Деление ядер под действием нейтронов.

Строение атома. Изотопы.

 

Атом - мельчайшая химически неделимая частица элемента, обладающая его свойствами.

В центре атома расположено ядро, в котором сосредоточена почти вся масса атома. Атомное ядро состоит из Z протонов (Z - целое число, численно равное по­рядковому номеру элемента в Периодической таблице Менделеева) и N нейтронов. Общее число протонов и нейтронов в ядре А=Z+N называют массовым числом. Положительный заряд ядра равен Zе, где е=1, 6•10^-19 Kл - элементарный электрический заряд.

Протон представляет собой ядро атома водорода и является носителем положительного заряда " е". Масса протона равна m_p=1, 00758 а.е.м.

Нейтрон не имеет заряда и является электрически нейтраль­ной частицей. Масса нейтрона m_n =1, 00867 а.е.м.

Вокруг ядра движется Z электронов. Заряд электронов нейт­рализует заряд ядра, вследствие чего атом - электрически ней­тральная частица. Масса электрона m_е=5, 49•10^-4 а.е.м.

Для частиц, составляющих ядро - нейтроны и протоны, при­нято общее название нуклиды.

Химические свойства атомов зависят только от заряда яд­ра, т.е. от числа протонов в ядре. Следовательно, два атома с одинаковым числом Z, но различными А обладают одинаковыми хими­ческими свойствами. Такие атомы называют изотопами. Пример: природные изотопы урана ₉₂U²³⁵, ₉₂U²³⁸ и ₉₂U²³⁴, где Z=92 и А=238, 235 и 234.

Дефект массы, энергия связи, энергия деления.

 

Суммарная энергия взаимодействия нуклонов в ядре опреде­ляется ядерными силами притяжения всех нуклонов и электроста­тическими силами отталкивания протонов и называется энергией связи ядра. Она равна работе, которую необходимо совершить, чтобы разделить ядро на составляющие его нуклоны, или, иначе говоря, равна энергии, которая выделяется при образовании яд­ра из отдельных нуклонов.

В ядерной физике часто используют энергетический эквива­лент массы. Согласно соотношению Эйнштейна, каждому значению массы М соответствует полная энергия:

Е= Мс² (1.1),

где с - скорость света в вакууме.

Как правило, в ядерной физике энергия и масса измеряются в электрон-вольтах (эВ). 1эВ=1, 60•10^-19 Дж - энергия, приобретаемая электроном при прохождении разности потенциалов в 1В. Установим соотношение между а.е.м и ее энергетическим эквива­лентом:

Е_1а.е.м. =1, 492439•10^-10 Дж=9, 31502•10⁸ эВ=931, 502 МэВ.

 

Таким образом, 1 а.е.м соответствует энергия 931, 502 МэВ.

Энергии связи ядра Е_св соответствует дефект массы ядра Dm, который равен разности между суммой масс покоя нуклонов, составляющих ядро, и массой ядра:

 

Dm = Z•m_р + (А-Z)•m_n - m_я (1.2),

где m_p, m_n, m_я - массы протона, нейтрона и ядра соответственно, а.е.м.

 

В этом случае Есв. = 931•Dm МэВ.

Отношение полной энергии связи ядра к массовому числу да­ет среднее значение энергии связи на один нуклон и называется удельной энергией связи:

e= Е _св./А (1.3).

 

Тем самым удельная энергия связи характеризует интенсивность ядерных сил. Как видно из рис.1.1, при малых значениях массо­вых чисел e резко возрастает и достигает максимума при А»50-60. Нуклиды с такими массовыми числами наиболее устойчивы. С дальнейшим ростом А средняя энергия связи уменьшается, однако в широком интервале массовых чисел значение e почти постоянно и равно 8 МэВ.

Из факта убывания удельной энергии связи для нуклидов с массовыми числами больше или меньше 50-60 следует, что для ядер с малыми А энергетически выгоден процесс слияния - тер­моядерный синтез, приводящий к увеличению массового числа, а для ядер с большими А - процесс деления. В обоих случаях об­разующиеся новые ядра имеют большую удельную энергию связи, чем исходные. Следовательно, в таких реакциях будет высвобож­даться энергия.

Нейтрон, поглощенный ядром, увеличивает энергию ядра на энергию связи присоединенной частицы:

Е_n = 931• [(М_(Z, _A) + m_n ) - М_{(Z, A+1)} ] МэВ (1.4),

где m_n, М_(Z, _A), М_{(Z, A+1)} - массы нейтрона и нуклида до и после поглощения нейтрона, а.е.м.

 

При делении тяжелого (А> 90) ядра нейтроном на два осколка происходит изменение массы на величину:

 

Dm_f = m_я + m_n -(m₁ + m₂ + V_f •m_n ) (1.5),

где m_я, m_n, m₁ и m₂ - массы исходного ядра, нейтрона и ядер-осколков соответственно, а.е.м.;

V_f - количество свободных нейтронов, образовавшихся при делении. Соответственно энергия деления равна

 

Е_f = 931•Dm_f (1.6).

 

При любом типе деления тяжелых ядер происходит развал яд­ра на два (реже на три) осколка с отношением масс примерно 2: 3. Это ядра различных нуклидов средней части Периодической системы в пределах значений А=72-166, распределение которых по выходу на одно деление представлено на рис.1.2.

Радиоактивность.

 

Состояние, при котором ядро устойчиво, называется основ­ным. Ядра, имеющие избыток энергии по сравнению с основным состоянием, находятся в возбужденном (неустойчивом) состоянии. В возбужденном состоянии ядро находится конечное время, пока избыток энергии не будет унесен из ядра. Неустойчивые ядра переходят в устойчивое состояние путем радиоактивного распада.

Радиоактивный распад - это самопроизвольное, случайное, с определенной вероятностью превращение энергетически неустой­чивого ядра в другое ядро (или ядра) с новым зарядом, массой или энергетическим состоянием. Наиболее характерны следующие виды распада:

 

Альфа-распад (характерен для ядер с Z > 83). Из тяжелого ядра вылетает a-частица (ядро ₂Не⁴), и атомный номер нового ядра уменьшается на две единицы, а массовое число - на 4:

_ZХ^A ® _Z-2У^A-4 + ₂Не⁴.

Бета-распад (различают электронный и позитронный распад). b`-распад происходит с испусканием ядром электрона и анти-нейтрино `n вследствие превращения внутри нейтрона в протон. Число Z нового ядра увеличивается на 1, А не изменяется:

_ZХ^A ® _Z+1У^A + b` + `n.

b⁺-распад происходит с испусканием ядром позитрона и ней­трино V вследствие превращения внутри ядра протона в нейтрон. Число Z нового ядра уменьшается на 1, А не изменяется.

_ZХ^A ® _Z-1У^A + b⁺ + n

Спонтанное (самопроизвольное) деление тяжелых ядер. Ядро делится на два ядра-осколка с большим избытком нейтронов в них. Часть этих нейтронов (1-2 из каждого осколка) вылетает мгновенно n_мгн:

_ZХ^A ®_ZУ^A₁ + _ZУ^A₂ +S n_мгн, где Z=Z₁ +Z₂; А=А₁ +А₂ + Sn_мгн.

 

Одновременно часть энергии возбуждения излучается в виде g- квантов. Но и после этого осколки остаются в возбужденном состоянии с избытком нейтронов. Избыток энергии может быть унесен либо цепочкой b - распадов, либо испусканием нейтрона, запаздывающего по отношению к моменту деления ядра. Радиоактивный распад идет по экспоненциальному закону:

 

N(t)=N₀•e^-lt =N₀•e^-t/r =N₀•e^{-(0.693/T)•t} =N₀•2^-t/T (1.7)

где: N - число радиоактивных ядер в момент t;

N₀ - число радиоактивных ядер в начальный момент;

t - время;

l - постоянная распада, представляющая собой вероятность распада в единицу времени;

r=1/l - среднее время жизни радиоактивного нуклида - вре­мя, в течении которого число ядер уменьшается в е=2, 7 раз;

T=0, 693•r - период полураспада.

 

На рис.1.3. представлены в графическом виде процессы рас­пада радиоактивного нуклида и накопления стабильного продукта распада.

Единицу измерения активности в СИ - распад в секунду ­называют беккерель (Бк). Внесистемной единицей активности является кюри (Кu): 1Кu=3, 7•10¹⁰ расп/с=3, 7•10¹⁰ Бк.

Ядерные реакции. Сечения взаимодействия.

 

Ядерной реакцией называется превращение атомных ядер при взаимодействии с частицами, в том числе g-квантами, или друг с другом.

Ядерные реакции в диапазоне кинетической энергии до 10МэВ протекают через двухстадийный механизм составного ядра. Пер­вая стадия реакции состоит в поглощении ядром-мишенью бомбар­дирующей частицы и образовании составного ядра. Составное яд­ро всегда сильно возбуждено, поскольку поглощенная частица вносит в образовавшееся ядро энергию. Вторая стадия реакции состоит в распаде составного ядра с испусканием той или иной частицы.

В осуществлении и управлении цепной реакцией наиболее важными ядерными реакциями являются:

- деление тяжелых ядер;

- рассеяние нейтронов;

- поглощение нейтронов и g-квантов;

- выбивание из ядра нейтронов.

Существует сокращенная запись ядерных реакций, где перед скобкой и после скобки стоят ядро-мишень и конечное ядро со­ответственно, а в скобках - бомбардирующая частица и частица-продукт. Пример: a+ N¹⁴ ® О¹⁷ + р записывается как N¹⁴ (a, р) О¹⁷. Если речь идет о каком-либо классе ядерных реакций вообще, то говорят об (a, р); (р, n); (n, g) и других реакциях.

 

 

Деление ядер (n, f).

Некоторые тяжелые ядра (А> 90), будучи неустойчивыми, мо­гут делиться при облучении их нейтронами. Минимальная энергия возбуждения составного ядра есть энергия связи присоединяюще­гося к ядру нейтрона. Если эта энергия связи больше энергети­ческого барьера, то исходное ядро может делиться при поглоще­нии нейтронов с любой кинетической энергией. Если же энергия связи меньше барьера, то деление возможно лишь при условии, что кинетическая энергия нейтрона достаточно высока, чтобы в сумме с энергией связи превзойти барьер:

Е_возб.=Е _кин.+Е_св.. > Е_порог..

Энергии связи нейтронов в ядрах, являющихся составными при делении наиболее важных тяжелых нуклидов, приведены ниже:

 

Нуклид	Энергия связи, МэВ	Нуклид	Энергия связи, Мэв
Th-233	4.79	Pu-240	6.53
U-239	4.80	U-236	6.55
U-234	6.84

 

Энергия связи парного нейтрона всегда больше, чем непар­ного. По этой причине энергия связи нейтрона в ядрах U-234, U-236 и Рu-240 оказывается больше энергетического барь­ера деления, а в ядрах Тh-233 и U-239 - меньше. Это обуслав­ливает возможность деления U-233, U-235 и Рu-239 нейтронами любых энергий. Такие нуклиды называются делящимися. Напротив, Тh-232 и U-238 могут делиться нейтронами только с достаточно большой кинетической энергией. Следовательно, по отношению к делению эти нуклиды являются пороговыми. Порог у Тh-232~1, 2 МэВ, у U-238~1 МэВ и по этой причине они не могут поддерживать цепную реакцию.

Поглотив нейтрон, тяжелое ядро при Евозб.> Епор. спустя ~10^-14 сек делится на два осколка, которые разлетаются в противоположных направлениях с ускорением под действием кулоновских сил отталкивания. Пройдя расстояние ~10^-8 см (до находящегося рядом атома), они приобретут суммарную кинетическую энергию. С этого момента осколки тормозятся, отдавая энергию окружающим атомам и молекулам. Находясь в сильно возбужденном состоянии, осколки деления мгновенно отдают часть энергии вы­летающим (мгновенным) нейтронам и g-квантам (1-2 нейтрона и 2-3 g-кванта на каждый осколок). Имея все еще большой избыток нейтронов, но недостаточную для их вылета Евозб., осколки претерпевают несколько b-распадов. После b-распадов, как пра­вило, излучаются еще g-кванты и очень редко испускается запаз­дывающий нейтрон.

Рассеяние нейтронов (n, n` ). Это ядерная реакция, в pe­зультате которой нейтрон при столкновении с ядром теряет часть энергии (замедляется) и изменяет направление движения (рассеивается, отражается). Если потерянная нейтроном энергия изменяет только кинетическую энергию ядра, то рассеяние назы­вают упругим (потенциальным). Если же ядро возбуждается с последующим переходом в устойчивое состояние путем излучения g-кванта, рассеяние называют неупругим (резонансным). В замедлителе (теплоносителе) и частично в отражателе происходит в основном упругое рассеяние нейтронов - замедление и отраже­ние. В топливе и на других тяжелых ядрах - неупругое рассея­ние: замедление и отражение быстрых нейтронов.

Радиационный захват (n, g) - реакция, приводящая к погло­щению нейтрона и превращению ядра в новый нуклид с последую­щим излучением g-кванта. Используется в регулирующих стержнях (₄₈Сd¹¹³ + ₀n¹ ® ₄₈Сd¹¹⁴ + g) для управления ЯР, в биологической защите. Однако эта реакция приводит к потере нейтронов и части делящихся нуклидов ( ₉₂U²³⁵ + ₀n^{1 ®} ₉₂U²³⁶ +g), что ухудшает размножающие свойства топлива.

Фотонейтронная реакция ( g, n) - реакция выбивания нейтрона из ядер дейтерия и бериллия g-квантом. Играет важную роль при повторных пусках ЯР, имеющего в активной зоне воду или берил­лий.

Реакции замещения (n, a); (n, p); (a, n) - ядерные реакции, сопровождающиеся поглощением одной частицы и рождением новой.

Характерна реакция ₈О¹⁶ (n, р) ₇N¹⁶, приводящая к активации воды в активной зоне и воздуха около ЯР вследствие образования ра­диоактивного нуклида ₇N¹⁶.

Вероятность той или иной реакции зависит от типа ядер и энергии нейтронов, g-квантов и ядер в момент взаимодействия. Мерой вероятности взаимодействия нейтрона с ядром любого нуклида является микроскопическое сечение , которое физичес­ки можно представить как долю площади поперечного сечения яд­ра, попав в которую, бомбардирующий нейтрон вызывает ту или иную ядерную реакцию: s = s_a + s_s - полное микроскопическое се­чение взаимодействия бомбардирующей частицы и ядра-мишени, см², где s_a = s_f + s_g - сечение поглощения (s_а - сечение деления; s_g- сечение радиационного захвата); s_s - сечение рассеяния. Единицей измерения в СИ является квадратный метр (сантиметр). Часто используется внесистемная единица барн (б):

1 б = 10^-28 м² = 10^-24 см ².

Произведение числа ядер в единице объема (концентрация ядер) N_я (ядер/см³) на s (см²) называется макроскопическим сечением и обозначается (см^-1 ):

å = N_я•s(1.8).

 

Физически S - мера вероятности взаимодействия частицы с ядрами вещества в 1 см³ при пробеге расстояния в 1 см.

⇐ Предыдущая12345678910Следующая ⇒

Поделиться: