Введение в ядерную физику / Voprosy_22-42_Prevraschenia_atomnykh_yader

Возможны два случая:

1.Энергия отделения нейтрона больше барьера деления, т. е.

2.Энергия отделения нейтрона меньше барьера деления, т.е.

Впервом случае деление возможно при захвате нейтронов любой энергии. Во втором случае, для того чтобы

произошло деление, нейтроны должны иметь кинетическую энергию Еn > Н - В(n), т. е. существует порог деления. Это соотношение между высотой барьера деления и энергией отделения нейтрона приводит к различию в энергии нейтронов, которые могут вызвать деление изотопов урана 238U и 235U.

Вопрос – 40. Цепная ядерная реакция. Критическая длина, критическая масса.

Цепные ядерные реакции – самоподдерживающиеся ядерные реакции, в которые последовательно вовлекается цепочка ядер. Это происходит тогда, когда один из продуктов ядерной реакции вступает в реакцию с другим ядром, продукт второй реакции реагирует со следующим ядром и т.д. Возникает цепочка следующих друг за другом ядерных реакций. Наиболее известным примером такой реакции является ядерная реакция деления, вызываемая нейтроном. Продуктами деления являются два более лѐгких ядра (осколка деления) и нейтроны (обычно 2-3 нейтрона). Эти образовавшиеся нейтроны могут вызвать деление других ядер с появлением новых нейтронов, также способных осуществить деление, и так далее.

Таким образом, каждый цикл ядерной реакции создаѐт условия для следующего цикла, и реакция может стать самоподдерживающейся. Если количество ядер, вовлекаемых в следующий цикл, больше предыдущего, то количество ядер, участвующих в реакции увеличивается лавинообразно. В реакции деления это отвечает ядерному взрыву. Если количество ядер, участвующих в цепной реакции, удаѐтся поддерживать на одном уровне, то говорят об управляемой цепной ядерной реакции.

Теория цепной ядерной реакции создана в 1938 г. Я.Б. Зельдовичем и Ю.Б. Харитоном.

Схематическое изображение цепной ядерной реакция деления

Рассмотрим механизм цепной реакции деления. При делении тяжелых ядер под действием нейтронов возникают новые нейтроны. Например, при каждом делении ядра урана 92U235 в среднем возникает 2.4 нейтрона. Часть этих нейтронов снова может вызвать деление ядер. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Цепная реакция деления идет в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной зоной. Важнейшей физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент размножения нейтронов в среде k∞. Коэффициент размножения равен отношению количества нейтронов в одном поколении к их количеству в предыдущем поколении. Индекс ∞ указывает, что речь идет об идеальной среде бесконечных размеров. Аналогично величине

k∞ определяется коэффициент размножения нейтронов в физической системе k. Коэффициент k является характеристикой конкретной установки.

В делящейся среде конечных размеров часть нейтронов будет уходить из активной зоны наружу. Поэтому коэффициент k зависит еще от вероятности Р для нейтрона не уйти из активной зоны. По определению

(1)

Величина Р зависит от состава активной зоны, ее размеров, формы, а также от того, в какой степени окружающее активную зону вещество отражает нейтроны.

С возможностью ухода нейтронов за пределы активной зоны связаны важные понятия критической массы и критических размеров. Критическим размером называется размер активной зоны, при котором

k = 1. Критической массой называется масса активной зоны критических размеров. Очевидно, что при массе ниже

Время жизни одного поколения нейтронов сильно зависит от свойств среды и имеет порядок от – до – с. Из-за малости этого времени для осуществления управляемой цепной реакции надо с большой точностью

Первой величиной, определяющей k∞(или k), является среднее число нейтронов, испускаемых в одном акте деления. Число зависит от вида горючего и от энергии падающего нейтрона. В табл. 1 приведены значения основных изотопов ядерной энергетики как для тепловых, так и для быстрых (Е = 1 МэВ) нейтронов.

При столкновении нейтрона с тяжелым ядром всегда возможен радиационный захват нейтрона (n,γ). Этот процесс будет конкурировать с делением и тем самым уменьшать коэффициент размножения. Отсюда вытекает, что второй

физической величиной, влияющей на коэффициенты , является вероятность деления при захвате нейтрона ядром делящегося изотопа. Эта вероятность для моноэнергетических нейтронов, очевидно, равна

нейтронов на акт деления, так и вероятности радиационного захвата вводится коэффициент η, равный среднему числу вторичных нейтронов на один захват нейтрона делящимся ядром.

(3)

величина η зависит от вида горючего и от энергии нейтронов. Значения для важнейших изотопов для тепловых и быстрых нейтронов приведены в той же табл. 1. Величина η является важнейшей характеристикой ядер горючего. Цепная реакция может идти только при > 1. Качество горючего тем выше, чем больше значение η.

Энергетический спектр нейтронов, испущенных при делении тепловыми нейтронами ядра

Вопрос – 41. Принцип работы ядерного реактора на тепловых нейтронах. Задача о числе соударений для замедления нейтронов до тепловых энергий. Выбор вещества замедлителя нейтронов.

Важнейшим фактором научно-технического прогресса является развитие энергетической отрасли, лежащей в основе производства. Открытие энергии, заключенной в атомных ядрах, дало новый толчок к развитию человечества. Развитие области ядерной энергетики происходило стремительно: в 1942 г. в Чикаго Э. Ферми был построен первый ядерный реактор, а уже в 1954 г. в Обнинске была запущена первая атомная электростанция (АЭС). В настоящее время около 11% производства электроэнергии в мире принадлежит ядерной энергетике [1]. Так, в 2016 году АЭС выработали 2477 ТВт·ч электроэнергии, а в 2017 – уже 2506 ТВт·ч. Доля АЭС в энергетическом секторе растет, и аналитики предсказывают, что она достигнет 25% к 2050 году.

В настоящее время наиболее распространены АЭС с использованием реакторов на тепловых нейтронах. Они требуют наименьшей удельной загрузки ядерного топлива по делящемуся изотопу, а с увеличением энергии нейтронов требуется все более высокообогащенное топливо. Реакторы на быстрых нейтронах эффективнее используют топливо и позволяют сжигать долгоживущие изотопы. В настоящее время достигнут значительный прогресс в создании энергоблоков с их использованием. Реакторы на промежуточных нейтронах на данный момент используются только в специальных исследовательских установках [2].

Принцип работы реактора на тепловых нейтронах

Реакторы на тепловых нейтронах вырабатывают энергию за счет процесса деления изотопа урана 235U. В природе в основном распространен 238U, и только 0.72% из естественной смеси изотопов приходится на 235U, который используется в качестве реакторного топлива. Под действием нейтронов 235U делится на осколки с испусканием вторичных нейтронов. При этом за один акт деления выделяется энергия около 200 МэВ [2]. Вторичные нейтроны от реакции деления могут, в свою очередь, вызвать деление других ядер 235U. Таким образом может быть осуществлена самоподдерживающаяся цепная реакция.

Энергия нейтронов, рождающихся при делении – порядка 2 МэВ. Основная проблема, возникающая при создании реактора, заключается в том, что при данной энергии сечение взаимодействия с вторичными нейтронами 235U мало и составляет около 1.25 барн. Однако, при уменьшении энергии нейтронов сечение деления 235U растет.

Зависимость сечения взаимодействия нейтронов с 235U приведена на рис. 2. Если замедлить нейтроны до тепловых энергий (энергия тепловых нейтронов составляет 0,025 эВ), то сечение деления 235U вырастет до 580 барн.

В свою очередь 238U не испытывает деления по действием тепловых нейтронов, так как реакция деления 238U(n,f) имеет порог 1.4 МэВ (рис. 3). В результате захвата нейтронов 238U и последующих реакций бета-распадов и нейтронных захватов образуются изотопы плутония:

Ну и на всякий случай немного инфы из раздела «Держу в курсе» - про даты и прочее что любит Михайлов.

Первый ядерный рекатор/ Возможно, нужная инфа про типы реакторов ( в тексте вопроса этого нет но мало ли)

Опять инфа про даты и все такое:

Вопрос – 42. Термоядерные реакции. Источник энергии звезд, pp и CNO циклы.

Термоядерные реакции − реакции слияния (синтеза) лѐгких ядер, протекающие при высоких температурах. Эти реакции обычно идут с выделением энергии, поскольку в образовавшемся в результате слияния более тяжѐлом ядре нуклоны связаны сильнее, т.е. имеют, в среднем, бoльшую энергию связи, чем в исходных сливающихся ядрах. Избыточная суммарная энергия связи нуклонов при этом освобождается в виде кинетической энергии продуктов реакции. Название ―термоядерные реакции‖ отражает тот факт, что эти реакции идут при высоких температурах (>107–108 К), поскольку для слияния лѐгкие ядра должны сблизиться до расстояний, равных радиусу действия ядерных сил притяжения, т.е. до расстояний ≈10-13 см.

d + d → 3He + n + 4.0 МэВ, d + d → t + p + 3.25 МэВ,

t + d → 4He + n + 17.6 МэВ, 3He + d → 4He + p + 18.3 МэВ.

Реакция слияния ядер начинается тогда, когда сталкивающиеся ядра находятся в области их взаимного ядерного притяжения. Чтобы так сблизиться, сталкивающиеся ядра должны преодолеть их взаимное дальнодействующее электростатическое отталкивание, т.е. кулоновский барьер. Скорость реакции слияния крайне мала при энергиях ниже нескольких кэВ, но она быстро растет с ростом кинетичской энергии ядер, вступающих в реакцию.

Соответствующие эффективные сечения реакций в зависимости от энергии дейтрона приведены на рис. 1.

Рис. 1. Зависимость эффективных сечений реакции слияния от энергии дейтрона.

Самоподдерживающиеся термоядерные реакции являются эффективным источником ядерной энергии. Однако осуществить их на Земле сложно, так как для этого нужно удерживать высокие концентрации ядер при огромных температурах. Необходимые условия для протекания самоподдерживающихся термоядерных реакций имеются в звѐздах, где они являются главным источником энергии. Так внутри Солнца, где находятся ядра водорода при плотности ≈100 г/см3 и температуре 107 К, идѐт цепочка термоядерных реакций превращения четырѐх протонов (ядер водорода) в ядро гелия-4 (4Не). При каждом таком превращении выделяется энергия 26.7 МэВ. Эта цепочка реакций (называемая протон-протонной) начинается с реакции (1) и приведена на рисунке.

(*)По факту, этот рисунок (он на следующей странице. Примечание написал так для экономии места) отвечает на вопрос про p-p цикл. Но я добавлю еще слайд Михайлова для полноты картины

(Вот это уже кусок из лекций)

На Земле самоподдерживающиеся термоядерные реакции с выделением огромной энергии осуществлялись в течение очень короткого времени (10-7–10-6 сек) при взрывах водородных бомб. Одной из основных термоядерных реакций, обеспечивающих энерговыделение при таких взрывах, является реакция слияния двух тяжѐлых изотопов водорода (дейтерия и трития) в ядро гелия с испусканием нейтрона:

2Н + 3Н 4Не + n.

При этом освобождается энергия 17.6 МэВ.

ПРО ЦИКЛ CNO – НА СЛЕДУЮЩЕЙ СТРАНИЦЕ!

Цикл CNO − реакция горения водорода в звѐздах второго поколения. Особенность его в том, что, начинаясь с ядра углерода, он сводится к последовательному добавлению четырѐх протонов и образованию из них в конце цикла ядра 4Не:

Цикл начинается с ядерной реакции между ядрами водорода и имеющимися в звезде ядрами углерода. Образующийся радиоактивный изотоп 13N в результате β+-распада (T1/2 = 10 мин) превращается в изотоп 13С. Затем в результате последовательного захвата двух протонов происходит образование ядер 14N и 15О. Радиоактивное ядро 15О в результате β+-распада (T1/2 = 122 с) превращается в изотоп 15N. Завершается углеродный цикл реакцией захвата ядром 15N протона с образованием ядер 12С и 4Не. Таким образом, в углеродном цикле ядра углерода играют роль катализаторов. Количество этих ядер в результате цепочки реакций не изменяется.

Роль катализаторов в реакциях горения водорода наряду с углеродом выполняют также азот, кислород и неон. Все эти элементы содержатся в веществе звѐзд второго поколения вместе с водородом и гелием и попадают туда после распада массивных звѐзд первого поколения, где они образуются в цепочке термоядерных реакций.