Физика /
2.3.4. Позитронный бета-распад.
При позитронном распаде сохраняется полное число нуклонов, но в конечном ядре на один нейтрон больше, чем в исходном. Таким образом, позитронный распад может быть интерпретирован как реакция превращения внутри ядра одного протона в нейтрон с испусканием позитрона и нейтрино.
2.3.5. Электронный захват.
К электронному захвату относится процесс поглощения атомом одного из орби-тальных электронов своего атома. Поскольку наиболее вероятен захват электрона с ор-биты, наиболее близко расположенной к ядру, то с наибольшей вероятностью погло-щаются электроны К-оболочки. Поэтому этот процесс называется также К-захватом.
С гораздо меньшей вероятностью происходит захват электронов с L-, M-оболочек. После захвата электрона с К-оболочки происходит ряд переходов электронов с орбиты на орбиту, образуется новое атомное состояние испускается рентгеновский квант.
2.3.6. Гамма-распад.
Стабильные ядра находятся в состоянии, отвечающем наименьшей энергии. Это состояние называется основным. Однако путем облучения атомных ядер различными частицами или высокоэнергетическими протонами им можно передать определенную энергию и, следовательно, перевести в состояния, отвечающие большей энергии. Пере-ходя через некоторое время из возбужденного состояния в основное, атомное ядро мо-жет испустить или частицу, если энергия возбуждения достаточно высока, или высо-коэнергетическое электромагнитное излучение - гамма-квант.
Поскольку возбужденное ядро находится в дискретных энергетических состоя-ниях, то и гамма-излучение характеризуется линейчатым спектром.
2.4. ДЕЛЕНИЕ АТОМНЫХ ЯДЕР.
2.4.1. Общие сведения.
Явление деления тяжелых атомных ядер на два осколка было открыто Ганом и Штрассманом в 1939 г. при изучении взаимодействия нейтронов различных энергий и ядер урана. Несколько позже, в 1940г. советские физики К.А.Петржак и Г.И. Флеров обнаружили самопроизвольное (спонтанное) деление ядер урана. При спонтанном де-лении и делении, вызванном нейтронами, как правило, образуется асимметричные ос-колки, отношение масс которых примерно равно 3:2.
При реакции деления выделяется очень большая энергия. Энергия деления вы-свобождается в виде кинетической энергии ядер-осколков, кинетической энергии ис-пускаемых ядрами-осколками электронов, гамма-квантов, нейтрино, нейтронов.
Основная часть энергии деления приходится на энергию ядер-осколков, по-скольку под действием кулоновских сил отталкивания они приобретают большую ки-нетическую энергию. Основная часть энергии деления выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков.
Замечательным и чрезвычайно важным свойством реакции деления является то, что в результате деления образуется несколько нейтронов. Это обстоятельство позволя-ет создать условия для поддержания стационарной или развивающейся во времени цепной реакции деления ядер. Действительно, если в среде, содержащей делящиеся яд-ра, один нейтрон вызывают реакцию деления, то образующиеся в результате реакции нейтроны могут с определенной вероятностью вызвать деление ядер, что может при-вести при соответствующих условиях к развитию неконтролируемого процесса деле-ния. Число вторичных нейтронов не постоянно для всех тяжелых ядер и зависит как от энергии вызвавшего деление нейтрона, так и от свойств ядра-мишени. Среди нейтронов деления, кроме так называемых мгновенных нейтронов, испускаемых за 10-15 с после процесса деления, есть также и запаздывающие нейтроны. Они испускаются в течение нескольких минут с постепенно убывающей интенсивностью. Мгновенные нейтроны составляют более 99% полного числа нейтронов деления, а их энергия заключена в ши-роком диапазоне: от тепловой энергии и до энергии приблизительно равной 10 МэВ.
Запаздывающие нейтроны испускаются возбужденными ядрами образующихся после бета-распада продуктов деления - ядер-предшественников. Поскольку испуска-ние нуклонов возбужденным ядром происходит мгновенно, то во время испускания за-паздывающего нейтрона после акта деления будет определяться постоянной распада ядра-предшественника.
Кинетическая энергия запаздывающих нейтронов значительно меньше энергии мгновенных нейтронов и составляет 0,25-0,1 МэВ. Хотя доля запаздывающих нейтро-нов относительно невелика, они играют очень важную роль в управлении ядерными реакторами.
2.4.2. Продукты деления.
В результате деления тяжелых ядер образуются, как правило, два ядра-осколка с различной массой. В среднем отношение масс легких и тяжелых осколков равно 2:3. Как правило, ядра-осколки имеют большой избыток нейтронов и поэтому неустойчивы относительно бета-распада. Массовые числа А продуктов деления меняются от 72 до 161, а атомные номера от 30 до 65. Вероятность симметричного деления на два осколка с приблизительно равными массами составляет всего 0,04%. Доля симметричного де-ления возрастает по мере увеличения энергии первичного нейтрона, вызывающего де-ление атомного ядра.
2.4.3. Взаимодействие нейтронов с атомными ядрами.
Различные частицы (нейтроны, протоны, электроны, гамма-кванты и т.д.) могут взаимодействовать с атомными ядрами. Характер взаимодействия зависит от энергии частиц, их типа и свойств атомного ядра. Для оценки вероятности взаимодействия вво-дится величина, называемая микроскопическим сечением взаимодействия. Физический смысл ее состоит в следующем. Пусть пучок нейтронов интенсивностью No падает на мишень, состоящую из одного слоя ядер. Число ядер на единице поверхности равно М. Предположим, что при прохождении пучка через такой слой часть нейтронов погло-титься в нем и через слой прошло N`. Тогда вероятность взаимодействия одного ней-трона с одним атомным ядром:
= No-N`
NoM
Это и есть микроскопическое сечение, представляющее собой эффективную площадь поперечного сечения атомного ядра, попав в которое налетающая частица вы-зывает ядерную реакцию или испытывает рассеяние.
В процессе экспериментальных исследований энергетической зависимости се-чения взаимодействующих частиц и различных атомных ядер было обнаружено, что при определенных энергиях значения сечений резко возрастают, а при дальнейшем увеличении энергии снова уменьшаются. Это явление называется резонансом.
В практике реакторостроения нейтроны по энергии принято делить на следую-щие группы: быстрые нейтроны с энергией 0,10-10 МэВ, тепловые нейтроны, находя-щиеся в тепловом равновесии с ядрами среды и имеющие энергию 0,005-0,2 эВ, и про-межуточные. Промежуточные подразделяются на резонансные (2-102 эВ) и надтепло-вые (0,2-2 эВ).
При взаимодействии нейтрона и ядер могут протекать следующие реакции: уп-ругое рассеяние, неупругое рассеяние, радиационный захват, деление. Вероятность протекания определенной реакции характеризуется микроскопическими сечениями. В зависимости от энергии нейтрона сечения могут изменяться. Так, в области быстрых нейтронов сечение радиационного захвата примерно в 100 раз меньше сечения захвата тепловых нейтронов. Сечение упругого рассеяния, как правило, почти постоянное для энергии выше 1 эВ.
Наряду с микроскопическими сечениями на практике используются также мак-роскопические сечения, под которыми понимают вероятность взаимодействия частицы в единице объема вещества. Если в единице объема число ядер определенного типа есть N, то макроскопическое сечение = микроскопическое сечение =N. Как и микро-скопическое, макроскопическое сечение также характеризует определенный тип ядер-ной реакции.
2.5. ЦЕПНАЯ ЯДЕРНАЯ РЕАКЦИЯ.
При делении тяжелых ядер образуется несколько свободных нейтронов. Это по-зволяет организовать так называемую цепную реакцию деления, когда нейтроны, рас-пространяясь в среде, содержащей тяжелые элементы, могут вызвать их деление с ис-пусканием новых свободных нейтронов. Если среда такова, что число вновь рождаю-щихся нейтронов увеличивается, то процесс деления лавинообразно нарастает. В слу-чае, когда число нейтронов при последующих делениях уменьшается, цепная ядерная реакция затухает.
Для получения стационарной цепной ядерной реакции, очевидно, необходимо создать такие условия, чтобы каждое ядро, поглотившее нейтрон, при делении выделя-ло в среднем один нейтрон, идущий на деление второго тяжелого ядра.
Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется и под-держивается управляемая цепная реакция деления некоторых тяжелых ядер.
Цепная ядерная реакция в реакторе может осуществляться только при опреде-ленном количестве делящихся ядер, которые могут делиться при любой энергии ней-тронов. Из делящихся материалов важнейшим является изотоп U235, доля которого в естественном уране составляет всего 0,714 %.
Хотя U238 и делится нейтронами, энергия которых превышает 1,2 МэВ, однако самоподдерживающаяся цепная реакция на быстрых нейтронах в естественном уране не возможна из-за высокой вероятности неупругого взаимодействия ядер U238 с быст-рыми нейтронами. При этом энергия нейтронов становится ниже пороговой энергии деления ядер U238.
Использование замедлителя приводит к уменьшению резонансного поглощения в U238, так как нейтрон может пройти область резонансных энергий в результате столк-новения с ядрами замедлителя и поглотиться ядрами U235, Pu239, U233, сечение деления которых существенно увеличивается с уменьшением энергии нейтронов. В качестве замедлителей используют материалы с малым массовым числом и небольшим сечени-ем поглощения (вода, графит, бериллий и др.).
Для характеристики цепной реакции деления используется величина, называе-мая коэффициентом размножения К. Это отношение числа нейтронов определенного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения.