Реакция деления ядер. Жизненный цикл нейтронов
A
Нужно отметить, что реакция неупругого рассеяния происходит лишь при определенных значениях энергии нейтрона (Eпор » 0,1 МэВ), в то время как энергия упругого рассеяния возможна всегда.
Значение реакции рассеяния в ядерной энергетике трудно переоценить, поскольку именно на ней основаны системы замедления нейтронов в реакторе. В качестве веществ-замедлителей обычно используют тяжелую и легкую воду, графит.
2.3.2 Реакция поглощения (захвата)
Данная реакция играет важную роль в физике реактора, поскольку она является конкурирующей по отношению к реакции деления.
g
n A A+1
A+1
В результате нейтрон выбывает из цепной реакции. sc зависит от энергии нейтрона и от массового числа A. В области тепловых нейтронов сечение подчиняется закону sc(E) обратно пропорционально скорости нейтрона v (или квадратному корню из E). При увеличении энергии нейтрона начинается резонансная область, в которой sc имеет множество максимумов и минимумов.
2.4 Реакция деления ядер
Данная реакция наиболее специфична для ЯР. Схематично эту реакцию можно представить так:
2.4.1 Общая схема реакции деления
n
A1 gоск
n A A+1 gмгн b
u
n n A2 gоск
n b
u
Под действием нейтрона ядро тяжелого элемента делится на две части (осколка) отношение масс которых обычно (для часто используемых элементов) близко к 95/140. Нуклиды, которые делятся нейтронами - это тяжелые нуклиды. Некоторые из них делятся тепловыми нейтронами: U235, Pu239, Pu241 (в природе встречается только U235, содержание которого в естественном U238 составляет 0.714%). Другие нуклиды, например, естественный уран, делятся только быстрыми нейтронами. Вообще говоря, процесс не протекает по строгой схеме, поскольку существует много вариантов деления на различные осколки.
2.4.2 Энергетический баланс реакции деления
Рассмотрим энергетический баланс реакции деления.
Пусть Eнач = 0.025 эВ - средняя энергия теплового движения при 200 С. Тогда Eвыдел= 200 МэВ.
|
продукт реакции |
вид получаемой энергии |
E, МэВ |
|
Кинетическая энергия осколков |
тепло |
167 |
|
Кинетическая энергия g |
тепло |
6 |
|
Кинетическая энергия n |
тепло |
5 |
|
Кинетическая энергия b |
тепло |
8 |
|
Кинетическая энергия u |
энергия теряется |
12 |
2.4.3 Сечение деления.
|
рис. 2 рис. 3 |
|
рис. 1 |
Зависимость sf(E) имеет достаточно сложный вид, поскольку на кривую E-1/2 накладывается много резонансов. Если бы характер этой зависимости описывался формулой sf(E) = E-1/2, то график зависимости f(E) = sf E1/2 для U235 в области тепловых нейтронов, изображенный на рис. 1 имел вид прямой, параллельной оси абсцисс. Однако на практике эта зависимость имеет приведенный на рис. 1 вид, с резонансом в точке E = 0,3 эВ.
На рис. 2 приведена схематичная зависимость sf и stotal от E в случае когда деление ядра элемента возможно и тепловыми нейтронами. На рис. 3 приведена зависимость сечения деления для U238, из которой видно, что деление этого ядра возможно только быстрыми нейтронами (Eпор > 1). Сечения деления ядер нейтронами различных энергий можно определить по специальным таблицам.
2.4.4 Образование нейтронов
Как видно из приведенной выше схемы, при реакции деления кроме новых ядер могут появляться g-кванты, b-частицы распада, g-кванты распада, нейтроны деления и нейтрино. С точки зрения цепной ядерной реакции наиболее важным является образование нейтронов. Среднее число появившихся в результате реакции деления нейтронов обозначают uf . Эта величина зависит от массового числа делящегося ядра и энергии взаимодействующего с ним нейтрона. образовавшиеся нейтроны обладают различной энергией (обычно от 0,5 до 15 МэВ), что характеризуется спектром нейтронов деления. Для U235 среднее значение энергии нейтронов деления равно 1.93 МэВ.
