Утверждён на заседании ПМК № _____

протокол №___от______________20___г.

Текст лекционного занятия № 1.2.2.1.

Тема: Основы ядерной физики.

1-й вопрос: Состав атома и атомного ядра.

Каждый атом обладает положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами, расположенными на соответствующих оболочках вокруг ядра. Существование в атоме тяжёлого плотного положительно заряженного ядра было открыто Э. Резерфордом в 1911г. Ядро составляет 99,95% массы атома. Размеры ядер имеют порядок 10^–15м, а размеры атомов ~10^–10м. Такое различие масштабов (атом внутри «пустой») является причиной качественного разграничения явлений атомной и ядерной физики. В ядерной физике имеют дело со столь высокими энергиями, что часто можно пренебрегать энергетическим влиянием оболочек атома на структуру ядра и на протекание ядерных реакций.

Ядра атомов бывают стабильными и нестабильными (радиоактивными). Атомное ядро, находясь в различных энергетических состояниях, обладает разной полной энергией. Состояние, которому соответствует наименьшая возможная для данного ядра энергия, называется основным; все остальные состояния называются возбуждёнными. При нормальных условиях ядра находятся в основных состояниях.

К числу основных характеристик стабильных ядер можно отнести: массу, заряд, радиус, механический и магнитный моменты, спектр возбуждённых состояний, квадрупольный момент. Радиоактивные ядра дополнительно характеризуются временем жизни, типом радиоактивных превращений, энергией испускаемых частиц и др.

Все ядра делятся на лёгкие, средние и тяжёлые. Лёгкие ядра те, у которых отношение N/Z ≈ 1, средние – N/Z ≈ 1,4 и тяжёлые – N/Z ≈ 1,6, где N – число нейтронов, а Z – число протонов.

Ядра с одинаковым числом протонов, с одинаковым зарядовым числом Z и разным числом нуклонов (с разными массовыми числами А) называются изотопами. Например, у урана (Z = 92) есть изотопы и имеющие 143 и 146 нейтронов соответственно. Известны изотопы водорода (Z = 1) (), (), у которых 0, 1, 2 нейтрона соответственно.

Иногда употребляются термины изобары (для ядер с одинаковыми А и разными Z) и изотопы (для ядер с одинаковыми N и разными Z).

Основные характеристики протона и нейтрона

Масса. В единицах массы электрона: масса протона m_p = 1836,1m_e; масса нейтрона m_n = 1838,6m_e, где m_e – масса электрона.

В атомных единицах массы (а.е.м.): масса протона m_p = 1,00727 а.е.м., масса нейтрона m_n = 1,00866 а. е. м.,

В ядерной физике принято выражать массы в единицах энергии, умножая их для этой цели на квадрат скорости света в вакууме (с²): 1 а.е.м. = 931,5 МэВ, 1 МэВ (мегаэлектронвольт) = 10⁶ эВ = 1,60210^–13 Дж.

В энергетических единицах масса покоя протона m_p = 938,3 МэВ; масса покоя нейтрона m_n = 939,6 МэВ. Масса электрона в энергетических единицах m_e = 0,511 МэВ.

Электрический заряд. Заряды протона и электрона равны по абсолютной величине и соответствуют элементарному заряду е – наименьшему количеству электричества, встречающемуся в природе:

Отсюда следует, что заряд протона q_p = + 1|е|, заряд электрона q_e = –1|е|, заряд нейтрона q_n = 0.

Взаимные превращения нуклонов. Протон (ядро водорода) внутри ядра может превращаться в нейтрон (позитронный распад):

Нейтрон – частица нестабильная. Среднее время жизни его около 16 минут. В свободном состоянии нейтрон распадается на протон, электрон и антинейтрино:

Внутри ядра нейтрон и протон могут превращаться друг в друга. Вне ядра – протон стабилен и не распадается.

Основные характеристики ядра

Заряд ядра. Величина заряда – это самая важная характеристика ядра. Она определяется числом протонов в ядре, которому точно соответствует число электронов в электронных оболочках атома, поскольку атом электрически нейтрален. Совокупность основных химических и физических свойств элементов определяется, в первую очередь, величиной заряда.

Масса ядра. Важнейшей характеристикой ядра является также его масса, величина которой зависит от числа нуклонов. Чем больше масса ядра, тем больше его размеры. Ядра с различными массами обладают также и различными физическими характеристиками. Массу атома любого элемента можно вычислить путём деления атомного веса на число Авогадро:

(1.1.)

Нейтральный атом содержит кроме ядра ещё Z орбитальных электронов, общая масса которых равна Zm_e.

Таким образом, для массы ядра m_я получаем выражение

(1.2.)

2-й вопрос: Ядерные силы. Энергия связи ядра.

Атомное ядро достаточно прочная система. Его прочность обеспечивают специфические ядерные силы взаимодействия между протонами и нейтронами.

Природа ядерных сил изучена не до конца, но их свойства хорошо известны:

1. Обратимость. На расстоянии > 0,7 Фм они действуют как силы притяжения, а на расстоянии < 0,7 Фм – отталкивания.

2. Близкодействие. На расстоянии в 1,4 Фм ядерные силы в 3 раза меньше чем при 0,7 Фм. На расстоянии 4,2 Фм ядерные силы ≈ 0.

3. Большая величина. Эти силы самые мощные из всех известных в природе, они в 100раз больше кулоновских на расстоянии ~10^-15 м.

4. Зарядовая независимость (равнодействие). Ядерные силы между протоном и нейтроном те же, что и между двумя протонами или двумя нейтронами.

5. Насыщение ядерных сил. При увеличении числа нуклонов возрастания ядерных сил не происходит. Взаимодействие идет только в пределах соседних нуклонов, окружающих данный нуклон.

Квантами взаимодействия нуклонов в поле ядерных сил (в мезонном поле) являются мезоны. Предполагается, что существование ядерных сил связано с обменом между нуклонами элементарной частицей π-мезоном.

Известны три вида π-мезонов: π⁺, π^-, π⁰.

Взаимное превращение нуклонов друг в друга: p↔n+ π⁺; n↔p+ π^-; p↔p+π⁰; n↔n+π⁰.

Суммарная энергия взаимодействия нуклонов в ядре определяется ядерными силами притяжения всех нуклонов и электростатическими силами отталкивания протонов и называется энергией связи ядра.

Энергия связи ядра – это энергия, которую необходимо затратить, чтобы разложить ядро на составляющие его нуклоны, или энергия, которая выделяется при образовании (синтезе) ядра из свободных нуклонов.

Например: Е_св.() = 2,2 МэВ; Е_св.() = 28,2 МэВ; Е_св.() = 1780 МэВ.

Для определения энергии ядра пользуются законом Эйнштейна, согласно которому каждой массе m (кг) соответствует определенная энергия Е (Дж), а каждому изменению массы Δm соответствует определенное изменение энергии ΔЕ и наоборот.

Е = m·С²; ΔЕ = Δm·С²,

где С= 3·10⁸ м/с = 300000 км/с – скорость света в вакууме.

Энергия ядра, как и энергия элементарных частиц, измеряется в электрон вольтах (эВ).

1 эВ – энергия, приобретаемая элементарной частицей с единичным зарядом, равным заряду электрона при прохождении в ускоряющем электрическом поле, создаваемом разностью потенциалов в 1 В.

1 эВ = 1,602·10^-19 Дж

Если массу выражать в а.е.м., то Е = 931·m (МэВ) следовательно, 1 а.е.м. соответствует энергетический эквивалент 931 МэВ (или 1,49·10^-10 Дж).

Энергии связи ядра (Е_св) соответствует дефект масс (Δm), который равен разности между суммой масс покоя нуклонов, составляющих ядро и массой ядра.

Δm = Z·m_p + (A-Z)·m_n - m_я,

где m_p, m_n, m_я – массы протона, нейтрона и ядра в а.е.м.

В этом случае: Е_св = 931·Δm (МэВ);

Энергия связи может быть выражена через массы нейтральных атомов – исходного М и атомов водорода М_н:

Е_св = 931·[Z·M_н + (A-Z)·m_n – M] (МэВ)

Эта формула более удобна, т.к. в справочных таблицах обычно даются массы атомов, а не ядер. Массы электронов атомов, которые входят в формулу, автоматически исключаются, т.к. они берутся до и после реакции с разными знаками.

Отношение полной энергии связи ядра к массовому числу дает среднее значение энергии на один нуклон и называется удельной энергией связи.

, МэВ

Д

Рис

ля тяжёлых ядер (U, Pu и т.д.) ε~7,6 МэВ, а для средних (Fe, Ni и т.д.) ε~8.8 МэВ, поэтому, когда нуклонов в ядре много (тяжёлые ядра), их труднее удерживать вместе в ядре. Кулоновские силы отталкивания проявляются в этом случае в большей мере, и необходимо затратить гораздо меньше энергии, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны.

Рис.2.1. Зависимость ε от массового числа нуклидов

Из рисунка видно, что:

1. Чем больше ε, тем устойчивее ядро.

2. Наличие максимума кривой говорит о возможности 2-х способов высвобождения ядерной энергии:

- при синтезе легких ядер в более тяжелые;

- при делении самых тяжелых ядер на 2 ядра средней массы.

В обоих случаях образующиеся новые ядра имеют бόльшую удельную энергию связи, чем исходные. Следовательно, в таких реакциях будет высвобождаться энергия.

Нейтрон, поглощенный ядром, увеличивает энергию ядра на энергию связи присоединенной частицы

МэВ

где т_n,, Μ_ζ,α, M_ζ,α+ι — массы нейтрона и нуклида до и после поглощения нейтрона, а. е. м.

При делении тяжелого ядра нейтроном на два осколка происходит изменение массы на величину

где т_я , т_п , т₁, т₂ — массы исходного ядра, нейтрона и ядер-осколков соответственно, а. е.м.; v_f — количество свободных нейтронов образовавшихся при делении. Соответственно энергия деления равна

Нейтрон, поглощенный ядром, увеличивает энергию ядра на энергию связи поглощенной частицы. Устойчивость ядер связана с соотношением протонов и нейтронов.

1. Не существует стабильных (неподверженных самопроизвольному радиоактивному распаду) ядер при Z = 0 - нейтрон; Z = 43 – технеций (Тс); Z = 61 – прометий (Pm); Z = 84 – полоний (Ро) и т.д.

2. Наиболее устойчивыми являются ядра с чётным количеством и (четно-четные) Z = 2 – гелий (); Z = 8 – кислород (); Z = 20 – кальций (); Z = 50 – олово ; Z = 82 – свинец ().

3. Не существует стабильных ядер при А = 5; 8 и при А ≥ 210.

Заключение по занятию:

Каждый атом обладает положительно заряженным ядром и отрицательно заряженными электронами, расположенными на соответствующих оболочках вокруг ядра. Существование в атоме тяжёлого плотного положительно заряженного ядра было открыто Э. Резерфордом в 1911г. Ядро составляет 99,95% массы атома. Размеры ядер имеют порядок 10^–15м, а размеры атомов ~10^–10м. Такое различие масштабов (атом внутри «пустой») является причиной качественного разграничения явлений атомной и ядерной физики. В ядерной физике имеют дело со столь высокими энергиями, что часто можно пренебрегать энергетическим влиянием оболочек атома на структуру ядра и на протекание ядерных реакций.

«06» июня 2011 года	Преподаватель цикла УВЦ
	капитан 3 ранга С. Бармин

Утверждён на заседании ПМК № _____

протокол №___от______________20___г.

Текст лекционного занятия № 1.2.2.2.

Тема: Основы ядерной физики

1-й вопрос: Радиоактивность. Радиоактивное излучение.

Ядро, как система взаимодействующих нуклонов, может находиться в различных энергетических состояниях.

Состояние, при котором ядро устойчиво, называется основным.

Ядра, имеющие избыток энергии по сравнению с основным состоянием, находятся в возбужденном состоянии.

Необходимое, но не всегда достаточное, условие радиоактивного распада – масса радиоактивного ядра должна быть больше суммы масс ядер-осколков и частиц, вылетающих при распаде.

m_я - ∑m_i > 0 и следовательно ΔЕ = 931 (m_я - ∑m_i ) > 0

Радиоактивность – самопроизвольный, не поддающийся никакому внешнему воздействию непрерывный распад некоторых природных или искусственных элементов, в ходе которого эти вещества испускают элементарные частицы или атомные ядра. Эти элементы являются радиоактивностью.

Наиболее характерны следующие виды распада:

α-распад.

α-излучение возникает при распаде тяжелых ядер. Излучение состоит из потока α-частиц, то есть ядер гелия – ₂Не⁴.

Из тяжелого ядра (начиная с висмута Z ≥ 83 и А ≥ 208) вылетает α-частица (ядро). Заряд нового ядра уменьшается на 2 единицы, а массовое число – на 4.

, пример

α-распад возможен, если суммарная энергия связи дочернего ядра и α-частицы больше чем энергия связи исходного ядра. В природе наблюдается ~25 α-активных изотопов.

α-частица вылетает со скоростью 20÷25 тыс. км/с. Вследствие большой массы и двойного заряда α-частицы имеют небольшую длину свободного пробега.

Пробег α-частицы в воздухе при Е_α от 1 до 10 МэВ – 0,52÷10,5 см., Е_α = 5 Мэв – 3,52 см. Для биологической ткани:

Е_α = 1÷10 Мэв – 0,0072÷0,12 мм, Е_α = 5 Мэв – 0,044мм.

Опасность от α-излучения возникает только при попадании радиоактивных веществ внутрь организма. Внешнее облучение α-частицами радиоактивных изотопов не представляет опасности.

β-распад.

Различают электронный (β^-) и позитронный (β⁺) распады. (Электрон ядерного происхождения называют β^--частицей).

β^--распад происходит с испусканием ядром электрона (β^--частицы) и антинейтрино () вследствие превращения внутри ядра нейтрона в протон. Z нового ядра становится больше на 1, а А не изменяется.

,

например β^- -распад йода с превращением его ,

Практически все ядра осколки деления урана β-активны, т.к. имеют избыток нейтронов.

β⁺-распад сопровождается испусканием ядром позитрона (β⁺-частицы, античастицы электрона) и нейтрино (ν) вследствие превращения внутри ядра протона в нейтрон. Происходит после возбуждения ядра в результате внешнего воздействия. Такие ядра в природе не встречаются, это характерно только для искусственных радиоизотопов. Число Zуменьшается на 1, а А не изменяется.

, например

Продукты β^±-распадов являются изобарами.

Проникающая способность β-излучения почти в 100 раз больше проникающей способности α-излучения. Поэтому работа с β-активным веществами требует специальной защиты.

γ-излучение – это электромагнитное излучение очень короткой длины волны. Оно представляет собой поток частиц γ-квантов. Излучение возникает при радиоактивном распаде большинства изотопов, а также при ядерных реакциях. Проникающая способность γ-квантов в десятки раз превышает проникающую способность β-излучения.

нейтронное излучение обусловлено потоком нейтронов. Нейтрон – нейтральная частица, входящая в состав атомного ядра. Нейтроны обладают большой проникающей способностью. Биологическое действие потока нейтронов в 3…10 раз превышает действие γ-излучения. Источником нейтронов является атомное ядро. Нейтроны из этого источника получают в результате ядерной реакции, в том числе реакции деления тяжелых ядер и реакции синтеза лёгких ядер. Именно поэтому при атомных и термоядерных взрывах возникает мощный поток нейтронов. Нейтронное излучение наиболее опасный вид ионизирующих излучений. Беспрепятственно проникая в биологическую ткань, нейтроны вызывают её поражение

Спонтанное деление.

Характерно для тяжелых ядер и является следствием их внутренней неустойчивости. Из природных элементов делятся почти все изотопы ₉₀Th и ₉₂U.

Ядро делится на 2 (иногда 3÷4) ядра-осколка с большим избытком нейтронов в них. Часть этих нейтронов (1÷2 из каждого осколка) вылетают мгновенно (мгновенные нейтроны) – n_мгн.

Одновременно часть энергии возбуждения излучается в виде γ-квантов (мгновенное γ-излучение). Далее осколки претерпевают ряд β^- превращений, пока не станут стабильными.

Скорость спонтанного деления мала – в 1 грамме U-238 происходит 25 дел/ч, а в U-235 – 1 дел/ч.

Электронный захват (К-захват).

Ядро захватывает электрон, расположенный на наиболее близкой орбите электронной оболочки атома (К-оболочки). Один из протонов поглощает электрон, превращается в нейтрон и испускает нейтрино. Z уменьшается на 1, а А не меняется.

, например

Протонный распад.

Возбужденное ядро испускает протоны.

α-, β^±-частицы, , и γ-кванты называют радиоактивным излучением, а способность ядер к излучению – радиоактивностью, т.к. излучение при взаимодействии с атомами среды приводит к образованию электрических зарядов разных знаков - положительных и отрицательных ионов и свободных электронов из электрически нейтральных атомов и молекул. Его ещё называют ионизирующим излучением. Ионизация является основной причиной поражающего и разрушающего воздействия излучения при взаимодействии с биологической средой и другими материалами.

Закон радиоактивного распада.

,

где С – концентрация ядер радиоактивного нуклида, ядер/см³;

λ – постоянная распада, представляющая собой вероятность распада ядра в единицу времени, с^-1.

Решение этого уравнения имеет вид:

,

где С₀ – начальная концентрация ядер радиоактивного нуклида при t=0, ядер/см³;

С(t) – концентрация ядер радиоактивного нуклида в момент времени t, ядер/см³;

t – текущее время, с;

τ = 1/λ – среднее время жизни радиоактивного нуклида – время в течение, которого число ядер уменьшается в e раз, с;

T_1/2 = 0,693·τ – период полураспада – время, в течение которого распадается (в среднем) половина исходного радиоактивного вещества, с.

Рис.1.1.

Активность( А ) – это число распадов dC за малый интервал времени dt.

, расп/с.

Активность прямопропорциональна постоянной распада (λ) и числу радиоактивных атомов (С).

Уменьшается активность во времени по экспоненциальному закону:

Единица измерения активности в системе СИ – Беккерель (Бк).

1 Бк = 1 расп/с

Внесистемная единица измерения – Кюри (Ku). 1 Ku =3,7·10¹⁰ Бк

2 вопрос: Ядерные реакции.

Ядерные реакции – это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, в том числе с γ-квантами.

Форма записи ядерной реакции:

или

где, X и Y – начальные и конечные ядра;

а и b – вступающая в реакцию и образующаяся элементарные частицы (ядра).

Для корабельного ЯР главную роль играют реакции ядер с нейтронами и γ-квантами.

Пример ядерной реакции:

или

Рассеяние нейтронов (n, n¹).

Это ядерная реакция, в результате которой при столкновении с ядром теряет часть энергии (замедляется) и изменяет направление движения (рассеивается, отражается).

Если потерянная энергия изменяет только кинетическую энергию ядра, рассеяние называют упругим.

Рис.2.1.

Если ядро возбуждается с последующим переходом в устойчивое состояние путём излучения γ-кванта, рассеяние называют неупругим.

В замедлителе и, частично, в отражателе происходит в основном упругое рассеяние - замедление и отражение.

В топливе и на других тяжёлых ядрах происходит неупругое рассеяние – замедление и отражение быстрых нейтронов.

Радиационный захват (n, γ).

Эта реакция, приводящая к поглощению и превращению ядра в новый нуклид с последующим излучением γ-кванта (радиацией).

Рис.2.2.

1. Потеря нейтрона;

2. Образование нового ядра.

В а.з. ЯР наиболее часто встречаются следующие реакции радиационного захвата:

- в компенсирующих группах - ;

- в выгорающем поглотителе - ;

- получение новых нуклидов, в том числе делящихся в биологической защиты

- вредная реакция, непроизводительный захват нейтрона и бесполезное расходование делящегося изотопа , приводящая к выгоранию ядерного топлива

(U-236 является шлаком)

Фотонейтронная (фотоядерная) реакция (γ, n).

Ядерная реакция выбивания из ядра под действием γ-кванта, наиболее вероятна на бериллии () и дейтерии ():

Данные ядерные реакции позволяют при наличии γ-квантов получать начальный поток нейтронов, что очень важно при пуске ЯР.

Реакция замещения (n, α), (n, p), (α, n).

Это ядерная реакция, сопровождающаяся поглощением одной частицы и рождением новой.

- происходит в ст. АЗ, выгорающем поглотителе и в ИК;

- активация воды и воздуха;

- в Ро-Ве источниках, применяемых при пуске.

Реакция деления (n; f)

Деление ядер (n, f). Некоторые тяжелые ядра (A>90), будучи неустойчивыми, могут делиться при облучении их нейтронами. Поглотив нейтрон, тяжелое ядро спустя ~10^-14 с делится на два осколка, которые в течение ~10^-17 с разлетаются в противоположных направлениях с ускорением под действием кулоновских сил отталкивания. Пройдя расстояние ~10^-8 см (до находящегося рядом атома), они приобретут суммарную кинетическую энергию ~165 МэВ . С этого момента, будучи многозарядными ионами (электроны потеряны при делении), осколки тормозятся, отдавая энергию окружающим атомам и молекулам. Находясь в сильно возбужденном состоянии (МэВ), осколки деления сразу же (мгновенно) отдают часть этой энергии вылетающим нейтронам и γ-квантам (1—2 нейтрона и 2—3 γ-кванта на каждый осколок). Имея все еще большой избыток нейтронов, но недостаточную для их вылета Евозб осколки претерпевают несколько (в среднем три) β-распадов с превраще­нием нейтрона в протон и излучением антинейтрино. После β-распада, как правило, излучаются еще γ-кванты и очень редко испускается нейтрон (запаздывающий).

Итак, при делении тяжелого ядра образуются осколки деления А1, А2, мгновенные нейтроны и γ-излучение, продукты радиоактивного распада осколков, β- и γ-излучение осколков и продуктов их распада, антинейтрино, запаздывающие нейтроны.

Рис.2.3 Схема деления ядра урана (плутония)

.

Нейтронные эффективные сечения.

Мерой взаимодействия с ядром любого нуклида является микроскопическое эффективное сечение (σ).

Характеризует вероятность совершения той или иной ядерной реакции.

Пусть на единичную площадку толщиной в одно ядро направлен поток нейтронов интенсивностью I₀. Часть вступила в ядерную реакцию с ядрами материала площадки. Оставшаяся часть нейтронов образует поток интенсивностью I₁. Тогда ΔΙ = I₀ – I₁ – количество вступивших в ядерные реакции на единичной площади за 1 секунду (интенсивность ядерных реакций).

I₀ - интенсивность потока ;

С - число ядер на1 см² поверхности;

ΔΙ - интенсивность ядерных реакций.

ΔΙ = σ·I₀·С

σ – коэффициент пропорциональности.

, см²

Единица измерения σ в системе СИ – см² (м²).

В ядерной физике используется – барн.

1 барн = 10^-24 см² = 10^-28 м²

В соответствии с типами ядерных реакций различают:

σ_е – микроскопическое эффективное сечение упругого рассеяния;

σ_n – микроскопическое эффективное сечение неупругого рассеяния;

σ_s = σ_е + σ_n – полное микроскопическое эффективное сечение рассеяния;

σ_γ – микроскопическое эффективное сечение радиационного захвата;

σ_f – микроскопическое эффективное сечение деления;

σ_а = σ_γ + σ_f – полное микроскопическое эффективное сечение поглощения.

Физически σ – это площадь, совмещенная с поперечным сечением ядра, попав в которую, нейтрон вызывает ту или иную ядерную реакцию.

σ не связано с размерами ядра и зависит только от энергии (скорости) нейтрона, вида ядра и типа ядерной реакции.

. Закон 1/V.

Например, для Хе-135 σ_а = 2,72·10⁶ барн, а для Хе-136 σ_а = 5 барн. При делении U-235 быстрыми нейтронами σ_f = 2,5 барн, а тепловыми σ_f =582 барна.

Если единичная площадка имеет толщину в 1 см, то вероятность взаимодействия нейтрона с ядром вещества при прохождении этого расстояния определяется макроскопическим эффективным сечением взаимодействия – Σ.

Σ = σ·С, см^-1,

где С – концентрация ядер в 1 см³, яд/см³.

Величина , см – длина свободного пробега нейтрона в веществе до совершения ядерной реакции.

Также как и σ, Σ и λ подразделяются по типу ядерной реакции и записываются с соответствующими символами, например Σ_s - макроскопическое эффективное сечение полного рассеяния, а λ_s – средняя длина свободного пробега нейтрона до столкновения с ядром.

Если в исследуемом объёме содержатся ядра различных веществ, то макроскопическое эффективное сечение всего объема равно сумме макроскопических сечений всех компонентов. Например, для топливной композиции UАl₃, где U – смесь U-235 и U-238:

Σ_а = Σ_а5 + Σ_а8 + Σ_аAl = σ_а5С₅ + σ_а8С₈ + σ_аAlC_Al

Заключение по занятию:

Радиоактивность – самопроизвольный, не поддающийся никакому внешнему воздействию непрерывный распад некоторых природных или искусственных элементов, в ходе которого эти вещества испускают элементарные частицы или атомные ядра. Эти элементы являются радиоактивностью.

Наиболее характерны следующие виды распада:

α-распад, β-распад, γ-излучение, нейтронное излучение, спонтанное деление.

Ядерные реакции – это превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, в том числе с γ-квантами.

Виды ядерных реакций:

Рассеяние нейтронов (n, n¹) 9упругое, неупругое), Радиационный захват (n, γ), фотонейтронная (фотоядерная) реакция (γ, n), реакция замещения (n, α), (n, p), (α, n), реакция деления (n; f)

«06» июня 2011 года	Преподаватель цикла УВЦ
	капитан 3 ранга С. Бармин

Утверждён на заседании ПМК № _____

протокол №___от______________20___г.

Текст лекционного занятия № 1.2.2.3.

Тема: Основы теории критического реактора.

1-й вопрос: Цепная ядерная реакция деления.

В природном уране спонтанно происходит примерно 24 деления/г.час, а для получения мощности хотя бы в 1кВт необходимо ~3·10¹³ делений/с (30 триллионов. делений в секунду). Чтобы увеличить количество делений до практически значимого уровня мощности нужно принудительно делить ядра, облучая их нейтронами, которые не отклоняются от положительного заряда ядер урана (плутония). Так как при делении ядра рождается несколько свободных нейтронов, есть возможность осуществлять непрерывный нарастающий процесс деления ядер – цепную ядерную реакцию (рис.1.1).

Цепная ядерная реакция (ЦР) - это реакция деления ядер урана и плутония нейтронами, рождающимися при делении. Необходимое условие самоподдерживающейся ЦР – рождение в каждом очередном акте деления не менее одного нейтрона. ЦР возможна только в том случае если хотя бы один из родившихся при делении ядра нейтронов снова произведет деление.

Количественной характеристикой возможности ЦР является коэффициент размножения нейтронов К – отношение количества нейтронов (делений) в одном поколении n₂ к количеству нейтронов (делений) в предыдущем поколении n₁

K = = =→…

Хотя при делении ядра рождается 2-3 нейтрона, этого еще недостаточно, чтобы осуществить ЦР, так как родившиеся нейтроны могут:

1. -разделить очередное ядро;

2. -поглотиться в уране, не разделив его (радиационный захват);

3. -поглотиться в конструкционных материалах;

4. -вылететь за пределы размножающей среды (утечка нейтронов).

Поэтому, прежде всего, необходимо выбрать делящийся изотоп. Такими являются природный изотоп U-235 и искусственные изотопы: U-233, получаемый из тория Т-232, и плутоний P -239 – из U-238. U-235 составляет всего 0,7% в природном уране, остальные 99,3% приходятся на U-238, который в основном поглощает нейтроны без последующего деления. Чтобы осуществить ЦР в уране, необходимо отделить U-235 от U-238, т.е. обогатить уран изотопом U-235, «отсеяв» от него U-238. Подавляющее большинство ЯР работают на обогащенном уране от 5 до 90% U-235.

Вероятность взаимодействия нейтрона с ядрами (деление, поглощение, рассеяние и др.) сильно зависит от энергии (скорости) нейтрона. Рождающиеся при делении нейтроны имеют среднюю энергию Е ~ 2 МэВ (миллиарды градусов). Они делят U-235 и поглощаются без деления в U-238 примерно с одинаковой вероятностью, но так как в природном уране U-238 в 140 раз больше (99,3%) , то ЦР в нем невозможна. Если же нейтрон замедлить до энергии, соответствующий температуре ~ 18°C (0,025 эВ, скорость ~2 км/с), то способность его разделить U-235 в несколько сот раз увеличивается, а поглощение без деления в U-238 остается на прежнем уровне. Поэтому ЦР в природном уране на медленных (тепловых) нейтронах становится возможной. Хорошими замедлителями являются вода, тяжелая вода, графит, бериллий.

ЯР, где размеры активной зоны позволяют загружать большое количество урана, как на АЭС, обогащение небольшое (3-5)%. Если же размеры активной зоны ограничены, как в корабельных ЯР, то чтобы уменьшить загрузку топлива, обогащение на порядок больше, а масса балластного U-238 во столько же раз меньше.

Следующим условием для осуществления ЦР является выбор конструкционных материалов, слабо поглощающих нейтроны и имеющих необходимые прочностные характеристики при высоких температурах и мощном радиационном облучении. Чаще других используется сталь и сплавы на основе циркония.

Наконец, чтобы уменьшить утечку нейтронов, необходимо выбрать размеры и форму размножающей среды, имеющие минимальную поверхность, из которой вылетают нейтроны, по отношению к объему, в котором они рождаются. Такой формой является шар. Минимальное количество делящегося изотопа, в котором возможна ЦР, т.е. К=1, называется критической массой, а размер соответствующей формы – критическим размером.

Например, U-235 (обогащение более 90%), при делении которого рождается (2-3) нейтрона, в форме шара имеет критмассу ~50 кг (радиус шара ~9 см), а плутоний Pu-239, при делении которого рождается более 3 нейтронов, - ~16 кг (радиус шара ~6 см).

В ЯР критическая масса зависит от:

• обогащения топлива;

• формы тепловыделяющих элементов (ТВЭлов);

• размещения их в активной зоне;

• типа замедлителя и отражателя нейтронов.