belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 40
Текст из файла (страница 40)
средней кинетической энергией, соответствующей комнатной температуре), тепловые (с энергиями примерно до 0,5 эВ), резонансные (лежащие в области от 0,5 до 10 кэВ, где у полных нейтронных сечений наблюдается целый ряд резонансов). Нейтроны с энергиями от 10 до 100 кзВ носят название промежупьочных. Энергия медленных нейтронов очень мала по сравнению с характерными энергиями в ядерной физике: как правило она меньше энергии первого возбужденного состояния ядра, и поэтому для медленных нейтронов возможны только упругое рассеяние и экзотермические реакции.
Среди последних 11зв ядеРные РеактОРы наибольшее значение имеет радиационный захват (11,-!), т. е. реакция, при которой нейтрон захватывается ядром, а снятие возбуждения ядра происходит за счет испускания 7-квантов. Масса конечного ядра и сумма масс ядра-мишени и нейтрона различаются примерно на 8 МэВ. Эта разница в сумме с кинетической энергией налетающего нейтрона переходит в энергию возбуждения ядра, а затем в энергию вторичного у-излучения, за исключением малой доли уносимой ядром отдачи. На рис. 11.6 схематически изображена энергетическая зависимость сечения реакции радиационного захвата нейтрона. 10 За счет (1/11)-зависимости для тепловых нейтронов сечение достигает десятка тысяч 1О 10 10 1О Е,,эВ бари, область 1 10 кэВ является резонансной. По мере увеличения энергии нейтронов сечеРис.
11.6 ние радиационного захвата падает, может быть возбуждено все больше и болыпс состояний, и число «открытых каналов» реакции увеличивается. На 1ипая примерно с 1 МэВ сечение неупругого рассеяния !и, и') бьк:тро возрастает с энергией. Реакции с образованием заряженных частиц типа !11, .р), (и, а) идут при энергии нейтронов вылив 0,5 МэВ, так как заряженной частице нужно преодолеть кулоновский барьер. вас! а,,10 си 10 11.2.
Ядерные реакторы При рассмотрении процесса деления тяжелых ядер в гл. 10 было показано, что этот щюцесс сопровождается выделением большой энергии, порядка 200 МэВ в одном акте, что лежит в основе современной ядерной энергетики. Чтобы выяснить причины привлекательности использования ядерной энергии, подсчитаем, какое количество 2ззП необходимо для получения за одни сутки 1 МВт тепловой энергии.
Так как при одном акте выделяется около 3 10 " Вт, то всего необходимо А11 = 8,6 101 10в,13 10 '" 3 102' актов деления, что соответствует ААгу/Х =1,1 грамм !Л' . число Авогадро). Для сравнения укажем, что при сгорании 1,1 г высококачественного угля получается лишь 4 10 ~ МВт, т. е. ядерное горючее примерно в миллион раз более эффективно. Конечно, нельзя не отметить более сложну1о техническую сторону использования ядерной энергии. К началу 1995 г. во всем мире эксплуатировалось 432 энергетических реактора общей электрической мощностью 340347 МВт, а в 15 странах строилось еще 48 реакторов на мощность 38876 МВт.
В отдельных странах обеспеченность электроэнергией за счет АЭС достигла очень больших масштабов. Так, в Бельгии па АЭС вырабатывалось 56 % всей электроэнергии, в Швеции 51%, во Франции --- 75%, на Тайване -- около 44%, в Южной Корее--- 56 %, в Японии более 30 %, в США 22 %. По мощности всех АЭС первое место принадлежит США 98784 МВт, на втором месте Франция 58493 МВт. В России работает 30 реакторов обшей мощностью 19483 МВт, что составляет 11,4 % суммарно щ>оизводимой электроэнергии. Обычно процесс деления ядер вызывается нейтронами, и при этом в свою очередь возникают новые нейтроны.
Отсюда появляется возможность осуществления самоподдерживающегося процесса из следукнцих друг за другом ГЛ. 11. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ И ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 166 актов деления: нейтроц -1 деление -+ нейтрон -~ деление -1 тоо = МР' — 1по1, п1о2 = Муз+ то~.
о— 1. (11.38) и поскольку число нейтронов при каждом акте деления и) 1, то данный процесс может идти даже в нарастающем темпе, т. е. с вовлечением в реакцию все болыпего числа ядер. Такие самоподдерживающиеся процессы принято называть непнымп реакциями. Как отмечалось при обсуждении капельной модели ядра, энергия связи нейтронов больше в ядрах с четным числом нейтронов Х, чем в ядрах с нечетным Х (эффект спаривания). Поэтому когда нейтрон попадает в ядро с нечетным Х и, следовательно, образуется ядро с четным Х, то возбуждение ядра оказывается относительно болыпим, и ядро может разделиться.
Попадание же нейтрона в ядро с четным Х приводит к образованию ядра с нечетным Х, энергия возбуждения оказывается гораздо меньше (примерно на 1 МэВ), и ее может не хватить для деления. Именно так и обстоит дело с изотопами тяжелых элементов: такие ядра, как вз~с1 и в16РН, делятся под действием медленных нейтронов, а ядра вз~ТЬ., ~6111, ~6611, ~6611, ~~оРп пег. При попадании в ядро быстрого нейтрона к энергии связи добавляется его кинетическая энергия, энергия возбуждения оказывается больше, и поэтому под действием быстрых нейтронов (с энергией в несколько МэВ) могут делиться дажо тяжелые ядра, содержащие четное число нейтронов. Естественный узап в основном состоит из изотопа ~6611, и лишь 0.,7 % приходится на долю ' 11 именно того изотопа, который легко делится нейтронами.
Попадая в ядро з~~П, нейтрон захватывается этим ядром и сам выбывает из игры. А так как в естественном уране почти все нейтроны попадают в ядра "6611, то случаи деления будут происходить крайне редко. Таким образом, цепная реакция в естественном 11 невозможна. Как отмечалось в 1 4.10, при делении возникают быстрые нейтроны, с энергией порядка одного миллиона электронвольт. Если такие нейтроны замедлить, то их способность вызывать деление к1Ч.1 возрастает («работает» закон Бете 1/о), тогда как вероятность захвата метМ1епных нейтронов ядрами зз611 остается относительно неболыпой.
Поэтому если поместить небольшие блоки урана в вещество, способное эффективно замедлять нейтроны, то цепная реакция может начаться и в естественном уране. Первый в мире ядерный реактор, запущенный в США в 1942 г, под руководством Э. Ферми, работал именно по этой схеме обычный уран в графите.
В качестве замедлителя нейтронов обычно используют воду либо графит — вещества с малым атомным весом, поскольку чем легче ядро, с которым сталкивается нейтрон, тем эффективнее происходит замедление. Действительно, рассмотрим процесс упругого лобового столкновения частицы массы т, летящей со скоростью по, с неподвижной частицей массы М (при этом происходит максимальная передача энергии). Пусть скорость покоившейся частицы после соударения И, а налетающая частица движется в обратном направлении со скоростью п1. По законам сохранения энергии и импульса 11.2.
ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ 157 Откуда следует ио+ и1 = (М,77н)Г' и2 и2 (М 77н)1/2 (11.39) или ио + и1 = (М~7п)17; 2и1 = (М7н1 — 1)(', ио — и1 = 1': 2ио = (1+ М7'771)17. Окончательно получаем, что (11АО) ио Ео М+ Л1 (11.41) Отсюда сразу видно, что максимальная передача энергии нсйтроном будет при его столкновении с протоном, т. е. наиболее эффективными являются водородсодержащие замедлители: в них, как показывают расчеты., для замедления нейтрона с начальной энергией 2 МэВ до тепловой скорости, соответствующей энергии 0,025 эВ, требуется всего 18 столкновений.
Хотя водород является наиболее эффективным замедлителем, однако протоны не только замедляют нейтроны, но и поглощают их, превращаясь в дейтроны. Таким образом водород не всегда пригоден в качестве замедляющей среды в ядерном реакторе. Хорошо замедляют и почти не поглощают нейтроны ядра дейтерия. Ядра кислорода также плохо поглощают нейтроны, и в этом смысле наличие их в воде не мешает процессу размножения. Поэтому отличным замедлителем является тяжелая вода Л20, состоящая из двух атомов дейтерия и одного атома кислорода. Тяжелая вода в свободном виде не встречается, а входит в состав обычной воды и составляет 0,016 % всей воды мирового океана. Выделение тяжелой воды из обычной требует значительных энергетических затрат.
Хорошим замедлителем является очень чистый графит. Его легче очистить от примесей, поглощающих нейтроны, чем выделить тяжелу1о воду из обычной. Как указывалось вылив, именно графит использовался в первом ядерном реакторе, построенном под руководством Э. Ферми. Более эффективно использовать в реакторе не естественный уран, а обогащенный изотопом ззП, что и делается в современных реакторах, хотя технически это достаточно трудоемкая задача. При большом обогащении предьявляется меньше требований к количеству и качеству замедлителя, поэтому в данном случае как замедлитель может быть использована дистиллированная, хорошо очищенная от примесей вода. Для поддержания цепной реакции не обязательно каждый нейтрон, получающийся при делении, должен вызывать вторичное деление.
Необходимо лишь, чтобы в среднем при делении ядра производился по крайней мере один нсйтрон, вызывающий деление следующего ядра. Среднее время между двумя последовательными актами деления называют временем жизни одного поколения нейтронов. Минимальное условие возникновения цепной реакции удобно выразить, введя в рассмотрение коэффициен1п роэмно1нкенил й или коэффициент воспроизводства системы, определяемый как отношение числа нейтронов какого-либо одного поколения к числу тепловых нейтронов в предшествующем поколении. Если в конкретной установке й = 1,.
то реактор работает в стационарном режиме, при й ( 1 режим работы подкритический,при й ) 1 цадкритический. Как мы увидим дальше, даже при ГЛ. 11. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ И ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА ЛХ й — 1 г11 Т (11.42) или 1'1' = Хо ехр ®то), (11.43) где Хо — — начальное число нейтронов, а характерное время Т то = й — 1' (11.44) называется периодом реак1пора. Для мгновенных нейтронов время жизни одного поколения То 10 8 с. Если предположит1ь что й — 1 = 10 ', то число нейтронов возрастает в 100 раз — 4 за 0,46 с, а значит и энерговыделение возрастет за это время во столько же раз.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
