goldin-novikova-vvedenie-v-kvantovuyu-fiziku-2002 (810754), страница 83
Текст из файла (страница 83)
Для нейтронов г,„'' ' 10 ~~ с, их среднее число на 1 акт деления и = '2,5, т.е, с наибольшей вероятностью при делении ядра испускаются два или три мгновенных нейтрона. Среди них встречаются нейтроны с Т„ > 15 МэВ. Но средняя энергия мгновенных нейтронов Т„',"' = 2 Мэв и на долю мгновенных нейтронов в среднем приходится энергия х:,Т„'"" - 5 Мэв. Оставшаяся после вылета нейтронов энергия возбуждения осколков уносится 7- квантами (т — 10 э с; 2 Ет — 7 Мэв).
Ядра-осколки, образовавшиеся при делении ядер д2326Г, -еют то же, что и у этих ядер отношение (А — л)гУ = 1 5, Но у стабильных изотопов с Ат - -90 и А2 -- 143 отношение числа нейтронов к числу протонов должно быть меньшим: 1,25 и 1,35. Таким образом, ядра-осколки и е р е г р у ж е н ы нейтронами по сравнению со стабильными изотопами с тем же числом нуклонов, и должны испытывать д -распад. Например, изотоп ооКг распадается по схеме: зоКГЗЗ зт и!22 7. зз 8~28 зо г 3.7 Ао Хг (стаб). оо ~ .оо д оо г) оо д эо ЗЗс 2,7мин 28лет ' 3,7дня Легко проверить, что у зэьо Кг (А — Я)гУ .— —.
1,б, а у стабильного ойооХг оно равно 1,25. В среднем на каждый из 80 осколков приходится радиоактивная цепочка из 3 звеньев; периоды полураспада изотопов находятся в широком диапазоне от долей секунды до многих лет. В частности, изотоп ф8г является одним из долгоживущих изотопов, надолго заражающих местность в случае взрыва ядерного заряда или аварии на атомной электростанции. Энергия, которую уносят продукты д -распада осколков в одном акте деления составляет 24 МВВ (по 7 МВВ уносят электроны и 7- кванты, и 10 МэВ приходится на долю антинейтрино, участвующих в распаде). К продуктам реакции деления относятся и нейтроны, получившие название з а и а з д ы в а ю щ и х, Их происхождение уже обсуждалось в э?5. Различают 6 групп запаздывающих нейтронов; интенсивность каждой группы спадает по экспоненте со своим т, (от 0,33 до 80,8 с).
Общая доля запаздывающих нейтронов по отношению ко всем нейтронам деления невелика, меньше 0,01, нх суммарная энергия меньше 1 МэВ. Тем не менее, как мы увидим далее, запаздывающие нейтроны играют огромную роль в процессах управления ядерными реакторами. Цепная реакция деления. Размножающая среда и ее основные характеристики. В реакции деления тяжелых ядер выделяется большая энергия. Практическое использование этой энергии возможно лишь $ 79. 14впнхя гяхкция двлвния. 11вовльмы ядгяной эцвггвтики 413 в том случае, если начавшийся процесс деления будет самоподдерживающимся, или ц е п н ы м. Это оказывается возможным, т.
к. среди продуктов реакции есть нейтроны — частицы, способные вызвать деление других ядер. Как уже отмечалось, среднее число нейтронов деления на один акт деления заметно больше единицы (м = 2,5), и реакция деления может оказаться не только самоподдерживающейся, но и быстро развивающейся. Эти особенности реакции деления используются как в ядерных зарядах, так и в атомных электростанциях.
Среда, в которой развивается или может развиваться цепная реакция деления (ц.р.д.), называется р а з и н о ж а ю щ е й с р е д о й. Любая размножающая среда содержит делящиеся изотопы, но кроме них может содержать и другие вещества, например, вещества, замедляющие нейтроны, или регулирующие скорость ц,р.д. и др. 1-е поколение 2-е поколение ~ф уРЯХ,' 3-е поколение Рис. 171. Схема развития п.р д Рассмотрим ц.р.д. в очень малом объеме размножающей среды, содержащей тол ь к о делящиеся ядра (рис.
171). !1усть н среду извне попадает один нейтрон. Если этот нейтрон вызовет реакцию деления одного из ядер, то в среде появится и нейтронов 1-го поколения. Эти нейтроны (в рассматриваемом случае — два) сталкиваются с др. ядрами среды и могут вызвать как реакцию деления с появлением нейтронов 2-го поколения, так и реакцию, в результате которой нейтрон погибает (например, реакцию (и г)). К уменьшению числа нейтронов приводит и их выход за пределы размножающей среды. Если число нейтронов и число делящихся ядер от поколения к поколению все же увеличивается (происходит «размножение» нейтронов), то цепная реакция деления развивается.
ГЛАБА 15 414 Основной характеристикой размножающей среды является к о э ф фициент размножения )ч (15.21) где Т»Р, — число нейтронов в некотором поколении, р»Р, ! — число нейтронов в п р од ы д у де м поколении. Очевидно, что при й > 1 ц.р.д.
разнивается, при А. = 1 протекает в стационарном режиме, а при Й < 1 затухает. Выясним связь между й и рр. Очевидно, что й < рб т.к. в размножающей среде кроме реакции деления идут реакции захвата нейтронов без последующего деления, и, кроме того, возможен вылет нейтронов за пределы размножающей среды. Чтобы исключить последнюю причину, рассмотрим сначала бесконечную размножаюшую среду и введем для нее коэффициент размножения й; тогда й = ш)ц .„где ш — безразмерный коэффициент, характеризующий вероятность для нейтронов остаться в пределах размножающей среды. В любой реальной среде ю < 1; с ростом размеров среды се 1.
Но и в бесконечной размножающей среде й < и. Введем «эффективное» число нейтронов р) — среднее число нейтронов деления на один з а х в а ч е н н ы й нейтрон. В размножающей среде, содержащей делящиеся ядра одного и того же сорта, (15.22) т) = рр аурроь, где оу — сечение деления, а сечение поглощения» =. ор — ср„„. В бе с к о не ч ной размножаюшей среде, содержащей тол ь к о деляшиеся ядра, й = р). Рассчитаем и для эа3з)) по табличным значениям физических величин, входаших в фоРмУлУ (!5Г22). ПРи делении «заз1) на быстРых нейтРонах спектРа деления (Т„'Р— —. 2 МэВ) эти величины имеют следующие значения: рр .—.. 2,43; ау = 1,81 бари; а« = 2,33 бари.
Для эз~)) получаем»! = '2,43 1,8112,33 = 1,89. Для э~~«~Рц в тех же условиях р) = '2,94 1.,7612,22 = 2,33. Так как для этих изотопов и » 1, то из них могут быть изготовлены ядерные заряды, в которых ц.р.д. будет развиваться быстро. В размножаюшей среде ядерного заряда й —. шй = ге»1. Для осугцествления ц.р.д. должно выполняться условие й > 1. При й = 1 вероятность избежать утечки э. = 1/»1. Такому значению ш будут соответствовать «критический размер» и «критическая масса» размножаюшей среды. Сушествуют различные методы расчета критических размеров и масс размножаюших сред.
Но любые расчетные значения проверяются в «критопытах», т. е. в опытах, в которых критические параметры определяются экспериментально. Для«,зз1) М,р = 50 кг, а для а»Рна"' критическая масса значительно меньше, порядка десяти килограммов (зависит от чистоты размножающей среды, наличия отражателя нейтронов и др. причин). $ 79. 14впнхя гвхкция днлвния. Пеовлвмы ядхююй эцвггвтики 4!5 Ядерный н термоядерный заряды.
Для изготовления ядерного заряда (атомной бомбы, ядерной боеголовки) используется преимущественно Рц-239. Масса делящегося вещества в заряде должна быть больше критической (ЛХ ) ЛХ„р), но до взрыва заряд должен находиться в подкритическом состоянии (й < 1). Подкритичность заряда может быть достигнута разделением делящегося вещества на 2 или больше частей с ЛХ, < ЛХ„„, размещенных в общей оболочке. Для перехода в надкритическое состояние, что необходимо для возникновения взрыва, нужно быстро сблизить все части ядерного заряда; для сближения обычно используется взрыв химического заряда (взрывателя).
Если ядерное горючее разделено в заряде на две части (например, две полусферы), то уровень надкритичности заряда ЛХ,7ЛХ,я < 2 и при взрыве заряда может прореагировать количество делящегося вещества, не превышающее ЬЛХ < ЛХ,р. Легко подсчитать, что при полном делении всех ядер в ! кг ДэРц выделится энергия Иг =- 10гп эрг, что эквивалентно энерговыделению 2 10 кг тротила, т.е. ядерная взрывчатка «эффективнее» химической в 2 107 раз. В центре взрыва развиваются огромные температура ( 10" К) и давление ( 10 атм); за время 1 = неск.
мкс вещество заряда переходит в состояние плазмы, разлетается и теряет падкритичность, взрыв прекращается. Обычная энергия ядерного взрыва 1 —: 20 кт тротилового эквивалента. Существенно большая энергия выделяется при взрывах термоядерных зарядов (тротиловый эквивалент ОЛ -: 1 Мт). Непременной составной частью термоядерного заряда является ядерный заряд, при взрыве которого создается необходимая для термоядерного синтеза температура (см, конец 9 7?). Ядерный заряд окружают веществом, содержащим ядра ~1О и згТ, при синтезе которых образуются ядра ~~Не и нейтроны (формула (15.!5)). Очень удобным для использования в термоядерных зарядах оказался дейтерид лития ЕЮ. Нейтроны, возникающие при ядерном взрыве, вызывают реакцию: 6 а1.! и — ~ 'зНе+ гТ.
4 3 Образовавшиеся в этой реакции ядра трития вступают в реакцию с ядрами дейтерия: Т+~гО-- ~~Не+ и. Общий итог обеих реакций: ~~!Л+ гΠ— 24Не, Ц = 22,4МэВ. 416 ГЛАВА 15 Средняя энергия, выделяющаяся на 1 нуклон в этих реакциях, равна: и««„= Я,„,-/2 А = 22,4/8 = 3МэВ/нукл.
Это в 3.5 раза больше, чем при делении (пд«х = 200МэВ/239- 0,85МэВ/нукл). Для веществ, вступающих в реакции термоядерного синтеза, не существует понятия «критической массы«, и эти вещества могут полнее «выгорать» при взрыве, чем делящиеся. Мощность термоядерной бомбы можно значительно увеличить, если окружить ее слоем дешевого 11-238. Нейтроны термояде~ного взрыва (их энергия Т„= 14МэВ) будут вызывать деление ядер -',з(), что приведет к увеличению мощности бомбы, а также к увеличению количества радиоактивных изотопов, выпадающих на Землю после взрыва и являющихся одним из поражающих факторов ядерного и термоядерного взрывов.
Другими поражающими факторами являются электромагнитный импульс (ЭМИ), поток нейтронов и ",-лучей, и ударная волна, Радиус поражения В от взрывной волны зависит от мощности заряда. Для заряда с тротиловым эквивалентом 20 кт й — 1км. Радиоактивное же облако (нагретый воздух, содержащий продукты деления) поднимается вверх на высоту 1О км и более и распространяется затем на сотни километров.
Скорость развития цепной реакции деления. Влияние запаздывающих нейтронов. Рассмотрим размножающую среду, в которой осуществляется ц.р.д. с коэффициентом размножения )ч Найдем закон, по которому изменяется с течением времени число нейтронов (а следовательно, и делящихся ядер). Пусть Ю вЂ” число нейтронов в произвольном поколении, тогда йГ й— число нейтронов в следующем поколении, а ЬМ =- Ю й —.Ж = ~У (Й - 1) = = Х ЬЙ вЂ” приращение числа нейтронов за 1 поколение. Характеристика размножающей среды ЬА .—... й — 1 называется из бы т оч н ы м к оэффициентом размножения. Обозначим т — среднее время жизни нейтронов одного поколения. Тогда «(.А~/г(1 = «АХ(т = ХМг/т, или: г(Ж/г)г — йГ«зй/т. После интегрирования и подстановки начального условия (йг(г) —.
Хо при 1 = О) получаем: Лг(1) = Хо ехр(Ь)«1/т). (15.23) Эта формула описывает изменение числа нейтронов (а также числа делящихся ядер и количества выделяющейся энергии) в цепной реакции деления. Из формулы (15.23) следует, что при к > 1 скорость роста )«г(1) зависит не только от избыточного коэффициента размножения ЬЙ, но и от Э?9. Цютцхя гяхкция двлвния.
11говлвмы ядгююй эпкггвтики 41? среднего времени жизни нейтронов одного поколения т, и, следовательно, на скорость развития ц.р.д, влияют запаздывающие нейтроны. Вспомним, что среди нейтронов деления есть мгновенные нейтроны с т„,я и запаздывающие нейтРоны с г„, » г„я.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
