Контрольные вопросы для подготовки к занятию

1. Какой процесс называется ядерной реакцией?

2. Как классифицируются ядерные реакции? Приведите примеры.

3. Как символически записывается ядерная реакция?

4. Как определяется и каков физический смысл центробежного барьера нейтронной реакции?

5. Системы: центра инерции и лабораторная.

6. Ядерные реакции под действием -квантов и заряженных частиц.

7. Перечислите законы сохранения, выполняемые при ядерных реакциях.

8. Как определяется энергия ядерной реакции?

9. Каков механизм ядерной реакции?

10. Как определяется энергия возбуждения промежуточного ядра?

11. Выполните и объясните энергетические схемы экзо- и эндоэнергетических реакций.

12. Как определяется порог эндоэнергетической реакции?

13. Что такое нейтронная мощность реактора?

14. Что такое остаточное тепловыделение?

15. Какие процессы обуславливают остаточное тепловыделение?

16. Написать недостающие обозначения в следующих ядерных реакциях:

1) ; 2); 3); 4); 5); 6); 7).

Краткие теоретические сведения и основные формулы

Ядерной реакцией называется процесс перестройки ядра, возникающий под действием -излучения или в результате взаимодействия двух ядер или ядра и частицы при их сближении до расстояний, на которых начинают проявляться действия ядерных сил (10^-15 м). Этот процесс может сопровождаться выделением новых частиц.

В общем виде ядерную реакцию можно записать:

или кратко:

A (a, b) B,

где А – ядро-мишень, В – новое ядро, а – налетающая частица, b – вылетающая частица.

Ядерные реакции классифицируют по различным признакам:

1) по энергетическому эффекту: на реакции с выделением тепловой энергии, с затратой кинетической энергии и протекающие без изменения кинетической энергии и энергии покоя частиц.

2) по механизму взаимодействия: на реакции, идущие через промежуточную стадию образования составного ядра, и прямые взаимодействия.

3) по характеру протекающих ядерных превращений: на реакции рассеяния (упругого, неупругого), радиационного захвата, деления ядер и т.д.

4) по виду частиц, вызывающих реакцию: на нейтронные реакции, реакции под действием заряженных частиц; под действием -квантов.

При взаимодействии нейтрона с ядром, несмотря на отсутствие кулоновского барьера, при l  0 (l – орбитальное квантовое число) существует центробежный барьер, и нейтроны с кинетической энергией меньше высоты этого барьера имеют малую вероятность взаимодействия с ядром.

Для тяжелых ядер барьер ниже, чем для легких.

Высота барьера:

где l – орбитальное квантовое число, R – радиус ядра.

При взаимодействии ядра с заряженной частицей, кроме центробежного барьера, имеется и кулоновский:

Под действием -квантов идут реакции (, р); (, п); (, ). Их называют ядерным фотоэффектом.

Энергия реакции Q – есть разность значений кинетических энергий ядер и частиц после и до реакции:

.

Из закона сохранения энергии следует:

Q = 931,5 МэВ.

Если Q < 0 – реакция сопровождается возрастанием энергии покоя продуктов реакции за счет уменьшения кинетической энергии и называется эндоэнергетической.

Если Q = 0, то тепловыделения нет.

Если Q > 0, реакция сопровождается выделением кинетической энергии (в виде тепла) за счет уменьшения энергии покоя и называется экзоэнергетической.

Ядерная реакция проходит в два этапа:

,

где О- промежуточное ядро.

Энергия возбуждения промежуточного ядра:

.

Энергия возбуждения промежуточного ядра складывается из энергии связи налетающей частицы в составном ядре Е_{св а} и кинетической энергии исходных продуктов в системе центра инерции .

Обозначим: - энергия невозбужденного промежуточного ядра;- энергия покоя промежуточного ядра в возбужденном состоянии.

Энергетическая схема экзоэнергетической реакции представлена на рис. 4.1, а эндоэнергетической реакции – на рис. 4.2.

Рис. 4.1. Энергетическая схема экзоэнергетической реакции

Рис. 4.2. Энергетическая схема эндоэнергетической реакции

Минимальное значение кинетической энергии налетающей частицы, при которой может протекать эндоэнергетическая реакция, называется порогом такой реакции:

.

Тепловая мощность работающего реактора в каждый момент времени может рассматриваться как сумма двух составляющих:

N_n - нейтронная мощность – это мощность мгновенных источников энергии: осколков и нейтронов деления, а также -квантов.

- мощность остаточного тепловыделения – это мощность запаздывающих источников энергии: -частиц и -квантов, испускаемых осколками деления. зависит только от типа и количества накопленных в активной зоне осколков деления и их радиоактивности. В отличие от нейтронной мощности, регулирование мощности остаточного тепловыделения невозможно.

После выключения реактора нейтронная мощность быстро уменьшается, а мощность остаточного тепловыделения снижается медленно.

Рассмотрим физические процессы, определяющие остаточное тепловыделение.

Ядро-осколок распадается по схеме:

.

Энергия такой реакции:

(масса пренебрежимо мала).

Вся энергия такой реакции уносится частицами и .

Для подсчета полной мощности остаточного тепловыделения через t с после сброса стержней аварийной защиты (АЗ) надо просуммировать энерговыделение от всех образовавшихся ядер-осколков с учетом снижения их количества за счет радиоактивного распада, зависящего от периода полураспада, а также учесть энергию -излучения. Таковы физические процессы, обуславливающие наличие остаточного тепловыделения.