Лекция (843336), страница 35
Текст из файла (страница 35)
Это означает, что существует энергетический барьер (барьер деления), препятствующий делению.Для реализации процесса деления с большой вероятностью ядро должно получить извнеэнергию, превышающую значение барьера деления. Такую энергию можно передать ядру различными способами (облучение гамма-квантами, бомбардировка частицами и др.). Из всех возможных способов практическое применение нашёл лишь один - образование возбуждённогосоставного ядра путём присоединения к исходному ядру нейтрона, вклад других способов деления в ядерных реакторах (в том числе фотоделение гамма-квантами) составляет меньше 1%.Деление нейтронами имеет огромное преимущество по сравнению с другими по двумпричинам:- пороговое значение кинетической энергии для нейтрона меньше, чем для гамма-кванта,приблизительно на величину энергии связи нейтрона в составном ядре;- деление ядер нейтронами сопровождается испусканием нейтронов, что создаёт основудля протекания цепной реакции деления.Если минимальное значение энергии составного ядра больше энергии связи нейтрона вэтом ядре, то деление ядер возможно нейтронами с любой сколь угодно малой кинетическойэнергией.
К этой группе относятся ядра с нечётным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон - чётный): 233U, 235U, 239Pu, которые принято называть делящимися.Если минимальное значение энергии составного ядра меньше энергии связи нейтрона вэтом ядре, то деление ядер возможно лишь нейтронами с кинетической энергией, превышающей некое пороговое значение. К этой группе относятся ядра с чётным числом нейтронов (присоединяемый нейтрон - нечётный): Th232, U238. Значение пороговых энергий примерно равны 1,2МэВ для 232Th и 1 МэВ для 238U.Для описания процесса деления ядер, включая вычисление барьера деления, используется несколько моделей, но ни одна из них не позволяет объяснить процесс полностью.Традиционно механизм деления рассматривается в рамках капельной модели ядра.
Дляделения с большой вероятностью тяжёлое ядро должно получить энергию извне, превышающую значение барьера деления. Так, после присоединения нейтрона ядро обладает энергиейвозбуждения, равной сумме энергии отделения нейтрона и кинетической энергии захваченного7Семестр 4. Лекция 23.нейтрона. Этой дополнительной энергии может быть достаточно, чтобы ядро перешло в возбуждённое состояние с интенсивными колебаниями.При делении ядра процесс происходит аналогично делению капли жидкости, только приделении ядра существует электростатическое отталкивание протонов, действующее как дополнительный фактор против ядерных сил, удерживающих нуклоны в ядре.
Если ядро находится ввозбуждённом состоянии, то оно совершает колебательные движения, связанные с отклонениями его формы от сферической. Максимальная деформация увеличивается с ростом энергии возбуждения и при некотором её значении может превысить критическое значение, что приведёт кразрыву исходной капли и образованию двух новых. Колебательные движения возможны поддействием сил поверхностного натяжения (аналог ядерных сил в капельной модели ядра) и кулоновских. Ядра, образовавшиеся после деления исходного ядра, разлетаются в противоположные стороны под действием кулоновских сил отталкивания, и потенциальная энергия кулоновского взаимодействия превращается в кинетическую.Часть энергии деления переходит в энергию возбуждения осколков деления, которые ведут себя как любые возбуждённые ядра - либо переходят в основные состояния, излучая γкванты, либо испускают нуклоны и превращаются в новые ядра.Чаще всего испускаемым нуклоном является нейтрон, так как ему не нужно преодолевать кулоновский барьер при вылете из ядра, а для осколков деления это ещё вероятнее, так какони перегружены нейтронами, что приводит к понижению энергии связи последних.
В результате практически мгновенно после деления составного ядра осколки деления испускают два илитри нейтрона, которые принято называть мгновенными.Образовавшиеся ядра по-прежнему находятся в возбуждённых состояниях, однако в каждом из них энергия возбуждения меньше энергии связи нейтрона, поэтому остатки энергиивозбуждения излучаются в виде γ-квантов спустя 10−14−10−9 секунды с момента испусканиянейтронов, такие γ-кванты также называются мгновенными.В дальнейшем движение осколков деления не связано с их превращениями.
Так как ониувлекают за собой не все электроны исходного атома, то из них образуются многозарядные ионы, кинетическая энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов среды, чтовызывает их торможение. В результате ионы превращаются в нейтральные атомы с ядрами восновных энергетических состояниях. Такие атомы называются продуктами деления.В результате β−-распадов могут образовываться ядра в возбуждённых состояниях, которые переходят в основные состояния путём излучения γ-квантов либо, крайне редко, превращаются в другие ядра путём испускания нейтронов. Такие нейтроны называются запаздывающими.При делении тяжёлого ядра выделяется примерно 200 МэВ и более 80% этой энергии составляет кинетическая энергия осколков деления.
Остальная часть распределяется между нейтронами, γ-квантами, электронами и антинейтрино. При этом соотношение между отдельнымисоставляющими энергии деления слабо зависит от делящегося ядра и от энергии нейтрона, вызывающего процесс деления. Около 5% всей энергии деления уносится с антинейтрино и неможет быть использовано.Энергия осколков деления, мгновенных γ-квантов и нейтронов превращается в теплопрактически мгновенно. Энергия β−-распада, составляющая примерно 7% всей энергии деления,выделяется постепенно в течение длительного времени, так как β−-распады происходят значительно позже момента деления ядра. Это запаздывание приводит к так называемому остаточному энерговыделению в остановленном ядерном реакторе, которое (в случае его работы набольшой мощности) после остановки настолько велико, что необходимо принимать меры дляохлаждения реактора.
Отработавшее в реакторе ядерное топливо обладает настолько большой8Семестр 4. Лекция 23.радиоактивностью и, соответственно, остаточным энерговыделением, что требует длительной(по нескольку лет) выдержки в специальных бассейнах с охлаждением.При делении 235U тепловыми нейтронами образуется около 30 различных пар осколков,преимущественно неравной массы. Самый лёгкий из них имеет массовое число 72, самый тяжёлый - 161.
Наиболее вероятно деление наосколки с отношением масс 3/2. Кривыевыхода осколков деления слабо различаются для разных делящихся ядер, это говорито том, что асимметрия в распределении осколков присуща самому механизму деленияядер.Деление на неравные части объясняется в рамках оболочечной модели ядра какрезультат преимущественного образованияядер с заполненными оболочками, содержащими 50 и 82 нейтронов (магическиечисла). Однако асимметрия деления уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра и при больших её значениях исчезает.Испускание нейтронов осколками деления - одна из важнейших особенностей процессаделения тяжёлых ядер.
Именно она позволяет создать при определённых условиях цепную реакцию деления.Цепная ядерная реакция - последовательность единичных ядерных реакций, каждая изкоторых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны, не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении.
Появление всреде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёмавещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется толькоодна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой. Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжаетначатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления.Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то цепная самоподдерживающаяся реакция оказывается невозможной.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
