belonuchkin-zaikin-tsipenyuk-kvantovaya-fizika (1) (810753), страница 41
Текст из файла (страница 41)
Посмотрим, как изменит эти числа учет запаздывающих нейтронов, доля которых составляет )3 5 10 з, (т. е. количество мгновенных нейтронов па одно деление составляет (1 — Д) и., остальные 17Р являются запаздывающими). После распада осколков запаздывающие нейтроны ведут себя точно так же, как и мгновенные, поэтому их эффективное время жизни Т, складываепся из времени запаздывания (времени (д-распада) То и времени жизни мгновенных нейтронов То1. (11.45) Тз = Тв+Т,.
небольшой надкритичности время размножения нейтронов столь мало, что практически выделяемая мощность растет мпювенно. Это может привести к сильному перегреву и даже плавлению реактора. Поэтому с первого взгляда кажется, что удержание реактора в стационарном режиме нереально. Однако реально управление реактором становится возможным благодаря наличию при делении небольшого числа запаздывающих нейтронов (на время от десятых долей секунды до десятков секунд, среднее время запаздывания составляет примерно 12 с). Откуда же появляются запаздывающие нейтроны? В качестве примера рассмотрим ра,,Вг диоактивный бром, образующийся в одном из возможных вариантов деления. На рис.
11.7 показана схема его распада, в конце которой находятся стабильные изотопы 88Вг и 88Кг, 87 88 Интересна особенность этой цепочки: криптон может освобождаться от лишнего нейтрона либо за счет 77 -распада, либо (если он образовался в возбужденном состоянии) за счет прямого Рис.
11.7 испускания нейтрона. Такие нейтроны появля- ются через 56 с после деления (это время жизни Вг относительно 77' -перехода в возбужденное состояние Кг*), хотя сам Кг* испускает нейтроны практически мгновенно. Они и называются запаздывающими. Рассмотрим роль запаздывающих нейтронов в кинетике цепной реакции. Если среднее время жизни одного поколения нейтронов равно Т, то за единицу времени число нейтронов Х изменится в (к — Ц)Т раз, т. е. 11.2. ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ Среднее время жизни поколения всех нейтронов Т равно среднеарифметическому от жизни (1 — 17)и мгновенных и 13и запаздывающих: (1 — Я РТв + (7РТ Т = ' =То+Рт,.
(11.46) Практически всегда 11Х, » Тш и поэтому сразу видно, что период реактора определяется средним временем запаздывания нейтронов. При том же значении й за время 0,46 с энерговыделение увеличится лишь на 0,1 о Следовательно, наличие запаздывающих нейтронов решающим образом упрощает проблему регулирования скорости протекания цепной реакции. Рассмотрим устройство наиболее распространенных реакторов на тепловых нейтронах (рис.
11.8). В центральной части расположена размножающая система 1., называемая активной зоной. Она собрана из замедлителя (вода или графит) с каналами, в часть из которых вставлены тепловыделяющие элементы (твэлы) из урана, урансодержащих веществ или других веществ с делящимися изотопами, а в ! другие — управляющие стержни, сделанные из хороших поглотителей нейтронов (борсо- Рис. 11.8 держащих веществ, кадмия).
Для уменыпения утечки нейтронов активная зона окружена бетонной защитой 2, отражателем 3. Он возвращает большинство вылетающих нейтронов обратно в активную зону и тем самым увеличивает число нейтронов, участвующих в цепной реакции. Количество нейтронов, поглощаемых в управляющем стержне 4, зависит от глубины его погружения в реактор. Изменяя глубину погружения, можно оказывать влияние на ход цепной реакции в активной зоне.
В реакторе всегда имеются специальные аварийные стержни, которые во время пуска и работы в рабочем режиме находятся вне реактора. Для прекращения цепного процесса в реактор сбрасываются все управляющие и аварийные стержни. Отвод тепла от реактора осуществляется специальной системой охлаждения, обычно теплоносителем является вода. Для вывода нейтронов используется канал 5. У действующего реактора коэффициент размножения всегда больше 1. Избыток (к — 1) необходим для того, чтобы в процессе работы компенсировать выгорание ядерного топлива, в том числе и убыль делящихся изотопов за счет поглощения нейтронов, непроизводительный захват нейтронов в образовавшихся осколках деления, а также для вывода реактора па номинальну1о мощность.
Существуют и реакторы на быстрых нейтронах, в которых не производится замедление нейтронов. Поэтому в качестве охлаждающего вещества (теплоносителя) здесь используется жидкий натрий. Основное преимущество такого реактора состоит в том, что в пем может одновременно пе только сжигаться, но и производиться ядерное топливо.
Рассмотрим, например, ак- 239 тинную зону реактора, у которого изотоп ~зоРп является топливом, а кроме ГЛ. 11. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ И ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА 160 того в зоне имеется изотоп урана ~66 11. При делении ззвРп возникает в среднем 2,9 нейтронов. Один из этих быстрых нейтронов может вызвать деление другого ядра ~~~Рп, а один захватиться ядром 066П и привести к реакции и + 23611 -+ + 7. Образующийся изотоп урана .
- 060П . - нестабилен и путем р'-распада превращается в нептуний, а тот в свою очередь, в плутоний: Тцз = 25 мин зэ Т1~0 = 2,3 мип — ' Мр — ~ " Рп. (1147) Таким образом, расход ~6611 сопровождается образованием нового ядерного горючего, причем для дальнейшего использования плутоний может быть отделен от урана чисто химическим способом, что немаловажно.
Такие реакторы называются реакторами-размпожителями или бридерами. Вырабатывая энергию, реактор-размножитель может производить даже больше ядерного горк1чего, чем потребляет. Оценки показывают, что количество ядерного топлива в бридерах может удваиваться за 7- 10 лет. Реально в настоящее время только проводятся исследовательские работы в этом направлении. 11.3. Термоядерный синтез Мы уже отмечали, что как в легких, так и в тяжелых ядрах энергия связи нуклона меньше, чем в ядрах с промежуточными массовыми числами. Следовательно, соединение нескольких ядер в одно более тяжелое должно также приводить к освобождению энергии. Это открывает еще один путь к использованию ядерной энергии, который называется термоядерным сиигиезои.
Реакция синтеза ядер называются термоядерными, поскольку они могут осуществляться только при очень высоких температурах. Так, например, образование простейшего сложного ядра дейтрона возможно при столкновении двух протонов с последующим преобразованием одного из них в нейтрон, т. е. реакции типа р + р -+ р + и + ет + и — 1 д + ег + м (11.48) Такая реакция осуществляется лишь в том случае, если два протона окажутся на расстоянии порядка 10 10 см (где действуют ядерные силы) в течение времени, достаточного для осуществления перехода (11.49) р — 1 и+с +и, Сближению протонов препятствует кулоновское отталкивание, и для его преодоления необходимо, чтобы протоны сталкивались с относительной энергией, превышающей 106 ЭВ. Время, в течение которого два бьп;трых сталкивающихся протона будут находиться на расстоянии 10 '~ м равно примерно 10 00 с, а для реакции (11.49) требуется в среднем не менее 106 с.
Поэтому в лабораторных условиях реакция (11.48) не осуществляется. Она возможна только в недрах звезд, имеющих достаточное число протонов при высокой температуре. В звезде при тсмпоратурах около 10 К средняя энергия теплового движения протонов 11.3. ТЕРМОЯДЕРНЫЙ СИНТЕЗ порядка 10з эВ. Следовательно, имеется много протонов с энергией, превышающей 10 эВ. Протоны сталкиваются многократно, и за время существования звезды ( 10 лет) такие столкновения могут заканчиваться превра- )а щением (11.49).
Звездное вещество представляет собой плазму, состоящую из электронов, протонов и ядер некоторых других элементов. Поэтому в звезде возможна также реакция типа е +р+р — «р+11+и — ) )1+и, (11. 50) при которой одновременно сталкиваются два протона и электрон. Электрон захватывается протоном с испусканием нейтрино, а образующийся нейтрон соединяется затем со вторым протоном. Однако и эта реакция исключительно маловероятна и в лабораторных условиях не осуществима. Реально в лабораторных условиях на Земле можно осуществить реакцию синтеза ядер дейтерия дейтронов, которая с равной вероятностью может проходить по двум каналам 1+ 1 — ) р+1, (11.51) 11+ д -+ п+')Не.
(11.52) В результате ядерных реакций (11.51) и (11.52) выделяется соответственно около 4 и 3,3 МэВ энергии. При столкновщ)ии быстрого дейтропа с тритоном (ядром трития ЗН), образу)ощимся в процессе (11.51), происходит реакция 11 + 1 — ) и + 11 (11. 53) с выделением 17,6 МэВ энергии. Число реакций синтеза зависит от величины сечения реакции. Сечение термоядерной реакции очень мало -- порядка десяти миллибарн. Следует сразу отметить, что при температуре, необходимой для инициирования реакции синтеза, энергия частиц намного превышает энергию ионизации водорода, поэтому ве- 10 щество оказывается полностью ионизованным, т. е.
плазмой. Если ядра в плазме с плотностью пв имеют скорость н, то на цилиндр с площадью основания 1 см и высотой 1 см., в центре в'1 которого расположено ядро трития, в единицу времени падает т)вн,)2 ядер дейтерия (при этом Ж считается, что плотности дейтерия и трития в )0 ' плазме одинаковы и равны пв(2). Поэтому число реакций, происходящих в единицу времени, равно пвпн/2, а время протекания одной реакции 1 = (пвгг))(2) 6 10 20 Е', кэВ 100 Зависимости скоростей реакций и'+1 и д+ ь) от Рис.
11.9 температуры приведены на рис. 11.9. Скорости реакций достаточно быстро растут при увеличении температуры. При дальнейшем росте температуры рост скоростей замедляется. Например, (111)-реакция идет достаточно быстро уже при энергии — 10 кэВ, что соответствует температуре — 10 К. Число происходящих реакций Жв тем больше, чем больше время существования плазмы 1„по сравнению с временем протекания реакции 1р.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
