Классификация ядерных реакций и их практическое использование. Ядерные реакции, их классификации

Испускание элементарных частиц и тепловой энергии. Ядерные рии могут сопровождаться как выделением энергии так и ее поглощением. Колво энергии называется энергией рии это разность масс исходных и конечных ядер. Классификации по след признакам: L по энергии элемент частиц участвуют в ядерных рциях: при малых энергиях 1эВ рции на медленных нейтронах: рции на эл частицах средней энергии с заряж частиц электронов протонов ионов дейтонов =1МэВ; на частицах высокой энергии 103МэВ космические лучи частицы получают в ускорителях...

Поделитесь работой в социальных сетях

Если эта работа Вам не подошла внизу страницы есть список похожих работ. Так же Вы можете воспользоваться кнопкой поиск

45. Ядерные реакции и их классификация

Ядерные реакции - это процесс интенсивного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другом ядром, приводящих к превращению ядер. Испускание элементарных частиц и тепловой энергии. Взаимодействие реагирующих частиц возникает при сближении их до расстояния порядка 10~ 13 см благодаря действию ядерных сил. Наиболее распространения ядерная реакцией является, взаимодействуют легкой частицы, а с ядром X , в результирующего которого образ эл частица b и ядро Х. Ядерные р-ии могут сопровождаться как выделением энергии так и ее поглощением. Кол-во энергии называется энергией р-ии - это разность масс исходных и конечных ядер. Классификации по след признакам: L по энергии элемент частиц, участвуют в ядерных р-циях: при малых энергиях 1эВ - р-ции на медленных нейтронах: р-ции на эл частицах средней энергии с заряж частиц -электронов, протонов,ионов, дейтонов >=1МэВ; на частицах высокой энергии(~10 3 МэВ - космические лучи, частицы получают в ускорителях) по природе участвуют элемент частица нейтронах; на заряженных частицах; вызываемые у - квантами, по природе(массе) ядер участвуют в р-ции: на легких(А Σ погл - можно подобрать такие размеры шара из делящегося вещества, чтобы излишек нейтронов уходил через границы шара (не допустить ядерного взрыва).

Введем обозначение ω 2 = (Σ погл - υΣ дел)/D > 0 . Уравнение (17) примет вид

(18)

Его общее решение выглядит как

(19)

Коэффициент B в (19) надо положить равным нулю, чтобы решение не расходилось при r = 0 . Нахождение окончательного решения осложнено корректным учетом граничного условия, и для естественной смеси изотопов урана (235 U - 0.7%, 235 U - 99.3%, Σ погл = 0.357 1/см, Σ дел = 0.193 1/см, υ = 2.46) получаем в качестве минимального значения всего R ≈ 5 см. Чем эта задача отличается от реальной? В действительности нейтроны рождаются быстрыми, и их надо замедлить до тепловых энергий. Первый реактор, построенный Э. Ферми (1942 год), имел размеры порядка 350 см.

Цепная реакция. Атомный реактор

Устройства, в которых энергия получается за счет стационарной цепной реакции деления, называют атомными реакторами (например, говорят, атомная электростанция, АЭС), хотя по сути это ядерные реакторы. Конструкция атомных реакторов очень сложна, но необходимым элементом любого реактора является активная зона, в которой происходит реакция деления.

Активная зона содержит делящееся вещество, замедлитель, управляющие (регулирующие) стержни, элементы конструкции и окружена отражателем нейтронов для уменьшения потерь последних. Все это находится внутри защиты от потока нейтронов, γ -излучения.

захват ядром урана с последующим делением этого ядра;

захват ядром урана с последующим переходом ядра в основное состояние с испусканием γ -квантов (радиационный захват);

захват ядрами замедлителя или элементов конструкции;

вылет из активной зоны;

поглощение регулирующими стержнями.

Нейтроны испускаются при делении ядер, затем поглощаются или покидают активную зону. Обозначим через k коэффициент размножения - отношение числа нейтронов последующего поколения n i+1 к числу в предыдущем n i

Если ввести время жизни поколения τ , то уравнение для числа нейтронов n и его решение будут выглядеть так

(21)

Если коэффициент k отличен от 1, то число нейтронов убывает (k) или возрастает (k > 1 ) по экспоненциальному закону, т.е.очень быстро.

(Проследите за влиянием коэффициента размножения k и времени жизни поколения τ на динамику числа нейтронов на простом опыте )

Коэффициент размножения k можно представить в виде произведения коэффициента k ∞ для бесконечной среды и вероятности не покинуть активную зону χ

Величина χ зависит от состава активной зоны, ее размеров, формы, материала отражателя.

Рассматривая реактор, работающий на тепловых нейтронов, коэффициент k ∞ можно представить в виде четырех сомножителей

ε - коэффициент размножения на быстрых нейтронах (для реальных систем из урана и графита ε ~ 1.03);

p - вероятность избежать резонансного захвата при замедлении. Вспомним, что рождаются нейтроны быстрыми, и при замедлении до тепловых энергий им надо преодолеть область резонансов в сечении поглощения (см. рис.10);

f - доля нейтронов, поглощаемая ядрами урана (а не замедлителя или элементов конструкции). ε·p·f ≈ 0.8 ;

η - среднее число нейтронов, испускаемых на один акт захвата ядром урана (при захвате может произойти деление ядра, а может испускание γ -квантов). η ≈ 1.35 (сравните с ~2.5 для числа нейтронов на один акт деления).

Из приведенных данных следует k ∞ = 1.08 и χ = 0.93 , что соответствует размерам реактора порядка 5 - 10 м.

Критическая масса – минимальная масса делящегося вещества, при которой в нём может происходить самоподдерживающаяся ядерная реакция деления. Если масса вещества ниже критической, то слишком много нейтронов, необходимых для реакции деления, теряется, и цепная реакция не идёт. При массе больше критической цепная реакция может лавинообразно ускоряться, что приведет к ядерному взрыву.

Критическая масса зависит от размеров и формы делящегося образца, так как они определяют утечку нейтронов из образца через его поверхность. Минимальную критическую массу имеет образец сферической формы, так как площадь его поверхности наименьшая. Отражатели и замедлители нейтронов, окружающие делящееся вещество, могут существенно снизить критическую массу. Критическая масса зависит и от химического состава образца.

"Дедушкой" отечественных ядерных реакторов является первый физический реактор Ф-1, получивший статус памятника науки и техники. Он запущен в 1946 году под руководством И.В. Курчатова. В качестве замедлителя использован очищенный графит в виде брусков с отверстиями для урановых стержней. Управление осуществлялось стержнями, содержащими кадмий, сильно поглощающий тепловые нейтроны. В активной зоне котла находилось 400 т графита и 50 т урана. Мощность реактора составляла порядка 100 Вт, специальной системы теплоотвода не было. При работе тепло аккумулировалось в большой массе графита. Затем графитовую кладку охлаждали струей воздуха от вентилятора. Этот реактор исправно работает и до сих пор.

Доля ядерной энергетики в глобальном производстве электричества составляла в разные годы 10-20%. Наибольший процент (~74) электроэнергии производится на АЭС во Франции. В России ~15%.

Как выглядит процесс физического пуска атомного реактора показывает компьютерная модель.

Если Вы хотите проверить, как усвоен материал лекции,

Профессор

И.Н.Бекман

ЯДЕРНАЯ ФИЗИКА

Лекция 16. ЯДЕРНЫЕ ВЗАИМОДЕЙСТВИЯ

Развитие ядерной физики в большой степени определяется исследованиями в области ядерных реакций. В данной лекции мы рассмотрим современную классификацию ядерных взаимодействий, их

термодинамику и кинетику, а также приведём отдельные примеры ядерных реакций.

1. КЛАССИФИКАЦИЯ ЯДЕРНЫХ РЕАКЦИЙ

Благодаря действию ядерных сил две частицы (два ядра или ядро и нуклон) при сближении до расстояний порядка 10 -13 см вступают между собой в интенсивное ядерное взаимодействие, приводящее к преобразованию ядра. Этот процесс называется ядерной реакцией. Во время ядерной реакции происходит перераспределение энергии и импульса обеих частиц, которое приводит к образованию нескольких других частиц, вылетающих из места взаимодействия. При столкновении налетающей частицы с атомным ядром между ними происходит обмен энергией и импульсом, в результате чего могут образовываться несколько частиц, вылетающих в различных направлениях из области взаимодействия.

Ядерные реакции – превращения атомных ядер при взаимодействии с элементарными частицами, γ -квантами или друг с другом.

Ядерная реакция - процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Э. Резерфорд в 1919, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Впоследствии с помощью камеры Вильсона были получены фотографии этого процесса.

Рис. 1. Процессы, происходящие в ходе ядерных реакций

(представлены входной и выходной каналы реакции).

Первая ядерная реакция осуществлена Э. Резерфордом в 1919: 4 He + 14 N→ 17 O + p или 14 N(α,p )17 O. Источником α -частиц являлся α- радиоактивный препарат. Радиоактивные α -препараты в то время были единственными источниками заряженных частиц. Первый ускоритель, специально созданный для изучения ядерных реакций был построен Кокрофтом и Уолтоном в 1932. На этом ускорителе впервые был

получен пучок ускоренных протонов и осуществлена реакция p + 7 Li → α + α.

Ядерные реакции – основной метод изучения структуры и свойств атомных ядер. В ядерных реакциях изучаются механизмы взаимодействия частиц с атомными ядрами, механизмы взаимодействия между атомными ядрами. В результате ядерных реакций получаются новые не встречающиеся в естественных условиях изотопы и химические элементы. Если после столкновения сохраняются исходные ядра и частицы и не рождаются новые, то реакция является упругим рассеянием в поле ядерных сил, сопровождается только перераспределением кинетической энергии и импульса частицы и ядра-мишени и называется потенциальным

рассеянием.

Следствием взаимодействия бомбардирующих частиц (ядер) с ядрами мишени может быть:

1) Упругое рассеяние, при котором ни состав, ни внутренняя энергия не меняются, а происходит лишь перераспределение кинетической энергии в соответствии с законом внутреннего удара.

2) Неупругое рассеяние, при котором состав взаимодействующих ядер не меняется, но часть кинетической энергии бомбардирующего ядра расходуется на возбуждение ядра мишени.

3) Собственно ядерная реакция, в результате которой меняются внутренние свойства и состав взаимодействующих ядер.

	Рис. 2. Ядерная реакция лития-6 с дейтерием 6 Li(d ,α)α
	В ядерных реакциях проявляются сильные, электромагнитные и слабые
	взаимодействия.
	Известно много различных типов реакций. Их можно классифицировать на
	реакции под действием нейтронов, под действием заряженных частиц и под действием

	В общем виде ядерное взаимодействие можно записать в форме
	a1 + a2 → b1 + b2 + …,
	где а 1 и а 2 – частицы, вступающие в реакцию, а b 1 , b 2 , … - частицы,
образующиеся в результате реакции (продукты реакции).
	Наиболее распространённым видом реакции является взаимодействие лёгкой частицы а с ядром А , в
результате которого образуется лёгкая частица b и ядро В
	а + A → b + B
	Или короче
	A(a,b)B.

В качестве a и b могут быть взяты нейтрон (n ), протон (p ), α - частица, дейтон (d ) и γ -квант.

Пример 1 . Ядерная реакция

4 He + 14 N→ 17 O+ 1 H

в сокращённом виде записывается как 14 N (α , p ) 17 O

Пример 2. Рассмотрим реакцию 59 Co(p,n). Что является продуктом этой реакции? Решение. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z С

левой стороны имеем 27+1 протон. С правой стороны 0+Х протонов, где Х – атомный номер продукта. Очевидно, Х =28 (Ni). С левой стороны 59+1 нуклонов, а с правой 1+Y нуклонов, где Y =59. Таким образом, продукт реакции 59 Ni.

Реакция может идти несколькими конкурирующими путями:

Разные возможные пути протекания ядерной реакции на втором этапе называют каналами реакции. Начальный этап реакции называется входным каналом.

Рис. 3. Каналы взаимодействия протонов с 7 Li.

Два последних канала реакции в схеме (6) относятся к случаям неупругого (А *+а ) и упругого (А+а ) ядерного рассеяния. Это частные случаи ядерного взаимодействия, отличающиеся от других тем, что продукты реакции совпадают с частицами,

вступающими в реакцию, причём при упругом рассеянии сохраняется не только тип ядра, но и его внутреннее состояние, а при неупругом рассеянии внутреннее состояние ядра изменяется (ядро переходит в возбуждённое состояние). Возможность различных каналов реакции определяется налетающей частицей, её энергией и ядром.

При изучении ядерной реакции представляют интерес идентификация каналов реакции, сравнительная вероятность протекания её по разным каналам при различных энергиях падающих частиц, энергия и угловое распределение образующихся частиц, а также их внутреннее состояние (энергия возбуждения, спин, чётность, изотопический спин).

Ядерная реакция представляет собой сложный процесс перестройки атомного ядра . Как и при описании структуры ядра, здесь практически невозможно получить точное решение задачи. И подобно тому, как строение ядра описывается различными ядерными моделями, течение ядерных реакций описывается различными механизмами реакций.

Существует много различных механизмов реакций. Мы рассмотрим лишь основные из них. Вначале будет дана классификация механизмов реакций, а затем будут более детально рассмотрены наиболее важные из них.

Будем классифицировать реакции по времени протекания. В качестве временного масштаба удобно использовать ядерное время - время пролета частицы через ядро : t я = 2R/v≈10 -22 с. (9.11)

Будем использовать следующую классификацию ядерных реакций по времени протекания:

1.Если время реакции t p ≈t я, то это прямая реакция (время реакцииминимально).

2.Если t p >>t я, то реакция идет через составное ядро.

В первом случае (прямая реакция) частица а передает энергию одному-двум нуклонами ядра, не затрагивая остальных, и они сразу покидают ядро, не успев обменяться энергией с остальными нуклонами. Например, реакция (р, n) может произойти в результате столкновения протона с одним нейтроном ядра. К прямым процессам следует отнести реакции срыва (d,p), (d, n) и обратные им реакции подхвата (р,d), (n,d), реакции фрагментации, при которых нуклон высокой энергии, сталкиваясь с ядром, выбивает из него фрагмент, состоящий из нескольких нуклонов.

Во втором случае (составное ядро) частица а и нуклон, которому она передала энергию, «запутываются» в ядре. Энергия распределяется среди многих нуклонов, и у каждого нуклона она недостаточна для вылета из ядра. Лишь через сравнительно большое время в результате случайных перераспределений она в достаточном количестве концентрируется на одном из нуклонов (или объекте из нескольких связанных нуклонов) и он покидает ядро. Механизм составного ядра введен Нильсом Бором в 1936 г.

Промежуточное положение между механизмом реакции через составное ядро и механизмом прямой реакции занимаетмеханизм предравновесных ядерных реакций .

Время протекания ядерных реакций можно определить, анализируя ширины возбуждаемых ядерных состояний.

Для описания упругого рассеяния, усредненного по ядерным резонансам, используется оптическая модель , в которой ядро трактуется как сплошная среда, способная преломлять и поглощать дебройлевские волны падающих на нее частиц.

Характер протекания ядерной реакции зависит от ряда факторов : типа частицы-снаряда, типа ядра-мишени, энергии их столкновения и некоторых других, что делает любую классификацию ядерных реакций довольно условной. Наиболее простой являетсяклассификация по типу частицы-снаряда . В рамках такой классификации можно выделить следующие основные типы ядерных реакций:

Реакции под действием протонов, дейтронов, α-частиц и других легких ядер. Именно эти реакции дали первые сведения о строении атомных ядер и спектрах их возбужденных состояний.

Реакции с тяжелыми ионами на тяжелых ядрах, приводящие к слиянию сталкивающихся ядер. Эти реакции являются основным методом получения сверхтяжелых атомных ядер.

Реакции слияния легких ядер при сравнительно низких энергиях столкновения (так называемые термоядерные реакции ). Эти реакции происходят за счет квантово-механическоготуннелирования сквозь кулоновский барьер. Термоядерные реакции протекают внутри звезд при температурах 10 7 -10 10 К и являются основным источником энергии звезд.

Кулоновское возбуждение ядер под действием протонов, α-частиц и особенно многократно ионизированных тяжелых ионов таких элементов, как углерод, азот, аргон и др. Эти реакции используется для изучения низколежащих вращательных уровней тяжелых ядер.

Реакции под действием нейтронов, прежде всего (n, n), (n, γ) и реакции деления ядер (n, f).

Многими специфическими свойствами обладают фотоядерные и электроядерные реакции, происходящие при столкновении с ядрами γ-квантов и электронов с энергией Е> 10 МэВ.

Реакции на пучках радиоактивных ядер. Современные технические средства позволяют генерировать достаточно интенсивные пучки таких ядер, что открывает возможности получения и исследования ядер с необычным соотношением числа протонов и нейтронов, далеких от линии стабильности.