ЛЕКЦИЯ 7. Ядерные реакции

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействием с элементарными частицами или друг с другом. Наиболее распространёнными являются бинарные реакции

a + A ® B + b, (7.1)

где a и b — бомбардирующая и испускаемая в ядерной реакции частицы (в качестве таких частиц могут фигурировать нейтрон , протон , дейтрон , a-частица и др.); А и В — исходное и конечное ядра.

В любой ядерной реакции выполняются законы сохранения электрического заряда, массовых чисел, энергии, импульса и момента импульса.

Энергетический баланс реакции (7.1) вычисляется по разности масс частиц, вступивших в реакцию и получившихся в результате нее:

. (7.2)

При протекании ядерной реакции энергия либо выделяется (DW > 0 — экзотермическая реакция), либо поглощается (DW < 0 — эндотермическая реакция).

Минимальная кинетическая энергия сталкивающихся частиц, начиная с которой реакция становится энергетически возможной, называется порогом реакции. При бомбардировке неподвижной мишени (ядра А) потоком частиц а, реакция (7.1) может протекать лишь в том случае, если кинетической энергии частиц а, достаточно для преодоления кулоновского барьера отталкивания Wкул, перевода ядра в возбуждённое состояние DW и сообщения ему кинетической энергии отдачи Wотд:

.

Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 г. В этой реакции для бомбардировки ядер азота использовались a- частицы, полученные при естественном радиоактивном распаде ядер:

.

В 1932 г. Д. Чэдвик открыл нейтрон, который образуется в следующей ядерной реакции:

.

Поскольку нейтроны электрически нейтральны, то им не нужно преодолевать кулоновский барьер отталкивания и, следовательно, пороговая энергия реакций с участием нейтронов понижается. Поэтому ядерные реакции, происходящие при бомбардировке ядер нейтронами, являются весьма эффективными.

Деление ядер. Цепная реакция деления

Как было показано в §49, по мере возрастания массового числа удельная энергия связи, начиная с А = 60, уменьшается и ядра становятся менее устойчивыми. В связи с этим энергетически выгодной становится реакция деления ядра на два примерно одинаковых ядра-осколка, имеющих большее значение энергии связи по сравнению с исходным ядром.

Минимальная работа, которую нужно совершить, чтобы расщепить ядро на два осколка, называется энергией активации.

Нейтрон, поглощённый тяжёлым ядром, может сообщить ему энергию, превышающую энергию активации, в результате чего происходит реакция деления ядра.

Ядра урана U²³⁵ делятся под воздействием тепловых нейтронов (их энергия порядка кТ). Ядра же U²³⁸ делятся только быстрыми нейтронами (их энергия не менее 1 МэВ). Более медленные нейтроны просто поглощаются ядром U²³⁸, не вызывая его деления.

Расчёты показывают, что при каждом акте деления ядра урана выделяется энергия ~ 200 МэВ. Основная доля этой энергии приходится на осколки, которые под воздействием кулоновских сил отталкивания приобретают большую кинетическую энергию.

При каждом акте деления U²³⁵ выделяется в среднем 2,5 нейтрона. Эти нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления — ядерной реакции, в которой частицы вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

Введём понятие коэффициента размножения нейтронов как отношение числа нейтронов в данном звене реакции к числу нейтронов в предыдущем звене:

тогда приращение числа нейтронов

Следующие друг за другом звенья реакции отделены промежутком времени t, равным среднему времени жизни нейтрона в зоне реакции (от момента рождения нейтрона до последующего его захвата каким-либо ядром). Скорость нарастания числа нейтронов

или

Рис. 7.1

Интегрируя последнее выражение, получим:

где N0 — начальное число нейтронов.

Зависимость числа нейтронов от времени определяется значением параметра k (рис. 7.1). Рассмотрим частные случаи.

1. k > 1 . Число нейтронов с течением времени возрастает. Это случай развивающейся реакции. Такой тип реакции осуществлён в атомной бомбе.

2. k = 1. Число нейтронов остаётся постоянным с течением времени. Цепная реакция при к=1 называется самоподдерживающейся. Такая реакция протекает в ядерных реакторах.

3. k < 1. Число нейтронов с течением времени убывает. В этом случае имеет место затухающая реакция. Такой тип реакции осуществляется в природных условиях, а также в ядерных реакторах при их остановке.

Коэффициент размножения нейтронов зависит от многих факторов: формы и размеров активной зоны, наличия примесей и отражателей нейтронов и т. д. Примеси поглощают нейтроны без последующего деления, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Например, U²³⁸ поглощает медленные нейтроны и при этом не делится на осколки. При малых размерах активной зоны нейтроны легко покидают её пределы, выбывая из последующих звеньев реакции. С увеличением размеров активной зоны коэффициент размножения возрастает. Минимальный размер активной зоны, при котором k = 1 называется критическим, а соответствующая ему масса - критической. Для изотопа U²³⁵ критическая масса составляет 50 кг. Критическую массу можно уменьшить, применяя отражающие оболочки, которые возвращают нейтроны в активную зону. Критическую массу U²³⁵ можно уменьшить до 242 г, если использовать полиэтиленовые прокладки и отражающую оболочку из бериллия.

В атомной бомбе ядерный заряд представляет собой несколько разведенных кусков чистого урана U²³⁵ или плутония . Масса каждого из них меньше критической. Путём обычного взрыва куски приводятся в соприкосновение, общая масса становится больше критической и в результате возникает развивающаяся реакция, имеющая взрывной характер.

Ядерный реактор

Ядерный реактор — это устройство, в котором поддерживается реакция деления на уровне k = 1. В качестве ядерного топлива используют изотопы урана плутония , тория .Ядерное топливо, используемое в реакторах на медленных нейтронах, обогащено до 2-4% вместо 0,7% в природной смеси и и размещено в тепловыделяющих элементах (ТВЭЛ’ах) ядерного реактора. ТВЭЛЫ отделены друг от друга замедлителями нейтронов, в качестве которых используют графит, бериллий и некоторые другие вещества.

В активную зону реактора вводят также управляющие стержни, вещество которых сильно поглощает нейтроны (обычно это сплавы кадмия). Коэффициент размножения нейтронов регулируется положением этих стержней в активной зоне и автоматически поддерживается равным единице. Для экстренной остановки ядерной реакции в случае аварии управляющие стержни быстро вводятся в активную зону специальным устройством.

Для отвода теплоты из активной зоны реактора используют теплоноситель, который циркулирует по замкнутой схеме, — это воздух, водяной пар, гелий, углекислый газ и т.д. Нагретый теплоноситель вращает турбину генератора и затем возвращается в активную зону.

Ядерные реакторы на медленных нейтронах характеризуются низким коэффициентом использования ядерного горючего. Несравненно более высокий коэффициент использования урана может быть достигнут в реакторах-размножителях на быстрых нейтронах (бридерные реакторы). В этих реакторах в качестве первоначального топлива используется смесь и, в которой доля достигает 30%. Изотоп делится, поглотив только быстрый нейтрон с энергией ~ 10 МэВ, а нейтроны меньшей энергии эффективно поглощает, давая начало цепочке реакций

(7.3)

Изотоп плутония имеет период полураспада 2,4×10⁴ лет и в природных условиях не существует. Цепочка ядерных превращений (7.3) приводит к накоплению плутония в бридерных реакторах за счёт переработки . Количество производимого плутония больше, чем количество истраченного , т.е. бридер размножает ядерное горючее. Химической переработкой отработанного топлива плутоний извлекается и используется далее в реакторах на медленных нейтронах.