Взаимодействие нейтронов с ядрами вещества.

1. Физика деления ядер

Как известно, источником энергии на АЭС является процесс деления ядер тяжелых элементов в результате взаимодействия с нейтронами. Для выяснения причины энергетической выгодности процесса деления ядер, предварительно рассмотрим сам процесс деления.

Ядра всех элементов состоят из протонов (p) и нейтронов (n). Полное число протонов и нейтронов в ядре называется массовым числом и обозначается буквой А. Заряд ядра Z определяется только числом протонов и определяет номер элемента в периодической системе элементов.

Поэтому в большинстве практически важных случаев принято считать .

Ядро представляет собой связанную систему частиц и поэтому масса ядра меньше суммы масс составляющих его нуклонов. Если M(A,Z) - масса ядра, содержащего Z протонов и A-Z нейтронов, то разность

(1)

называется дефектом массы ядра. В теории относительности устанавливается связь между энергией и массой, поэтому дефект массы часто измеряют в величинах энергии покоя . Фактически это энергия равна той работе, которую совершают силы притяжения между нуклонами для стягивания свободных частиц в связанное состояние. А с другой стороны это есть та энергия, которая требуется для разделения ядра на составляющие его нуклоны. Эту энергию называют энергией связи нуклонов в ядре. В ядерной физике используется величина удельной энергии связи на один нуклон.

; (2)

Поскольку , то

. (3)

Зависимость массы ядра от числа протонов и нейтронов носит довольно сложный характер, определяемый свойствами сильного взаимодействия между нуклонами. В среднем это приводит к следующей зависимости энергии связи на один нуклон от массового числа, которая представлена на рис. 1.

Отличительной особенностью этой зависимости является то, что наиболее прочными являются ядра, массовые числа которых заключены в интервале 50<A<150, для которых энергия связи на один нуклон более 8 МэВ. Для тяжелых ядер (А>200) энергии связи на один нуклон примерно на 1 МэВ ниже. Так, например, для ²³⁸U энергия связи на один нуклон

Рис.1 Зависимость энергии связи на один нуклон от числа нуклонов в ядре

составляет 7.6 МэВ, что примерно на 1 МэВ меньше, чем для наиболее прочного ядра ⁶²Ni, для которого она составляет 8.8 МэВ. Из этого следует, что квантовое состояние системы нуклонов, образующих тяжелое ядро (A,Z), например, ядро урана или тория, обладает большей энергией, чем состояние той же совокупности нуклонов, но образующих два ядра меньшей массы (A₁,Z₁) и (A₂,Z₂), причем A₁+A₂=A и Z₁+Z₂=Z.

Самопроизвольному распаду тяжелого ядра на два более легких, но более прочных препятствует сила притяжения нуклонов в ядре. Для преодоления сил притяжения необходимо затратить работу, минимальное значение которой называется потенциальным барьером ядра. Если сообщить тяжелому ядру энергию, величина которой больше потенциального барьера , то можно ожидать деление исходного ядра на два осколка, для каждого из которых энергия связи на один нуклон выше, чем для исходного ядра.

Поскольку тяжелое ядро обладает большим положительным зарядом, то в качестве частиц, используемых для передачи энергии ядру, лучше всего подходят нейтральные частицы, то есть нейтроны. При попадании в ядро нейтрон передает ему не только кинетическую энергию , но и энергию связи нейтрона в ядре . Таким образом, полная энергия возбуждения ядра при поглощении им нейтрона, равна , и при выполнении условия становится возможным реакция деления ядра под действием нейтрона. Для тех ядер, для которых энергия связи нейтрона в ядре оказывается больше значения потенциального барьера , то такие ядра могут делиться под действием нейтронов любой кинетической энергии. Такие ядра называются делящимися. Если же энергии связи недостаточно для преодоления потенциального барьера, то для осуществления реакции деления необходимо, чтобы кинетическая энергия нейтрона была выше некоторого минимального значения , называемая порогом реакции. Ядра, обладающие таким свойством, называются просто делимыми или пороговыми. Свойства ядра быть делящимся или пороговым зависит от структуры ядра. Энергия связи поглощенного ядром нейтрона зависит от четности нуклонов в исходном ядре. Если исходное ядро имело нечетное число нуклонов, то поглощенный нейтрон будет образовывать парную связь, а энергия парной связи будет выше среднего значения энергии связи нуклонов в ядре. Если же поглощенный нейтрон оказывается непарным, то его энергия связи ниже среднего значения. Это будет в том случае, когда исходное ядро содержит четное число нейтронов.

Следовательно, ядро ²³⁵U, имеющее нечетное число нуклонов, будет делиться нейтронами любой энергии, в том числе и с энергией теплового движения ядер. В то же время ядра ²³⁸U и ²³²Th будут делиться в основном только нейтронами с энергией выше порога деления, которая равна 1.1 МэВ для ²³⁸U и 1.2 МэВ для ²³²Th.

Энергия деления и нейтроны деления

При делении тяжелых ядер образуются, как правило, два осколка деления, для каждого из которых энергия связи на один нуклон выше, чем для исходного ядра. В результате ядерной реакции деления будет выделено количество энергии, которое пропорционально числу нуклонов в исходном ядре и разности энергий связи осколков деления и исходного ядра. Общее количество нуклонов в ядре ²³⁵U составляет 235, а разность энергий связи составляет примерно 1 МэВ, так что энергия реакции деления составляет более 200 МэВ. Энергия деления в расчете на одно ядро, дает высокую теплотворную способность реакции деления, которая примерно в 10⁷ раз выше, чем теплотворная способность органического топлива.

Кроме того, появляются нейтроны деления, в количестве 2-3 на один акт деления. Эти нейтроны имеют среднюю энергию около 2 МэВ, так что они могут вызвать последующее деление любых тяжелых ядер. Таким образом, в результате реакции деления выделяется энергия в количестве примерно 200 МэВ, появляются новые нейтроны, средняя энергия которых выше порога деления тяжелых ядер и два радиоактивных осколка деления.

Наибольшая часть энергии деления проявляется в форме кинетической энергии осколков деления. При движении заряженных ядер – осколков деления, их кинетическая энергия передается атомам размножающей среды, нагревая ее. Нейтроны деления также уносят часть энергии в форме кинетической энергии, которая при замедлении нейтронов передается замедлителю. Кроме того, за счет радиоактивного распада осколков деления выделяется энергия в виде β-частиц, γ-квантов и нейтрино. Именно эта энергия является причиной остаточного энерговыделения отработанного ядерного топлива.

Энергетический спектр нейтронов деления слабо зависит от делящегося нуклида и энергии нейтрона, вызвавшего деление. Средняя энергия нейтронов деления составляет примерно 2 МэВ, но в результате деления были зарегистрированы нейтроны с энергией и выше 10 МэВ. Спектр нейтронов деления представлен на рис. 2.

Рис. 1.3 Спектр нейтронов деления