Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 166
Текст из файла (страница 166)
Продолжительность работы естественного ядерного реактора в Окло была оценена по количеству образовавшегося плутония зээРп. Таким путем было найдено, что она составляет около 0,6 — 0,8 млн лет. Эта оценка не очень надежна хотя бы потому, что доля делений эзэРп относительно полного числа делений составляет всего лишь несколько процентов и сравнима с долей делений зэ" П на быстрых нейтронах.
Общее количество энергии, вырабозанной реактором в Окло, оценивается приблизительно в 1,5. 10 МВт лет. Такое же количество энергии вырабатываюг два блока Ленинградской АЭС за 2,3 года при полной нагрузке. Если принять среднюю продолжительность работы реактора в Окло равной 0,6 млн лет, то средняя мощность выделяющейся в нем энергии составляет всего лишь 25 кВт. Это соответствует среднему потоку тепловых нейтронов в реакторе не выше 10в с ' см й 97) Использование антинейтиино длл нонеиролл 651 Не следует думать., что цепная реакция, шедшая в Окло, носила бурный характер с гулом, шипением пара и пр.
На самом деле реакция была медленной — она скорее «тлела». Температура в руднике никогда нс превышала 300 — 600 'С, так как природный реактор был саморегулирующейся системой. Нри повышении температуры из зоны реакции удалялась вода, а это вело к уменьшению количества медленных нейтронов, к затуханию и даже полному угасанию реакции.
Затем рудник начинал остывать и в него снова набиралась вода, замедляющая нейтроны. Это создавало благоприятные условия для возобновления цепной реакции, а следовательно, и для повышения температуры. Вода снова удалялась из реактора, и реакция затухала. Затем опять начиналось накопление воды, увеличение количества тепловых нейтронов, возобновление цепной реакции и т.д, Таким образом, периодически происходила смена возбуждения и затухания реакции. 3. Приведенные факты дают достаточно убедительное доказательство существования в отдаленные времена природного ядерного реактора.
Однако ясны далеко не все детали, относящиеся к этому вопросу. Например, среди продуктов деления в природном ядерном реакторе был обнаружен хотя и небольшой, но несомненно существующий избыток изотопов ксенона ш1Хс, шзХе и шлХе по сравнению с изотопным составом ксенона, который возникаег при делении заП тепловыми нейтронами. Причина такого расхождения сщс не выяснена.
3 97. Использование антинейтрино для контроля ядерного реактора 1. В опытах Рейнеса и Коузна (см. 3 74) было найдено, что сечение реакции обратного,З-расиада (7432) для антинейтрино, исходящих из ядерного реактора (т.е. антинейтрино низких энергий), составляет примерно и = 10 лз см .
Чтобы более наглядно представить этот результат, допустим, что плоскопараллельный пучок антинейтрино распространяется в железе, причем поглощение антинейтрино происходит исключительно за счет реакции (74.12). В одном моле содержится примерно 6 10зз атомов, т. е. 26 6 10зз протонов (26 — атомный номер железа). Так как атомная масса железа 56, а плотность 7,8 г/смз, то в 1 смз железа будет и = (78/56) . 26 6.10аз = 2 2. 10ал протонов. Если среда (железо), в которой распространяются антинейтрино, однородна, то формулу (65.3) можно представить в виде где 1 — путь, проходимый антинейтрино в железе.
Определим путь 1, на котором из пучка выбывает миллионная доля всех антинейтрино. Для этого в предыдущей формуле положим ~е1%/Х~ = 10 ь и найдем = 45 10ы см = 45 10ь км. иа У [Гл. Х!Н Нейтроны и деление атоаен х. ядер 652 Таким образом, при прохождении пучка из миллиона антинейтрино через свой железа толщиной в 45 млн км (эта величина примерно только в три раза меньше расстояния от Земли до Солнца) в среднем только одно антинейтрино поглотится и выйдет из пучка. Если же толщину слоя железа довести до 45 10'в км (приблизительно 5 световых лет), то на этой толщине интенсивность пучка антинейтрино уменьшится всего в е раз. Эти факты, кажется, не оставляют возможности для практических применений нейтрино и антинейтрино.
И все же такая возможность существует, так как ничтожное поглощение антинейтрино в веществе может быть компенсировано исключительно болыной мощностью пучков антинейтрнно, исходящих из крупных ядерных реакторов. Допустим в качестве примера, что детектор антинейтрино имеет форму куба со стороной 1 м и что вещество этого детектора поглощает антинейтрино так же, как и железо (это делается только для того, чтобы не повторять вычисления, аналогичные приведенным выше). Пусть в детектор попадает 10м антинейтрино в сутки (это может обеспечить современный большой ядерный реактор). Толщина поглотителя по сравнению с предыдущим случаем уменьшена в 45 .
10" раз, а число нейтрино увеличено в 10м: 10е = 10ш раз. Поэтому число актов обратного 13-распада, зафиксированных детектором в сутки, будет 10м 1 -- — — о=2 10. 45. 10 Приведенная оценка показывает, что поток антинейтрино можно регисгрировать н гораздо меныпнм детектором. 2. В СССР на Ровенской АЭС с 1982 г. функционирует специализированная нейтринная лаборатория. Основным помещением лаборатории является экспериментальный звл площадью 6,5 х 6,5 м и высотой 3,5 м. Этот зал расположен прямо под ядерным реактором на расстоянии 19,2 и от центра активной зоны. От потоков частиц из реактора звл огражден мощной защитой из нескольких слоев специального так называемого тяжелого бетона, стали, воды. Такая защита по своим поглощающим свойствам эквивалентна слою воды толщиной около 30 м.
Детектором служит резервуар об ьемом 235,5 л, заполненный орюннческим сцинтиллятором деквлином (С~оНв), в состав которого входит болыпое колнчесгво водорода и который содержит небольшую примесь гадолиния, поглощающего нейтроны. В осколках деления ядерной зоны реактора в процессе 13-распада нейтроны превращаются в протоны с испусканием электронов и анти- нейтрино (и — > р+е +и), Антинейтрино и должны регистрироваться.
Принцип регистрации по существу не отличается от того, какой применялся в опьпвх Рейнеса н Коуэна (см. 3 74). Антинейтрино, взаимодействуя с протоном в обратной реакции 11-распада (и + р ч и + е' ), порождает в сцинтилляторе нейтрон и позитрон. Позитрон сразу же аннигилирует с электроном, в результате чего возникает сцинтилляционная вспышка. Нейтрон же через время порядка 10 в с захватывается ядром гадолиния с испусканием 1-кванта, что дает вторую вспышку.
з 97) Использование антинейтрино длл конепролл Световые вспышки улавливаются фотоумножителями (всего их 24), сигналы с которых поступают на электронную схему. Если реакция действительно вызывается антинейтрино. то в сцинтилляторе детектора должны появиться одна за другой две вспышки через определенное короткое время. Всего за сутки детектор регистрирует до тысячи таких пар вспышек.
Трудность опыта состоит в том, что за то же время на детектор обрушивается громадное число нейтронов н 7-квантов и почти каждый из них вызывает в нем соответствующий сигнал. Задача заключается в том, чтобы выделить относительно слабые сигналы от нейтрино на громадном фоне этих не имеющих отношения к делу сигналов.
Задача зта успешно решена. Не останавливаясь на этом вопросе, укажем только, что это делается с помощью электрической схемы совпадений, позволяющей регисгрировать только нужные пары следующих друг за другом сцинтилляционных вспышек. Таким путем достигаегся, что полезный сигнал не только не теряется на фоне посторонних событий, но даже значительно превьппает его. 3. Как уже говорилось в 9 74, реакция обратного Д-распада (р+ р э и+ е+) эндогермична.
Действительно, сумма масс нейтрона н позитрона (939,5731 + 0,5110034 МэВ) превышает массу протона (938,2796 МэВ) на 1,8045 МэВ. Недостаток массы у протона должен быть компенсирован за счет энергии антинейтрино ьб Реакция может идти только тогда, когда энергия антинейтрино превышает 1,8 МэВ. В нейтринном спектрометре как раз и измеряется энергия позитрона, равная энергии антинейтрино за вычетом 1,8 МэВ. Это позволяет восстановить энергетический спектр антинейтринного излучения, падающего из активной зоны реактора на прибор. Количество вылетающих антинейтрино пропорционально числу разделившихся ядер и поэтому позволяет точно судить о выделении энергии в реакторе. Кроме того, антинейтринное излучение осколков деления урана и плутония существенно различно по своему спектральному составу.
Это открывает возможность по спектру нейтринного излучения контролировать накопление плутония непосредственно в процессе его образования. В начале работы реактора его антинейтринный спектр полностью определяется осколками деления изотопа 11. В дальнейшем же, по мере накопления плутония, пропорционально растет и его вклад в спектр антинейтринного излучения. В качестве иллюстрации приведем некоторые результаты измерений, произведенных на Ровенской АЭС. В течение примерно недели непрерывно регистрировался антинейтрннный поток нз реактора.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
