교수

아이엔베크만

핵 물리학

강의 16. 핵 상호 작용

핵물리학의 발전은 주로 핵반응 분야의 연구에 의해 결정됩니다. 이 강의에서 우리는 핵 상호 작용의 현대 분류를 고려할 것입니다.

열역학 및 역학, 그리고 핵 반응의 몇 가지 예.

1. 핵반응의 분류

행동을 통해 핵력 2개의 입자(2개의 핵 또는 1개의 핵과 1개의 핵자)의 거리에 접근할 때 10 -13 cm는 핵의 변형으로 이어지는 강렬한 핵 상호 작용에 들어갑니다. 이 과정을 핵반응이라고 합니다. 핵 반응 중에 두 입자의 에너지와 운동량이 재분배되어 상호 작용 장소에서 탈출하는 다른 여러 입자가 형성됩니다.입사 입자가 원자핵과 충돌하면 원자핵 사이에 에너지와 운동량이 교환되어 여러 입자가 형성되어 상호 작용 영역에서 다른 방향으로 날아갑니다.

핵반응- 소립자, γ-양자 또는 서로 상호작용할 때 원자핵의 변형.

핵 반응은 핵 또는 입자의 충돌에서 새로운 핵 또는 입자가 형성되는 과정입니다. E. Rutherford는 1919년에 처음으로 핵 반응을 관찰하여 질소 원자의 핵에 α-입자를 충돌시켰습니다. 양성자로 확인되었습니다. 그 후 Wilson 카메라의 도움으로 이 과정의 사진을 얻었습니다.

쌀. 1. 핵반응 과정에서 일어나는 과정

(입력 및 출력 반응 채널이 표시됨).

첫 번째 핵 반응은 1919년 E. Rutherford에 의해 수행되었습니다. 4 He + 14 N → 17 O + p 또는 14 N (α, p) 17 O. α 입자의 출처는 α-방사성 제제였습니다. 그 당시 방사성 α-약물은 하전 입자의 유일한 공급원이었습니다. 핵 반응 연구를 위해 특별히 설계된 최초의 가속기는 1932년 Cockcroft와 Walton에 의해 만들어졌습니다. 이 가속기는 최초의

가속된 양성자의 빔이 얻어지고 반응 p + 7 Li → α + α가 수행되었습니다.

핵 반응은 원자핵의 구조와 특성을 연구하는 주요 방법입니다. 핵반응에서는 입자와 원자핵의 상호작용 메커니즘, 원자핵 간의 상호작용 메커니즘을 연구한다. 핵반응의 결과 자연상태에서 발견되지 않는 새로운 동위원소가 얻어지고 화학 원소... 충돌 후 원래의 핵과 입자가 보존되고 새로운 입자가 생성되지 않으면 반응은 재분배 만 동반되는 핵력 분야에서 탄성 산란입니다. 운동 에너지입자와 표적핵의 운동량을 포텐셜이라고 한다.

산란.

대상 핵과 충돌하는 입자(핵)의 상호 작용 결과는 다음과 같습니다.

1) 내부 충격의 법칙에 따라 조성이나 내부 에너지가 변하지 않고 운동 에너지의 재분배만 일어나는 탄성 산란.

2) 상호 작용하는 핵의 구성은 변하지 않지만 충돌하는 핵의 운동 에너지의 일부가 표적 핵을 여기시키는 데 소비되는 비탄성 산란.

3) 실제로 핵 반응으로 상호 작용하는 핵의 내부 특성과 구성이 변경됩니다.

	쌀. 2. 리튬-6과 중수소 6 Li(d, α) α의 핵 반응
	핵 반응은 강하고 전자기적이며 약함을 보여줍니다.
	상호 작용.
	많은 다른 유형의 반응이 알려져 있습니다. 그들은 다음과 같이 분류 할 수 있습니다
	중성자의 작용, 하전 입자의 작용 및 작용 하에서의 반응
	V 일반보기핵 상호 작용은 다음 형식으로 작성할 수 있습니다.
	a1 + a2 → b1 + b2 +…,
	여기서 a 1 및 a 2는 반응에 들어가는 입자이고 b 1, b 2, ...는 입자이고,
반응(반응 생성물)의 결과.
	가장 일반적인 반응 유형은 가벼운 입자 a와 핵 A의 상호 작용입니다.
그 결과 가벼운 입자 b와 핵 B가 형성됩니다.
	ㄱ + 에이 → ㄴ + ㄴ
	또는 더 짧은
	A (a, b) 나.

A와 b는 중성자(n), 양성자(p), α-입자, 중수소(d) 및 γ-양자로 취할 수 있습니다.

예 1. 핵반응

4 He + 14 N → 17 O + 1 H

V 약칭 14N(α,p) 17O

예 2. 반응 59 Co(p, n)를 고려하십시오. 이 반응의 산물은 무엇입니까? 해결책. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z С

왼쪽에는 27 + 1 양성자가 있습니다. 와 함께 오른쪽 0 + X 양성자, 여기서 X는 제품의 원자 번호입니다. 분명히, X = 28(Ni)입니다. 왼쪽에는 59 + 1개의 핵자가 있고 오른쪽에는 1 + Y 핵자가 있습니다. 여기서 Y = 59입니다. 따라서 반응 생성물은 59Ni이다.

반응은 여러 경쟁 방식으로 진행될 수 있습니다.

다양한 가능한 방법두 번째 단계의 핵 반응 과정을 반응 채널이라고합니다. 첫 단계반응을 입력 채널이라고 합니다.

쌀. 3. 양성자와 7 Li의 상호작용 채널.

반응식 (6)의 마지막 두 반응 채널은 비탄성(A * + a) 및 탄성(A + a) 핵 산란의 경우를 나타냅니다. 이들은 반응 생성물이 입자와 일치한다는 점에서 다른 것과 다른 핵 상호 작용의 특별한 경우입니다.

핵의 유형뿐만 아니라 내부 상태도 유지하는 탄성 산란으로 반응하는 반면, 비탄성 산란은 핵의 내부 상태가 변경됩니다(핵이 여기 상태로 전환됨). 다른 반응 채널의 가능성은 발사체, 에너지 및 핵에 의해 결정됩니다.

핵 반응을 연구할 때 반응 채널, 입사 입자의 다른 에너지에서 다른 채널을 통해 진행되는 비교 확률, 생성 입자의 에너지 및 각도 분포, 내부 상태를 식별하는 것이 중요합니다. 여기 에너지, 스핀, 패리티, 동위원소 스핀).

핵 반응은 기본 입자(y-양자 포함) 또는 서로 상호 작용할 때 원자핵의 변형입니다. 가장 일반적인 유형의 핵 반응은 다음과 같이 기호로 쓰여진 반응입니다.

여기서 X와 Y는 초기 및 최종 핵이고, NS그리고 NS- 핵 반응에서 충돌 및 방출된(또는 방출된) 입자.

모든 핵반응에서 전하보존의 법칙과 질량수: 요금 합계 (거대한) 핵 반응에 들어가는 핵과 입자의 수는 반응의 최종 생성물(핵과 입자)의 전하(질량) 수의 합과 같습니다.... 또한 수행 에너지 보존 법칙, 운동량그리고 각운동량.

항상 에너지 방출과 함께 발생하는 방사성 붕괴와 달리 핵 반응은 발열(에너지 방출)과 흡열(에너지 흡수)이 될 수 있습니다.

많은 핵 반응의 메커니즘을 설명하는 데 중요한 역할은 N. Bohr의 가정(1936)에 의해 수행되었습니다. 핵 반응은 다음 계획에 따라 두 단계로 진행됩니다.

첫 번째 단계는 핵력의 작용 거리(약 2×10×15 m)에서 접근한 X 핵에 의한 입자 a의 포획과 화합물(또는 화합물)이라고 하는 중간 핵 C의 형성이다. 핵). 핵 속으로 유입된 입자의 에너지는 복합핵의 핵자 사이에 빠르게 분포되어 들뜬 상태로 나타난다. 복합 핵의 핵자 충돌에서 핵자 중 하나 (또는 ​​그 조합, 예를 들어 중수소 - 수소의 무거운 동위 원소의 핵 - 중수소, 하나의 양성자와 하나의 중성자를 포함) 또는 cx- 입자는받을 수 있습니다 핵에서 탈출하기에 충분한 에너지. 결과적으로 핵 반응의 두 번째 단계가 가능합니다 - 화합물 핵이 Y 핵과 입자로 붕괴 NS.

핵반응의 분류

반응에 참여하는 입자의 특성에 따라:

• 중성자의 영향을 받는 반응;
• 하전 입자(예: 양성자, (X-입자))로 인한 반응.

반응을 일으키는 입자의 에너지에 의해:

• 주로 중성자의 참여로 발생하는 낮은 에너지(eV 정도)에서의 반응;
• 양자 및 하전 입자를 포함하는 중간 에너지(수 MeV)에서의 반응;
• 고에너지(수백 및 수천 MeV)에서의 반응으로 자유 상태에 존재하지 않는 기본 입자 생성 큰 중요성그들을 연구하기 위해.

반응에 관여하는 핵의 특성에 따라:

• 가벼운 핵에 대한 반응 (A50);
• 중간 핵에 대한 반응 (50 A
• 무거운 핵에 대한 반응 (아> 150).

진행 중인 핵 변형의 특성:

• 중성자 방출 반응;
• 하전 입자의 방출과 반응. 최초의 핵반응(Rutherford, 1919)

핵 반응은 기본 입자(γ-양자 포함) 또는 서로 상호 작용할 때 원자핵의 변형입니다. 상징적 반응은 다음과 같은 형식으로 작성됩니다.

X + a → Y + b 또는 X(a, b) Y

여기서 X와 Y는 초기 및 최종 핵이고, a와 b는 핵 반응에서 충돌 및 방출(또는 방출) 입자입니다.

모든 핵 반응에서 전하 및 질량 수 보존 법칙이 충족됩니다. 핵 반응에 들어가는 핵과 입자의 전하(및 질량 수)의 합은 전하의 합(및 반응의 최종 생성물(핵 및 입자)의 질량 수). 에너지 보존 법칙, 운동량 및 각운동량도 충족됩니다.

핵 반응은 발열(에너지 방출)과 흡열(에너지 흡수)이 될 수 있습니다.

핵 반응은 다음과 같이 분류됩니다.

1) 참여하는 입자의 특성에 의해 - 중성자의 영향을받는 반응; 하전 입자; γ-양자;

2) 그들을 일으키는 입자의 에너지에 의해 - 저, 중 및 고 에너지에서의 반응;

3) 참여하는 핵의 특성에 의해 - 폐에 대한 반응 (A< 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) 코어;

4) 진행중인 핵 변형의 특성 - 중성자 방출, 하전 입자와의 반응; 포획 반응(이러한 반응의 경우 화합물 핵은 입자를 방출하지 않지만 바닥 상태로 전달되어 하나 이상의 γ-양자를 방출함).

최초의 핵반응은 러더퍼드에 의해 수행되었습니다.

1939 - O. Hahn과 F. Strassmann은 우라늄 핵분열을 발견했습니다. 우라늄이 중성자로 충격을 받으면 중간 부분의 요소가 나타납니다. 주기율표- 바륨(Z = 56), 크립톤(Z = 36)의 방사성 동위원소 - 분열 조각 등 무거운 핵이 두 조각으로 분열되면 에너지 방출각 핵자에 대해 1 MeV 정도입니다.

예를 들어, 우라늄 핵의 핵분열 반응에 대한 두 가지 가능한 시나리오가 있습니다.

원자핵의 분열 이론은 다음을 기반으로합니다. 드롭 코어 모델... 핵은 밀도가 핵과 같고 양자 역학의 법칙을 따르는 전기적으로 하전된 비압축성 액체(a)의 한 방울로 간주됩니다. 중성자가 포획되면 이러한 하전된 액적의 안정성이 침해되고 핵이 주저- 교대로 늘인 다음 압축합니다. 핵분열의 확률은 핵분열 반응을 수행하는 데 필요한 최소 에너지인 활성화 에너지에 의해 결정됩니다. 핵분열 활성화 에너지보다 낮은 여기 에너지에서는 액적 핵의 변형이 임계(b)에 도달하지 않고 핵이 분열하지 않고 γ-양자를 방출하여 기저 에너지 상태로 돌아갑니다. 핵분열의 활성화 에너지보다 높은 여기 에너지에서 방울의 변형이 임계값(c)에 도달하고 방울의 "허리"(d)가 형성되어 길어지며 핵분열(e)이 시작됩니다.

핵분열 반응에서 생성된 각각의 프롬프트 중성자는 인접한 핵분열 물질 핵과 상호 작용하여 핵분열 반응을 일으킵니다. 동시에 눈사태분할 행위의 수 증가 - 시작 핵분열 연쇄 반응 - 반응을 일으키는 입자가 그 반응의 산물로 형성되는 핵 반응. 연쇄 반응의 발생 조건은 중성자 증식의 존재입니다.

중성자 곱셈 계수 k는 반응의 특정 연결에서 발생하는 중성자의 수와 이전 연결의 중성자 수의 비율입니다.

연쇄 반응의 발달을 위한 필요 조건: k> 1. 이 반응을 진화 반응이라고 합니다. k = 1일 때 자체 지속 반응이 발생합니다. 포크<1 идет затухающая реакция.

곱셈 계수는 핵분열성 물질의 성질과 주어진 동위원소의 양, 연쇄 반응이 일어나는 공간, 핵의 크기와 모양에 따라 달라집니다.

연쇄반응이 일어날 수 있는 코어의 최소크기를 임계크기라고 한다.

연쇄 반응이 일어나기 위해 필요한 임계 치수 시스템에서 핵분열성 물질의 최소 질량을 임계 질량이라고 합니다.

연쇄 반응은 통제된 반응과 통제되지 않은 반응으로 나뉩니다. 원자 폭탄의 폭발은 통제할 수 없는 반응의 한 예입니다. 제어 연쇄 반응은 원자로에서 발생합니다.

제어된 핵분열 반응이 유지되는 장치를 핵(또는 원자) 원자로라고 합니다. 원자로는 예를 들어 원자력 발전소에서 사용됩니다.

느린 중성자로의 계획을 고려하십시오. 이러한 원자로의 핵연료는 다음과 같습니다.

1) - 천연 우라늄에는 약 0.7%가 포함되어 있습니다.

2) 계획에 따라

3) 계획에 따라 토륨에서 얻습니다.

원자로 노심에는 핵연료(연료 요소) 1과 감속재 2로 구성된 연료 요소가 있습니다(중성자는 열 속도로 감속됩니다). 연료봉은 중성자를 약하게 흡수하는 밀봉된 껍질로 둘러싸인 핵분열성 물질 블록입니다. 핵분열 중에 방출되는 에너지로 인해 연료 요소가 가열되므로 냉각을 위해 냉각수 흐름 3에 배치됩니다. 코어는 중성자 누출을 줄이는 반사경 4로 둘러싸여 있습니다. 원자로의 정상 상태 유지는 예를 들어 중성자를 강하게 흡수하는 재료로 만들어진 제어봉(5)을 사용하여 수행됩니다.

붕소 또는 카드뮴에서. 원자로의 냉각제는 물, 액체 나트륨 등입니다. 증기 발생기의 냉각제는 증기 터빈으로 들어가는 증기에 열을 방출합니다. 터빈은 발전기를 회전시켜 전류가 전기 네트워크로 흐릅니다.

우리의 임무:방사성 붕괴의 주요 유형을 익히고 가상 실험에서 방사성 변환의 사슬을 보여주고 붕괴 상수를 측정하는 방법을 알아봅니다.

핵반응 - 강요된다른 입자의 작용에 의한 원자핵의 변형(약 자발적인소립자를 방출하여 원자핵을 변화시키는 것 - 방사능다른 강의에서 읽으십시오).

핵반응을 본 적이 있는지 의심스럽다면 맑은 날 하늘을 한번 보세요. 우리는 태양에 대한 반응에 대해 나중에 이야기할 것입니다.

대부분 코어당 NS비교적 가벼운 입자가 NS(예: 중성자, 양성자, α -입자 등), 핵력의 작용으로 10~15m 정도의 거리에서 접근하면 핵이 형성된다. V그리고 더 가벼운 입자 NS.

반응에 들어가는 입자와 핵의 집합(그림에서 NS + NS)라고 한다 입력핵 반응의 채널 및 결과 반응 - 주말채널. 입사 입자의 운동 에너지가 NS작으면 입자 자체와 핵이라는 두 개의 입자가 형성됩니다.

탄성 및 비탄성 산란은 반응 생성물이 초기 반응 생성물과 일치할 때 핵 상호 작용의 특별한 경우입니다.

핵반응의 분류

반응을 일으키는 입자의 종류에 따라
1. 하전 입자 반응
2. 중성자 반응
3. 영향을 받는 반응 γ - 양자 - 광핵 반응

핵반응의 보존법칙

모든 반응에 대해 매우 다양한 출력 채널을 생각할 수 있습니다. 그러나 대부분은 불가능한 것으로 판명될 것입니다. 보존 법칙은 실제로 실행 가능한 반응을 선택하는 데 도움이 됩니다.

마지막 두 가지는 강력한 상호 작용에 해당됩니다. 일련의 전체 법칙은 핵 반응에 나타나며 소립자와의 반응에 필수적이며 다른 곳에서 이름을 지정할 것입니다.

보존 법칙 세트를 통해 가능한 출력 반응 채널을 선택하고 상호 작용하는 입자 및 반응 생성물의 특성에 대한 중요한 정보를 얻을 수 있습니다.

직접 핵 반응

직접 반응에서 입자는 1개(덜 자주는 2~3개)의 핵자와 충돌할 시간이 있습니다. 이러한 반응은 입자가 핵을 통과하는 동안(10 -22 - 10 -21초) 매우 빠르게 진행됩니다. 예를 들어, (n, p) -반응을 고려하십시오. 중성자의 운동량은 나머지 핵자와 에너지를 교환할 시간이 없이 즉시 핵을 떠나는 하나의 핵자에게 주로 전달됩니다. 따라서 핵자는 주로 정방향으로 핵에서 방출되어야합니다. 방출된 핵자의 에너지는 발사체의 에너지에 가까워야 합니다.

입사 입자의 운동 에너지는 충분히 커야 합니다(정육면체로 이루어진 벽을 상상해 보십시오. 그 중 하나를 세게 치면 나머지에는 거의 영향을 미치지 않고 쓰러뜨릴 수 있습니다. 느린 충격으로 벽은 무너질 것입니다. )

낮은 에너지에서 반응이 일어날 수 있음 고장(d, p). 중수소는 핵에 접근함에 따라 분극화되고 중성자는 핵에 포획되고 양성자는 계속 움직입니다. 이러한 과정을 위해서는 핵의 가장자리에서 상호작용이 일어나야 합니다. 중수소에서는 양성자와 중성자가 약하게 결합되어 있습니다.

따라서 직접 반응의 특징은 다음과 같습니다.
1. 흐름 시간 ~ 10-21초;
2. 제품의 각도 분포는 입사 입자의 운동 방향으로 늘어납니다.
3. 고 에너지에서 핵 공정의 단면에 특히 큰 기여를 합니다.

그림 2 발열 반응의 도식

핵 반응의 에너지 계획

에너지 다이어그램의 형태로 핵 반응을 묘사합시다 (그림 2). 그림의 왼쪽 부분은 첫 번째 단계-복합 핵의 형성, 오른쪽-이 핵의 붕괴를 나타냅니다. 타 "아- 핵의 여기로 들어간 입사 입자의 운동 에너지의 일부, ε- 입자 결합 에너지 NS복합 코어에서, ε b- 입자 결합 에너지 NS같은 코어에서.

명백한 모순이 있습니다. 핵심 씨는 이산 에너지 준위를 갖는 양자 역학 시스템이며 (1)에서 볼 수 있듯이 여기 에너지는 연속적인 양(에너지 타무엇이든 될 수 있습니다). 이것은 다음 섹션에서 다룰 것입니다.

화합물 핵을 통과하는 핵반응의 단면

그림 3 여기 상태 준위의 에너지 블러

반응 과정에서 두 개의 독립적 인 단계가 있기 때문에 단면은 화합물 핵 형성에 대한 단면의 곱으로 나타낼 수 있습니다. σ 상태그리고 그것의 붕괴 확률 NS-번째 채널 에프 나

원자핵은 양자 시스템입니다. 스펙트럼의 각 여기 레벨은 유한한 평균 수명을 갖기 때문에 τ , 레벨 너비 Γ 또한 유한하며(그림 3) 에너지 및 시간에 대한 불확실성 관계의 결과인 관계에 의해 평균 수명과 관련됩니다. Δt ΔE ≥ ћ:

복합핵의 에너지 준위가 분리된 경우(준위의 너비 Γ 그들 사이의 거리가 짧다 ΔE). 여기 에너지가 레벨 중 하나의 에너지와 일치할 때 E 0반응 단면 (아, 나)최대 공진을 갖게 됩니다. 양자 역학에서, 화합물 핵의 형성을 위한 단면은 브라이트-위그너 공식으로 기술됨이 증명됩니다

(6)

어디 λ입사 입자의 드 브로이 파장, Γ - 레벨의 전체 너비, ㄱ- 탄성 산란에 대한 레벨의 너비(부분, 부분 너비).

레벨의 너비를 알아봅시다. 복합핵의 붕괴 확률 에프 나수명에 반비례 τ 나는이 부패에 대해. 그리고 삶의 시간 τ 나는차례로 (5)에 따르면 너비에 반비례합니다. Γ 나, 부분(부분)이라고 합니다. 확률의 결과 에프 나너비에 비례 Γ 나, 그리고 그들은 나타낼 수 있습니다

그림 4 복합핵 형성 단면도

합집합 Σf i = 1, NS ΣΓ 나는 = Γ... 부분 너비는 확률보다 다루기가 더 편리합니다.

전체 수준 너비 Γ 입사 입자의 속도에 약하게 의존 v, NS ㄱ이 속도에 비례합니다. De Broglie 파장은 속도에 반비례합니다. v... 따라서 저속에서의 공진과는 거리가 멀수록 단면적은 다음과 같이 증가합니다. 1 / v(느린 입자가 핵에서 더 많은 시간을 보내고 포획 확률이 높아진다는 사실로 이것을 스스로 설명할 수 있습니다.) ~에 E ~ E 0캡처 단면이 급격히 증가합니다(그림 4). 식 (6)에서 이자형는 입사 입자의 운동 에너지이고, E 0는 복합 핵 준위의 에너지이고, 결합 에너지에서 측정: 에너지 수준 = ε a + 전자 0.

중성자에 의한 핵반응

비 상대론적 중성자의 작용에 따른 주요 반응은 그림에 나와 있습니다(그림 5). 거기에 다음 내용에서 우리는 문자로 표시 할 것입니다 NS질량수 커널 NS.

순서대로 고려합시다.

탄성 산란

하전 입자와 핵분열 반응에서 중성자는 빠르게 태어납니다( T n몇 MeV 정도), 그러나 일반적으로 천천히 흡수됩니다. 감속은 원자핵과의 다중 탄성 충돌로 인해 발생합니다.

두 가지 가능성이 있습니다: 포획 없이 핵장에 의한 중성자의 편향 - 잠재적 산란, 그리고 복합 핵에서 중성자의 방출은 공명 산란... 따라서 단면적은 합입니다. σ 제어 = σ 땀 + σ res.

그림 6 우라늄 핵에 의한 중성자의 탄성 산란 단면

그러면 (1)에 따라 각운동량이 0인 산란이 발생합니다( 패 = 0, s- 산란). 질량 중심에서 산란된 중성자의 각도 분포는 등방성입니다. 사실, 이러한 "작은" 에너지는 그렇게 작지 않습니다. 수소에서 ~ 10 MeV, 납에서 ~ 0.4 MeV입니다. 이 경우 잠재적 산란 단면적은 중성자 에너지에 의존하지 않으며 다음과 같습니다.

공명 산란 단면에서

너비 Γ n속도에 정비례하고 드브로이 파장 λ 에 반비례합니다. 따라서 에너지에 따라 공명 피크만 있습니다. E = E 0... 결과적으로 탄성 중성자 산란에 대한 단면의 에너지 의존성에 대해 공명 피크가 있는 받침대가 있습니다(그림 6).

비탄성 산란

산란 핵은 여기 상태에 있습니다. n + A => (A + 1) * => A * + n... 분명히 반응은 한계점특성: 입사 중성자의 에너지는 목표 핵을 여기 상태로 전환하기에 충분해야 합니다. 중성자의 스펙트럼 연구 및 동반 γ - 방사선, 핵의 에너지 준위 구조에 대한 정보를 받습니다.

어떻게 할 수 있는지에 대한 몇 마디 비탄성 산란 단면 측정... 중성자의 운동 에너지가 약 1 MeV보다 클 때,

주요 프로세스는 탄성 및 비탄성 산란입니다. σ = σ 제어 + σ 제어되지 않음... 멀리하자 엘출처에서 NS탐지기 배치 NS(그림 7). 반경의 구로 소스를 둘러싸자 NS및 벽 두께 NS... 흩어지는 경우 순수한 탄성, 소스와 검출기를 연결하는 라인을 따른 감쇠는 구에 의해 다른 방향에서 검출기를 향하는 산란에 의해 보상됨을 나타낼 수 있습니다. 검출기 판독값의 감소가 관찰되면 비탄성 산란 때문입니다.

여기 N타겟의 핵 농도입니다. 두께가 다른 여러 측정을 통해 단면을 찾을 수 있습니다. σ 통제되지 않는.

방사선 캡처

복사 포획 - 중성자의 포획, 여기 상태에서 복합 핵의 형성 및 γ-방사 방출과 함께 지상 핵으로의 후속 전이 n + (A, Z) => (A + 1, Z) * ​​=> (A + 1, Z) + γ... 복합 핵(2)의 여기 에너지, 따라서 γ 양자의 총 에너지는 핵에 있는 중성자의 결합 에너지를 초과합니다. 7 - 8 MeV.

방사선 포획은 어떻게 나타납니까?
• γ-양자 방출;
• 형성된 핵의 방사능(β-입자 방출)에서 (A + 1, Z)(매우 자주 커널 (A + 1, Z)불안정한);
• 중성자 플럭스를 약화시키면서 N = N 0 exp(-σ β nd) (σ β - 방사선 포획의 단면, NS- 목표 두께).

그림 10 인듐 핵에 의한 방사선 포획 단면.

낮은 중성자 에너지에서 공명 효과와 복사 포집 단면적이 매우 강합니다.

느린 중성자의 경우 Γ = Γ n + Γ γ그리고 Γ γ ≈ const ~ 0.1 eV... 따라서 에너지에 대한 복사 포집 단면의 의존성은 복합 핵 형성에 대한 단면의 의존성을 반복합니다. 1.46 eV의 중성자 에너지에서 인듐의 포획 단면적 값이 매우 크다는 점에 유의하십시오(그림 10). 그것은 핵의 기하학적 단면보다 4 배 더 큽니다. 인듐은 반응기에서 흡수재로 사용하기 위해 카드뮴과 함께 화합물에 포함됩니다.

언급한 바와 같이 핵심 (A + 1, Z)중성자 포획으로 인한 결과는 짧은 반감기로 매우 자주 방사성입니다. 방사성 방사선과 방사성 붕괴는 각 원소에 대해 잘 알려져 있습니다. 1936년 이래 중성자 유도 방사능은 원소를 식별하는 데 사용되었습니다. 메서드의 이름은 "활성화 분석"... 약 50mg의 샘플이면 충분합니다. 활성화 분석은 최대 74개의 원소를 감지할 수 있으며 고고학 및 법의학뿐만 아니라 환경 및 의학 연구에서 생물학적 개체의 미량 원소 함량(원자로 건물 및 전자 산업)의 초순수 물질의 불순물을 결정하는 데 사용됩니다. 활성 분석은 광물 검색에 성공적으로 사용되어 기술 프로세스 및 제품 품질을 제어합니다.

핵분열은 무거운 핵이 두 개의 불평등한 조각으로 나뉘는 현상입니다(매우 드물게 세 개로). 그것은 1939년 독일의 방사선 화학자 Hahn과 Strassmann에 의해 발견되었으며, 중성자로 우라늄을 조사하면 주기율표 바륨의 중간에서 원소가 생성된다는 것을 증명했습니다. 56바.

이 소식이 알려진 지 며칠 후 이탈리아 물리학자 E. Fermi(미국으로 이주)는 핵분열 파편을 관찰하기 위한 실험을 시작했습니다. 펄스 이온화 챔버의 플레이트 내부에 우라늄 염이 증착되었습니다(그림 11). 하전 입자가 챔버의 부피에 들어갈 때 출구에서 전기 임펄스가 있으며 진폭은 입자의 에너지에 비례합니다. 우라늄은 방사성이며 α 입자는 작은 진폭의 수많은 펄스를 제공합니다. 챔버가 중성자로 조사되었을 때, 핵분열 파편으로 인한 큰 진폭의 펄스가 감지되었습니다. 파편은 ~ 100 MeV의 큰 전하와 에너지를 가지고 있습니다. 며칠 전에 Otto Frisch는 Wilson의 방에서 잔해를 관찰했습니다.

구별하다
• 강제 분할- 입사 입자의 작용에 의한 핵분열(대부분 중성자)

  일반적으로 입사 입자 T a 의 운동 에너지는 작고 반응은 화합물 핵을 통해 진행됩니다. a + A => C * => B 1 + B 2

• 자발적 분열(자발적)... 1940년 소련 물리학자 Flerov와 Petrzhak에 의해 발견되었습니다. 우라늄 235 U는 약 2 * 10 17년의 반감기로 핵분열이 가능합니다. 핵분열 당 10 8 α 붕괴가 있으며 이 현상은 감지하기가 매우 어렵습니다.

기본 핵분열 이론

낙하 모형을 이용하여 핵분열 가능성의 기본 조건을 알아봅시다.

핵분열 에너지

핵분열 고려 씨두 조각으로 C => B 1 + B 2... 핵과 파편의 결합 에너지가 비율로 관련되면 에너지가 방출됩니다.

G osc = G C - G 1 - G 2 낙하 모델을 기반으로 질량 수 에이씨및 일련 번호 ZC조건 (7)이 충족됩니다.

(8)

더 작은 조각을 취하면서 (7)에서 이러한 표현을 대체합시다. Z 1 = (2/5) Z C, A 1 = (2/5) A C그리고 더 무거운 Z 2 = (3/5) Z C, A 2 = (3/5) A C.

(8)의 첫 번째 및 네 번째 항은 취소됩니다. 그들은 에 대해 선형입니다. NS그리고 지.

(9)의 처음 두 항은 표면 장력 에너지의 변화입니다. ΔW 관점, 그리고 마지막 두 개는 쿨롱 에너지의 변화입니다. △W쿨... 부등식(7)은 이제 다음과 같습니다.

G osc = - ΔW sp - ΔW 냉각 = 0.25 ΔW sp - 0.36 ΔW 냉각

만약에 Z 2 / A> 17그러면 에너지가 방출됩니다. 태도 Z 2 / A라고 분할 매개변수.

상태 Z 2 / A> 17은부터 시작하여 모든 코어에 대해 수행됩니다. 47 108 Ag... 값비싼 우라늄이 원자로의 연료로 사용되는 이유는 값싼 재료가 아니라 아래에서 명확해질 것입니다.

분할 메커니즘

상태 Z 2 / A> 17주기율표 후반부의 모든 요소에 대해 수행됩니다. 그러나 경험에 따르면 매우 무거운 핵만 분열되어 있습니다. 무슨 일이야? 기억하자 α -부식. 매우 자주 그것은 에너지적으로 유익하지만 발생하지 않습니다. 쿨롱 장벽을 방지합니다. 분할의 경우 상황이 어떻게 되는지 봅시다. 핵분열의 가능성은 초기 핵과 파편의 표면과 쿨롱 에너지의 합의 크기에 달려 있습니다. 핵의 변형에 따라 이러한 에너지가 어떻게 변하는지 봅시다. 분할 매개변수 ρ .

표면 장력 에너지 여 포증가하고 파편이 구형을 취할 때 일정하게 유지됩니다. 쿨롱 에너지 W 쿨처음에는 천천히 감소하다가 점차 감소합니다. 1 / ρ... 그들의 합계 Z 2 / A> 17그리고 Z 2 / A는 그림 13과 같이 동작합니다. 높이가 있는 전위 장벽이 있습니다. 비에프분열 방지. 양자역학적 누설 현상(터널링 효과)에 의해 자연 핵분열이 일어날 수 있으나, 그 확률이 ​​극히 낮아 위에서 언급한 바와 같이 반감기가 매우 크다.

만약에 Z 2 / A> 49, 장벽의 높이 B f = 0, 그리고 그러한 핵의 핵분열은 순간적으로 발생한다(핵 시간에 10 -23 와 함께).

핵분열을 위해서는 핵에 다음보다 큰 에너지를 주어야 한다. 비에프... 이것은 중성자를 포획함으로써 가능합니다. 이 경우 공식 (2)는 다음과 같습니다.

(11)

여기 ε n포획하는 동안 얻은 핵의 중성자의 결합 에너지입니다. T n는 입사 중성자의 운동 에너지입니다.

중성자의 상호 작용에 대한 고려 사항을 요약해 보겠습니다.

하전 입자의 영향으로 핵 반응

중성자와 달리 하전 입자와 핵의 충돌을 고려할 때 쿨롱의 존재를 고려할 필요가 있습니다

장벽. 중성자와 핵의 상호 작용은 반지름이 있는 깊은(30 - 40 MeV) 전위 우물이 특징입니다. 리(그림 14a). 핵에 가까이 오는 중성자는 강한 인력을 경험합니다. 하전입자가 핵과 상호작용하는 경우 전위곡선은 그림 14b와 같은 형태를 갖는다. 핵에 접근할 때 우리는 먼저 쿨롱 반발력(장거리 힘)을 가지며, 리강력한 핵 인력이 작용합니다. 쿨롱 장벽 높이 비 쿨거의 같음

예를 들어, 산소 핵과 충돌하는 양성자의 경우 장벽 높이는 3.5MeV이고 우라늄의 경우 15MeV입니다. 을위한 α -입자, 장벽 높이가 2배 더 높습니다. 입자의 운동에너지가 T, 터널링 효과로 인해 입자가 핵으로 들어갈 가능성이 있습니다. 그러나 배리어의 투명도가 극히 낮아 탄성산란이 일어날 가능성이 가장 높다. 같은 이유로 하전 입자가 핵을 떠나기가 어렵습니다. 기억하자 α -부식.

하전 입자에 대한 핵 반응에 대한 단면의 의존성은 임계값 특성을 갖습니다. 그러나 공명 피크는 제대로 표현되지 않거나 완전히 부재합니다. ~ MeV의 에너지에서 핵 준위의 밀도가 높고 중첩됩니다.

미래에는 다음 유형의 열핵 융합 반응과 관련하여 큰 희망이 있습니다. 2 H + 2 H => 3 He + p또는 2 H + 3 H => 4 He + n, 이는 매우 높은 에너지 방출로 구별됩니다. 이러한 반응의 장애물은 쿨롱 장벽입니다. 입자의 에너지가 다음과 같은 온도로 물질을 가열하는 것이 필요합니다. kT그들이 반응하게하십시오. 온도 1.16 10 7 1keV에 해당합니다. 자체 유지 "플라즈마" 반응을 얻으려면 세 가지 조건이 충족되어야 합니다.

플라즈마는 필요한 온도로 가열되어야 하며,

플라즈마 밀도는 충분히 높아야 합니다.

온도와 밀도는 장기간에 걸쳐 유지되어야 합니다.

그리고 계속해서 문제가 있습니다. 자기 트랩에 플라즈마를 가두는 것, 강력한 중성자 조사를 견딜 수 있는 원자로를 위한 재료의 생성 등입니다. 열핵융합을 이용한 전기 생산이 얼마나 비용 효율적일 수 있는지는 여전히 불분명합니다. 지속적인 연구 진행이 되었습니다.

최대 에너지 손실(최소 엔 "엔)에있을 것입니다 θ = π : E "최소 = αE(수소의 경우 E "최소 = 0).

낮은 에너지에서((1) 참조) 산란은 등방성이며 모든 각도 값 θ 확률적으로 동일합니다. 산란 각도 사이에서 θ 그리고 산란된 중성자의 에너지 엔 "엔관계가 모호하지 않으면(12) 단일 산란 후 에너지의 중성자 분포가 균일합니다(그림 15). 공식으로 나타낼 수 있습니다

(13)

평균 대수 에너지 손실. 감속 능력. 감속 계수

많은 수의 충돌이 중성자 에너지에 어떤 영향을 미치는지 봅시다. 이 경우 에너지 스케일이 아닌 로그 스케일을 사용하는 것이 편리합니다. ε = lnE: 우리는 보았다((12) 참조) 에 "/ 에의존하지 않는다 이자형, 즉. 평균적으로 에너지 손실 비율은 동일합니다. 에너지 규모에서 에너지 변화는 다음과 같습니다.

저것들. 바로 그거죠 lnE, 하지만 이자형다소 고정된 양만큼 변경됩니다.

충돌 후 평균 중성자 에너지

평균 에너지 손실

평균 대수 에너지 손실

ξ 의존하지 않는다 이자형... 축 이동 lnE제복. 평균 충돌 횟수를 계산할 수 있습니다. N속도를 늦추다 E 시작결승전 이콘:

(14)

아래 표는 값을 보여줍니다 ξ 그리고 N 1 MeV 에너지에서 0.025 eV 열까지 중성자 감속이 있는 다수의 핵에 대해.

				ξΣ s, 1/cm	ξΣ s / Σ a

4열을 보면 수소가 다른 것보다 감속이 잘 되는 것처럼 보일 수 있습니다. 그러나 충돌 빈도도 고려해야 합니다. 기체 및 액체 수소용 ξ = 1, 그러나 감속 중에 이동하는 경로가 다를 것임은 분명합니다. 다섯 번째 열은 대수 손실을 보여줍니다. ξ 충돌률의 곱 - 지연 능력... 그리고 여기에서 최고의 중재자는 일반 물입니다. 그러나 좋은 감속기는 중성자를 잘 흡수하지 못합니다. 마지막 6번째 열에서 평균 대수 손실에 거시적 산란 및 흡수 단면적의 비율을 곱합니다. 숫자를 비교하면 중수나 흑연이 원자로에서 감속재로 사용되는 이유가 분명합니다.

평균 감속 시간

초기 에너지로부터 충돌의 결과로 중성자가 감속하는 데 필요한 시간을 추정해 봅시다. E 0결승전 전자... 우리는 에너지 축을 작은 부분으로 나눕니다. ΔE... 세그먼트당 충돌 ΔE가까운 이자형

자유 경로 길이 λ 초탄성 산란 단면에 의해 결정됨 σs그리고 조절핵의 ​​농도 N

, (15)

어디 ∑ s라고 하는 양이다. 거시적 단면... 감속에 필요한 시간 ΔE는 시간 간격과 자유 경로의 통과를 충돌 횟수로 곱한 값으로 정의됩니다. ΔE

극소량으로 전달하고 적분하면 감속 시간에 대해 얻습니다. NS

예를 들어 베릴륨의 경우 E 0= 2MeV, 전자= 0.025eV, λ 초= 1.15cm, ξ = 0.21 우리는 ~ 3.4 · 10 -5 초를 얻습니다. 첫째, 이 값은 자유 중성자의 반감기(~600초)보다 훨씬 짧고, 둘째, 유한 에너지 근처의 운동에 의해 결정됩니다.

중성자의 공간 분포

매질이 초기 에너지를 갖는 빠른 중성자의 점 등방성 소스를 갖도록 하십시오. E 0... 거리 엘 대리, 평균적으로 중성자는 감속 중에 제거됩니다. 전자이라고 감속 길이... 중성자가 지나는 실제 경로는 훨씬 더 큽니다. 운동의 궤적은 길이의 세그먼트의 파선입니다 λ 초... 수량 엘 대리중성자의 초기 및 최종 에너지인 감속 매체의 매개변수에 의해 결정됩니다.

2 MeV에서 열 0.025 eV로 감속하는 중수용 엘 대리~ 11 cm, 흑연의 경우 ~ 20 cm.

감속 길이 정도의 반경을 가진 볼륨에서 감속의 결과로 Maxwellian 에너지 분포를 갖는 열 중성자가 생성됩니다. 열 중성자는 확산(무질서하게 이동)하기 시작하여 소스에서 모든 방향으로 물질을 통해 퍼집니다. 이 과정은 중성자의 흡수를 고려한 확산 방정식으로 설명됩니다.

(16)

이 방정식에서 Φ - 중성자 플럭스(단위 시간당 단위 면적을 가로지르는 중성자의 수), ∑ s그리고 ∑는 각각 거시적 산란((15) 참조) 및 흡수 단면적이며, NS- 확산 계수, NS- 중성자 소스. 이 방정식에서 첫 번째 항은 물질 내 중성자의 운동, 두 번째 항은 흡수, 세 번째 탄생을 설명합니다.

확산 과정을 설명하는 매체의 주요 특성은 확산 길이 L 차이

확산 길이는 흡수 전에 소스에서 중성자의 평균 제거를 특징으로 합니다. 중수용 L 차이~ 160 cm, 흑연의 경우 ~ 50 cm 일반 물은 중성자를 강하게 흡수하고 L 차이불과 2.7 cm.확산 중 중성자 경로가 얼마나 구불구불하고 긴지는 확산 길이(흑연 50cm)와 흡수 전 평균 중성자 경로 길이를 비교하여 판단할 수 있습니다. λ a = 1 / Σ(동일한 흑연 3300cm에서).

실제로, 그들은 종종 한 매질에서 다른 매질로의 중성자의 전이를 다룬다. 예를 들어, 원자로 노심은 반사체로 둘러싸여 있습니다. 반사 계수 β - 소스가 없는 환경에서 소스 환경으로 되돌아오는 중성자의 비율. 약, β ≈ 1 - 4 D/L 차이여기서 매개변수는 소스가 없는 환경을 나타냅니다. 예를 들어 흑연 반사경에서 β = 0.935, 즉 중성자의 93%가 돌아올 것입니다. 흑연은 훌륭한 반사체입니다. 중수만 더 낫습니다. β = 0.98!

핵분열성 물질을 포함하는 매질에서의 연쇄 반응

우리는 핵분열성 물질을 포함하는 균질한 매질을 가지고 있습니다. 중성자의 외부 소스는 없으며 핵분열의 결과로만 나타날 수 있습니다. 우리는 모든 과정이 동일한 에너지(소위 단일 속도 근사). 문제는 고정 연쇄 반응이 유지되는 이 물질로 공을 만드는 것이 가능합니까?

다음이 필요합니다.

• 거시적 중성자 흡수 단면 Σ 흡수, 분할하지 않고 그립 부분으로 구성 Σ 캡처(방사선 포획) 및 핵분열 단면 ∑ 케이스: Σ 흡수 = Σ 캡처 + ∑ 케이스;
• 평균 중성자 수 υ 분할의 한 행위에서 해제됩니다.

그런 다음 중성자 플럭스에 대한 방정식 Φ 고정 된 경우 다음과 같이 보일 것입니다.

경계 조건으로

,

어느 정도 거리를 두고 있다는 뜻입니다. NS반경의 핵분열 덩어리에서 NS스레드는 0이 되어야 합니다.

흐름에 대한 방정식을 비교하면 Φ (16)을 사용하면 소스가 수량임을 알 수 있습니다. υΣ div Φ- 단위 시간당 단위 부피당 생성된 중성자의 수.

세 가지 경우를 고려하십시오

υΣ div - 흡수된 것보다 생성되는 중성자 수가 적습니다. 물론 정지 반응은 불가능합니다.

• υΣ div = Σ 앱소르- 소스는 중성자의 흡수를 보상합니다. 방정식 (17)의 해는 다음을 제공합니다. Φ = 상수만을 위한 끝없는 환경그렇지 않으면 매체 경계를 통한 중성자 누출로 인해 반응이 약해질 것입니다.

  υΣ div> Σ 앱소르- 잉여 중성자가 공의 경계를 통해 빠져나가도록(핵폭발을 방지하기 위해) 핵분열성 물질의 공과 같은 크기를 선택하는 것이 가능합니다.

표기법을 소개하자면 ω 2 = (Σ 흡수 - υΣ div) / D> 0... 식 (17)은 다음과 같은 형식을 취합니다.

(18)

그의 공통의 결정처럼 보인다

(19)

계수 NS(19)에서 솔루션이 다음에서 발산하지 않도록 0과 동일하게 설정해야 합니다. r = 0... 최종 솔루션을 찾는 것은 경계 조건과 우라늄 동위원소의 천연 혼합물(235U - 0.7%, 235U - 99.3%, Σ 흡수= 0.357 1 / cm, ∑ 케이스= 0.193 1 / cm, υ = 2.46) 총계의 최소값으로 얻습니다. R ≈ 5이 작업은 실제 작업과 어떻게 다른가요?를 참조하세요. 사실, 중성자는 빨리 태어나고 열 에너지로 느려져야 합니다. E. Fermi(1942)에 의해 건설된 첫 번째 원자로는 약 350cm의 치수를 가졌습니다.

연쇄 반응. 원자로

정지 핵분열 연쇄 반응을 통해 에너지를 얻는 장치를 원자원자로(예: 원자력 발전소, 원자력 발전소라고 함), 실제로는 핵무기원자로. 원자로의 설계는 매우 복잡하지만 모든 원자로의 필수 요소는 핵분열 반응이 일어나는 노심입니다.

코어는 핵분열성 물질, 감속재, 제어(조절) 봉, 구조적 요소를 포함하며 후자의 손실을 줄이기 위해 중성자 반사체로 둘러싸여 있습니다. 이 모든 것은 중성자 플럭스에 대한 보호 내부에 있습니다. γ - 방사능.

핵에 있는 중성자의 운명

이 핵의 후속 핵분열과 함께 핵에 의한 우라늄 포획;

방출과 함께 바닥 상태로 핵의 후속 전이와 함께 핵에 의한 우라늄 포획 γ - 양자(방사선 캡처);

중재자 코어 또는 구조적 요소의 캡처;

핵심에서 출발;

제어봉에 의한 흡수.

중성자는 핵분열 과정에서 방출된 다음 흡수되거나 핵을 떠납니다. 로 나타내자 케이곱셈 계수 - 차세대 중성자 수의 비율 니 + 1이전 번호로 나는

한 세대의 일생을 소개한다면 τ , 중성자 수에 대한 방정식 N그의 솔루션은 다음과 같습니다

(21)

계수의 경우 케이 1과 다르면 중성자 수가 감소합니다( k) 또는 증가( k> 1) 기하급수적으로, 즉 매우 빠릅니다.

(배율의 영향을 관찰 케이그리고 한 세대의 일생 τ 중성자 수의 역학 간단한 경험으로)

생식 인자 케이계수의 곱으로 나타낼 수 있습니다. k ∞무한한 환경과 확률을 위해 ~ 아니다활성 영역을 떠나 χ

수량 χ 코어의 구성, 크기, 모양, 반사경 재료에 따라 다릅니다.

열 중성자에서 작동하는 원자로를 고려하면 계수 k ∞네 가지 요인으로 나타낼 수 있습니다.

어디

ε 는 빠른 중성자 증배 계수입니다(우라늄과 흑연으로 만든 실제 시스템의 경우). ε ~ 1.03);

NS- 감속 중 공진 포착을 피할 가능성. 중성자는 빠르게 생성되며 열 에너지로 감속할 때 흡수 단면의 공명 영역을 극복해야 함을 기억하십시오(그림 10 참조).

NS- 우라늄 핵에 의해 흡수된 중성자의 비율(감속제나 구조적 요소가 아님). ε p f ≈ 0.8;

η 는 우라늄 핵에 의해 한 번의 포획 행위당 방출되는 평균 중성자 수입니다(포획 중에 핵분열이 발생할 수 있음, 또는 γ -양). η ≈ 1.35(핵분열 사건당 중성자 수에 대해 ~ 2.5와 비교).

주어진 데이터에서 다음과 같습니다. k ∞ = 1.08그리고 χ = 0.93, 5 - 10m 정도의 반응기 크기에 해당합니다.

임계 질량- 자체 유지 핵분열 반응이 일어날 수 있는 핵분열 물질의 최소 질량. 물질의 질량이 임계값 이하이면 핵분열 반응에 필요한 중성자를 너무 많이 잃어 연쇄 반응이 일어나지 않는다. 임계 질량보다 질량이 크면 연쇄 반응이 눈사태처럼 가속되어 핵 폭발로 이어질 수 있습니다.

임계 질량은 핵분열성 시료의 표면을 통한 시료의 중성자 누출을 결정하기 때문에 핵분열성 시료의 크기와 모양에 따라 달라집니다. 구형 샘플은 표면적이 가장 작기 때문에 최소 임계 질량을 갖습니다. 핵분열성 물질을 둘러싼 중성자의 반사체와 감속재는 임계 질량을 크게 줄일 수 있습니다. 임계 질량은 또한 다음에 따라 달라집니다. 화학적 구성 요소견본.

국내 원자로의 "할아버지"는 과학 기술 기념물의 지위를받은 최초의 물리적 원자로 F-1입니다. 1946년 I.V. 쿠르차토프. 우라늄 봉용 구멍이 있는 막대 형태의 정제 흑연을 감속재로 사용했습니다. 제어는 열 중성자를 강하게 흡수하는 카드뮴을 함유한 막대에 의해 수행되었습니다. 보일러의 코어에는 흑연 400톤과 우라늄 50톤이 들어 있었다. 원자로 출력은 약 100W였으며 특별한 열 제거 시스템은 없었습니다. 작동 중에 많은 양의 흑연에 열이 축적되었습니다. 그런 다음 흑연 석조물을 팬의 기류로 냉각했습니다. 이 원자로는 여전히 제대로 작동하고 있습니다.

전 세계 전력 생산에서 원자력이 차지하는 비중은 다른 해 10-20%. 전력의 가장 큰 비율(~ 74)은 프랑스의 원자력 발전소에서 생산됩니다. 러시아 ~ 15%.

원자로의 물리적 시동 과정이 어떻게 보이는지 컴퓨터 모델로 보여줍니다.

강의자료를 어떻게 배웠는지 확인하고 싶으시다면,

핵의 구조에 대한 아이디어 개발에서 중요한 역할은 핵의 여기 상태의 스핀과 패리티에 대한 광범위한 정보를 제공하고 껍질 모델의 개발에 기여한 핵 반응 연구에 의해 수행되었습니다. 충돌하는 핵 사이의 여러 핵자 교환에 대한 반응 연구는 큰 각운동량을 갖는 상태에서 핵 역학을 연구하는 것을 가능하게 했습니다. 그 결과, 핵의 일반화된 모델을 만드는 기초 중 하나 역할을 하는 긴 회전 스트립이 발견되었습니다. 무거운 핵이 충돌하면 자연에 존재하지 않는 핵이 형성됩니다. 초우라늄 원소의 합성은 주로 중핵 상호작용의 물리학을 기반으로 합니다. 무거운 이온과의 반응에서 β-안정성 밴드에서 멀리 떨어진 핵이 형성됩니다. β-안정성 밴드에서 멀리 떨어진 핵은 쿨롱과 핵 상호작용 사이의 다른 비율, 양성자 수와 중성자 수 사이의 비율, 양성자와 중성자의 결합 에너지의 상당한 차이에 의해 안정 핵과 다릅니다. 새로운 유형의 방사성 붕괴 - 양성자 및 중성자 방사능 및 원자핵의 기타 여러 특정 기능.
핵 반응을 분석할 때 핵과 상호 작용하는 입자의 파동 특성을 고려해야 합니다. 입자와 핵의 상호 작용 과정의 파동 특성은 탄성 산란에서 명확하게 나타납니다. 따라서 10 MeV의 에너지를 갖는 핵자의 경우 감소된 드브로이 파장은 핵의 반경보다 작으며 핵자 산란 동안 회절 최대 및 최소의 특징적인 패턴이 발생합니다. 0.1 MeV의 에너지를 가진 핵자의 경우 파장이 핵의 반지름보다 크고 회절이 없습니다. 에너지가 있는 중성자의 경우<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
핵 반응은 핵 역학을 연구하는 효과적인 방법입니다. 핵 반응은 두 입자가 상호 작용할 때 발생합니다. 핵 반응 중에는 입자 사이에 에너지와 운동량이 활발하게 교환되어 하나 이상의 입자가 형성되어 상호 작용 영역에서 산란됩니다. 핵 반응의 결과로 원자핵의 복잡한 구조 조정 과정이 발생합니다. 핵의 구조에 대한 설명에서와 같이 핵 반응에 대한 설명에서 문제의 정확한 솔루션을 얻는 것은 실제로 불가능합니다. 그리고 핵의 구조가 다른 핵 모델로 설명되는 것처럼 핵 반응의 과정은 다른 반응 메커니즘으로 설명됩니다. 핵 반응의 메커니즘은 입사 입자의 유형, 표적 핵의 유형, 입사 입자의 에너지 및 기타 여러 요인과 같은 여러 요인에 따라 달라집니다. 핵 반응의 제한적인 경우 중 하나는 다음과 같습니다. 직접적인 핵반응... 이 경우 입사 입자는 핵의 하나 또는 두 개의 핵자에 에너지를 전달하고 핵의 다른 핵자와 상호 작용하지 않고 핵을 떠납니다. 직접 핵 반응 과정의 특징적인 시간은 10-23초입니다. 직접 핵 반응은 입사 입자의 모든 에너지에서 모든 핵에서 발생합니다. 직접 핵 반응은 원자핵의 단일 입자 상태를 연구하는 데 사용됩니다. 반응 생성물은 핵자가 녹아웃되는 수준의 위치에 대한 정보를 전달합니다. 직접적인 핵 반응의 도움으로 핵의 껍질 모델의 기초를 형성하는 핵의 단일 입자 상태의 에너지와 점유에 대한 자세한 정보를 얻었습니다. 또 다른 제한적인 경우는 복합 핵 형성.

핵 반응의 메커니즘에 대한 설명은 W. Weisskopf의 작업에서 제공되었습니다.

V. 바이스코프: "입자가 핵에 들어가 핵 구성 요소 중 하나와 충돌하면 어떻게됩니까? 그림은 이러한 가능성 중 일부를 보여줍니다.
1) 떨어지는 입자는 에너지의 일부를 잃어 핵 입자를 더 높은 상태로 올립니다. 이는 입사 입자에 코어를 다시 떠날 수 있는 충분한 에너지가 남아 있는 경우 비탄성 산란의 결과입니다. 이 과정은 핵의 한 구성 부분에만 산란을 포함하기 때문에 직접 비탄성 산란이라고 합니다.
2) 낙하하는 입자는 에너지를 집합운동으로 전달하는데, 이는 그림의 두 번째 도표에서 상징적으로 나타낸 바와 같이 직접적인 상호작용이기도 하다.
3) 그림의 세 번째 방식에서 전달된 에너지는 표적에서 핵자를 끌어낼 만큼 충분히 큽니다. 이 과정은 또한 직접적인 핵 반응에 기여합니다. 원칙적으로 1)과 다르지 않고 "교환반응"에 해당한다.
4) 떨어지는 입자는 너무 많은 에너지를 잃어서 핵 내부에 결합된 상태로 남아 있을 수 있으며, 전달된 에너지는 핵을 떠날 수 없는 방식으로 낮은 핵자에 의해 수신될 수 있습니다. 그런 다음 핵자를 방출할 수 없는 여기된 핵을 얻습니다. 이 상태는 필연적으로 내부 충돌에 의한 핵자의 추가 여기로 이어지며 여기된 입자당 에너지는 평균적으로 감소하므로 대부분의 경우 핵자가 핵을 떠날 수 없습니다. 결과적으로, 수명이 매우 긴 상태에 도달하게 되는데, 이는 핵 내부의 충돌에서 하나의 입자가 우연히 핵을 떠날 만큼 충분한 에너지를 획득하는 경우에만 붕괴될 수 있습니다. 우리는 이러한 상황을 복합 핵의 형성이라고 부릅니다. 에너지는 또한 방사선에 의해 손실될 수 있으며, 그 후에 입자의 탈출은 에너지적으로 불가능해집니다. 입사 핵자는 방사선 포획을 경험하게 됩니다.
5) 화합물 핵의 형성은 유형 1) 또는 2) 과정 후에 입사 핵자가 도중에 다른 핵자와 충돌하여 핵에서 탈출하는 방식으로 그것을 여기하는 경우 두 단계 이상으로 수행될 수 있습니다. 어떤 핵자에게도 불가능합니다.

N. Bohr는 처음으로 복합핵의 단계를 통한 핵반응의 진행에 대한 아이디어를 표현했습니다. 복합 핵 모델에 따르면 입사 입자는 핵의 하나 또는 두 개의 핵자와 상호 작용한 후 대부분의 에너지를 핵으로 전달하고 핵에 포착됩니다. 화합물 핵의 수명은 입사 입자가 핵을 통과하는 시간보다 훨씬 깁니다. 입사 입자에 의해 핵으로 도입된 에너지는 상당 부분이 하나의 입자에 집중될 때까지 핵의 핵자 사이에 재분배된 다음 핵 밖으로 날아갑니다. 수명이 긴 여기 상태의 형성은 변형의 결과로 분열로 이어질 수 있습니다.

N. 보르: "중성자 포획 현상은 빠른 중성자와 무거운 핵 사이의 충돌이 무엇보다도 놀라운 안정성을 특징으로 하는 복잡한 시스템의 형성으로 이어져야 한다고 가정하도록 강요합니다. 물질 입자의 탈출 또는 복사 에너지 양자의 방출과 함께 최종 상태로의 전이와 함께 이 중간 시스템의 가능한 후속 붕괴는 충돌의 첫 번째 단계와 직접적으로 관련이 없는 독립적인 과정으로 간주되어야 합니다. 우리는 여기에서 지금까지 원자 구조에 관한 주요 정보 출처였던 실제 핵 반응(빠른 입자와 원자 시스템의 일반적인 충돌) 사이에 이전에는 인식되지 않았던 상당한 차이를 만납니다. 실제로, 그러한 충돌을 통해 개별 원자 입자를 세는 가능성과 그 특성에 대한 연구는 우선 고려 중인 시스템의 "개방성"에 기인하며, 이는 개별 구성 입자 간의 에너지 교환을 거의 불가능하게 만듭니다. 파업 중. 하지만 핵 안에는 입자들이 촘촘히 밀집되어 있기 때문에 전형적인 핵반응에서 주된 역할을 하는 것이 바로 이 에너지 교환이라는 사실에 대비해야 한다”고 말했다.

핵 반응의 분류.핵반응은 원자핵의 구조를 연구하는 효과적인 수단입니다. 입사 입자의 파장이 핵의 크기보다 크면 이러한 실험에서 핵 전체에 대한 정보가 얻어집니다. 핵의 크기가 작으면 핵 물질의 밀도 분포, 핵 표면 구조, 핵 내 핵자 간의 상관 관계, 핵 껍질 위의 핵자 분포에 대한 정보가 추출됩니다. 반응 단면.

• 상대적으로 큰 질량의 하전 입자(양성자, α-입자 및 탄소, 질소의 중이온)의 작용 하에서 핵의 쿨롱 여기는 중핵의 낮은 회전 수준을 연구하는 데 사용됩니다.
• 충돌하는 핵의 융합으로 이어지는 무거운 핵에서 무거운 이온과의 반응은 초중량 원자핵을 생성하는 주요 방법입니다.
• 비교적 낮은 충돌 에너지에서 가벼운 핵의 융합 반응(소위 열핵 반응). 이러한 반응은 쿨롱 장벽을 통한 양자 기계적 터널링으로 인한 것입니다. 열핵 반응은 10 7 –10 10 K의 온도에서 별 내부에서 발생하며 별의 주요 에너지원입니다.
• 광핵 및 전자 핵 반응은 γ-양자 핵 및 E> 10 MeV 에너지를 갖는 전자와 충돌할 때 발생합니다.
• 무거운 핵의 핵분열 반응은 핵의 깊은 구조 조정을 동반합니다.
• 방사성 핵 빔과의 반응은 안정선에서 멀리 떨어진 양성자와 중성자 수의 비정상적인 비율로 핵을 얻고 연구할 가능성을 열어줍니다.

핵반응은 일반적으로 입사 입자의 종류와 에너지, 표적 핵의 종류, 입사 입자의 에너지에 따라 분류된다.

느린 중성자 반응

“1934년 어느 날 아침 Bruno Pontecorvo와 Eduardo Amaldi는 방사능에 대해 일부 금속을 테스트하고 있었습니다. 이 샘플은 중성자 소스를 넣을 수 있는 같은 크기의 작은 중공 실린더 모양입니다. 이러한 실린더를 조사하기 위해 중성자 소스를 삽입한 다음 모든 것을 납 상자에 넣었습니다. 이 중요한 아침에 Amaldi와 Pontecorvo는 은으로 실험을 수행했습니다. 그리고 갑자기 Pontecorvo는 은색 실린더에 이상한 일이 일어나고 있음을 알아차렸습니다. 그 활동이 항상 같지는 않았고 납 상자의 중앙 또는 모서리에 배치된 위치에 따라 변경되었습니다. 완전히 당황한 Amaldi와 Pontecorvo는 Fermi와 Rasetti에게 이 기적을 보고하기 위해 갔다. Franke는 이러한 기이함을 일부 통계적 오류나 부정확한 측정으로 인한 것이라고 생각했습니다. 그리고 모든 현상에는 검증이 필요하다고 믿었던 Enrico는 이 은색 실린더를 납 상자 외부에 조사해 보고 무슨 일이 일어나는지 보도록 제안했습니다. 그리고 그들은 절대적으로 놀라운 기적을 일으켰습니다. 실린더 근처의 물체가 활동에 영향을 줄 수 있음이 밝혀졌습니다. 실린더를 나무 탁자 위에 놓고 조사하면 금속판 위에 놓았을 때보다 활성이 더 높았다. 이제 전체 그룹이 이것에 관심이 있었고 모두가 실험에 참여했습니다. 그들은 실린더 외부에 중성자 소스를 배치하고 실린더와 실린더 사이에 다양한 물체를 배치했습니다. 리드 플레이트는 활동을 약간 증가시켰습니다. 선두−물질이 무겁다. "자, 이제 쉽게 해보자!−Fermi가 제안했습니다.−파라핀이라고 합시다." 10월 22일 아침, 파라핀으로 실험을 진행했습니다.
그들은 큰 파라핀 조각을 가져와 구멍을 뚫고 내부에 중성자 소스를 넣고 은 실린더에 조사하여 가이거 계수기로 가져왔습니다. 사슬에서 떨어진 것처럼 카운터가 찰칵 소리를 냈다. 건물 전체가 감탄사를 터뜨렸습니다. “놀랍습니다! 상상할 수 없는! 마법!" 파라핀은 은의 인공 방사능을 100배 증가시켰습니다.
정오가 되자 한 무리의 물리학자들이 마지못해 흩어지는 점심시간이 보통 2시간이었는데... 엔리코는 고독을 틈타 실험실로 돌아왔을 때 이미 파라핀의 기이한 효과를 설명하는 이론을 갖고 있었다. "