например, 235U, 238U, 239Pu, 241Pu

В частности, деление + радиационный захват = поглощение (absorption) – индекс реакции «а». В общем случае реакция поглощения

– это любая реакция с поглощением нейтрона и образованием нового ядра.

Все тяжелые ядра способны делиться под воздействием нейтронов, но вероятность деления зависит от параметра деления Z2/A, характеризующего соотношение сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения нуклонов в ядре. При Z2/A > 17 деление ядер становится энергетически выгодным. Барьер деления быстро уменьшается с ростом параметра деления, для тяжелых ядер практически не зависит от состава ядра и равен примерно 6 МэВ.

Ядра с четным числом нуклонов отличаются большей устойчиво-

стью в силу парного (спинового) взаимодействия нуклонов, например, 232Th, 238U, 240Pu. Их деление идет только при больших энергиях

нейтронов, например, 238U делится только пороговыми нейтронами с энергией Е >1,1 МэВ, а 232Th с Е = 1,2 МэВ. Эти нуклиды называют-

ся сырьевыми или воспроизводящими (пороговыми или делимыми),

так как на их основе получают вторичные делящиеся нуклиды, такие

как 233U, 239Pu, 241Pu:

Делящиеся нуклиды 233U, 235U, 239Pu делятся нейтронами практически любых энергий, но эффективнеевсего тепловыми нейтронами.

В соответствии с данными табл. 2.1 возможны два случая:

33

1)как у топливного изотопа 235U энергия присоединения ней-

трона больше величины барьера деления образующегося составного ядра 236U – деление происходит нейтронами любых кинетических энергий (опыт показывает, что лучше всего 235U делится нейтронами тепловых энергий).

2)как у сырьевого или воспроизводящего изотопа 238U энергия

присоединения нейтрона меньше величины барьера деления образующегося составного ядра 239U – деление будет происходить,

только если налетающий нейтрон обладает кинетической энергией больше некоторой пороговой, в данном случае 238U делится только нейтронами с кинетической энергией Еn > Епорог = 1,1 МэВ.

Для всех ядер сечение возбуждения фотоядерных реакций имеет резонанс в области энергий γ-кванта 10–20 МэВ (Г ~ 5–6 МэВ) – гигантский резонанс. При такой энергии длина волны фотонов больше диаметра ядра. Все ядро целиком попадает в электрическое поле волны, вызывается смещение протонов относительно нейтронов с образованием дипольных колебаний. Вследствие оболочечных эффектов вместо коллективных колебаний возможны и одночастичные переходы между уровнями.

В общем случае фотореакций – при взаимодействии квантов излучения с веществом – возможны четыре варианта развития событий:

1) внешний фотоэффект (вырывание электрона);

34

2) комптон-эффект: опыты по рассеянию рентгеновского излучения (примерно 6 10−12 < λ < 2 10−9 м) легкими веществами (парафин, графит и т.п.) показали, что регистрируемая длина волны рассеянного (прошедшего через вещество) излучения λ меньше длины волны падающего рентгеновского излучения λ0. Оказалось, что разность λ = λ0 – λ зависит только от угла рассеяния ϕ (между направлением первоначального пучка и активной областью регистрирующего прибора – спектрографа (СП, рис. 6)):

исходит вследствие отдачи квантом части своей энергии ( hν < hν0 )

и импульса электрону отдачи в веществе.

3) рождение пары частица-античастица (при энергии кванта

4)собственно фотоядерная реакция (см. выше).

V. Нейтронные реакции с испусканием различных частиц (и наоборот):

ности потока нейтронов с энергией выше пороговой).

В ряде случаев используются реакции-источники нейтронов:

(n,2n) 126 C + 01n → 116 C + 201n ;

(α,n) 94 Be + 42 α → 126 C + 01n (открытие нейтрона Чедвиком в 1932

г., уд. выход γ = 2,5×10-4);

21 D + γ → 11 H + 01n (источникфотонейтронов в тяжелойводе).

35

Сведем реакции с участием нейтронов в табл. 2.2.

Изотопные источники нейтронов – устройства, в которых идут ядерные реакции с образованием нейтронов. При этом излучение, испускаемое радионуклидом (например, α-частицы) вступает в

36

ядерную реакцию со специально подобранным веществом (например, бериллием), в результате которой образуются нейтроны 94 Be + 42 α → 126 C + 01n . Источники нейтронного излучения могут быть

изготовлены на основе испускающих α-частицы радионуклидов, таких, как америций-241 (Am), плутоний-238 (Pu), плутоний-239,

кюрий-248 (Cm), калифорний-252 (Cf), полоний-210 (Po), радий226 (Ra).

Наиболее известными ампульными источниками являются ра- диево-бериллиевый и полониево-бериллиевый. Полоний-210 – это практически чистый α-излучатель с энергией 5,3 МэВ и периодом полураспада 138,4 сут. Распад полония сопровождается γ- излучением слабой интенсивности. Основной недостаток и достоинство одновременно – небольшой срок службы, определяемый периодом полураспада полония. В связи с относительно небольшим периодом полураспада при использовании полония-210 в изделиях практически не возникает проблемы долговременного хранения радиоактивных отходов (РАО).

Другой тип радионуклидного источника нейтронов строится на калифорний-бериллиевой смеси. Калифорний-252 имеет период полураспада 2,6 года. При этом самопроизвольно делится 3 % всех атомов, и при каждом делении выделяется четыре нейтрона. При такой нейтронной эмиссии 1 г выделяет 2,4×1012 нейтр./с. Это соответствует нейтронному потоку среднего ядерного реактора. В настоящее время самыми распространёнными нейтронными источниками являются Pu-239-Be источники. Они не имеют недостатков полоний-бериллиевых и радий-бериллиевых источников, которые остались в прошлом.

Как и при любых ядерных реакциях в случае нейтронных реакций выполняются законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда (зарядового числа), барионного заряда (часто это сохранение числа нуклонов – массового числа А, кроме реакций при очень высоких энергиях с тяжелыми частицами), лептонного заряда, спина, четности волновой функции (при пренебрежении слабым взаимодействием), изотопического спина (при пренебрежении электромагнитным взаимодействием) и др.

37

2.2. Цепная реакция деления и ядерные реакторы

При бомбардировке нейтронами может происходить деление ядер топливных изотопов на несколько ядер-осколков с испусканием α-, β- и γ-излучения, а также ν мгновенных и запаздывающих нейтронов деления. Мгновенные нейтроны образуются сразу же при делении, запаздывающие нейтроны – в результате β-распада нестабильных ядер-осколков деления:

Атомные массы ядер-осколков (рис. 7) лежат в пределах А = 70– 164. Удельный выход более лёгких и более тяжёлых ядер-осколков мал <10-4 %. Удельный выход реакций (каналов) с двумя осколками >98 %. Наиболее вероятное отношение масс осколков 3:2. Кинетическая энергия осколков изменяется обратно пропорционально их массе: Е1/Е2 = m2/m1. Энергия осколков ≈0,8 от энергии реакции деления.

Согласно расчетным и экспери-

ской защите ЯР, антинейтрино слабо взаимодействует с веществом и беспрепятственно покидает ЯР как будто на его пути ничего нет, унося с собой еще часть энергии, и т.д.

Основная теплоотдача идет при торможении ядер-осколков в топливной матрице при их среднем пробеге 8–10 мкм, из-за чего топливо разогревается, а сами осколки остаются внутри топливных таблеток. Так, при делении (выгорании) 1,044 г урана-235 выделяется 1 МВт·сутки энергии, что эквивалентно сжиганию 3000 т условного топлива.

38

Ядерный (атомный) реактор (ЯР) – устройство, в активной зо-

не которого осуществляется контролируемая самоподдерживающаяся цепная реакция (ЦР) деления ядер некоторых тяжелых элементов под действием нейтронов с целью выработки тепловой энергии.

По числу контуров различают одно-, двух-, трехконтурные АЭС. В системе АЭС различают теплоноситель и рабочее тело.

Рабочим телом, т.е. средой, совершающей работу с преобразованием тепловой энергии в механическую и далее в электрическую в турбоагрегате (турбина+генератор), является водяной пар высокой чистоты.

Теплоносителем, отводящим тепло из активной зоны ЯР, может служить и другое вещество (жидкий натрий, газ, вода, др.). Если контур теплоносителя и рабочего тела не разделены, то АЭС называется одноконтурной (АЭС с ЯР РБМК, рис. 8, а): вода в активной зоне ЯР 1 превращается в пар, пар в барабан-сепараторе отделяется от воды и идет на турбину 4. После турбины пар поступает в конденсатор 7, где охлаждается водой из пруда охладителя или водой, охлаждаемой с помощью градирни. Конденсат проходит очистку и все повторяется снова. Циркуляция в петле теплоносителя принудительная, создаваемая главным циркуляционным насосом (ГЦН) 12. По одноконтурной схеме работают Курская, Смоленская и Ленинградская АЭС.

Если контур теплоносителя и рабочего тела разделены, то АЭС называется двухконтурной (АЭС с ЯР ВВЭР, рис. 8, б): вода в первом контуре (контуре теплоносителя) нагревается в активной зоне ЯР 1 до 320 °С, но не кипит при давлении 16 МПа.

39