23 (Полностью все 26 лекций в пдф), страница 4

Остальная часть распределяется между нейтронами, γ-квантами, электронами и антинейтрино. При этом соотношение между отдельнымисоставляющими энергии деления слабо зависит от делящегося ядра и от энергии нейтрона, вызывающего процесс деления. Около 5% всей энергии деления уносится с антинейтрино и неможет быть использовано.Энергия осколков деления, мгновенных γ-квантов и нейтронов превращается в теплопрактически мгновенно.

Энергия β−-распада, составляющая примерно 7% всей энергии деления,выделяется постепенно в течение длительного времени, так как β−-распады происходят значительно позже момента деления ядра. Это запаздывание приводит к так называемому остаточному энерговыделению в остановленном ядерном реакторе, которое (в случае его работы набольшой мощности) после остановки настолько велико, что необходимо принимать меры дляохлаждения реактора. Отработавшее в реакторе ядерное топливо обладает настолько большой8Семестр 4.

Лекция 23.радиоактивностью и, соответственно, остаточным энерговыделением, что требует длительной(по нескольку лет) выдержки в специальных бассейнах с охлаждением.При делении 235U тепловыми нейтронами образуется около 30 различных пар осколков,преимущественно неравной массы. Самый лёгкий из них имеет массовое число 72, самый тяжёлый - 161. Наиболее вероятно деление наосколки с отношением масс 3/2. Кривыевыхода осколков деления слабо различаются для разных делящихся ядер, это говорито том, что асимметрия в распределении осколков присуща самому механизму деленияядер.Деление на неравные части объясняется в рамках оболочечной модели ядра какрезультат преимущественного образованияядер с заполненными оболочками, содержащими 50 и 82 нейтронов (магическиечисла).

Однако асимметрия деления уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра и при больших её значениях исчезает.Испускание нейтронов осколками деления - одна из важнейших особенностей процессаделения тяжёлых ядер. Именно она позволяет создать при определённых условиях цепную реакцию деления.Цепная ядерная реакция - последовательность единичных ядерных реакций, каждая изкоторых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности.

Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление всреде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёмавещества, поддерживающего цепной процесс.

Если в каждом акте реакции появляется толькоодна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой. Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжаетначатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления.Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то цепная самоподдерживающаяся реакция оказывается невозможной.

Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случаеможет только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объему вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием. Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.Достижение критического состояния определяется рядом факторов.

Деление тяжелогоядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для 235U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно2,5). Следовательно, процесс деления может породить разветвленную цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления,9Семестр 4. Лекция 23.вылетов из реакционного объёма и т.д.) компенсирует скорость размножения нейтронов такимобразом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице, тоцепная реакция идёт в стационарном режиме.

Введение отрицательных обратных связей междуэффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется, например, в ядерной энергетике.Если коэффициент размножения нейтронов больше единицы, цепная реакция развивается лавинообразно и становится неуправляемой. Неуправляемая цепная реакция деления используется в ядерном оружии.Критическая масса - количество делящегося вещества, необходимое для начала самоподдерживающейся цепной реакции деления. Коэффициент размножения нейтронов в такомколичестве вещества больше единицы или равен единице.

Размеры, соответствующие критической массе, также называют критическими. Если масса вещества ниже критической, то слишком много нейтронов, необходимых для реакции деления, теряется, и цепная реакция не идёт.При массе больше критической цепная реакция может лавинообразно ускоряться, что приводитк ядерному взрыву.Величина критической массы зависит от свойств вещества (таких, как сечения деления ирадиационного захвата), от плотности, количества примесей, формы изделия, а также от окружения.

Например, наличие отражателей и замедлителей нейтронов может сильно уменьшитькритическую массу. Минимальную критическую массу имеет образец сферической формы, таккак площадь его поверхности наименьшая. Критическая масса чистого металлического плутония-239 сферической формы 11 кг (диаметр такой сферы 10 см), урана-235 – 50 кг (диаметрсферы 17 см).

Критическая масса также зависит от химического состава образца.При расчётах и производстве ядерного и термоядерного оружия параметр критическоймассы существенным образом влияет как на конструкцию взрывного устройства, так и на егостоимость и сроки хранения. В случае проектирования и строительства атомного реактора, параметры критической массы также ограничивают как минимальные, так и максимальные размеры будущего реактора.Ядерная реакция синтезаТермоядерная реакция (синоним: ядерная реакция синтеза) - разновидность ядерной реакции, при которой лёгкие атомные ядра объединяются в более тяжёлые ядра.Для того чтобы произошла реакция синтеза, исходные ядра должны преодолеть силуэлектростатического отталкивания, для этого они должны иметь большую кинетическую энергию.

Если предположить, что кинетическая энергия ядер определяется их тепловым движением,то можно сказать, что для реакции синтеза нужна большая температура. Поэтому реакция названа «термоядерной».Атомные ядра имеют положительный электрический заряд. На больших расстояниях ихзаряды могут быть экранированы электронами. Однако для того, чтобы произошло слияниеядер, они должны сблизиться на расстояние, на котором действует сильное взаимодействие.Это расстояние — порядка размера самих ядер и во много раз меньше размера атома. На такихрасстояниях электронные оболочки атомов (даже если бы они сохранились) уже не могут экранировать заряды ядер, поэтому они испытывают сильное электростатическое отталкивание.

Сила этого отталкивания, в соответствии с законом Кулона, обратно пропорциональна квадратурасстояния между зарядами. На расстояниях порядка размера ядер величина сильного взаимодействия, которое стремится их связать, начинает быстро возрастать и становится больше величины кулоновского отталкивания.Таким образом, чтобы вступить в реакцию, ядра должны преодолеть потенциальныйбарьер. Например, для реакции дейтерий-тритий величина этого барьера составляет примерно0,1 МэВ. Для сравнения, энергия ионизации водорода - 13 эВ. Поэтому вещество, участвующеев термоядерной реакции, будет представлять собой практически полностью ионизированнуюплазму.10Семестр 4.

Лекция 23.Кинетической энергии теплового движения 0,1 МэВ соответствует температура примерно 10 К. Однако есть два эффекта, которые снижают температуру, необходимую для термоядерной реакции. Во-первых, температура характеризует лишь среднюю кинетическую энергию, поэтому есть частицы как с меньшей энергией, так и с большей.