Тема 2 нейтронные ядерные реакции

Ядерной реакцией принято называть процесс и результат взаимодействия ядер с различными ядерными частицами (альфа-, бета-частицами, протонами, нейтронами, гамма-квантами и т.д.).

Для понимания физических процессов в ядерном реак­торе, наиболее важен класс нейтронных ядерных реакций, то есть реакций, инициируемых нейтронами.

Нейтронные реакции - это процесс и результат взаимодействия свободных нейт­ронов с атомными ядрами.

Нейтроны, входящие в состав атомных ядер, называют связанными, в от­личие от нейтронов, перемещающихся в объёме среды вне ядер атомов, ко­торые называют свободными. Именно они, эти свободные нейтроны, сталки­ваясь в процессе своего пространственного перемещения с ядрами атомов среды и взаимодействуя с последними, вызывают различного рода нейтрон­ные реакции.

Лёгкая осуществимость подавляющего большинства нейтронных реакций обусловлена электронейтральностью нейтронов, благодаря которой (в от­личие от частиц с электрическим зарядом) они имеют возможность легко преодолевать энергетический барьер электростатического поля заряженно­го ядра, попадать в сферу действия его ядерного притяжения и взаимо­действовать с нуклонами ядра, вызывая его кардинальную перестройку. Это и составляет суть нейтронных ядерных реакций.

2.1. Основные типы нейтронных реакций в ядерном реакторе

Начнём с тривиального факта: всякая нейтронная реакция начинается с проникновения свободного нейтрона в объём ядра, в сферу диаметром по­рядка 10^-13 см, в пределах которой эффективно действуют силы притяжения нуклонов.

Но устойчивое ядро, как отмечалось, может быть образовано не из любых произвольных количеств протонов и нейтронов. В реальных комби­нациях, которые соответствуют устойчивым ядрам, потенциальная энергия связанных нуклонов принимает не произвольные, а строго определённые значения.

Квантовая физика рассматривает ядро любого устойчивого атома как систему частиц (нуклонов), суммарная потенциальная энергия которых мо­жет принимать ряд строго определённых, присущих только этому ядру, зна­чений (энергетических уровней). И если в устойчивое ядро привносится извне дополнительная масса, энергия, или то и другое вместе, суммарная потенциальная энергия такого ядра в общем случае уже не будет соответ­ствовать ни одному из присущих ему уровней устойчивости. А это значит, что образующееся в результате проникновения в него нейтрона составное ядро - ядро возбуждённое или неустойчивое.

Возбуждённое составное ядро (как и любая другая неустойчивая сис­тема в Природе) в таком состоянии длительно существовать не может и по мере возможностей стремится "скатиться" к ближайшему устойчивому энер­гетическому уровню, то есть - избавиться от избытка потенциальной энер­гии сверх ближайшего уровня устойчивости. Время пребывания составного ядра в возбужденном состоянии - величина порядка 10 ^-15  10 ^-13 с.

Это естественное стремление возбуждённого составного ядра к устой­чивому состоянию может быть реализовано различными способами.

Рассмотрим их, поскольку от того, каким способом возбуждённое сос­тавное ядро переходит к устойчивости, зависит конечный результат взаи­модействия нейтрона с ядром, что и определяет тип нейтронной реакции.

Кратко охарактеризуем основные способы (каналы) превращения возбуж­дённого составного ядра в более устойчивые образования.

2.1.1. Радиационный захват. Возбуждённое составное ядро оказыва­ется способным удержать в своём составе проникший в него нейтрон, а из­быток энергии сверх ближайшего уровня устойчивости - "сбросить" в виде испускаемого -кванта электромагнитного излучения.

Таким образом, результатом подобного взаимодействия нейтрона с ядром является захват нейтрона исходным ядром, сопровождающийся испус­канием -радиации, благодаря чему этот тип нейтронной реакции и полу­чил название реакции радиационного захвата.

Образование возбуждённого Испускание

Ядро составного ядра массы (А+1) а.е.м. -кванта

Нейтрон массы А а.е.м

Ядро массы (А+1) а.е.м.



Захват нейтрона ядром

Рис.2.1. Схематическое представление о реакции радиационного захвата

К реакциям радиационного захвата склонны в различной степени все без исключения известные нуклиды. Наиболее склонные к радиационному захвату сорта атомных ядер называют поглотителями нейтронов.

Например, бор-10 (¹⁰B), самарий-149 (¹⁴⁹Sm), ксенон-135 (¹³⁵Xe), европий (Eu), кадмий (Cd), гадолиний (Gd) - все это сильные поглотители нейтронов. Уран-235 (²³⁵U), основной топливный компонент подавляющего большинства ядерных реакторов, а также плутоний-239 (²³⁹Pu), являющийся вторичным ядерным топливом, воспроизводимым в реакторах, - также явля­ются достаточно сильными поглотителями нейтронов.

2.1.2. Рассеяние. При неспособности возбуждённого составного ядра удержать в своем составе проникший в него нейтрон природное стремление ядра к устойчивости может быть реализовано путем "выталкивания" из ядра захваченного или любого другого нейтрона, равноценного захваченному по квантовым свойствам.

Образование возбуждённого

Ядро составного ядра массы (А+1) а.е.м.

Н ейтрон массы А а.е.м

Ядро массы А а.е.м.

Захват нейтрона ядром Испускание рассеянного нейтрона

Рис.2.2. Схематическое представление о ядерной реакции рассеяния.

Таким образом, и до, и после взаимодействия нейтрона с ядром име­ются свободный нейтрон и одно и то же ядро, и единственным результатом такого взаимодействия является лишь то, что кинетические энергии ис­ходного и испущенного нейтронов неодинаковы: энергия испускаемого нейтрона в подавляющем большинстве случаев оказывается ниже энергии исходного нейтрона. Кроме того, направления движения исходного и испус­каемого нейтронов также неодинаковы.

Внешне такое взаимодействие выглядит не как ядерное, а, скорее, как обычное механическое соударение нейтрона с ядром, в результате которо­го нейтрон передает ядру часть своей кинетической энергии, меняя при этом свою скорость и направление движения.

Многократно повторяемые акты таких соударений в классической ме­ханике, как известно, называют рассеяниями. По аналогии с механически­ми рассеяниями нейтронные реакции подобного типа называют реакциями рассеяния.

Склонностью к реакции рассеяния, как и склонностью к радиационно­му захвату, обладают все (без исключения) известные нуклиды, хотя и в различной степени.

Для реакторщика важно знать, ядра каких элементов наделены Приро­дой этой склонностью к рассеянию, поскольку в тепловом реакторе за счёт реакций рассеяния идёт процесс уменьшения кинетической энергии нейтронов при их перемещении в среде активной зоны. Этот процесс ко­ротко именуется замедлением нейтронов. Поэтому ядра - хорошие рассеиватели нейт­ронов, - обладающие пониженной склонностью к радиационному захвату, как правило, оказываются хорошими замедлителями нейтронов.

Например, ядра атомов водорода (¹Н), дейтерия (²D), бериллия (⁹Be), углерода (¹²С), кислорода (¹⁶О), циркония (⁹¹Zr) и ряд других ядер со слабыми захватными свойствами и сильно выраженной склонностью к рассеянию являются хорошими замедлителями рождаемых в реакторе быстрых нейтронов.

Материалы - простые и сложные - с хорошими замедляющими свойства­ми являются столь же принципиально важными компонентами конструкции активных зон ядерных реакторов, как и ядерное топливо и поглотители.

И ещё одна аналогия ядерного рассеяния с механическим: рассеяние может быть упругим и неупругим, причём, критерии оценки упругости рас­сеяния в обоих случаях одинаковы:

- если суммы кинетических энергий ядра и нейтрона до и после рас­сеяния равны между собой

(Е_я + Е_н)_до = (Е_я + Е_н)_после ,

рассеяние называют упругим. Иначе говоря, при упругом рассеянии происходит простое перераспределение кинетической энергии: нейтрон от­дает часть своей кинетической энергии ядру, кинетическая энергия ядра увеличивается после рассеяния именно на величину этой отдачи, а потен­циальная энергия ядра (энергия связи нуклонов) остается прежней, а, следовательно, энергетическое состояние и структура ядра до и после рассеяния остаются неизменными;

- если же сумма кинетических энергий ядра и нейтрона после рассе­яния оказывается ниже, чем их сумма до рассеяния,

(Е_я + Е_н)_до > (Е_я + Е_н)_после ,

рассеяние называют неупругим.

Не следует думать, что при неупругом рассеянии нарушается закон сохранения энергии: просто разница сумм кинетических энергий до и пос­ле рассеяния затрачивается на изменение внутренней структуры ядра по­добно тому, как при неупругом механическом соударении тел (например, свинцовых шариков) суммарное изменение их кинетической энергии расхо­дуется на их деформацию. Изменение структуры исходного ядра в процессе неупругого рассеяния равноценно переходу ядра в новое квантовое состо­яние, в котором в общем случае всегда имеет место некоторый избыток энергии сверх уровня устойчивости, который "сбрасывается" ядром в виде испускаемого гамма-кванта. Физические эксперименты подтверждают, что электромагнитное излучение - непременный спутник реакций неупругого рассеяния, что делает эту реакцию похожей на реакцию радиационного захвата, с той лишь разницей, что при неупругом рассеянии исходный нейтрон не удерживается ядром.

Отметим для памяти еще одну важную закономерность ядерного рассе­яния:

- упругое рассеяние в большей степени свойственно лёгким ядрам (с атомной массой А  20) при взаимодействии их с нейтронами сравнительно небольших кинетических энергий (Е  0.1 МэВ), в то время как к реакци­ям неупругого рассеяния более склонны тяжёлые ядра при взаимодействии с нейтронами больших (Е > 1 МэВ) энергий.

*) Иногда выделяют еще один вид рассеяния - так называемое по­тенциальное рассеяние, представляя его механизм как скользящий проход нейтрона по периферийной зоне сферы действия ядерных сил ядра и последующий выход его за пределы этой сферы с изме­нениями в направлении движения и его скорости (кинетической энергии). Структура ядра от такого взаимодействия, конечно, не меняется, составного ядра не образуется, и результатом взаимо­действия является только обмен кинетическими энергия­ми нейтрона и ядра. Разумеется, такой вид рассеяния может быть только упругим, и, поскольку потенциальное рассеяние в работе реактора особо выдающейся роли не играет, его попросту расс­матривают как небольшую составляющую упругого рассеяния.

И последнее замечание по рассеянию. Качественная идентичность ис­ходных объектов и продуктов реакции рассеяния позволяет при решении некоторых задач физики реакторов игнорировать то, что рассеяние явля­ется полноправной нейтронной ядерной реакцией, начинающейся с поглоще­ния ядром свободного нейтрона и образования составного ядра.

Создатель теории замедления Э.Ферми для упрощения представлений рассматривал акт упругого ядерного рассеяния как его механический ана­лог (то есть как упругое соударение нейтрона с ядром) и получил на та­кой упрощённой аналитической модели теоретические результаты, правиль­ность которых хорошо согласовывалась с физическими экспериментами.

При рассмотрении процесса замедления нейтронов в реакторе мы тоже будем пользоваться такими представлениями по той причине, что класси­ческие механические образы просты, понятны, привычны, легко восприни­маемы и запоминаемы. Однако, находя в них правильное отражение законо­мерностей процесса замедления нейтронов, не будем всё же забывать, что это - лишь механическая модель процесса, а сам процесс - значительно более сложен.

2.1.3. Реакция деления. Третий способ выхода возбуждённого сос­тавного ядра в более устойчивые образования - деление его на две, три или даже более протонно-нейтронных комбинации, называемые осколками деления.

В отличие от реакций радиационного захвата и рассеяния, к делению склонны далеко не все известные ядра, а лишь некоторые (главным образом, чётно-нечётные) ядра тяжёлых элементов. Вот некоторые из них:

²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu, ²⁵¹Cf, ...

Наиболее важным из перечисленных нуклидов является уран-235 - ос­новное топливо большинства существующих ядерных реакторов. Уран-235 делится нейтронами любых кинетических энергий, но лучше всего – нейтронами с малыми энергиями.

Вторым по значимости делящимся нуклидом является плутоний-239 - вторичное топливо в урановых реакторах, воспроизводящееся в процессе их работы. Как и уран-235, плутоний-239 делится нейтронами любых кине­тических энергий, но наиболее эффективно – тепловыми нейтронами.

Третьим по значению делящимся нуклидом является чётно-чётный изотоп урана - уран-238 (²³⁸U). Чётное число нейтронов в его ядре даёт более устойчивую комбинацию, чем нечётное их число, благодаря чему деление урана-238 имеет пороговый характер: для инициа­ции деления ядер ²³⁸U годны не любые нейтроны, а лишь нейтроны с энергиями выше Е_п = 1.1 МэВ. (Говорят: E_п = 1.1 МэВ - энергетический по­рог деления ядер урана-238).

Казалось бы: стоит ли обращать серьезное внимание на уран-238? - Стройте себе реакторы с ураном-235 в качестве топлива, раз он такой хороший! Но:

- во-первых, урана-238 в Природе больше всего: природная смесь изотопов урана содержит в себе 99.28% урана-238 и лишь 0.71% урана-235; операции разделения изотопов с целью получения чистого или высокообо­гащенного урана-235 весьма энергоёмки, а потому экономически невыгодны; уже по этой причине следует задуматься над тем, что следует "сжи­гать" в реакторах в первую очередь - уран-235 или уран-238?

- во-вторых, уран-238 как раз и является тем исходным сырьевым нуклидом, из которого в работающем реакторе воспроизводится вторичное топливо - плутоний-239; это побуждает не просто терпимо относиться к неизбежному присутствию в реакторе урана-238, но и думать о том, как организовать в реакторе процесс наиболее эффективного превращения ура­на-238 в плутоний-239 с целью получения и использования для получения энергии наибольшего количества последнего.

Реакция деления, разумеется, является самой важной и практически значимой из трёх упомянутых выше нейтронных реакций. Ядерный реактор, по существу, конструируется и строится ради осуществления самоподдержива­ющейся цепной реакции деления требуемой интенсивности, а реакции ради­ационного захвата и рассеяния оказываются либо вынужденно необходимыми, либо просто неизбежными, идущими параллельно и одновременно с реакцией деления, сопутствующими ей.

Особая роль реакции деления в ядерном реакторе побуждает к более детальному рассмотрению её особенностей. Но прежде, чем сделать это, упомянем ещё о некоторых видах нейтронных реакций, сопровождающих работу ядерного реактора, но не имеющих принципиального значения.

2.1.4. Ещё три нейтронные реакции. Во-первых, это реакция типа (n,p) - то есть нейтронная реакция, завершающаяся испусканием протона.

Образование возбуждённого

Ядро составного ядра массы (А+1) а.е.м.

Нейтрон массы А а.е.м

и зарядом z

Ядро массы А а.е.м. и зарядом (z-1)

Захват нейтрона ядром Испускание протона

Рис.2.3. Схематическое представление о реакции типа (n,p).

В результате этой реакции образуется изобара исходного ядра, пос­кольку протон уносит один элементарный заряд, а масса ядра практически не меняется (нейтрон привнесён, а равный ему по массе протон - унесён).

Во-вторых, это реакция типа (n,) - то есть реакция, завершающая­ся испусканием возбужденным составным ядром -частицы (лишённого электронной оболочки ядра атома гелия ⁴He), в результате которой массовое число результирующего ядра снижа­ется на 3 а.е.м. сравнительно с массой исходного ядра, а протонный за­ряд уменьшается на 2 единицы.

Образование возбуждённого

Ядро составного ядра массы (А+1) а.е.м.

Нейтрон массы А а.е.м

и зарядом z

Ядро массы (А-3) а.е.м. и зарядом (z-2)

Захват нейтрона ядром Испускание -частицы

Рис.2.4. Схематическое представление о реакции типа (n,).

И , наконец, это реакция типа (n,2n) - то есть реакция с испуска­нием возбуждённым составным ядром двух нейтронов, в результате которой образуется изотоп исходного элемента, на единицу меньшей массы сравнительно с массой исходного ядра.

Образование возбуждённого

Ядро составного ядра массы (А+1) а.е.м.

Нейтрон массы А а.е.м

и зарядом z

Ядро массы (А-1) а.е.м. и зарядом z

Захват нейтрона ядром Испускание двух нейтронов

Рис.2.5. Схематическое представление о реакции типа (n,2n).

Все три упомянутых реакции свойственны лишь очень немногим ядрам при их взаимодействии с нейтронами высоких кинетических энергий. В ядерных реакторах эти типы нейтронных взаимодействий относительно ред­ки и принципиального влияния на работу реактора не оказывают. Упомянуты они здесь лишь потому, что используются в плутоний-бериллиевых и по­лоний-бериллиевых искусственных источниках нейтронов, о необходимости которых будет сказано при изучении кинетики ядерных реакторов.