Пример: Транспортная логистика
Я ищу:
На главную  |  Добавить в избранное  

Физика /

Реакция деления ядер. Жизненный цикл нейтронов

←предыдущая  следующая→
1 2 



Скачать реферат


МОСКОВСКИЙ ИНЖЕНЕРНО-ФИЗИЧЕСКИЙ

ИНСТИТУТ

Кафедра № 33

И. Владимирский

Математические модели физических процессов

“Реакция деления ядер. Жизненный цикл нейтронов”

Москва

1996

1. ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

1.1 Способы получения энергии

В наше время, с каждым годом возрастают потребности человечества в энергии. На получение необходимого количества энергии затрачивается при-мерно 30% производственных усилий человека. Совершенно очевидно, что полный запас энергии в природе в соответствии с законом сохранения энергии не меняется. Поэтому процесс получения энергии представляет собой перевод энергии из связанной ( энергия покоя ) в свободную форму ( энергию относи-тельного движения тел). Свободная энергия быстро рассеивается в пространст-ве, поэтому ее можно использовать.

Итак мы приходим к тому, что необходимо уметь вызывать процессы, которые приводят к убыли массы тел и эквивалентному выигрышу свободной энергии. Конечно, получать энергию можно лишь при условии существования достаточного количества топлива. Пусть микрочастицы вещества топлива на-ходятся в состоянии с энергией E1 и существует другое возможное состояние этих частиц с энергией E2 ( E1 > E2 ). В принципе есть возможность перехода во второе состояние, но ему препятствует существование энергетического барье-ра, то есть некоторого необходимого промежуточного состояния с энергией E’ ( E’ > E1 ). Таким образом процесс сжигания топлива должен быть иницииро-ван некоторым внешним возбуждением.

1.2 Способы организации реакции горения, цепные реакции

Существует два способа возбуждения реакции горения топлива. Первый - использование кинетической энергии столкновения частиц ( термоядерный процесс ). Другой способ состоит в использовании энергии связи присоеди-няющихся частиц. Для возбуждения такой реакции нужно направлять в топли-во активные частицы.

Достаточно большое количество вещества может испытать превращение лишь при самоподдерживающейся цепной реакции. Цепная реакция обладает следующим важным свойством - акт реакции возбуждается при поглощении частицы, а в результате ее должны появляться вторичные активные частицы.

При ядерных превращениях носителем цепного процесса может служить нейтрон, поскольку он не имеет электрического заряда и может беспрепятст-венно сближаться с атомными ядрами. Среди известных ядерных реакций лишь одна обладает свойством цепных реакций. Это реакция деления тяжелых ядер, которые легко возбуждаются нейтроном и дают в среднем 2,5 на акт де-ления вторичных нейтронов. Основную трудность представляет собой не орга-низация цепной реакции, а получение чистых делящихся веществ. Важной чер-той цепных ядерных реакций является тот факт, что их скорости не зависят от температуры среды, что является их главным преимуществом перед процесса-ми с тепловым возбуждением.

2. ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ НЕЙТРОНОВ С ЯДЕРНЫМ ВЕЩЕСТВОМ, РЕ-АКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР.

2.1. Общие сведения о ядерных реакциях взаимодействия нейтронов с ядрами

В связи с вышесказанным совершенно очевидно, какое значение сегодня имеет использование ядерной энергии. Устройство, предназначенное для орга-низации и поддержания цепной реакции деления ядер с целью получения энер-гии называется ядерным энергетическим реактором.

В основе работы ядерного реактора лежат процессы взаимодействия ней-тронов с ядерным веществом, наиболее важными из которых являются - реак-ция деления ядер, реакция радиационного захвата (поглощения) и реакция рассеяния.

деление (fission)

n A поглощение (capture)

рассеяние (scattaring)

Ядерные реакции подчиняются законам квантовой механики, поэтому можно говорить лишь о вероятности протекания той или иной из них. Мерой вероят-ности данного типа реакции является эффективное (микроскопическое) сече-ние.

2.2. Эффективные сечения ядерных реакций

Рассмотрим тонкую пластинку, содержащую Nя ядер, на которую падает поток нейтронов со скоростью v и концентрацией n.

Найдем количество реакций того или иного типа.

Пусть количество реакций равно R, тогда

R =  Nя  (1)

 = n v - плотность потока нейтронов,  - микроскопическое сечение взаимо-действия.  измеряется в барнах ( 1 б = 10-24 см2 ).

Можно записать уравнение (1 ) для трех основных ядерных реакций:

Rf =  Nя f - реакция деления

Rc =  Nя c - реакция радиационного захвата

Rs =  Nя s - реакция рассеяния

total = f + c+ s

Вообще говоря, микроскопические сечения взаимодействия всех реакций зави-сят от массового числа ядра и от энергии нейтрона. При этом вид зависимости (EН) определяется тем, к какой области принадлежит энергия нейтрона EН . В соответствии с этим принято делить область энергий на три части: Область те-пловых нейтронов, где E < 0,625 эВ; область промежуточных нейтронов или резонансная область, где 0,625 эВ < E < 0.1 МэВ; область быстрых нейтронов, где E > 0.1 МэВ;

2.3 Реакция радиационного захвата и реакция рассеяния

Рассмотрим коротко два важных типа ядерных реакций - захвата (погло-щения) и рассеяния , а затем перейдем к подробному описанию третьего - ре-акции деления ядер, которая необходима для поддержания цепной реакции.

2.3.1 Реакция рассеяния

Существует два типа реакций рассеяния: упругое взаимодействие, при котором суммарная кинетическая энергия взаимодействующих нейтрона и ядра не меняется после реакции и неупругое взаимодействие, при котором часть ки-нетической энергии идет на возбуждение конечного ядра и затем испускается в виде -кванта.

E0 A E1

n A

n E2

n

n A A+1 

A

Нужно отметить, что реакция неупругого рассеяния происходит лишь при оп-ределенных значениях энергии нейтрона (Eпор  0,1 МэВ), в то время как энер-гия 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.

n A A+1

A+1

В результате нейтрон выбывает из цепной реакции. c зависит от энергии ней-трона и от массового числа A. В области тепловых нейтронов сечение подчи-няется закону c(E) обратно пропорционально скорости нейтрона v (или квад-ратному корню из E). При увеличении энергии нейтрона начинается резонанс-ная область, в которой c 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 оск

n A A+1 мгн 

n n A2 оск

n 

Под действием нейтрона ядро тяжелого элемента делится на две части (осколка) отношение масс которых обычно (для часто используемых элемен-тов) 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 стро-гой схеме, поскольку существует много вариантов деления на различные ос-колки.

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 энер-гии E, МэВ

Кинетическая энергия осколков тепло 167

Кинетическая энергия  тепло 6

Кинетическая энергия n тепло 5

Кинетическая энергия  тепло 8

Кинетическая энергия  энергия теряется 12

2.4.3 Сечение деления.

рис. 2 рис. 3

рис. 1

Зависимость f(E) имеет достаточно сложный вид, поскольку на кривую E-1/2 накладывается много резонансов. Если бы характер этой зависимости описывался формулой f(E) = E-1/2, то график зависимости f(E) = f E1/2 для U235 в области тепловых нейтронов, изображенный

←предыдущая  следующая→
1 2 



Copyright © 2005—2007 «Mark5»