В.А. Горбаренко - Излучения, атомная и ядерная физика (1022086), страница 14
Текст из файла (страница 14)
Нейтроныназываются быстрыми, если их скорость V так велика, что соответствующая длина волны де Бройля нейтронов λ=h/mV многоменьше радиуса R ядра, т.е. h/mV<<R или V>>h/mR. Энергии быстрых нейтронов заключены в пределах от 0,1 МэВ до 50 МэВ.Если λ≥R, то нейтроны называются медленными. Энергии медленных нейтронов не превышают 100 кэВ. Медленные нейтроныс энергиями от 0,0025 эВ до 0,5 эВ называются тепловыми нейтронами.
Наиболее эффективно взаимодействуют с ядрами медленные нейтроны, т.к. для них увеличивается время пролета нейтрона вблизи ядра и, следовательно, вероятность взаимодействия.Взаимодействие нейтронов с ядрами состоит, главным образом, либо в упругом рассеянии нейтронов на ядрах, либо в захвате нейтронов ядрами. В веществах, называемых замедлителями (графит, тяжелая вода D2O, HDO, соединения бериллия), быстрые нейтроны рассеиваются на ядрах, и их энергия переходит вэнергию теплового движения атомов вещества-замедлителя. Врезультате нейтроны становятся тепловыми.Если энергия тепловых нейтронов совпадает с энергией составного (промежуточного) ядра, то может произойти захват нейтрона материнским ядром. Захват нейтрона приводит к искусственной радиоактивности или делению ядер.
Именно таким способом в период с 1934 по 1936 гг. в Риме Энрико Ферми получилряд ранее неизвестных изотопов. Кроме того, при бомбардировкенейтронами самого тяжелого из тогда известных элементов −239урана, Ферми получил два новых элемента: нептуний 93 N p и239плутоний 94 Pu , при этом наблюдалась следующая цепочка ядерных превращений:β−( 23 мин.)β - ( 2 .
3 дня)239239U + 01n→239U⎯⎯⎯⎯⎯→Np⎯⎯⎯⎯⎯→929394 Pu . (6.13)2389287239Плутоний94 Pu благодаря эффективному делению поддействием тепловых нейтронов играет важнейшую роль в полу239чении ядерной энергии.Плутоний 94 Pu является αрадиоактивным с периодом полураспада 24 000 лет и превращается в устойчивый изотоп урана23592U.6.5.2. Деление тяжелых ядер. Цепная реакцияИсследования Ферми продолжили немецкие ученые ОттоГан и Фриц Штрассман, а также Лизе Мейтнер (Австрия). Ган иШтрассман (оба радиохимики) в 1938 г. обнаружили, что при облучении нейтронами урана и тория возникают изотопы химических элементов, лежащих где-то в середине таблицы Менделеева.Природа этих явлений была понята Л.
Мейтнер и О.Фришем в1939 г. Они предположили, что ядро урана, захватившее нейтрон,делится на две части приблизительно одинаковой массы. Эти осколки оказываются сильно перегруженными нейтронами (см. зависимость, приведенную на рис.6.2). Чтобы уменьшить эту перегруженность, в ядрах осколков происходит процесс превращениянейтронов в протоны (β −-распад). Из зависимости, приведеннойна рис.6.1, следует, что при делении одного ядра урана (удельнаяэнергия связи ∼7.6 МэВ/нуклон) на два осколка в середине таблицы Менделеева (удельная энергия связи ∼8.5 МэВ/нуклон) выделяется энергия ∼200 МэВ.
В ядерном масштабе это − оченьбольшая энергия!Простейшая теория деления ядра была разработана в 1939г. Н.Бором и независимо от него Я.Френкелем. В основу этойтеории была положена капельная модель ядра, т.е. ядро представляли как каплю заряженной жидкости. Согласно этой моделиРис.6.4.88235(см. рис.6.4), нейтрон при поглощении его ядром 92U передаетему дополнительную внутреннюю энергию. Образуется состав236ное (промежуточное) ядро 92U , находящееся в сильно возбужденном состоянии.
Это приводит к более интенсивному движению нуклонов в ядре, в результате чего ядро принимает формуэллипсоида. При этом короткодействующее ядерное взаимодействие нуклонов ослабевает из-за возросшего расстояния междуними, а электростатическое отталкивание ослабевает лишь незначительно и становится доминирующим; в результате в ядреполучается перетяжка, в области которой находятся, в основном,нейтральные нейтроны. В дальнейшем ядро расщепляется на дваосколка N1 и N2, а два-три нейтрона, находившиеся в области перетяжки, оказываются свободными. Осколки N1 и N2 получаютсяв возбужденном состоянии, и их внутренняя энергия идет на испускание γ-лучей.
Ядра-осколки, как правило, оказываются β−радиоактивными и распадаются с самыми разными периодамиполураспадов. Типичной является реакция деления921U + 01n→14156 Ba+ 36 Kr +30 n ,23592хотя существует немало и других реакций.Нейтроны, испускаемые в каждом акте деления, можно использовать для осуществления цепной ядерной реакции: одиннейтрон первоначально вызывает деление одного ядра урана; дваили три образовавшихся нейтрона вызовут дополнительные актыделения и т.д., так что процесс лавинообразно нарастает.
Фермии его сотрудники доказали возможность такой реакции, построивв 1942 г. первое устройство, в котором была осуществлена управляемая ядерная реакция (ядерный реактор).При создании любого ядерного реактора приходится решатьряд проблем:2351. Вероятность поглощения нейтрона ядром 92U великатолько для медленных нейтронов, нейтроны же испускаемые при делении − быстрые нейтроны, следовательно, необходимо уменьшить их энергию.892.
Возникающие при делении нейтроны могут поглощать-ся другими ядрами и вызывать иные ядерные реакции, а238не реакции деления. Например, 92U поглощает нейтро239ны и превращается в изотоп 92U , а природный уран со238держит 99,3% изотопа 92U и только около 0,7% деляще235гося изотопа 92U .3. Часть нейтронов вылетает из зоны реакции, не успеввызвать дальнейшее деление.Для решения первой проблемы в ядерных реакторах используется замедлитель − тяжелая вода, графит, соединения бериллия.Вторая проблема решается путем обогащения природного235урана с целью повышения содержания изотопа 92U до 2÷5%.Обогащение естественного урана производится путем разделенияизотопов.
Это очень длительный и дорогой процесс. Его практически невозможно осуществить химическими методами, т.к. химические свойства изотопов одинаковы. Приходится применятьразличные физические методы, использующие небольшое различие масс их атомов.Третья из отмеченных проблем означает, что масса делящегося вещества должна быть больше некоторой минимальной величины (критической массы).
Для уменьшения критической массы делящееся вещество окружают отражателями нейтронов −слоями неделящегося вещества, которое не захватывает, а возвращает в активную область большую часть вылетающих из неенейтронов.Основными элементами ядерного реактора являются: ядерное горючее, замедлитель и отражатель нейтронов, теплоноситель для отвода тепла, образующегося в реакторе, регуляторыскорости развития цепной реакции. Различают реакторы на медленных и на быстрых нейтронах.
Для работы первых обязательноналичие замедлителя, вторые могут работать без него.Схема устройства ядерного реактора на медленных нейтронах изображена на рис.6.5. Ядерным горючим являются изотоп90235239232урана 92U , плутоний 94 Pu , торий 90T h . В качестве отражателейнейтронов используются те же вещества, которые служат замедлителями.
Быстрое развитие цепной реакции сопровождается выделением большого количества тепла и перегревом реактора. Дляподдержания стационарного режима работы в активную зону реактора вводятся управляющие стержни из материалов, сильнопоглощающих тепловые нейтроны, например, из бора или кадмия. Теплоносителем в реакторе служит вода, жидкий натрий идругие вещества. Энергия, выделяющаяся в реакции, теплоносителем передается воде, которая, превращаясь в пар, вращает связанную с генератором турбину.В ядерных реакторах, работающих на быстрых нейтронах,осуществляется процесс воспроизводства ядерного горючего.Как следует из реакции (6.13), захват нейтронов атомами238урана 92U приводитс созданию плутония23994 Pu , который можно достаточно легкохимическимпутем238отделить от 92U . Дляподдержания цепнойреакции необходимо,чтобы только одиннейтрон из числа обРис.6.51 − ядерное горючее и замедлитель, 2 − управ- разовавшихся, вызыляющие стержни, 3 − отражатель, 4 − защита от вал деление ядеррадиации, 5 − теплоноситель, 6 − вода, 7 − пар, 235Остальные 192U .8 − турбина, 9 − генератор, 10 − холодильник или 2 нейтрона могутбыть захвачены яд238239рами 92U и создать одно или два ядра 94 Pu .
В специальных воспроизводящих реакторах коэффициент воспроизводства ядерногогорючего превышает единицу. В активную зону такого реактора235помещается сплав урана, обогащенного изотопом 92U , с тяже-91лым металлом (висмут, свинец) мало поглощающим нейтроны.Замедлитель в таких реакторах отсутствует.6.5.3. Ядерный синтез (термоядерные реакции)Как упоминалось выше, слияние легких ядер в одно ядросопровождается выделением огромного количества энергии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
