результате цепочки радиоактивных распадов превращающих 1 г урана в свинец,
такое же как при сгорании 400 кг угля.
Ядерные реакции.
Как было сказано ранее, в настоящие время не существует способа
ускорить радиоактивный распад веществ. Ни нагрев до высоких температур, ни
сильное сжатие не могут уменьшить период полураспада. Для урана процесс
превращения происходит настолько медленно (миллиарды лет), что нечего и
думать о практическом использовании выделяющейся энергии.
Проблема была решена после открытия в 1939 году ядерной реакции деления
урана под действием нейтронов.
Основное отличие ядерных реакций от самопроизвольного радиоактивного
распада, это участие в процессе, кроме ядра, других частиц. В самом деле,
вместо того, чтобы ждать когда ядро ?надумает¦ развалится, попробуем
ударить по нему какой либо частицей протоном, нейтроном или даже другим
ядром.
Определение: Ядерная реакция - это процесс превращения ядер в
результате их взаимодействия с элементарными частицами или с другими
ядрами.
Первую ядерную реакцию, осуществил Резерфорд направляя пучок альфа-
частиц (ядер гелия) на вещество содержащие ядра азота, в результате были
получены изотопы кислорода и водорода:
[pic]
Первые ядерные реакции происходили при бомбардировки заряженными
частицами (ядрами гелия, протонами) различных элементов. При этом, энергия
затраченная на разгон налетающих частиц значительно превосходила энергию,
полученную в результате реакции. Разгон частиц необходим для преодоления
сил электрического сопротивления (положительно заряженное ядро отталкивает
положительно заряженные ядра, альфа-частицы и протоны). Если в качестве
налетающей частицы использовать нейтрон, который не имеет заряда, то
необходимость в разгоне пропадает. Поэтому в настоящие время в ядерных
реакторах определяющими реакциями являются ядерные реакции нейтронов с
ядрами веществ находящихся в активной зоне. Рассмотрим самые важные из них.
Реакция деления.
Механизм деления, проще всего представить с помощью капельной модели
ядра. В каплю "ядерной жидкости" попадает нейтрон. Под действием внесенной
энергии в капле возникают колебания формы, от сферической до форы двух
грушеобразных частей с перешейком между ними если внесенной неторном
энергии достаточно, то перешеек рвется - ядро разваливается на два осколка.
После деления урана, как правило, образуются два осколка с соотношением
масс 2 к 3 и несколько нейтронов.
В принципе, если нейтрон обладает достаточно большой энергией, то
разделится может любое ядро. В большинстве ядерных реакторов главным
делящимся изотопом является изотоп урана 235U. При делении урана образуются
два ядра-осколка и два или три нейтрона (в среднем около 2.5 нейтрона на
один акт деления). При делении одного ядра выделяется приблизительно
3.15[pic]10-13Дж энергии.
Реакция радиационного захвата.
После захвата нейтрона составное ядро может и не испытать деления,
излишек энергии сбрасывается путем испускания гамма-квантов. В этом случае
говорят о реакции радиационного захвата.
Вследствие этой реакции металлические детали, находящиеся в АЗ
активируются. То есть в них образуются новые изотопы, например: ядро
железа, захватывая нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп. Метало-
конструкции после интенсивного облучения нейтронами представляют опасность
для персонала.
Реакция рассеяния.
При взаимодействии нейтрона с ядром возможен случай, когда составное
ядро не образуется. Происходит столкновение и разлет в разные стороны
нейтрона и ядра. В этом случае говорят об упругом рассеянии. Нейтрон,
ударившись о ядро, снижает свою скорость и изменяет направление движения,
этот процесс называют замедлением.
Чем легче ядро, с которым столкнулся нейтрон, тем больше снижение
скорости. В дальнейшем мы увидим, что снижение скорости движения нейтрона,
или другими словами снижение его кинетической энергии (замедление), очень
важный процесс в физике ядерного реактора.
Неупругое рассеяние - это процесс когда, после столкновения с
нейтроном, образуется составное ядро, но из него почти мгновенно вылетают
нейтрон, и гамма квант. В этом случае кинетическая энергия нейтрона
уменьшается на величину энергии гамма кванта и энергии полученной ядром.
Нейтрон замедляется.
В заключении остановимся на условиях, при которых реакция деления будет
самоподдерживающееся. Для этого необходимо, чтобы хотя бы один из
нейтронов, полученный в результате первого акта деления, взывал второй акт
деления. Нейтроны, вызвавшие первые акты деления, называют нейтронами
первого поколения, вторые - второго поколения.
Определение: Коэффициент размножения (Кэф) - это отношение количества
нейтронов второго поколения к количеству нейтронов первого поколения
При Кэф < 1 реакция деления затухает.
При Кэф = 1 реакция деления происходит на постоянной мощности
(нормальный режим работы реактора).
При Кэф > 1 реакция деления разгоняется (увеличение мощности).
Для осуществления преобразования ядерной энергии в электрическую,
необходимо поддерживать в реакторе Кэф = 1.
Управляемая цепная реакция деления.
Нейтроны и вероятность их взаимодействия с ядрами.
На предыдущем занятии мы рассмотрели, возможные реакции взаимодействия
нейтрона с ядрами. Точно определить какая реакция произойдет, в каждом
конкретном случае невозможно, говорят о вероятности протекания той или иной
реакции. Для оценки вероятности введена величина эффективного сечения
реакции.
Определение: микроскопическое сечение реакции [pic]- представляет собой
эффективную площадь поперечного сечения вокруг ядра, попав в которую
налетающий нейтрон вызовет данную ядерную реакцию.
Чем больше сечение реакции, тем больше вероятность этой реакции.
Если умножить микроскопическое сечение реакции k, [pic]k на количество
ядер в единице объема Nj, то получим макроскопическое сечение реакции
[pic].
[pic]
Что влияет на микроскопическое сечение реакций (вероятность реакций)?
Основной фактор, это энергия нейтрона, которую он имеет перед столкновением
с ядром.
Нейтроны, сталкивающиеся с ядрами обладают различной энергией. В физике
ядерного реактора принята единица измерения энергии - мега электрон-вольт
[МэВ] 1 МэВ = 1.602 [pic]10-13 Дж (1 МэВ =1 000 000 эВ). В зависимости от
энергии принято делить нейтроны на группы:
тепловые - энергия движения которых соизмерима энергией теплового
движения среды Е < 0.5 эВ.
замедляющиеся - энергия которых лежит в диапазоне от 0.5 эВ до 2000 эВ.
быстрые - E > 2000 эВ.
Основным топливом в ядерных реакторах является уран, поэтому рассмотрим
вероятность реакции деления изотопов урана под действием нейтронов с
различной энергией.
В результате исследований было установлено, что деление изотопа урана
238U возможно только нейтронами с энергией большей 1 МэВ, но вероятность
деления (сечение реакции деления), при таких энергиях в 4 раза меньше чем
захвата или рассеяния. Другими словами из 5 нейтронов столкнувшихся с ядром
238U, только 1 вызовет деление. При меньших энергиях возможны только
радиационный захват или рассеяние. Причем при энергиях 7 эВ - 200 эВ
сечение захвата очень сильно возрастает (Резонансный захват). Нейтроны
поглощаются без деления и выбывают из цепной реакции.
Для изотопа урана 235U деление возможно нейтронами любых энергий,
однако, вероятность деления (сечение реакции деления) для тепловых
нейтронов в 100 раз больше чем для быстрых нейтронов c энергией 5 - 6 МэВ.
Цепная реакция деления.
Рассмотрим реакцию деления в смеси изотопов урана 238U и 235U.
В отдельных актах деления энергия рождающихся нейтронов может принимать
значения от 100 эВ, до 10 МэВ. Средняя энергия около 2 МэВ. Нейтроны с
такой энергией, могут разделить изотопы 238U, но как было сказано выше, на
1 нейтрон вызвавший деление 238U, придется четыре захваченных без деления,
а в результате деления возникает в среднем 2,5 нейтрона, следовательно,
коэффициент размножения Кэф = 5/2.5 = 0.5 - реакция затухающая. Можно
сделать вывод, что при наличии только одного изотопа 238U осуществить
цепную реакцию невозможно.
Нейтроны рожденные при делении с энергией 2 МэВ, в результате рассеяния
потеряют свою энергию (замедлятся), чем ниже их энергия, тем больше
эффективное сечение деления для изотопа 235U, однако в процессе замедления
в какой-то момент времени энергия нейтронов будет находиться в диапазоне 7
эВ - 200 эВ, где сечение захвата для ядер 238U очень сильно возрастает.
Поэтому до тепловой энергии, где вероятность деления 235U максимальна,
сможет замедлится лишь малая часть нейтронов.
В естественном уране количество изотопа 235U составляет 0.7 % остальное
238U и для осуществления реакции необходимо произвести обогащение,
увеличить концентрацию изотопа 235U таким образом, чтобы нейтроны после
рождения сталкивались с ядрами 235U чаще, чем с ядрами 238U. В этом случае
мы можем осуществить цепную реакцию деления на быстрых нейтронах.
Другим способом осуществления реакции деления в уране является
использование замедлителя, например воды. Если нейтрон после рождения
столкнется с ядром водорода, то он сбросит часть своей энергии, после
нескольких столкновений (около 14) его энергия снизится до уровня тепловой,
где вероятность деления 235U максимальна. В этом случае мы можем получить
цепную реакцию в смеси изотопов урана с меньшем обогащением по 235U.
Реакторы, в которых большинство актов деления вызвано тепловыми
нейтронами, называют реакторами на тепловых нейтронах. В таких реакторах
обязательно используется замедлитель. В качестве замедлителей обычно
используют:
Воду Н2О - реакторы типа ВВЭР, PWR;
Тяжелую воду D2O - реакторы типа CANDU;
Графит - реакторы типа РБМК, Magnox, HTGR.
В реакторе РБМК в качестве замедлителя используют графит. Нейтроны в
них теряют свою энергию (замедляются) при столкновении с ядрами углерода.
Причем количество столкновений необходимое для замедления быстрого нейтрона
до теплового составляет для углерода около 114.
Жизненный цикл нейтронов.
Рассмотрим "пакет" из N0 = 100 нейтронов рожденных со средней энергией
2МэВ. Часть нейтронов, сталкиваясь с изотопом 238U, вызовет его деление.
Число нейтронов возрастет до N0 [pic][pic], где [pic]- коэффициент
размножения на быстрых нейтронах. Замедлившись до резонансных значений
энергии, часть нейтронов поглотится на 238U, и их общее число составит N0
[pic][pic][pic][pic]8, где [pic]8 - вероятность избежать резонансного
захвата на 238U. Замедлившись до тепловых энергий, часть нейтронов
