Билет 1

1. Массы ядер и их единицы. Дефект масс. Изобары и изотопы.

Атомное ядро

	Атом. физика	Яд. физика
Размер	A~10-8см	Ф[ферми]~ 10-13см
Энергия 1эВ	Единицы и десятки эВ	Миллионы Есв/А ~ МэВ

эВ – энергия, кот приобрет электрон, пролетая потенц в 1В

1эВ = 1,6*10^-12 эрг = 1,6*10^-19 Дж

Е_св – энергия связи

А – число нуклонов

[С + О₂  4 эВ ] – основа ядерной энергетики

Масса нуклона = 1,66*10^-24 г

E=mc

m_e = 0,511 МэВ [масса покая электрона]

m_p = 931 МэВ [масса покоя p⁺] ~ 1 ГэВ

p и n по отдельности весят чуть больше, чем ядро в целом

m_e >< 1 (дефект масс) за счет энергии связей

Дефе́кт ма́ссы — разность между массой покоя атомного ядра данного изотопа, выраженной в атомных единицах массы, и суммой масс покоя составляющих его нуклонов . Обозначается обычно .

Согласно соотношению Эйнштейна дефект массы и энергия связи нуклонов в ядре эквивалентны:

где Δm - дефект и с — скорость света в вакууме.

Дефект массы характеризует устойчивость ядра.

Избыток масс (дефект масс) связан с массой атома M_ат(A,Z) и массовым числом A соотношением:

= М_ат(A,Z) - А

Изобары - атомные ядра, имеющие одинаковое массовое число A и разные числа нейтронов N и протонов Z. A = N + Z.

Ядра-изобары образуются в результате β+, β- и ЕС-распада радиоактивных ядер. Пример:

Самыми тяжелыми стабильными изотопами являются изотопы свинца (Z = 82​) и висмута (Z = 83)

Нуклиды с одинаковым числом нуклонов (общее название для протонов и нейтронов), но разным соотношением протонов ​и нейтронов называются изобарами. Ядра изобары так же могут образовываться и в результате в- и ес

Изотопы (от греч. «равный», «одинаковый», и «место​») — разновидности атомов (и ядер) одного химического элемента с ​разным количеством нейтронов в ядре. Химические свойства атома зависят практически только от строения электронной оболочки, которая, в свою очередь, определяется в основном зарядом ядра Z (то есть количеством протонов в нём) и почти не зависит от его массового числа A (то есть суммарного числа протонов Z и нейтронов N). Все изотопы одного элемента имеют одинаковый заряд ядра, отличаясь лишь числом нейтронов.

2. Основное условие управляемости ядерного реактора и технические средствп управления.

Для управления ядерным реактором служит система управления и защиты (СУЗ). Органы СУЗ делятся на:

• Аварийные, уменьшающие реактивность (вводящие в реактор отрицательную реактивность) при появлении аварийных сигналов;

• Автоматические регуляторы, поддерживающие постоянным нейтронный поток Ф (то есть мощность на выходе);

• Компенсирующие, служащие для компенсации отравления, выгорания, температурных эффектов.

В большинстве случаев для управления реактором используют стержни, вводимые в активную зону, изготовленные из материалов, сильно поглощающих нейтроны (Cd, В и др.). Движение стержней управляется специальными механизмами, работающими по сигналам приборов, чувствительных к величине нейтронного потока.

Работа органов СУЗ заметно упрощается для реакторов с отрицательным температурным коэффициентом реактивности (с ростом температуры r уменьшается).

На основе информации о состоянии реактора, специальным вычислительным комплексом формируются рекомендации оператору по изменению состояния реактора, либо, в определённых пределах, управление реактором производится без участия оператора.

На случай непредвиденного катастрофического развития цепной реакции, в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону специальных аварийных стержней или стержней безопасности — система аварийной защиты.

Нейтроны, образовавшиеся в результате деления, называются мгновенными нейтронами. Нейтроны, образовавшиеся в результате цепочки распадов осколков, называются запаздывающими нейтронами. Ядра, испускающие нейтроны, называются ядра-предшественники. Среднее время жизни запаздывающих нейтронов составляет для U²³⁵ около 12сек (зависит от периода полураспада ядер-предшественников).

Вооруженные знаниями о запаздывающих нейтронах, взглянем на процесс увеличения мощности реактора. Пусть мы увеличиваем коэффициент размножения на 0.01 %, Кэф = 1.001. Рассмотрим отдельно мгновенные и запаздывающие нейтроны. Доля мгновенных нейтронов составляет в среднем 0.993. Коэффициент размножения только на мгновенных нейтронах составляет 1.001 x 0.993 = 0.994 - разгон реактора только с учетом только мгновенных нейтронов невозможен. А поскольку время жизни запаздывающих нейтронов около 12 с, то и увеличение мощности реактора происходит достаточно медленно. В практике удобнее пользоваться не коэффициентом размножения, а производной от него величиной - реактивностью.

Определение: Реактивность это отклонение коэффициента размножения от единицы, отнесенное к коэффициенту размножения.

При увеличении коэффициента размножения Кэф говорят о внесенной положительной реактивности, при уменьшении - говорят о внесенной отрицательной реактивности.

Для обеспечения безопасной работы реактора увеличение реактивности в реакторе не должно превышать долю запаздывающих нейтронов.

<

где - доля запаздывающих нейтронов.

Возможность управления реактором характеризуется скоростью увеличения (уменьшения) мощности, она должна быть такова, чтобы системы и механизмы управления успевали реагировать на это изменение. Для определения управляемости реактора введена величина периода реактора.

Определение: Период реактора это время, в течение которого мощность изменяется в е раз (е = 2.718)

По правилам безопасности, при нормальной работе реактора его период не должен быть менее 15-20 секунд.

Пример: Мы внесли реактивность r = 0.014 в реактор где доля запаздывающих нейтронов = 0.007. Для мгновенных нейтронов составляет 1- = 0.993. Коэффициент размножения в этом случае составит

Кэф = 1/(1- ) = 1.0142. Коэффициент размножения на мгновенных нейтронах 1 - x 1/(1- ) = 1.0142 x 0.993 = 1.0071 через 1 сек при времени жизни мгновенных нейтронов 10^-3 сек мы получим увеличение количества мгновенных нейтронов, а значит и мощности в 1.0071¹⁰⁰⁰ = 1181 раз.