Колыханов В.Н. (сост.) Ядерные реакции. Учебный курс. Общие вопросы обеспечения ЯРБ - файл n1.doc

приобрести
Колыханов В.Н. (сост.) Ядерные реакции. Учебный курс. Общие вопросы обеспечения ЯРБ
скачать (608.5 kb.)
Доступные файлы (1):
n1.doc609kb.18.09.2012 17:51скачать

n1.doc


Учебный курс. Общие вопросы обеспечения ЯРБ



СОДЕРЖАНИЕ


1. Отличия ЯЭР от других источников тепловой энергии. 4

2. Строение атома. 6

3. Атомный вес. Ядерная концентрация. 7

4. Энергия связи ядра 8

5. Ядерные реакции. Радиоактивность – самопроизвольная реакция. 10

6. Закон радиоактивного распада. 12

7. Виды ядерных реакций. 13

8. Сечения ядерных реакций. 21

9. Зависимость сечений ядерных реакций от энергии нейтронов. 22

10. Деление тяжелых ядер. Энергия деления и ее составляющие. 23

11. контрольные вопросы 26

12. Литература, рекомендуемая для самостоятельной проработки 26


Перечень обозначений и сокращений


АЭС, АС




атомная электростанция

твэл




тепловыделяющий элемент

ЯЭР




ядерный энергетический реактор




























































































































































вВЕДЕНИЕ


1.Отличия ЯЭР от других источников тепловой энергии.



Ядерный энергетический реакторэто источник получения тепловой энергии за счет протекания ядерных реакций деления ядерного топлива. Часть ЯЭР, в которой находится ядерное топливо и выделяется тепловая энергия, называют активной зоной.
По сравнению с другими источниками энергии ядерный реактор обладает рядом принципиальных конструктивных и эксплуатационных отличий, которые определяются физическими принципами его функционирования:
1. Высокая энергоемкость горючего. При полном делении 1 кг урана выделяется ? 6,9 ·1010 кДж. При сжигании 1 кг органического то­плива выделяется 29300 кДж (условное топливо). Таким образом, равное по весу с органическим топливом количество ядерного топлива выделяет в 2 млн. раз больше энергии.
2. Высокая энергоемкость ядерного горючего предопределяет высокое удельное энерговыделение в активной зоне реактора, которое составляет от 5-6 до 500-600 кВт/л, и это обуславливает высокие требования к эффективному отводу выделяющегося тепла и выбору соответствующего теплоносителя.
3. Ядерная реакция не требует окислителя как в случае использования органического топлива.
4. Во всех неядерных источниках энергии топливо непрерывно подается в установку. В ядерных реакторах топливо загружается (перегружается) с периодичностью 1-3-x лет, а в период между его загрузкой происходит его постепенное выжигание.
5. Тепло в реакторе выделяется не только в тепловыделяющих элементах, но и в конструкционных материалах и в замедлителе. Следовательно, все компоненты активной зоны требуют охлаждения.
6. Реактор, как правило, снабжается набором защит, прекращающих ядерную реакцию при отклонении ряда параметров от предельно допустимых значений (температуры, давления, нейтронного потока и пр.). Однако для обеспечения устойчивой работы реактора при наличии случайных колебаний параметров реактор должен обладать свойством саморегулируемости, т.е. при незначительном отклонении некоторого параметра происходит самопроизвольное восстановление исходного значения. Саморегулируемость реактора обеспечивается выбором соответствующих материалов, входящих в состав активной зоны.
7. Работа реактора сопровождается большим радиоактивным излучением - испусканием потока элементарных частиц, в основном ?-частиц и нейтронов. Поэтому требуется специальная защита персонала станции, как во время работы реактора, так и во время ремонтов оборудования. Обычно реактор размещается в бетонной шахте и окружается баком биозащиты, заполненным водой, либо используется специальная су­хая защита. Оборудование станции, связанное с радиоактивным те­плоносителем, находится в специальных боксах, доступ в которые запрещен, либо ограничен.
8. После прекращения работы реактора ядерное топливо и компоненты активной зоны реактора остаются мощным источником радиоактивного излучения. Все операции, проводимые с этими материалами, требуют соблюдения соответствующих мер безопасности.
9. С учетом возможных авари­йных ситуаций на АЭС основное оборудование реакторного це­ха и сам реактор помещаются в специальную гермозону, предотвра­щающую попадание радиоактивных продуктов в окружающую среду. Помимо гермозоны, предусматриваются специальные барьеры, препя­тствующие распространению радиоактивности. Имеются в виду обо­лочка твэла, оборудование 1-го контура и специальное герметичное помещение, препятствующие попаданию радиоактивных веществ в окружающую среду при аварийных ситуациях - так называемые системы локализации аварии.
10. Физика реакторов определяет неравномерное распределение потока нейтронов и, следовательно, тепловыделения в объеме активной зоне реактора. В центральной части активной зоны реактора нейтронный поток и температуры больше, чем на периферии. С целью повышения среднего теплосъема с единицы объема активной зоны принимаются меры по выравниванию потока нейтронов в объеме активной зоны. Для этого активную зону окружают отражателем нейтронов и профилируют содержание делящихся материалов в активной зоне.
11. Тепло в реакторе продолжает выделяться не только во время его работы, но и длительное время после его остановки в результате радиоактивного распада продуктов деления ядерного топлива. Этот распад сопровождается радиоактивным излучением и поэтому выгорев­шее топливо длительное время выдерживается на станции в бассей­не выдержки (3-4 года и более). После спада остаточного тепло­выделения можно будет охлаждать твэлы воздухом при перевозке к заводам, перерабатывающим отработанное горючее, либо хранить их в специальных контейнерах на территории станции.
12. При изменении мощности реактора протекают сложные переходные процессы, изменения концентрации продуктов деления ядерного топлива, образующихся и накопленных в активной зоне реактора. При определенных условиях эти процессы проявляются в течение нескольких суток и могут ограничивать работоспособность реактора, что следует учитывать при управлении мощностью реактора. Указанные особенности физики ядерных реакторов предопределяют низкую их маневренность и преимущественное использование в базовом режиме выработки электроэнергии.
Перечисленные отличия ядерных реакторов характеризуют как их преимущества, так и технические проблемы, которые требуют адекватного решения и необходимо учитывать при проектировании и эксплуатации. Обеспечение безопасной эксплуатации ядерных реакторов невозможно без знания физических процессов в нем протекающих.

2.Строение атома.



Вещества окружающего нас материального мира состоят из мельчайших частиц (атомов, молекул). Молекула простых веществ состоит из одного пли нескольких одинаковых атомов, молекула сложных веществ — из атомов различных химических элементов.
Для наглядного представления о строении атома используют планетарную модель атома, предложенную Э. Резерфордом как аналогию с Солнечной системы. Согласно этой модели внутри атома, размеры которого составляют порядка 10-10 м, рас­положено небольшое ядро размером около 10-14 м. В ядре сосредото­чена почти вся масса атома.
Ядро состоит из Z протонов и N нейтронов, поэтому их относят к одному типу ядерных частиц – нуклонам (от латинского nucleous - ядро).

атомы с определенным составом ядра называют нуклидами.
Нейтрон п — это электрически нейтральная частица. Масса нейтрона составляет тп = 1,67 ·10 -27  кг.
Ядро атома имеет положительный заряд равный

Ze,

где Z — порядковый номер элемента в периодической системе Д. И. Менделеева, e = 1,60 10 -19 Кл — элементарный электрический заряд

Вокруг ядра по круговым орбитам движутся электроны. Их заряд компенсирует положительный заряд ядра, вследствие чего атом представляется электрически нейтральным. Таким образом, количество протонов в ядре и электронов на оболочках атома одинаково и равно Z.
Носителем отрицательного заряда – е является электрон, масса которого me = 9,1·10 -31 кг. Элементарный положительный заряд + е имеет позитрон, у которого масса такая же, как у электрона. Любой электрический заряд кратен заряду e и не может быть меньше его.
Состояние электронов в атоме подчиняется квантовым законам и характеризуется че­тырьмя квантовыми числами: главным n, орбитальным l, магнитным т и спиновым тz. В соответствии с запретом Паули двум электронам запрещается находиться в одинаковых квантовых состояниях – их состояние отличается хотя бы одним квантовым числом.
В каждой n-й оболочке может быть не более 2n2 электронов. При таком расположении электронов энергия атома минимальна, что обеспечивает длительное устойчивое состояние атома.

Если на атом действуют внешние силы, то электрон может получить определенную порцию энергии и перейти на вакантное место одной из внешних оболочек. Такое состояние атома называют возбужден­ным, а его энергию — возбужденным энергетическим уровнем (воз­бужденным уровнем).

Возбужденный атом неустойчив. Время его жизни составляет примерно 10 -8 с. Затем электрон переходит на более близкую к ядру оболочку, и атом возвращается в основное состояние. Во время перехода возбужденного атома в основное состояние испускаются фотоны.
Если электрон с некоторой оболочки удаляется из атома, то атом ионизируется, образуя ион.

3.Атомный вес. Ядерная концентрация.



Атомы и ядра символически обозначают как
,

где X — символ химического элемента;

Z — порядковый номер;

А = Z + N мас­совое число – общее число протонов и нейтронов в ядре.
Например, в ядре изотопа природного углерода, содержится шесть протонов и шесть нейтронов.
Химические свойства атома определяются числом электронов в электронных оболочках, равным порядковому номеру Z, и не за­висят от массового числа А.
Вследствие этого атомы с одинаковыми Z и различными A имеют одни и те же химические свойства, и их называют изотопами химического элемента. Изотопы различаются чис­лом нейтронов в ядре. Так, в ядре изотопа гелия с A = 3 на один нейтрон меньше, чем в ядре изотопа гелия с А = 4.
Встречающиеся в природе химические элементы представляет собой смесь изотопов. В состав природных химических элементов входит от одного до нескольких изотопов:


Химический элемент

Z

Количество изотопов

углерод

6

2

кислород

8

3

мышьяк

33

1

олово

50

10



Масса атома (молекулы) сравнима с массой 10-26 кг. Такие малые величины измеряют в относительных единицах.
От­ношение массы атома (молекулы) к атомной единице массы называют относительной атомной (молекулярной) массой [кратко атомная (молекулярная) масса].
За атомную единицу массы (а. е. м.) при­нята 1/12 часть массы более легкого изотопа углерода в природной смеси. У природного углерода есть два изотопа и .
1 а.е.м. = 1, 66·10 -27  кг
В природе встречаются химические элементы представляющие смесь с постоянным соотношением изотопов. При этом атомная масса элемента принимается равной среднему значению атомных масс изотопов элемента.
Так, атомная масса бора, состоящего из изотопов с А = 10,0129(18,8%) и А = 11,0093 (81,2%), равна 10,8220. Атомные массы материалов широко используемых в ядерной энергетике приведены в таблице 1.

Таблица 1. Атомные массы элементов


Элемент

Символ

Атомная масса,

а.е.м.

Элемент

Символ

Атомная масса,

а.е.м.

Водород

H

1,00797

Кислород

О

15,9994

Гелий

Не

4,0026

Натрий

Na

22,9898

Литий

Li

6,9390

Железо



55,847

Бериллий

Be

9,0122

Цирконий

Zr

91,22

Бор

В

10,8220

Торий

Th

232,038

Углерод

С

12,01115

Уран

U

238,03


В молекулярной физике, химии и других областях науки для однородных веществ, т. е. веществ, состоящих из частиц с одинаковыми свойствами, введена внесистемная единица массы килограмм-моль (кмоль) – количество однородного вещества в килограммах, численно равное его молекулярной (атомной) массе.

Например, килограмм-моль углерода равен 12,01115 кг, бериллия — 9,0122 кг, воды — 18,0154 кг и т. д.
В килограмм-моле любого однородного вещества содержится число молекул, равное NА = 6,023·1026 молекула/кмоль, которое называют числом Авогадро.
Килограмм-моль любого газа при нормальных условиях занимает объем, равный 22,4 м3. При этих условиях плотность молекул всех газов одинакова.
Количество частиц (молекул, атомов), заключенных в 1 м3 однородного вещества, называют плотностью частиц N - ядерной концентрацией, которая зависит от плотности вещества ? (кг/м3), молекулярной М (атом­ной А) массы и числа Авогадро и определяется соотношением:


4.Энергия связи ядра



Ядро и атом относятся к связанным системам частиц. В таких системах частицы удерживаются силами притяжения. Связь некоторой части­цы a в системе характеризуется энергией связи ?аэнер­гией, которую необходимо затратить для удаления частицы а из системы (например, электрона из атома).
Энергия связи системы частиц Wc равна энергии, необходимой для разрыва связей между всеми частицами системы.
Если частица а возвращается в связанную систему частиц, то освобождается энергия ?а, а при синтезе системы частиц — энергия Wc.
Поэтому масса некоторого атома приближенно равна сумме масс ядра Мя(Z, А) и электронов Zme:
М (Z, А) ? Мя (Z, A) + Zme
Приближенность уравнения заключается в том, что в нем не учтена масса, эквивалентная энергии связи электронов в атоме. Однако величина этой энергии связи настолько мала, что при рас­четах массы атома этой поправкой часто пренебрегают.
Синтез ядер из протонов и нейтронов сопровождается высвобож­дением энергии. Эквивалентную этой энергии массу ?M называют дефектом массы. Он равен разности суммарной массы Z протонов и AZ нейтронов и массы ядра:
?M (Z, A) = Zmp + (А — Z)mn Мя (Z, А).
Так как величина ?M всех известных ядер положительна, то при синте­зе ядра из протонов и нейтронов освобождается энергия, т. е. часть энергии покоя преобразуется в кинетическую энергию.

Частицы в ядре сжаты силами, в миллионы раз превышающими силы взаимодействия между атомами в молекуле. По известному дефекту массы довольно просто рассчитать энер­гию связи ядра Wc (ее значения для различных веществ приведены в таблице 2):

Wc = ?M c2.

За единицу энергии в атомной и ядерной физике принят электрон-вольт (эВ), равный изменению энергии электрона при прохождении разности потенциалов в один вольт:
1 эВ = 1,6·10-19 Дж 1 МэВ = 1·106 эВ
Таблица 2. Массы атомов и энергии связи ядер




Массовое число А

Масса атома, а.е.м.

Энергия связи ядра, МэВ

п

1

1,008665



Н

1

1 , 007825



D

2

2,014102

2,2250

Т

3

3,016049

8,4820



3

3,016022

7,7243



4

4,002603

28,2937



б

6,015128

31,9870



7

7,016008

39,239



9

9,012191

58,153



9

9,013300

56,050



10

10,012940

64,744



11

11,009314

76,192



12

12,000000

92,156



13

13,003355

97,102



14

14,003073

104,653



15

15,000108

115,485


Увеличение энергии связи с ростом массового числа имеет неко­торые особенности. Они выявляются из рассмотрения зависимости средней энергии связи ? = Wc/A, приходящейся на одну ядерную частицу (нуклон), от массового числа (рис. 1). Величина ? сначала растет и достигает максимального значения 8,7 МэВ при А ~ 60. Последующие добавления частиц в ядро ведут к постепенному ос­лаблению связи частиц. В области тяжелых ядер (А > 200) величина ? уменьшается до 7,5 МэВ.

Рис. 1. Средняя энергия связи на нуклон ?, [МэВ/а.е.м.] как функция массового числа А природных ядер.
Все точки для средней энергии ? хорошо ложатся на гладкую кривую, за исключением ядер, имеющих 2, 8, 14, 20, 50, 82 протонов или 2, 8, 14, 20, 50, 82, 126 нейтронов. Приведенные числа протонов и нейтронов и ядра, содержащие их, называют магическими.

Протоны и нейтроны в магических ядрах наиболее плотно упа­кованы. Поэтому значение ? у магического ядра больше, чем у ядер с близкими значениями массовых чисел. Самыми легкими магиче­скими ядрами являются ядра и . Повышенное значение ? наблюдается также у легких ядер, содержащих равные количества протонов и нейтронов () и не относящихся к магическим ядрам.

Во всех ядрах с A > 20 средняя энергия ? мало меняется и пример­но равна 8 МэВ. Поэтому энергия связи ядра в этой области почти линейно зависит от массового числа A: Wc ? 8 A МэВ.
Зависимость ? = W/A позволяет сделать еще один важный вы­вод. Если разделить тяжелое ядро (А ? 240) на два средних ядра (А ? 120) или из двух легких ядер синтезировать одно ядро, то в обоих случаях получаются ядра прочнее исходных. Значит, в дан­ных процессах освобождается энергия.
Процесс деления ядер являет­ся источником атомной энергии, а процесс синтеза ядер — термо­ядерной энергии.

Таким образом, реакции синтеза и деления могут являться источниками тепловой энергии и при управляемом протекании этих процессов они являются основой для создания энергетических установок.

5.Ядерные реакции. Радиоактивность – самопроизвольная реакция.



Ядерная реакция представляет собой процесс, в котором происходит перестройка ядра атома – расщепление или слияние ядер, превращение одних ядер в другие, либо самопроизвольно, как в случае радиоактивности, либо под воздействием на ядра элементарных частиц или ?-квантов.
Атомные ядра большинства нуклидов естественных элементов устойчивы. Однако существует значительное число нуклидов, в основном искусственного происхождения, обладающих свойством радио­активности. Естественные радиоактивные ядра составляют небольшую долю всех известных радиоактивных ядер. Естественные и искусственные радиоактивные ядра отличаются друг от друга только своим происхождением, но их радиоактив­ные превращения подчиняются одним и тем же закономерностям.

Искусственные радиоактивные ядра получают в ядерных реак­циях, которые протекают при условии, что одно ядро входит в зону действия ядерных сил другого ядра. Ядерные превращения наблю­даются при бомбардировке частицами (нейтронами, протонами, ?-частицами и др.) ядер.
Явление радиоактивности заключается в самопроизвольном превращении одних ядер в другие. После самопроизвольного (спонтанного) радио­активного распада ядра образуется новый атом, который по своим химическим свойствам отличается от исходного. Радиоактивный распад сопровождается испусканием одной или нескольких частиц.
Явление радио­активности непосредственно обусловливается только внутренним строением ядра и не зависит от внешних условий (давления, темпе­ратуры, агрегатного состояния вещества и т. д.).
Распад происходит из-за наличия в ядрах избыточного числа нейтронов. Если увеличить заряд ядра, то ядро также становится нестабильным.
Искусственные ядра с избытком нейтронов ?-ктивны, ядра с избытком протонов испус­кают позитроны (?+-частицы). ?--частицы – это электроны ядерного происхождения.

При ?-распаде также испускается нейтрино ? или антинейтрино . Нейтрино – элементарная частица, движется со скоростью света, не имеет массы покоя и заряда. Антинейтрино – античастица, отличающаяся направлением спина.
При распаде радиоактивных ядер возможно также образование ?-частиц, которые имеют положительный заряд +2е и массу т? = 4,0026 а.е.м.
Радиоактивные превращения сопровождающиеся испусканием ?- или ?-частицы называют соответственно ?- или ?-распадами.
Процесс радиоактивного распада удобно записать в виде урав­нения:


где начальное радиоактивное ядро, называемое материнским;

дочернее ядро, получаемое при распаде материнского ядра;

a — испускаемая заряженная частица (?-частица, ?-частица).
Например, превращается в по уравнению:

Если дочернее ядро возникает в возбужденном состоянии, то после радиоактивного распада испускаются ?-кванты. Так, в радио­активном распаде доля возбужденных дочерних ядер составляет 90%.
При радиоактивном распаде изменяется заряд ядра, с которым связаны химические свойства элементов. По изменению заряда ядра можно установить правила смещения.




6.Закон радиоактивного распада.



Экспериментальное изучение радиоактивного процесса показало, что количество радиоактивных ядер уменьшается по определенному закону.

Каждое радиоактивное вещество характеризуется определенным перио­дом полураспада Т1/2, равным времени, в течение которого количест­во радиоактивных ядер уменьшается вдвое. Период полураспада Т1/2 различных радиоактивных ядер лежит в пределах от долей секунды до десятков миллиардов лет.


Рис. 2. Изменение количества ядер вещества при радиоактивном распаде.
Радиоактивный распад подчиняется статистическим законам. Это означает, что только в случаях, когда имеется большое число распа­дающихся ядер, выполняются определенные закономерности при их рас­паде.
Радиоактивный распад зависит только от внутреннего состояния ядра и при этом доля распадающихся в единицу времени ядер постоянна, что и называется постоянной радиоак­тивного распада данного нуклида ?, которая имеет размерность с-1. Эта константа характеризует долю распадающихся за единицу времени ядер.
Число актов радиоактивного распада dN за интервал времени dt пропорционально количест­ву радиоактивных ядер N(t) в момент времени t:
dN = - ? N(t)dt.
Знак минус в дифференциальном уравнении указывает на убыль числа радиоактивных ядер со вре­менем. Следует отметить, что скорость радиоактивного распада dN/dt постоянно убывает пропорционально количест­ву радиоактивных ядер N(t).
Закон радиоактивного распада описывается уравнением:
N (t) = N0 e -?t,
где N0 – число радиоактивных ядер в начальный момент времени.
Величины периода полураспада Т1/2 и постоянной радиоак­тивного распада данного нуклида ? связаны соотношением:
T1/2 = 0,693/?.
За единицу активности принят беккерель (Бк), соответствующий 1 распаду в секунду. Иногда используются внесистемная единица активности – кюри (Ки).
1 Бк = 1 расп./с
1 Ки = 3,7 · 1010 расп./с

7.Виды ядерных реакций.



Запись ядерной реакции в символьной форме похожа на запись химической реакции: слева — ядро и частица, вступающие в реакцию, справа — продукты реакции. В общем случае ядерные реакции записывают уравнениями вида:

или сокращенно


Тип ядерной реакции определяется видом бомбардирующей а- и образующейся b - частиц.
Обычно ядерные реакции протекают в две стадии:


Энергия составного возбужденного ядра принимает определенные дискретные значения, и поэтому энергия возбуждения, которая может быть передана ядру, должна соответствовать некоторому энергетическому уровню составного ядра. Следовательно, ядер­ная реакция может идти только при фиксированных значениях кинети­ческой энергии частицы. Такие ядерные реакции называются пороговыми.
Для ядерных реакторов особое значение имеют ядерные реакции взаимодействия нейтронов с ядрами атомов, называемые нейтронными реакциями. В отличие от заряженных частиц нейтро­ну как нейтральной частице не требуется значительной энергии, для проникновения внутрь ядра, что повышает вероятность такого рода взаимодействий.

При взаимодействии нейтрона с ядром могут происходить следу­ющие нейтронные реакции:














Примеры основных типов нейтронных реакций, протекающих в ядерных реакторах при работе на мощности и в процессе пуска, приведены в Таблице 3.

Таблица 3. Основные типы реакций, протекающих в ядерных реакторах


Тип реакции

Уравнение реакции

Примечание

Упругое рассеяние

(n, n)




Замедление нейтронов деления в замедлителе, активной зоне и биологической защите, отражение в отражателе.

Неупругое рассеяние

(n, n + ?)




Замедление нейтронов деле­ния в активной зоне, кон­струкционных материалах, в биологической защите.

Радиационный захват

(n, ?)




Поглощение нейтронов в ак­тивной зоне, конструкцион­ных материалах, теплоносителе, замедлителе, биологи­ческой защите.




Поглощение нейтронов в регулирующих стержнях из кадмия.

Реакция деления

(n, f)




Деление ядерного горючего.

Реакция удвоения нейтронов

(n, 2n)




Используется для регистра­ции плотности потока нейт­ронов с энергией выше поро­говой.

Реакция испускания

?-частиц

(n, ?)




Поглощение нейтронов в регулирующих стержнях, выполненных из бора. Регистрация замедленных нейтронов.

Реакция испускания протонов

(n, p)




Реакция, приводящая к активации воды первого контура.

Реакция испускания нейтронов под действием ?-излучения

(?, n)




Используется для получения нейтронов в источниках нейтронов при физическом пуске реактора.

Фотонейтронные реакции

(?, n)




Фоторасщепление дейтерия имеет определеннее значение для увеличения числа ней­тронов перед физическим пуском реактора.

8.Сечения ядерных реакций.



Мерой взаимодействия нейтронов с ядрами является эффективное сечение, которое является вероятностной характеристикой ядер материала мишени.
Микроскопическое сечение реакции ? определяет вероятность процесса взаимодействия нейтрона с ядром, отнесенную к одному ядру.
В ядерной физике для измерения сечений ядерных реакций используется специальная единица - барн. Один барн равен 10-28 м2, что сопоставимо с площадью поперечного сечения ядра.
Термин барн ввели во время второй мировой войны физики в университете Пардью, когда о сечении величиной 10-28 м2 говорили, что оно "размером с ворота сарая" (barn - амбар, сарай).

Следует напомнить, что диаметр атома в 104 раз больше диаметра ядра и попасть в ядро, которое является кладовой энергии, доста­точно сложная задача.
Если вещество представляет собой гомогенную смесь различных ядер, то сечения ядерных реакции для него определяется как сумма сечений для ядер, входящих в состав соединения с учетом их количества. Например, для двуокиси урана микроскопическое сечение рассчитывается по уравнению:

Такого рода соотношения применимы для всех смесей и химических соединений за исключением воды, которая обладает аномальными свойствами.
Эффективное сечение ядерной реакции зависит от типа нуклида, участвующего в реакции, энергии частицы (нейтрона) и вида реакции. Буквенный индекс в обозначении сечения происходит от названия ядерной реакции на английском языке.
Полное (total) сечение ?t равно сумме всех парциальных сечений. В общем случае оно представляет сумму вероятностей процессов поглощения (absorption) и рассеяния (scattering):

?t = ?a + ?s
Процесс рассеяния включает упругое (elastic scattering) и неупругое (inelastic scattering) рассеяние:

?s = ?es + ?is
После поглощения нейтрона возможно протекание процессов деления (fission), захвата (consumption) и других ядерных реакций:
?a = ?f + ?c+ ??+…
Если на ядра воздействует поток нейтронов, плотность которого ? [нейтронов/м2/с], то выражение ? ? [реакций/с] определяет скорость ядерной реакции.
Для наиболее часто используемых в реакторах материалов значения сечений нейтронных реакций приведены в таблице 4 при стандартной энергии нейтронов 0,025 эВ.


Таблица 4. Нейтронно-физические константы


Элемент

Атомный вес

Плотность, г/см3

Сечения, барн

?a

?s

?f

H

1,008

8,99·10-5

0,332

38

-

O

16,00

1,43·10-3

2,0·10-4

4,2

-

Fe

55,85

7,86

2,62

11

-

Zr

91,22

6,44

0,185

9

-

235U

235

-

683

10

582

238U

238

-

2,71

8,3

50·10-5

H2O

18

1,0

0,66

110

-


Макроскопическое сечение ?, -1] определяет вероятность процесса взаимодействия нейтрона с ядром отнесенную к единице пути нейтрона. Величина макроскопического сечения связана с микроскопическим сечением соотношением:
? = ? N,
где N – ядерная (молекулярная) концентрация, [ядер / м3].
Количество актов взаимодействия (ядерных реакций) в единице объема, в единицу времени называется выходом ядерной реакции, [реакций/м3/с]. Этот параметр зависит от плотности потока нейтронов ? и величины макроскопического сечения ядерной реакции ? и определяется как их произведение:
? ?

9.Зависимость сечений ядерных реакций от энергии нейтронов.



Сечения ядерных реакций зависят от энергии нейтронов. При низких энергиях нейтронов сечения ядерных реакций поглощения и деления выше. Исключение составляет сечение рассеяния, которое практически не зависит от энергии нейтронов (см. рис. 3).
Энергия нейтронов в реакторе принимает значения в диапазоне от 10 МэВ до 0,001 эВ. Можно выделить три характерных диапазона энергий:


Быстрые нейтроны

0,1…10 МэВ

Промежуточные замедляющиеся нейтроны

0,2…0,1 МэВ

Тепловые нейтроны

0,005…0,2 эВ


Энергия тепловых нейтронов соизмерима с энергией теплового движения атомов среды. Стандартной энергией тепловых нейтронов считается энергия 0,025 эВ, что соответствует температуре 20 oС (T = 293 K).
En = k T,
где k = 8,6 10-5 эВ/К – постоянная Больцмана.
Учитывая зависимость сечений поглощения и деления от энергии нейтронов, следует отметить, что вероятность указанных взаимодействий для тепловых нейтронов значительно выше, чем для быстрых нейтронов. Поэтому большинство энергетических реакторов, включая ВВЭР, являются реакторами, в которых реакция деления ядерного топлива протекает в основном за счет тепловых нейтронах.

E, эВ

?, барн

Рис. 3. Зависимость микроскопических сечений от энергии нейтрона для 235U

10.Деление тяжелых ядер. Энергия деления и ее составляющие.



Деление тяжелого ядра нейтронами любой энергии возможно, когда энергия связи нейтрона ?n в тяжелом ядре больше значения барьера деления тяжелого ядра wf. Тяжелые ядра с нечетным чис­лом нейтронов 233U, 235U, 239Pu делятся нейтронами любых энергий.
Если же ?n < wf , то деление возможно лишь нейтронами с кинетической анергией, превышающей некое пороговое значение.

Ядра с четным числом нейтронов 232 Th, 238 U пороговые и пороговые энергии для них составляют 1,2 и 1,0 МэВ соответственно.
В природе встречаются только 232Th , 235U. При­чем природный уран представляет собой смесь изотопов с массовыми долями 99,3 % 238U и 0,7 % 235U. Делящиеся изотопы 233U, 239Pu получают искусственным путем. Поэтому наибольшее распространение в качестве де­лящегося материала получил U.
Процесс деления происходит в несколько стадий. После поглоще­ния нейтрона ядром 235U образуется возбужденное составное ядро 236U. Через 10-14с происходит распад составного ядра, который может идти по двум каналам:


Осколки деления являются радиоактивными, испытывают ?-, ?-, ?- распады и испускают запаздывающие нейтроны (см. рис. 4).

Вклад запаздывающих нейтронов в среднее число нейтронов, вы­деляющихся на акт деления, мал (мгновенные 99,35 % и запаздывающие 0,65 %), но они играют решающую роль в обеспечении безопас­ности и управлении ядерными реакторами.

Рис. 4. Схема процесса деления ядер 235U
Осколки разлетаются с большой скоростью, и на их долю приходится 80 % энергии, выделяющейся в процессе деления. Двигаясь в веществе, осколки теряют свою энергию на ионизацию других атомов и молекул окружающей среды, их энергия переходит в энергию тепло­вого движения частиц среды, т.е. разогрев.

Общая энергия, выделяющаяся при делении, составляет порядка 200 МэВ и складывается из составляющих перечисленных в таблице 5.
После радиационного захвата нейтронов деления матери­алы реактора испускают ?-кванты, энергия которых в среднем равна 8 МэВ. Антинейтрино, не взаимодействуя с веществом, уносит 11 МэВ.

Таким образом, деление 233U, 235U и 239Pu обеспечивает нагрев среды реактора в результате одного акта деления энергией в количестве 200, 203, 210 МэВ. Эта основная характеристика ядерного топлива позволяет определить расход горючего на выработку тепловой энергии в ядерном реакторе.
200 МэВ = 3,2 10-11 Дж
1 МВт·сут = 1,23 · 10-3 кг
3000 МВт = 3,7 кг 235U /сут
Таблица 5. Энергия, выделяющаяся при делении ядер нуклидов 233U, 235U и 239Pu тепловыми нейтронами, МэВ.


Продукты деления

233U

235U

239Pu

Легкий осколок

99,94 ±1

99,8 ±1

101,8 ±1

Тяжелый осколок

67,9 ±0,7

68,4 ±0,7

73,2 ±0,7

Мгновенные нейтроны

5,0

4,8

5,8

Мгновенные ?-кванты

7,0

7,5

7,0

?-Частицы, испускаемые продуктами деления

8,0

7,8

8,0

?-Кванты продуктов деления

4,2

6,8

6,2

Антинейтрино

11,0

11,0

11,0

Полная энергия, выделяющаяся в результате одного акта деления

203,0

206,0

213,0


Процесс деления 235U нейтронами имеет статистический харак­тер и протекает не по строгой схеме, а по тридцати различным ка­налам деления.

Осколки деления образуются в диапазоне массовых чисел А = 72...161 и образуют две группы: легкие А = 80...110 и тяжелые А = 125..155. Наиболее вероятное соотношение масс 2 / 3. Таких осколков образуется 6 %, в то время как при соотношении масс 1 / 1 выход составляет 0,01 %.

Зависимость выхода продуктов деления ядер 235U от массового числа осколков представлена на рис. 5.



Рис. 5. Выход осколков на одно деление 235U

11.контрольные вопросы


  1. Чем отличается ядерное топливо и процесс его использования в ядерных реакторах от источников энергии, работающих на органическом топливе?

  2. Какие элементарные частицы образуют атом и каково его строение?

  3. Из чего состоит ядро атома?

  4. От чего зависит атомный вес вещества?

  5. Что такое изотоп?

  6. В каких единицах измеряется атомный вес?

  7. Чем определяется концентрация ядер вещества?

  8. что такое энергия связи?

  9. Какая единица энергии используется в атомной и ядерной физике?

  10. Как изменяется средняя энергия связи на нуклон с увеличением атомного веса атома?

  11. Почему при синтезе и делении ядер возможно получение тепловой энергии?

  12. Какие две группы ядерных реакций можно выделить?

  13. Как протекает радиоактивный распад ядер?

  14. Какая характеристика процесса распада не зависит от времени?

  15. Какая часть радиоактивного вещества останется, если прошло время в три раза большее, чем период полураспада?

  16. От чего зависит и в чем измеряется активность?

  17. Какие виды нейтронных ядерных реакций известны?

  18. Каков физический смысл микроскопического и макроскопического сечений ядерных реакций?

  19. Какие зависимости существуют между сечениями основных видов ядерных реакций?

  20. Что такое выход ядерной реакции?

  21. Какие характерные энергетические группы нейтронов выделяют?

  22. Какова зависимость величины сечений от энергии нейтрона?

  23. Какие вещества способны делиться под действием нейтронов?

  24. Как протекает процесс деления урана?

  25. Какая ядерная реакция обязательно предшествует реакции деления?

  26. Из чего состоит полная энергия, выделяющаяся при делении одного атома урана?

  27. Какие существуют закономерности выхода осколков деления?



12.Литература, рекомендуемая для самостоятельной проработки



Ниже приведен перечень источников, которые рекомендуются для самостоятельной проработки:


  1. Левин В.Е. Ядерная физика и ядерные реакторы. Учебник для техникумов. – М.: Атомиздат, 1970. – 284 с.

  2. Нигматулин И.Н., Нигматулин Б.И. Ядерные энергетические установки. Учебник для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1986. – 168 с.

  3. Широков С.В. Фізика ядерних ректорів: Навч. Посібник. – К.: Вища шк., 1993. – 288 с.

  4. Владимиров В.И. Практические задачи по эксплуатации ядерных ректоров. – М.: Атомиздат, 1976. – 296 с.

  5. Галанин А.Д. Введение в теорию ядерных реакторов на тепловых нейтронах: Учебное пособие для вузов. – М.: Энергоатомиздат, 1984. - 410 с.


Учебный материал
© nashaucheba.ru
При копировании укажите ссылку.
обратиться к администрации