ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ПОЛУЧЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ

Атомный проект
Академик РАН А.Д. Сахаров
О северном полигоне и ядерном оружии
Основные факторы риска
Атомные станции
Физика ядерного реактора
Реактор РБМК – 1000
Эффективная эквивалентная доза
Химическая дозиметрия
Физика атомного ядра
Получение ядерной энергии
Реакция деления
Плотность потока нейтронов
Реакторный теплоноситель
УРАН-235
Ячейка активной зоны реактора РБМК-1000
Кинетика реактора
Ядерная безопасность реактора
Коэффициент воспроизводства ядерного топлива
Средства управления реактором

 

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 Еп = 1.1 МэВ. (Говорят: Eп = 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.

Строение вещества Все вещества состоят из молекул - частиц, каждая из которых определяет все физико-химические свойства вещества.

Строение и характеристики атомов Атомы различных химических элементов отличаются прежде всего по их массе, и атомная масса в какой-то мере определяет периодичность повторения химических свойств различных атомов. Однако массовое число A не является однозначной характеристикой всех свойств атомов любых веществ.

Энергия связи и устойчивость ядер атомов

На устойчивость ядер сильное влияние оказывает чётность или нечётность чисел протонов и нейтронов в них

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.).

Особенности реакции деления и их практическое значение Нейтронная ядерная реакция деления тяжёлых ядер, как уже отмечалось, является главной и центральной реакцией в ядерных реакторах. Поэтому есть смысл с самого начала познакомиться с физическими представлениями о реакции деления и теми её особенностями, которые так или иначе накладывают свой отпечаток на все стороны жизни и быта сложнейшего технического комплекса, который именуется Атомной Электростанцией.

Образование нейтронов деления. Ключевым физическим явлением, сопровождающим процесс деления тяжёлых ядер, является испускание возбуждёнными осколками деления вторичных быстрых нейтронов, иначе называемых мгновенными нейтронами или нейтронами деления.

Радиоактивность осколков деления. Уже говорилось, что установлено свыше 600 типов осколков деления, отличающихся по массе и протонному заряду, и о том, что практически все они рождаются сильно возбуждёнными.

Основные характеристики нейтронных полей Нейтронное поле - это совокупность свободных нейтронов, движущихся и определённым образом распределённых в объёме материальной среды.

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.

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,a) - то есть реакция, завершающаяся испусканием возбужденным составным ядром a-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 a-частицы

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

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.

На главную