Сечения ядерных реакций

В ядерной физике для расчета интенсивности взаимодействия частиц с веществом, в том числе и нейтронов с ядрами различных элементов, используется такая характеристика ядра, как микроскопическое поперечное сечение , которое в классическом приближении можно трактовать как площадь поперечного сечения ядра, при пересечении траектории нейтрона которой происходит взаимодействие. В квантовом приближении это сечение зависит от энергии налетающего нейтрона, поскольку учитываются волновые свойства частиц. Чем меньше энергия нейтрона, тем большую роль во взаимодействии играет длина волны нейтрона, равная . Если известно полное микросечение образования составного ядра и вероятности каждого канала распада составного ядра , то микроскопическое поперечное сечение взаимодействия -го типа определяется как

. (1.1.2)

где .

Таким образом, вероятности каждого типа взаимодействия можно определить как отношения микросечений:

. (1.1.3)

Наиболее важными типами взаимодействия нейтронов с ядрами в диапазоне энергий МэВ, который характеризует энергетический спектр нейтронов в реакторах, являются:

• упругое рассеяние - ,

• неупругое рассеяние - ,

• поглощение нейтрона c последующем испусканием -квантов (), протонов (), -частиц () или с делением ядра ().

Сечения поглощения и рассеяния нейтронов представляется суммой по всем типам соответствующих процессов

(1.1.5)

Микросечения взаимодействия нейтронов с ядрами довольно сильно зависят от энергии нейтрона. С этой точки зрения, весь диапазон энергий нейтронов в ядерном реакторе разбивают на три области: область быстрых, промежуточных и тепловых нейтронов. Границы между областями чисто условные и процессы, характерные для каждой области, не исключаются в других областях:

• быстрая область 0.1-10 МэВ,

• промежуточная область 0.2 эВ-0.1 МэВ,

• тепловая область 0.0-0.2 эВ.

Быстрая область. Энергия 99 % рождающихся при делении нейтронов лежит в быстрой области. Поэтому для этой области энергий резонансы перекрываются и взаимодействие нейтрона с ядром происходит при любой энергии. Во-первых, полное сечение в этой области энергий более чем на 80% представляет собой сечение рассеяния, которое на 1/3 состоит из сечения неупругого рассеяния, а для урана-238 примерно в равных долях упругое и неупругое рассеяние. Во-вторых, почти все тяжелые ядра делятся нейтронами в этой энергетической области (та ее часть, в которой энергии нейтронов деления >1 МэВ). В сечении поглощения превалирует сечение деления, а сечение радиационного захвата снижается с ростом энергии для всех ядер. Для больших энергий длина волны нейтрона одного порядка с геометрическим размером ядра и потому порядок величин сечений барн, барн.

Промежуточная область. Резонансные явления составляют наиболее характерную особенность промежуточной области энергий, поэтому ее часто называют также и резонансной областью, а промежуточные нейтроны – резонансными. Это связано с тем фактом, что в этой области энергий, особенно в ее низкоэнергетической части, уровни возбуждения не перекрываются и являются изолированными. Низко расположенные резонансы (эВ) являются в основном резонансами радиационного захвата, а при высоких энергиях преобладают резонансы рассеяния. Для делящихся ядер имеют место резонансы деления. Так как резонансы радиационного захвата узкие, а между резонансами сечение радиационного захвата очень мало, то в целом в резонансной области энергий рассеяние преобладает над захватом, хотя резонансный захват оказывает существенное влияние на баланс замедляющихся нейтронов.

Тепловые нейтроны. В этой области энергий сечения радиационного захвата для большинства элементов изменяются от энергии по закону . Однако для делящихся нуклидов на зависимость по закону накладывается резонанс в этой области энергий, причем почти для всех значимых нуклидов энергия резонанса составляет примерно 0.3 эВ. Это приводит к тому, что сечение деления делящихся нуклидов в десятки и сотни раз больше, чем сечение рассеяния. Именно поэтому первые реакторы, работающие на природном уране, были реакторами на тепловых нейтронах. И в настоящее время подавляющее большинство энергетических реакторов являются реакторами на тепловых нейтронах.

Каждый тип взаимодействия нейтронов с ядрами размножающей среды играет определенную роль. Главную роль играет сечение деления, поскольку именно процесс деления приводит к высвобождению энергии. Процесс рассеяния нейтронов приводит в большинстве случаев к уменьшению энергии нейтронов, и этот процесс используется для получения нейтронов тепловых энергий. Наибольший эффект замедления нейтронов достигается при взаимодействии нейтронов с легкими ядрами.

Реакция радиационного захвата в принципе приводит к потере нейтрона и потому снижает эффективность цепного процесса деления. Так, например, в реакции радиационного захвата на делящемся изотопе урана , во-первых, теряется нейтрон, во-вторых, вместо делящегося изотопа урана появляется пороговый изотоп. Однако другая реакция радиационного захвата на изотопе урана

приводит к образованию делящегося ядра плутония посредством двух радиоактивных превращений с периодом полураспада 2.3 суток. Это реакция приводит к воспроизводству ядерного горючего в реакторе. Явление воспроизводства ядерного топлива в ядерных реакторах является уникальным и характерным только для ядерных реакций.

Итак, в результате реакции деления:

• выделяется энергия  200 МэВ на одно деление, основная доля которой  170 МэВ – это кинетическая энергия осколков деления, а остальное – кинетическая энергия нейтронов деления (~5 МэВ), энергия мгновенных -квантов (7 МэВ), излучение осколков деления (16 МэВ), нейтрино (10 МэВ);

• образуются новые нейтроны, которые могут осуществить деление новых ядер. Среднее число нейтронов на один акт деления . Как правило, эти нейтроны испускаются в момент деления, но очень малая часть из них испускается продуктами деления с запаздыванием, причем время запаздывания существенно больше, чем длительность процесса появления мгновенных нейтронов деления (так называемые запаздывающие нейтроны);

• в результате ядерных реакций радиационного захвата нейтронов на ядрах с четным числом нуклонов (, ) образуются новые делящиеся нуклиды (, ), что существенно расширяет сырьевую базу ядерной энергетики.