Profesor

I.N.Bekman

FIZYKA NUKLEARNA

Wykład 16. ODDZIAŁYWANIA JĄDROWE

Rozwój fizyki jądrowej jest w dużej mierze zdeterminowany badaniami w dziedzinie reakcji jądrowych. W tym wykładzie rozważymy współczesną klasyfikację oddziaływań jądrowych, ich

termodynamika i kinetyka, a także przykłady reakcji jądrowych.

1. KLASYFIKACJA REAKCJI JĄDROWYCH

Poprzez działanie siły nuklearne dwie cząstki (dwa jądra lub jądro i nukleon) przy zbliżaniu się do odległości rzędu 10 -13 cm wchodzą w intensywną interakcję jądrową, prowadzącą do przekształcenia jądra. Ten proces nazywa się reakcją jądrową. Podczas reakcji jądrowej następuje redystrybucja energii i pędu obu cząstek, co prowadzi do powstania kilku innych cząstek uciekających z miejsca oddziaływania. Kiedy padająca cząstka zderza się z jądrem atomowym, następuje między nimi wymiana energii i pędu, w wyniku której może powstać kilka cząstek wylatujących w różnych kierunkach z obszaru oddziaływania.

Reakcje jądrowe- transformacje jąder atomowych podczas interakcji z cząstkami elementarnymi, kwantami γ lub ze sobą.

Reakcja jądrowa to proces powstawania nowych jąder lub cząstek w zderzeniach jąder lub cząstek. Po raz pierwszy E. Rutherford zaobserwował reakcję jądrową w 1919 r., bombardując jądra atomów azotu cząstkami α; zarejestrowano ją przez pojawienie się wtórnych cząstek jonizujących o zasięgu w gazie większym niż zasięg cząstek α i zidentyfikowane jako protony. Następnie za pomocą aparatu Wilsona uzyskano zdjęcia tego procesu.

Ryż. 1. Procesy zachodzące w przebiegu reakcji jądrowych

(przedstawiono wejściowe i wyjściowe kanały reakcji).

Pierwszą reakcję jądrową przeprowadził w 1919 r. E. Rutherford: 4 He + 14 N → 17 O + p lub 14 N (α, p) 17 O. Źródłem cząstek α ​​był preparat α-radioaktywny. Radioaktywne α-leki w tym czasie były jedynymi źródłami naładowanych cząstek. Pierwszy akcelerator specjalnie zaprojektowany do badania reakcji jądrowych został zbudowany przez Cockcrofta i Waltona w 1932 roku. Akcelerator ten był pierwszym

otrzymano wiązkę przyspieszonych protonów i przeprowadzono reakcję p + 7 Li → α + α.

Reakcje jądrowe są główną metodą badania struktury i właściwości jąder atomowych. W reakcjach jądrowych badane są mechanizmy oddziaływania cząstek z jądrami atomowymi, mechanizmy oddziaływania między jądrami atomowymi. W wyniku reakcji jądrowych powstają nowe izotopy nie występujące w warunkach naturalnych i pierwiastki chemiczne... Jeżeli po zderzeniu pierwotne jądra i cząstki zostają zachowane, a nie narodzą się nowe, to reakcja jest sprężystym rozpraszaniem w polu sił jądrowych, któremu towarzyszy jedynie redystrybucja energia kinetyczna i pęd cząstki i jądra docelowego i nazywa się potencjałem

rozpraszanie.

Konsekwencją oddziaływania bombardujących cząstek (jąder) z jądrami docelowymi może być:

1) Rozpraszanie sprężyste, w którym nie zmienia się ani skład, ani energia wewnętrzna, a jedynie następuje redystrybucja energii kinetycznej zgodnie z prawem uderzenia wewnętrznego.

2) Rozpraszanie nieelastyczne, w którym skład oddziałujących jąder nie zmienia się, ale część energii kinetycznej jądra bombardującego jest zużywana na wzbudzenie jądra docelowego.

3) Właściwie reakcja jądrowa, w wyniku której zmieniają się wewnętrzne właściwości i skład oddziałujących jąder.

	Ryż. 2. Reakcja jądrowa litu-6 z deuterem 6 Li (d, α) α
	Reakcje jądrowe wykazują silne, elektromagnetyczne i słabe
	interakcje.
	Znanych jest wiele różnych typów reakcji. Można je podzielić na
	reakcje pod działaniem neutronów, pod działaniem naładowanych cząstek i pod działaniem
	V ogólna perspektywa oddziaływanie jądrowe można zapisać w postaci
	a1 + a2 → b1 + b2 +…,
	gdzie a 1 i a 2 to cząstki wchodzące w reakcję, a b 1, b 2, ... to cząstki,
powstałe w wyniku reakcji (produkty reakcji).
	Najczęstszym rodzajem reakcji jest oddziaływanie lekkiej cząstki a z jądrem A, in
w wyniku czego powstaje lekka cząstka b i jądro B
	a + A → b + B
	Lub krótszy
	A (a, b) B.

A i b można przyjąć jako neutron (n), proton (p), cząstkę α, deuteron (d) i kwant γ.

Przykład 1. Reakcja nuklearna

4 He + 14 N → 17 O + 1 H

v w skrócie 14 N (α, p) 17 O

Przykład 2. Rozważ reakcję 59 Co (p, n). Jaki jest produkt tej reakcji? Rozwiązanie. 1 1 H + 27 59 Co → 0 1 n + X Y Z С

po lewej stronie mamy 27+1 proton. Z prawa strona 0 + X protonów, gdzie X jest liczbą atomową produktu. Oczywiście X = 28 (Ni). Po lewej stronie znajduje się 59 + 1 nukleon, a po prawej 1 + Y nukleon, gdzie Y = 59. Tak więc produktem reakcji jest 59 Ni.

Reakcja może przebiegać na kilka konkurencyjnych sposobów:

Różny możliwe sposoby przebieg reakcji jądrowej w drugim etapie nazywa się kanałami reakcyjnymi. Pierwszy etap reakcja nazywana jest kanałem wejściowym.

Ryż. 3. Kanały oddziaływania protonów z 7 Li.

Ostatnie dwa kanały reakcji na schemacie (6) odnoszą się do przypadków niesprężystego (A * + a) i sprężystego (A + a) rozpraszania jądrowego. Są to szczególne przypadki oddziaływania jądrowego, które różnią się od innych tym, że produkty reakcji pokrywają się z cząstkami,

reagując, z rozpraszaniem elastycznym zachowującym nie tylko rodzaj jądra, ale także jego stan wewnętrzny, podczas rozpraszania nieelastycznego zmienia się stan wewnętrzny jądra (jądro przechodzi w stan wzbudzony). Możliwość różnych kanałów reakcji zależy od pocisku, jego energii i jądra.

Badając reakcję jądrową, warto zidentyfikować kanały reakcji, porównawcze prawdopodobieństwo jej przechodzenia przez różne kanały przy różnych energiach padających cząstek, rozkład energii i kątowy powstałych cząstek, a także ich stan wewnętrzny (wzbudzenie). energia, spin, parzystość, spin izotopowy).

Reakcje jądrowe to przemiany jąder atomowych podczas interakcji z cząstkami elementarnymi (w tym kwantami y) lub ze sobą. Najczęstszym rodzajem reakcji jądrowej jest reakcja, zapisana symbolicznie w następujący sposób:

gdzie X i Y są jądrami początkowymi i końcowymi, a oraz b- bombardowanie i wyemitowane (lub wyemitowane) cząstki w reakcji jądrowej.

W każdej reakcji jądrowej prawa zachowania ładunku i liczby masowe: suma opłaty (masywny) liczba jąder i cząstek wchodzących w reakcję jądrową jest równa sumie liczby ładunków (mas) produktów końcowych (jąder i cząstek) reakcji... Wykonywane również prawa zachowania energii, pędu oraz moment pędu.

W przeciwieństwie do rozpadu radioaktywnego, który zawsze zachodzi wraz z uwolnieniem energii, reakcje jądrowe mogą być zarówno egzotermiczne (z uwolnieniem energii), jak i endotermiczne (z absorpcją energii).

Ważną rolę w wyjaśnieniu mechanizmu wielu reakcji jądrowych odegrało założenie N. Bohra (1936), że reakcje jądrowe przebiegają dwuetapowo według następującego schematu:

Pierwszym etapem jest wychwycenie cząstki a przez jądro X, które zbliżyło się do niej na odległość działania sił jądrowych (około 2 10 15 m) i utworzenie jądra pośredniego C, zwanego związkiem (lub związkiem jądro). Energia cząstki, która wleciała do jądra, jest szybko rozdzielana między nukleony jądra złożonego, w wyniku czego pojawia się ona w stanie wzbudzonym. W zderzeniu nukleonów jądra złożonego jeden z nukleonów (lub ich kombinacja, na przykład deuteron - jądro ciężkiego izotopu wodoru - deuteru, zawierający jeden proton i jeden neutron) lub cząstka cx energia wystarczająca do ucieczki z jądra. W rezultacie możliwy jest drugi etap reakcji jądrowej - rozpad jądra złożonego na jądro Y i cząstkę B.

Klasyfikacja reakcji jądrowych

Ze względu na charakter cząstek biorących udział w reakcjach:

• reakcje pod wpływem neutronów;
• reakcje wywołane przez naładowane cząstki (np. protony (cząstki X).

Przez energię cząstek wywołujących reakcje:

• reakcje przy niskich energiach (rzędu eV), zachodzące głównie z udziałem neutronów;
• reakcje przy średnich energiach (kilka MeV) z udziałem cząstek kwantowych i naładowanych;
• reakcje przy wysokich energiach (setki i tysiące MeV), prowadzące do powstania cząstek elementarnych nieobecnych w stanie swobodnym i mających bardzo ważne studiować je.

Z natury jąder biorących udział w reakcjach:

• reakcje na lekkie jądra (A 50);
• reakcje na średnich jądrach (50 A
• reakcje na ciężkich jądrach (A> 150).

Ze względu na charakter zachodzących przemian jądrowych:

• reakcje z emisją neutronów;
• reakcje z emisją naładowanych cząstek. Pierwsza w historii reakcja jądrowa (Rutherford; 1919)

Reakcje jądrowe to przemiany jąder atomowych podczas interakcji z cząstkami elementarnymi (w tym kwantami γ) lub ze sobą. Reakcje symboliczne zapisane są w postaci:

X + a → Y + b lub X (a, b) Y

gdzie X i Y to początkowe i końcowe jądra, a i b to bombardujące i emitowane (lub emitowane) cząstki w reakcji jądrowej.

W każdej reakcji jądrowej spełnione są prawa zachowania ładunków elektrycznych i liczb masowych: suma ładunków (i liczb masowych) jąder i cząstek wchodzących w reakcję jądrową jest równa sumie ładunków (i sumy liczby masowe) końcowych produktów (jąder i cząstek) reakcji. Spełnione są również prawa zachowania energii, pędu i momentu pędu.

Reakcje jądrowe mogą być zarówno egzotermiczne (z uwolnieniem energii), jak i endotermiczne (z absorpcją energii).

Reakcje jądrowe są klasyfikowane:

1) ze względu na charakter uczestniczących w nich cząstek - reakcje pod wpływem neutronów; naładowane cząstki; kwanty γ;

2) przez energię cząstek, które je wywołują - reakcje przy niskich, średnich i wysokich energiach;

3) z natury uczestniczących w nich jąder - reakcje na płuca (A< 50) ; средних (50 < A <100) и тяжелых (A >100) rdzenie;

4) z natury zachodzących przemian jądrowych - reakcje z emisją neutronów, naładowanych cząstek; reakcje wychwytywania (w przypadku tych reakcji jądro złożone nie emituje żadnych cząstek, ale przechodzi w stan podstawowy, emitując jeden lub więcej kwantów γ).

Pierwsza w historii reakcja jądrowa została przeprowadzona przez Rutherforda

1939 - O. Hahn i F. Strassmann odkryli rozszczepienie jąder uranu: podczas bombardowania uranu neutronami pojawiają się elementy części środkowej układ okresowy- radioaktywne izotopy baru (Z = 56), krypton (Z = 36) - fragmenty rozszczepienia itp. Rozszczepieniu ciężkiego jądra na dwa fragmenty towarzyszy uwalnianie energii rzędu 1 MeV dla każdego nukleonu.

Na przykład, istnieją dwa możliwe scenariusze reakcji rozszczepienia jąder uranu.

Teoria rozszczepienia jąder atomowych opiera się na upuść model rdzenia... Jądro traktowane jest jako kropla nieściśliwej cieczy naładowanej elektrycznie (a) o gęstości równej jądrowej i zgodnej z prawami mechaniki kwantowej. Gdy neutron zostaje wychwycony, stabilność tak naładowanej kropli zostaje naruszona, jądro dochodzi do wahanie- na przemian rozciągnięty, a następnie skompresowany. Prawdopodobieństwo rozszczepienia jądrowego określa energia aktywacji - minimalna energia wymagana do przeprowadzenia reakcji rozszczepienia jądrowego. Przy energiach wzbudzenia niższych niż energia aktywacji rozszczepienia deformacja jądra kropli nie osiąga wartości krytycznej (b), jądro nie ulega rozszczepieniu i powraca do stanu energii podstawowej emitując kwant γ. Przy energiach wzbudzenia większych niż energia aktywacji rozszczepienia odkształcenie kropli osiąga wartość krytyczną (c), w kropli (d) tworzy się i wydłuża się „talia” i rozpoczyna się rozszczepienie (e).

Każdy z szybkich neutronów generowanych w reakcji rozszczepienia, oddziałując z sąsiednimi jądrami materii rozszczepialnej, wywołuje w nich reakcję rozszczepienia. W tym samym czasie lawina wzrost liczby aktów podziału - zaczyna się reakcja łańcuchowa rozszczepienia - reakcja jądrowa, w której cząstki powodujące reakcję powstają jako produkty tej reakcji. Warunkiem zajścia reakcji łańcuchowej jest obecność mnożących się neutronów.

Współczynnik mnożenia neutronów k jest stosunkiem liczby neutronów powstających w pewnym łączu reakcji do liczby takich neutronów w poprzednim łączu.

Niezbędny warunek rozwoju reakcji łańcuchowej: k> 1. Ta reakcja nazywana jest reakcją ewoluującą. Gdy k = 1, zachodzi samopodtrzymująca się reakcja. Widelec<1 идет затухающая реакция.

Mnożnik zależy od charakteru substancji rozszczepialnej, a dla danego izotopu – od jego ilości, a także od wielkości i kształtu rdzenia – od przestrzeni, w której zachodzi reakcja łańcuchowa.

Minimalny rozmiar rdzenia, przy którym możliwa jest reakcja łańcuchowa, nazywany jest rozmiarem krytycznym.

Minimalna masa materiału rozszczepialnego w układzie wymiarów krytycznych wymagana do zajścia reakcji łańcuchowej nazywana jest masą krytyczną.

Reakcje łańcuchowe dzielą się na kontrolowane i niekontrolowane. Wybuch bomby atomowej jest przykładem niekontrolowanej reakcji. W reaktorach jądrowych zachodzą kontrolowane reakcje łańcuchowe.

Urządzenie, w którym utrzymywana jest kontrolowana reakcja rozszczepienia jądra, nazywa się reaktorem jądrowym (lub atomowym). Reaktory jądrowe są wykorzystywane m.in. w elektrowniach jądrowych.

Rozważ schemat powolnego reaktora neutronowego. Paliwem jądrowym w takich reaktorach może być:

1) - w naturalnym uranie zawiera około 0,7%;

2) jest otrzymywany według schematu

3) otrzymuje się z toru zgodnie ze schematem

W rdzeniu reaktora znajdują się elementy paliwowe wykonane z paliwa jądrowego (elementy paliwowe) 1 oraz moderator 2 (w nim neutrony są spowalniane do prędkości termicznych). Pręty paliwowe to bloki materiału rozszczepialnego, zamknięte w szczelnej powłoce, która słabo pochłania neutrony. Ze względu na energię uwalnianą podczas rozszczepienia jądrowego elementy paliwowe są podgrzewane, a zatem w celu chłodzenia są umieszczane w strumieniu chłodziwa 3. Rdzeń jest otoczony odbłyśnikiem 4, co zmniejsza wyciek neutronów. Utrzymanie stabilnego stanu reaktora odbywa się za pomocą prętów sterujących 5 wykonanych z materiałów silnie pochłaniających neutrony, np.

z boru lub kadmu. Chłodziwem w reaktorze jest woda, płynny sód itp. Chłodziwo w wytwornicy pary oddaje ciepło parze, która wchodzi do turbiny parowej. Turbina obraca generator elektryczny, z którego prąd płynie do sieci elektrycznej.

Nasze zadania: zapoznanie się z głównymi rodzajami rozpadu promieniotwórczego, w wirtualnych eksperymentach pokazanie łańcuchów przemian promieniotwórczych i metody pomiaru stałej rozpadu.

Reakcja nuklearna - wymuszony transformacja jądra atomowego pod działaniem innych cząstek (około spontaniczny zmiana jąder atomowych poprzez emisję cząstek elementarnych - radioaktywność przeczytać w innym wykładzie).

Jeśli masz wątpliwości, czy kiedykolwiek widziałeś reakcję nuklearną, spójrz w niebo w pogodny dzień. O reakcjach na Słońce porozmawiamy później.

Najczęściej na rdzeń A stosunkowo lekka cząsteczka wlatuje w a(na przykład neutron, proton, α -cząstka itp.), a zbliżając się na odległość rzędu 10 -15 m w wyniku działania sił jądrowych powstaje jądro V i lżejsza cząsteczka b.

Zbiór cząstek i jąder wchodzących w reakcję (na rysunku A + a) są nazywane Wejście kanał reakcji jądrowej i wynikająca z niej reakcja - weekend kanały. Jeżeli energia kinetyczna cząstki padającej a jest mały, to tworzą się dwie cząstki: sama cząsteczka i jądro.

Rozpraszanie sprężyste i nieelastyczne to szczególne przypadki oddziaływań jądrowych, gdy produkty reakcji pokrywają się z produktami początkowymi.

Klasyfikacja reakcji jądrowych

Według rodzaju cząstek wywołujących reakcję
1. reakcje naładowanych cząstek
2. reakcje neutronowe
3. reakcje pod wpływem γ - reakcje kwantowo - fotojądrowe

Prawa zachowania w reakcjach jądrowych

Możesz pomyśleć o wielu różnych kanałach wyjściowych dla dowolnej reakcji. Jednak większość z nich okaże się niemożliwa. Prawa zachowania pomagają wybrać reakcje możliwe do zrealizowania w praktyce:

Ostatnie dwa są prawdziwe dla silnych interakcji. W reakcjach jądrowych przejawia się cały szereg praw, są one niezbędne dla reakcji z cząstkami elementarnymi, nazwiemy je gdzie indziej.

Zbiór praw zachowania umożliwia wybór możliwych wyjściowych kanałów reakcji i uzyskanie ważnych informacji o właściwościach oddziałujących cząstek i produktów reakcji.

Bezpośrednie reakcje jądrowe

W reakcji bezpośredniej cząsteczka ma czas na zderzenie się z jednym (rzadziej z dwoma – trzema) nukleonami. Reakcje te przebiegają bardzo szybko - podczas przelotu cząstki przez jądro (10 -22 - 10 -21 s). Rozważmy na przykład (n, p) -reakcje. Pęd neutronu przenoszony jest głównie na jeden nukleon, który natychmiast opuszcza jądro, nie mając czasu na wymianę energii z resztą nukleonów. Dlatego nukleony powinny być wyrzucane z jądra głównie w kierunku do przodu. Energia wyrzucanego nukleonu powinna być zbliżona do energii pocisku.

Energia kinetyczna padającej cząstki musi być wystarczająco duża (wyobraź sobie ścianę złożoną z sześcianów. Jeśli uderzysz mocno w jedną z nich, możesz ją wybić, prawie nie wpływając na resztę. Przy powolnym uderzeniu ściana rozpadnie się. )

Przy niskich energiach może wystąpić reakcja awaria(d, p). Deuteron jest spolaryzowany, gdy zbliża się do jądra, neutron jest wychwytywany przez jądro, a proton nadal się porusza. W przypadku takiego procesu oddziaływanie musi zachodzić na krawędzi jądra. W deuteronie proton i neutron są słabo związane.

Zatem charakterystycznymi cechami reakcji bezpośrednich są:
1. czas wypływu ~ 10 -21 s;
2. rozkład kątowy produktów jest wydłużony w kierunku ruchu padającej cząstki;
3. szczególnie duży wkład w przekrój procesów jądrowych przy wysokich energiach.

Rys. 2 Schemat reakcji egzotermicznej

Schemat energetyczny reakcji jądrowej

Przedstawmy reakcję jądrową w postaci diagramu energetycznego (ryc. 2). Lewa strona rysunku odnosi się do pierwszego etapu - powstania jądra złożonego, prawa - rozpadu tego jądra. T „a- część energii kinetycznej cząstki padającej, która weszła w wzbudzenie jądra, ε a- energia wiązania cząstek a w rdzeniu złożonym, ε b- energia wiązania cząstek b w tym samym rdzeniu.

Istnieje pozorna sprzeczność: rdzeń C jest układem kwantowo-mechanicznym o dyskretnych poziomach energii, a energia wzbudzenia, jak widać z (1), jest wielkością ciągłą (energia T a może być dowolny). Zostanie to omówione w następnej sekcji.

Przekrój reakcji jądrowej przechodzącej przez jądro złożone

Rys. 3 Rozmycie energii poziomu stanu wzbudzonego

Ponieważ w przebiegu reakcji występują dwa niezależne etapy, przekrój można przedstawić jako iloczyn przekroju dla utworzenia jądra złożonego stan σ i prawdopodobieństwo jego rozpadu o i-ty kanał f ja

Jądro atomowe to układ kwantowy. Ponieważ każdy z wzbudzonych poziomów widma ma skończony średni czas życia τ , szerokość poziomu Γ jest również skończony (rys. 3) i jest związany ze średnim czasem życia zależnością będącą konsekwencją relacji niepewności dla energii i czasu Δt ΔE ≥ ћ:

Rozważmy przypadek, w którym poziomy energetyczne jądra złożonego są rozdzielone (szerokości poziomów Γ mniejsza odległość między nimi E). Kiedy energia wzbudzenia pokrywa się z energią jednego z poziomów E 0 przekrój reakcji (a, b) będzie miał rezonansowe maksimum. W mechanice kwantowej udowodniono, że przekrój do tworzenia jądra złożonego jest opisany wzorem Breita-Wignera

(6)

gdzie λ a jest długość fali de Broglie cząstki padającej, Γ - pełna szerokość poziomu, a- szerokość poziomu względem rozpraszania elastycznego (szerokość częściowa, częściowa).

Obliczmy szerokości poziomu. Prawdopodobieństwo rozpadu jądra złożonego f ja odwrotnie proporcjonalna do żywotności τ i dotyczące tego rozkładu. I czas życia τ i z kolei według (5) jest odwrotnie proporcjonalna do szerokości ja, zwany częściowym (częściowym). W rezultacie prawdopodobieństwa… f ja proporcjonalna do szerokości ja i mogą być reprezentowane

Rys. 4 Przekrój powstawania jądra złożonego

Suma f i = 1, a ΣΓ ja = Γ... Częściowe szerokości są wygodniejsze w radzeniu sobie niż prawdopodobieństwa.

Pełna szerokość poziomu Γ słabo zależy od prędkości padającej cząstki v a, a a proporcjonalna do tej prędkości. Długość fali De Broglie jest odwrotnie proporcjonalna do prędkości v a... Dlatego też, z dala od rezonansu przy niskich prędkościach, przekrój zwiększa się, gdy 1 / v a(Możesz to sobie wytłumaczyć faktem, że wolna cząstka spędza więcej czasu w jądrze, a prawdopodobieństwo jej wychwycenia wzrasta). Na E ~ E 0 przekrój przechwytywania gwałtownie wzrasta (ryc. 4). We wzorze (6) mi jest energią kinetyczną cząstki padającej, oraz E 0 jest energią poziomu jądra złożonego, mierzone od energii wiązania: poziom energii = ε a + E 0.

Reakcje jądrowe napędzane neutronami

Główne reakcje pod działaniem nierelatywistycznych neutronów pokazano na schemacie (ryc. 5). Tam i dalej będziemy oznaczać literę A jądro liczby masowej A.

Rozważmy je w kolejności.

Rozpraszanie elastyczne

Neutrony w reakcjach jądrowych z naładowanymi cząstkami i w rozszczepieniu jądrowym rodzą się szybko ( T n rzędu kilku MeV), ale z reguły są wchłaniane powoli. Spowolnienie następuje w wyniku wielokrotnych zderzeń sprężystych z jądrami atomowymi.

Istnieją dwie możliwości: ugięcie neutronu przez pole jądrowe bez wychwytywania - potencjalne rozproszenie, a emisja neutronu z jądra złożonego wynosi rozpraszanie rezonansowe... Więc przekrój to suma σ kontrola = σ pot + σ res.

Rys. 6 Przekrój poprzeczny elastycznego rozpraszania neutronów przez jądra uranu

Wówczas zgodnie z (1) rozpraszanie nastąpi przy zerowym momencie pędu ( L = 0, s- rozpraszanie). Rozkład kątowy rozproszonych neutronów w środku masy jest izotropowy. W rzeczywistości te „małe” energie nie są tak małe: w wodorze ~ 10 MeV, w ołowiu ~ 0,4 MeV. Potencjalny przekrój rozpraszania w tym przypadku nie zależy od energii neutronów i jest równy

W przekroju dla rozpraszania rezonansowego

szerokość n jest wprost proporcjonalna do prędkości i długości fali de Broglie λ jest do niego odwrotnie proporcjonalna. Dlatego w zależności od energii mamy tylko szczyt rezonansowy przy E = E 0... W rezultacie dla zależności energetycznej przekroju dla elastycznego rozpraszania neutronów mamy postument z pikami rezonansowymi (rys. 6).

Rozpraszanie nieelastyczne

Jądro rozpraszające jest w stanie wzbudzonym: n + A => (A + 1) * => A * + n... Oczywiście reakcja… próg charakter: energia padającego neutronu musi być wystarczająca do przeniesienia docelowego jądra do stanu wzbudzonego. Badanie widm neutronów i towarzyszących γ - promieniowanie, otrzymywanie informacji o strukturze poziomów energetycznych jądra.

Kilka słów o tym, jak możesz zmierzyć przekrój rozpraszania nieelastycznego... Gdy energia kinetyczna neutronów jest większa niż około 1 MeV,

głównymi procesami będą rozpraszanie elastyczne i nieelastyczne σ = σ kontrola + σ niekontrolowana... Niech na odległość L ze źródła S umieszczony detektor D(rys. 7). Otoczmy źródło kulą o promieniu r i grubość ścianki D... Jeśli rozproszenie czysta elastyczna można wykazać, że tłumienie wzdłuż linii łączącej źródło i detektor jest kompensowane rozpraszaniem przez kulę w kierunku detektora z innych kierunków. Jeżeli obserwuje się spadek odczytów detektora, to jest to spowodowane nieelastycznym rozpraszaniem

Tutaj n to stężenie jąder w celu. Kilka pomiarów o różnych grubościach pozwala znaleźć przekrój σ niekontrolowany.

Wychwytywanie promieniowania

Wychwytywanie radiacyjne - wychwytywanie neutronu, tworzenie się jądra złożonego w stanie wzbudzonym, a następnie przejście do przyziemnego z emisją promieniowania γ n + (A, Z) => (A + 1, Z) * ​​​​=> (A + 1, Z) + γ... Energia wzbudzenia jądra złożonego (2), a więc całkowita energia kwantów γ, przekracza energię wiązania neutronu w jądrze, tj. 7 - 8 MeV.

Jak manifestuje się wychwytywanie promieniowania?
• emisja kwantów γ;
• w promieniotwórczości (emisja cząstek β) powstałego jądra (A+1, Z)(bardzo często jądro (A+1, Z) nietrwały);
• w osłabianiu strumienia neutronów N = N 0 exp (-σ β nd) (σ β - przekrój wychwytywania promieniowania, D- grubość docelowa).

Rys.10 Przekrój wychwytywania promieniowania przez jądra indu.

Przy niskich energiach neutronów efekty rezonansowe i przekrój wychwytu radiacyjnego są bardzo silne

Dla wolnych neutronów Γ = Γ n + Γ γ oraz Γ γ ≈ const ~ 0,1 eV... Dlatego zależność przekroju dla wychwytywania radiacyjnego od energii powtarza zależność przekroju dla tworzenia jądra złożonego. Zwróć uwagę na bardzo dużą wartość przekroju wychwytywania dla indu (rys. 10) przy energii neutronów 1,46 eV. Jest o 4 rzędy wielkości większa niż geometryczny przekrój jądra. Ind jest zawarty w związkach z kadmem do stosowania jako materiały absorbujące w reaktorach.

Jak wspomniano, rdzeń (A+1, Z) powstająca w wyniku wychwytywania neutronów jest bardzo często radioaktywna o krótkim okresie półtrwania. Promieniowanie radioaktywne i rozpad radioaktywny są dobrze znane dla każdego pierwiastka. Od 1936 roku do identyfikacji pierwiastków wykorzystuje się radioaktywność indukowaną neutronami. Metoda została nazwana „analiza aktywacji”... Wystarczy próbka około 50 mg. Analiza aktywacyjna może wykryć do 74 pierwiastków i służy do oznaczania zanieczyszczeń w materiałach ultraczystych (w budownictwie reaktorów i przemyśle elektronicznym), zawartości pierwiastków śladowych w obiektach biologicznych w badaniach środowiskowych i medycznych, a także w archeologii i kryminalistyce. Analiza aktywacji jest również z powodzeniem wykorzystywana w poszukiwaniu minerałów, kontroli procesów technologicznych oraz jakości produktów.

Rozszczepienie jądrowe to zjawisko, w którym ciężkie jądro dzieli się na dwa nierówne fragmenty (bardzo rzadko na trzy). Odkryli go w 1939 r. niemieccy radiochemicy Hahn i Strassmann, którzy udowodnili, że napromieniowanie uranu neutronami wytwarza pierwiastek ze środka układu okresowego – bar 56 Ba.

Kilka dni po otrzymaniu wiadomości o tym włoski fizyk E. Fermi (który przeniósł się do USA) zorganizował eksperyment, aby zaobserwować fragmenty rozszczepienia. Sól uranu osadzała się na wewnętrznej stronie płyt pulsacyjnej komory jonizacyjnej (rys. 11). Gdy naładowana cząstka wchodzi do objętości komory, na wyjściu mamy impuls elektryczny, którego amplituda jest proporcjonalna do energii cząstki. Uran jest radioaktywny, cząstki α dają liczne impulsy o małej amplitudzie. Gdy komora została napromieniowana neutronami, wykryto impulsy o dużej amplitudzie spowodowane fragmentami rozszczepienia. Fragmenty mają duży ładunek i energię ~100 MeV. Kilka dni wcześniej Otto Frisch zauważył szczątki w komnacie Wilsona.

Wyróżnić
• przymusowy podział- rozszczepienie pod działaniem padającej cząstki (najczęściej neutronu)

  Zwykle energia kinetyczna padającej cząstki Ta jest niewielka, a reakcja przebiega przez jądro złożone: a + A => C * => B 1 + B 2

• spontaniczny podział (spontaniczny)... Odkryta przez radzieckich fizyków Flerowa i Petrżaka w 1940 roku. Uran 235 U jest rozszczepialny z okresem półtrwania około 2 * 10 17 lat. Na jedno rozszczepienie przypada 108 rozpadów α, a zjawisko to jest niezwykle trudne do wykrycia.

Elementarna teoria rozszczepienia

Poznajmy podstawowe warunki możliwości rozszczepienia za pomocą modelu kropli.

Energia rozszczepienia

Rozważ rozszczepienie jądra C na dwie części C => B 1 + B 2... Energia zostanie uwolniona, jeśli energie wiązania jądra i fragmentów są powiązane stosunkiem

G osc = G C - G 1 - G 2 Na podstawie modelu kropli dowiadujemy się, przy jakich liczbach masowych C i numery seryjne Z C warunek (7) jest spełniony.

(8)

Podstawmy te wyrażenia w (7), biorąc za mniejszy fragment Z 1 = (2/5) Z C, A 1 = (2/5) A C i dla cięższych Z 2 = (3/5) Z C, A 2 = (3/5) A C.

Pierwsza i czwarta kadencja w (8) zostaną anulowane, ponieważ są liniowe w stosunku do A oraz Z.

Pierwsze dwa wyrazy w (9) to zmiana energii napięcia powierzchniowego ΔW pov, a dwie ostatnie to zmiana energii kulombowskiej ΔW fajne... Nierówność (7) wygląda teraz tak

G osc = - ΔW sp - ΔW chłodne = 0,25 ΔW sp - 0,36 ΔW chłodne

Gdyby Z 2 / A > 17 wtedy energia jest uwalniana. Postawa Z 2 / A są nazywane parametr podziału.

Stan: schorzenie Z 2 / A > 17 jest wykonywany dla wszystkich rdzeni, zaczynając od srebra 47 108 Ag... Poniżej stanie się jasne, dlaczego jako paliwo w reaktorach stosuje się drogi uran, a nie tańsze materiały.

Mechanizm podziału

Stan: schorzenie Z 2 / A > 17 wykonuje się dla wszystkich elementów drugiej połowy układu okresowego. Doświadczenie pokazuje jednak, że dzielone są tylko bardzo ciężkie jądra. O co chodzi? Zapamiętajmy α -rozkład. Bardzo często jest to korzystne energetycznie, ale tak się nie dzieje, ponieważ zapobiega powstawaniu bariery kulombowskiej. Zobaczmy, jak wygląda sytuacja w przypadku podziału. Możliwość rozszczepienia zależy od wartości sumy energii powierzchniowej i energii kulombowskiej jądra początkowego i fragmentów. Zobaczmy, jak te energie zmieniają się po deformacji jądra - wzrost parametr podziału ρ .

Energia napięcia powierzchniowego W pow wzrasta, a następnie, gdy fragmenty przybierają kulisty kształt, pozostaje stały. Energia kulombowska W fajny tylko maleje, najpierw powoli, a potem jak 1 / ρ... Ich suma w Z 2 / A > 17 oraz Z 2 / A zachowuje się jak pokazano na rysunku 13. Istnieje potencjalna bariera o wysokości Bf zapobieganie podziałom. Spontaniczne rozszczepienie może wystąpić z powodu zjawiska wycieku mechaniki kwantowej (efekt tunelu), ale prawdopodobieństwo tego jest bardzo małe, więc okres półtrwania, jak wspomniano powyżej, jest bardzo duży.

Gdyby Z 2 / A> 49, to wysokość szlabanu Bf = 0, a rozszczepienie takiego jądra następuje natychmiast (w czasie jądrowym rzędu 10 -23 z).

Do rozszczepienia jądra konieczne jest nadanie mu energii większej niż Bf... Jest to możliwe dzięki wychwyceniu neutronu. W tym przypadku formuła (2) będzie wyglądać tak:

(11)

Tutaj ε n- energia wiązania neutronu w jądrze, uzyskana podczas jego wychwytywania; T n jest energią kinetyczną padającego neutronu.

Podsumujmy rozważania na temat oddziaływania neutronów.

Reakcje jądrowe pod wpływem naładowanych cząstek

W przeciwieństwie do neutronów, rozważając zderzenia naładowanych cząstek z jądrem, należy wziąć pod uwagę obecność kulomba

bariera. Oddziaływanie neutronu z jądrem charakteryzuje się głęboką (30 – 40 MeV) studnią potencjału o promieniu R i(Rysunek 14a). Neutron zbliżający się do jądra doświadcza silnego przyciągania. W przypadku oddziaływania naładowanych cząstek z jądrem krzywa potencjału ma postać rys. 14b. Zbliżając się do jądra, najpierw mamy odpychanie kulombowskie (siły dalekiego zasięgu), a w odległości rzędu R i w grę wchodzi potężne przyciąganie nuklearne. Wysokość bariery Coulomba B fajne w przybliżeniu równa

Na przykład, dla protonów zderzających się z jądrem tlenu, wysokość bariery wyniesie 3,5 MeV, a dla uranu 15 MeV. Do α - cząstek, wysokość barier jest 2 razy większa. Jeżeli energia kinetyczna cząstki T, istnieje możliwość, że cząstka wejdzie do jądra ze względu na efekt tunelowania. Jednak przezroczystość bariery jest niezwykle niska i najprawdopodobniej nastąpi rozproszenie elastyczne. Z tego samego powodu naładowana cząstka ma trudności z opuszczeniem jądra. Zapamiętajmy α -rozkład.

Zależność przekroju dla reakcji jądrowej dla cząstek naładowanych ma charakter progowy. Ale piki rezonansowe są słabo wyrażone lub całkowicie nieobecne, ponieważ przy energiach ~ MeV gęstość poziomów jądrowych jest wysoka i nakładają się na siebie.

W przyszłości wielkie nadzieje wiążą się z reakcjami syntezy termojądrowej tego typu 2 H + 2 H => 3 He + p lub 2 H + 3 H => 4 He + n, które wyróżniają się bardzo dużym uwalnianiem energii. Przeszkodą dla takich reakcji jest bariera kulombowska. Konieczne jest podgrzanie substancji do takich temperatur, aby energia cząstek kT niech reagują. Temperatura 1,16 10 7 odpowiada 1 keV. Aby uzyskać samopodtrzymującą się reakcję „plazmową”, muszą być spełnione trzy warunki:

plazmę należy podgrzać do wymaganych temperatur,

gęstość plazmy musi być wystarczająco wysoka

temperatura i gęstość muszą być utrzymywane przez długi czas.

A potem pojawiają się ciągłe problemy: zamknięcie plazmy w pułapkach magnetycznych, tworzenie materiałów do reaktora, które wytrzymałyby silne napromieniowanie neutronami itp. Nadal nie jest jasne, jak opłacalna może być produkcja energii elektrycznej przy użyciu syntezy termojądrowej. Nastąpił stały postęp w badaniach.

Maksymalna strata energii (minimum E „n) Będzie o θ = π : E "min = αE(dla wodoru E "min = 0).

Przy niskich energiach (patrz (1)) rozpraszanie jest izotropowe, wszystkie wartości kątów θ są równie prawdopodobne. Ponieważ między kątem rozpraszania θ i energia rozproszonego neutronu E „n zależność jest jednoznaczna (12), rozkład energii neutronów po pojedynczym rozproszeniu będzie jednorodny (rys. 15). Można to przedstawić jako formułę

(13)

Średnia logarytmiczna strata energii. Zdolność zwalniania. Współczynnik opóźnienia

Zobaczmy, jak duża liczba zderzeń wpłynie na energię neutronów. W takim przypadku wygodnie jest używać nie skali energii, ale skali logarytmicznej ε = lnE: widzieliśmy (patrz (12)), że E "/ E nie zależy od mi, tj. średnio procent strat energii jest taki sam. W skali energii zmiana energii wygląda tak

Te. dokładnie lnE, ale nie mi zmiany o mniej więcej stałą kwotę.

Średnia energia neutronów po zderzeniu

Średnia strata energii

Średnia logarytmiczna strata energii

ξ nie zależy od mi... Ruch osi lnE mundur. Możesz po prostu obliczyć średnią liczbę kolizji n zwolnić od E początek do finału E con:

(14)

Poniższa tabela przedstawia wartości ξ oraz n dla wielu jąder z moderacją neutronową od energii 1 MeV do 0,025 eV termicznej.

				s, 1/cm	s / Σ a

Patrząc na czwartą kolumnę, może się wydawać, że wodór spowalnia lepiej niż inne. Ale musimy również wziąć pod uwagę częstotliwość kolizji. Do gazowego i ciekłego wodoru = 1, ale jasne jest, że droga podczas zwalniania będzie inna. Piąta kolumna pokazuje stratę logarytmiczną ξ razy współczynnik kolizji - zdolność opóźniania... A tu najlepszym moderatorem jest zwykła woda. Ale dobry moderator powinien słabo absorbować neutrony. W ostatniej, szóstej kolumnie, średnia strata logarytmiczna jest mnożona przez stosunek przekrojów makroskopowego rozpraszania i absorpcji. Porównując liczby, jasne jest, dlaczego ciężka woda lub grafit są używane jako moderator w reaktorach jądrowych.

Średni czas zwalniania

Oszacujmy czas potrzebny do zwolnienia neutronu w wyniku zderzeń z energii początkowej E 0 do finału E do... Oś energii dzielimy na małe segmenty E... Kolizje na segment E Blisko mi

Swobodna długość ścieżki λ s określona przez przekrój dla rozpraszania elastycznego σ s i stężenie jąder moderatora n

, (15)

gdzie s to ilość nazywana przekrój makroskopowy... Czas potrzebny na spowolnienie o E, definiuje się jako iloczyn przedziału czasu i przejścia swobodnej drogi przez liczbę zderzeń o E

Przechodząc do wielkości nieskończenie małych i całkując, otrzymujemy czas hamowania T

Na przykład dla berylu w E 0= 2 MeV, E do= 0,025 eV, λ s= 1,15 cm, ξ = 0,21 otrzymujemy ~ 3,4 · 10 -5 s. Zauważ, że po pierwsze ta wartość jest znacznie mniejsza niż okres połowicznego rozpadu wolnego neutronu (~600 s), a po drugie jest określana przez ruch w pobliżu skończonej energii.

Rozkład przestrzenny neutronów

Niech ośrodek ma punktowe izotropowe źródło neutronów prędkich o energii początkowej E 0... Dystans L zastępca, dzięki której średnio neutrony są usuwane podczas hamowania do E do nazywa się długość hamowania... Rzeczywista ścieżka przemierzana przez neutron jest znacznie większa, ponieważ trajektoria ruchu jest linią łamaną odcinków długości λ s... Ilość L zastępca określają parametry ośrodka umiarkowania, energia początkowa i końcowa neutronu:

Dla ciężkiej wody o spowolnieniu od 2 MeV do termicznego 0,025 eV L zastępca~11 cm, dla grafitu ~20 cm.

W wyniku hamowania w objętości o promieniu rzędu długości hamowania powstają neutrony termiczne o Maxwellowskim rozkładzie energii. Neutrony termiczne zaczynają się rozpraszać (poruszać się chaotycznie), rozchodząc się w substancji we wszystkich kierunkach od źródła. Proces ten jest opisany równaniem dyfuzji uwzględniającym absorpcję neutronów

(16)

W tym równaniu Φ - strumień neutronów (liczba neutronów przechodzących przez jednostkę powierzchni w jednostce czasu), s oraz a są odpowiednio przekroje makroskopowego rozpraszania (patrz (15)) i absorpcji, D- współczynnik dyfuzji, S- źródło neutronów. W tym równaniu pierwszy człon opisuje ruch neutronów w materii, drugi - absorpcję, a trzecie narodziny.

Główną cechą medium opisującego proces dyfuzji jest długość dyfuzji L różn

Długość dyfuzji charakteryzuje średnie usuwanie neutronu ze źródła przed absorpcją. Do ciężkiej wody L różn~160 cm, dla grafitu ~50 cm Zwykła woda silnie pochłania neutrony i L różn tylko 2,7 cm. Jak kręta i długa ścieżka neutronów podczas dyfuzji można ocenić porównując długość dyfuzji (w graficie 50 cm) ze średnią długością ścieżki neutronów przed absorpcją λ a = 1 / Σ a(w tym samym graficie 3300 cm).

W praktyce często zajmują się przechodzeniem neutronów z jednego ośrodka do drugiego. Na przykład rdzeń reaktora jest otoczony reflektorem. Współczynnik odbicia β - frakcja neutronów powracających do środowiska źródłowego ze środowiska bezźródłowego. Około, β ≈ 1 - 4 D / L różn gdzie parametry odnoszą się do środowiska bez źródła. Na przykład z odbłyśnika grafitowego β = 0,935, tj. 93% neutronów powróci. Grafit to świetny odbłyśnik. Lepiej tylko ciężka woda, gdzie β = 0.98!

Reakcja łańcuchowa w ośrodku zawierającym substancję rozszczepialną

Mamy jednorodny ośrodek zawierający materię rozszczepialną. Nie ma zewnętrznych źródeł neutronów, mogą pojawić się tylko w wyniku rozszczepienia jądra. Przyjmiemy, że wszystkie procesy zachodzą przy tej samej energii (tzw przybliżenie pojedynczej prędkości). Pytanie brzmi: czy z tej substancji można zrobić kulkę, w której utrzymałaby się stacjonarna reakcja łańcuchowa?

Potrzebujemy:

• makroskopowy przekrój absorpcji neutronów Σ wchłonięty, który składa się z sekcji chwytającej bez podziału Σ przechwytywanie(wychwytywanie promieniowania) i przekroje rozszczepienia Σ przypadki: Σ wchłonięty = Σ przechwytywanie + Σ przypadki;
• średnia liczba neutronów υ wydany w jednym akcie podziału.

Następnie równanie na strumień neutronów Φ w przypadku stacjonarnym będzie to wyglądać

z warunkiem brzegowym

,

co oznacza, że ​​z pewnej odległości D z rozszczepialnej kuli o promieniu r wątek powinien zejść do zera.

Jeśli porównamy równanie dla przepływu Φ z (16) widać, że źródłem jest ilość div Φ- liczba neutronów wytworzonych na jednostkę objętości w jednostce czasu.

Rozważ trzy przypadki

υΣ div - mniej neutronów jest produkowanych niż absorbowanych. Oczywiście stacjonarna reakcja jest niemożliwa.

• υΣ div = Σ absor- źródło kompensuje absorpcję neutronów. Rozwiązanie równania (17) daje: Φ = const Tylko dla nieskończone środowisko w przeciwnym razie, z powodu wycieku neutronów przez granicę ośrodka, reakcja zostanie wytłumiona.

  υΣ div> Σ absor- istnieje możliwość dobrania takiej wielkości kuli materii rozszczepialnej, aby nadmiar neutronów uciekł przez granice kuli (aby zapobiec wybuchowi nuklearnemu).

Wprowadźmy notację ω 2 = (Σ absorpcja - υΣ div) / D> 0... Równanie (17) przyjmuje postać

(18)

Jego wspólna decyzja wygląda jak

(19)

Współczynnik b w (19) musi być ustawione na zero, aby rozwiązanie nie rozbiegało się w r = 0... Znalezienie ostatecznego rozwiązania komplikuje prawidłowe uwzględnienie warunku brzegowego, a dla naturalnej mieszaniny izotopów uranu (235U - 0,7%, 235U - 99,3%, Σ wchłonięty= 0,357 1/cm, Σ przypadki= 0,193 1/cm, υ = 2,46) otrzymujemy jako minimalną wartość sumy R ≈ 5 zobacz Czym to zadanie różni się od prawdziwego? W rzeczywistości neutrony rodzą się szybko i muszą być spowolnione do energii cieplnej. Pierwszy reaktor, zbudowany przez E. Fermiego (1942), miał wymiary około 350 cm.

Reakcja łańcuchowa. Reaktor jądrowy

Nazywane są urządzenia, w których energia jest uzyskiwana w wyniku stacjonarnej reakcji łańcuchowej rozszczepienia atomowy reaktory (na przykład, mówią, elektrownia jądrowa, elektrownia jądrowa), chociaż w rzeczywistości tak jest jądrowy reaktory. Konstrukcja reaktorów jądrowych jest bardzo złożona, ale istotnym elementem każdego reaktora jest rdzeń, w którym zachodzi reakcja rozszczepienia.

Rdzeń zawiera materiał rozszczepialny, moderator, pręty sterujące (regulujące), elementy konstrukcyjne i jest otoczony reflektorem neutronowym w celu zmniejszenia strat tych ostatnich. Wszystko to znajduje się wewnątrz ochrony przed strumieniem neutronów, γ - promieniowanie.

Los neutronu w jądrze

wychwytywanie uranu przez jądro z późniejszym rozszczepieniem tego jądra;

wychwytywanie uranu przez jądro z późniejszym przejściem jądra do stanu podstawowego z emisją γ - kwanty (wychwytywanie promieniowania);

przechwytywanie rdzeni moderatora lub elementów konstrukcyjnych;

odejście od rdzenia;

absorpcja przez pręty kontrolne.

Neutrony są emitowane podczas rozszczepienia jądrowego, a następnie absorbowane lub opuszczają rdzeń. Oznaczmy przez k mnożnik - stosunek liczby neutronów następnej generacji n ja + 1 do numeru w poprzednim n ja

Jeśli wprowadzimy życie pokolenia τ , to równanie na liczbę neutronów n a jego rozwiązanie wyglądałoby tak

(21)

Jeżeli współczynnik k jest różna od 1, to liczba neutronów maleje ( k) lub zwiększa ( k> 1) wykładniczo, czyli bardzo szybko.

(Obserwuj wpływ mnożnika k i całe pokolenie τ o dynamice liczby neutronów przez proste doświadczenie)

Współczynnik reprodukcji k można przedstawić jako iloczyn współczynnika k dla nieskończonego środowiska i prawdopodobieństwa nie opuść aktywną strefę χ

Ilość χ zależy od składu rdzenia, jego wielkości, kształtu, materiału odbłyśnika.

Biorąc pod uwagę reaktor pracujący na neutronach termicznych, współczynnik k można przedstawić jako cztery czynniki

gdzie

ε jest współczynnikiem mnożenia neutronów prędkich (dla rzeczywistych układów wykonanych z uranu i grafitu) ε ~ 1.03);

P- prawdopodobieństwo uniknięcia wychwytywania rezonansu podczas zwalniania. Przypomnijmy, że neutrony powstają szybko, a zwalniając do energii cieplnej, muszą pokonać obszar rezonansowy w przekroju absorpcji (patrz rys. 10);

F- frakcja neutronów zaabsorbowanych przez jądra uranu (nie moderatora lub elementy strukturalne). ε pf ≈ 0,8;

η jest średnią liczbą neutronów emitowanych na jeden akt wychwytywania przez jądro uranu (podczas wychwytywania może nastąpić rozszczepienie jądra lub γ -kwanty). 1,35(porównaj z ~ 2,5 dla liczby neutronów na zdarzenie rozszczepienia).

Z podanych danych wynika k = 1,08 oraz = 0,93, co odpowiada wielkości reaktora rzędu 5 - 10 m.

Masa Krytyczna- minimalna masa materii rozszczepialnej, przy której może zachodzić w niej samopodtrzymująca się reakcja rozszczepienia jądra. Jeśli masa substancji jest poniżej wartości krytycznej, wówczas zbyt wiele neutronów wymaganych do reakcji rozszczepienia jest traconych i reakcja łańcuchowa nie zachodzi. Przy masie większej niż krytyczna reakcja łańcuchowa może przyspieszyć jak lawina, co doprowadzi do wybuchu jądrowego.

Masa krytyczna zależy od wielkości i kształtu próbki rozszczepialnej, ponieważ determinują one wyciek neutronów z próbki przez jej powierzchnię. Próbka kulista ma minimalną masę krytyczną, ponieważ jej powierzchnia jest najmniejsza. Reflektory i moderatory neutronów otaczających materiał rozszczepialny mogą znacznie zmniejszyć masę krytyczną. Masa krytyczna zależy również od skład chemiczny próbka.

„Dziadek” krajowych reaktorów jądrowych jest pierwszym fizycznym reaktorem F-1, który otrzymał status pomnika nauki i techniki. Został uruchomiony w 1946 roku pod przewodnictwem I.V. Kurczatow. Jako moderator zastosowano grafit oczyszczony w postaci prętów z otworami na pręty uranowe. Kontrolę przeprowadzono za pomocą pręcików zawierających kadm, który silnie pochłania neutrony termiczne. Rdzeń kotła zawierał 400 ton grafitu i 50 ton uranu. Moc reaktora wynosiła około 100 W, nie było specjalnego systemu odprowadzania ciepła. Podczas pracy ciepło kumulowało się w dużej masie grafitu. Następnie mur grafitowy był chłodzony strumieniem powietrza z wentylatora. Ten reaktor nadal działa prawidłowo.

Udział energetyki jądrowej w światowej produkcji energii elektrycznej wyniósł różne lata 10-20%. Największy odsetek (~74) energii elektrycznej jest produkowany w elektrowniach jądrowych we Francji. W Rosji ~ 15%.

Jak wygląda proces fizycznego rozruchu reaktora atomowego, pokazuje model komputerowy.

Jeśli chcesz sprawdzić, jak poznano materiał wykładowy,

Ważną rolę w rozwoju idei budowy jąder odegrało badanie reakcji jądrowych, które dostarczyło obszernych informacji na temat spinów i parzystości stanów wzbudzonych jąder oraz przyczyniło się do opracowania modelu powłoki. Badanie reakcji z wymianą kilku nukleonów pomiędzy zderzającymi się jądrami umożliwiło badanie dynamiki jądrowej w stanie o dużym pędzie kątowym. W rezultacie odkryto długie wirujące paski, które posłużyły jako jeden z fundamentów do stworzenia uogólnionego modelu jądra. Kiedy zderzają się ciężkie jądra, powstają jądra, które nie istnieją w naturze. Synteza pierwiastków transuranu w dużej mierze opiera się na fizyce oddziaływania ciężkich jąder. W reakcjach z ciężkimi jonami powstają jądra dalekie od pasma β-stabilności. Jądra odległe od pasma β-stabilności różnią się od jąder stabilnych innym stosunkiem oddziaływań kulombowskich i jądrowych, stosunkiem liczby protonów do liczby neutronów, istotną różnicą w energiach wiązania protonów i neutronów, co objawia się się w nowych typach rozpadu promieniotwórczego - promieniotwórczość protonów i neutronów oraz szereg innych specyficznych cech jąder atomowych.
Analizując reakcje jądrowe, należy wziąć pod uwagę falowy charakter cząstek oddziałujących z jądrami. Falowy charakter procesu oddziaływania cząstek z jądrami wyraźnie przejawia się w rozpraszaniu sprężystym. Tak więc dla nukleonów o energii 10 MeV zredukowana długość fali de Broglie jest mniejsza niż promień jądra, a podczas rozpraszania nukleonów powstaje charakterystyczny wzór maksimów i minimów dyfrakcji. Dla nukleonów o energii 0,1 MeV długość fali jest większa niż promień jądra i nie ma dyfrakcji. Dla neutronów z energią<< 0.1 МэВ сечение реакции ~π 2 гораздо больше, чем характерный размер площади ядра πR.
Reakcje jądrowe są skuteczną metodą badania dynamiki jądrowej. Reakcje jądrowe zachodzą, gdy dwie cząstki wchodzą w interakcję. Podczas reakcji jądrowej zachodzi aktywna wymiana energii i pędu między cząstkami, w wyniku której powstaje jedna lub więcej cząstek, rozpraszając się z obszaru oddziaływania. W wyniku reakcji jądrowej zachodzi złożony proces restrukturyzacji jądra atomowego. Podobnie jak w opisie budowy jądra, w opisie reakcji jądrowych praktycznie niemożliwe jest uzyskanie dokładnego rozwiązania problemu. I tak jak strukturę jądra opisują różne modele jądrowe, tak przebieg reakcji jądrowej opisują różne mechanizmy reakcji. Mechanizm reakcji jądrowej zależy od kilku czynników – od rodzaju padającej cząstki, typu jądra docelowego, energii padającej cząstki i wielu innych czynników. Jednym z ograniczających przypadków reakcji jądrowej jest bezpośrednia reakcja jądrowa... W tym przypadku padająca cząstka przekazuje energię jednemu lub dwóm nukleonom jądra i opuszczają jądro bez interakcji z innymi nukleonami jądra. Charakterystyczny czas przebiegu bezpośredniej reakcji jądrowej wynosi 10 -23 s. Bezpośrednie reakcje jądrowe zachodzą na wszystkich jądrach przy dowolnej energii padającej cząstki. Do badania stanów jednocząstkowych jąder atomowych wykorzystuje się bezpośrednie reakcje jądrowe, ponieważ produkty reakcji niosą informacje o położeniu poziomów, z których wybijany jest nukleon. Za pomocą bezpośrednich reakcji jądrowych uzyskano szczegółowe informacje o energiach i obsadzeniu stanów jednocząstkowych jąder, które stanowiły podstawę modelu powłokowego jądra. Kolejnym ograniczającym przypadkiem są reakcje zachodzące tworzenie jądra złożonego.

Opis mechanizmu reakcji jądrowych podano w pracach W. Weisskopfa.

V. Weisskopf: „Co się dzieje, gdy cząstka wchodzi do jądra i zderza się z jednym ze składników jądra? Rysunek ilustruje niektóre z tych możliwości.
1) Spadająca cząstka traci część swojej energii, podnosząc cząstkę jądrową do wyższego stanu. Będzie to wynikiem nieelastycznego rozpraszania, jeśli padająca cząstka pozostanie z wystarczającą energią, aby ponownie opuścić jądro. Proces ten nazywa się bezpośrednim rozpraszaniem nieelastycznym, ponieważ obejmuje rozpraszanie tylko na jednej części składowej jądra.
2) Spadająca cząstka przenosi energię na ruch zbiorowy, jak symbolicznie pokazano na drugim schemacie rysunku, jest to również oddziaływanie bezpośrednie.
3) W trzecim schemacie rysunku przenoszona energia jest wystarczająco duża, aby wyciągnąć nukleon z tarczy. Proces ten przyczynia się również do bezpośredniej reakcji jądrowej. W zasadzie nie różni się od 1), odpowiada „reakcji wymiany”.
4) Opadająca cząstka może stracić tyle energii, że pozostaje związana wewnątrz jądra, przekazywana energia może zostać odebrana przez nisko położony nukleon w taki sposób, że nie może opuścić jądra. Otrzymujemy wówczas wzbudzone jądro, które nie może emitować nukleonu. Stan ten nieuchronnie prowadzi do dalszego wzbudzenia nukleonów przez zderzenia wewnętrzne, w których energia na wzbudzoną cząstkę spada średnio, tak że w większości przypadków nukleon nie może opuścić jądra. W konsekwencji zostanie osiągnięty stan o bardzo długim czasie życia, który może zapaść tylko wtedy, gdy jedna cząstka w zderzeniach wewnątrz jądra przypadkowo nabierze energii wystarczającej do opuszczenia jądra. Sytuację tę nazywamy tworzeniem się jądra złożonego. Energia może również zostać utracona przez promieniowanie, po czym ucieczka cząstki staje się energetycznie niemożliwa: padający nukleon zostanie przechwycony przez promieniowanie.
5) Tworzenie jądra złożonego może odbywać się w dwóch lub więcej etapach, jeżeli po procesie typu 1) lub 2) padający nukleon uderzy w inny po drodze nukleon i wzbudzi go w taki sposób, że wydostanie się z jądra jest niemożliwe dla żadnego nukleonu.

Po raz pierwszy ideę przebiegu reakcji jądrowej przez stadium jądra złożonego wyraził N. Bohr. Zgodnie z modelem jądra złożonego, padająca cząstka, po interakcji z jednym lub dwoma nukleonami jądra, przekazuje do jądra większość swojej energii i jest wychwytywana przez jądro. Czas życia jądra złożonego jest znacznie dłuższy niż czas przelotu cząstki padającej przez jądro. Energia wprowadzona przez padającą cząstkę do jądra jest redystrybuowana między nukleony jądra, aż znaczna jej część zostanie skoncentrowana na jednej cząstce, a następnie wylatuje z jądra. Powstanie długowiecznego stanu wzbudzonego może w wyniku deformacji doprowadzić do jego podziału.

N. Bor: „Zjawisko wychwytywania neutronów skłania nas do przyjęcia, że ​​zderzenie szybkiego neutronu z ciężkim jądrem powinno doprowadzić przede wszystkim do powstania złożonego układu charakteryzującego się niezwykłą stabilnością. Ewentualny późniejszy rozpad tego układu pośredniego z ucieczką cząstki materialnej lub przejściem do stanu końcowego z emisją kwantu energii promieniowania należy uznać za procesy niezależne, niezwiązane bezpośrednio z pierwszą fazą zderzenia. Spotykamy się tu z istotną, wcześniej nierozpoznaną różnicą między rzeczywistymi reakcjami jądrowymi - zwykłymi zderzeniami szybkich cząstek i układami atomowymi - zderzeniami, które do tej pory były dla nas głównym źródłem informacji o budowie atomu. Rzeczywiście, możliwość liczenia pojedynczych cząstek atomowych za pomocą takich zderzeń i badania ich właściwości wynika przede wszystkim z „otwartości” rozważanych układów, co sprawia, że ​​wymiana energii między poszczególnymi cząstkami składowymi jest bardzo mało prawdopodobna podczas strajku. Jednak ze względu na ścisłe upakowanie cząstek w jądrze musimy być przygotowani na to, że to właśnie ta wymiana energii odgrywa główną rolę w typowych reakcjach jądrowych.”

Klasyfikacja reakcji jądrowych. Reakcje jądrowe są skutecznym sposobem badania struktury jąder atomowych. Jeśli długość fali padającej cząstki jest większa niż rozmiar jądra, to w takich eksperymentach uzyskuje się informacje o jądrze jako całości. Jeżeli wielkość jądra jest mniejsza, to z przekroje reakcji.

• Wzbudzenie kulombowskie jąder pod działaniem naładowanych cząstek o stosunkowo dużej masie (protonów, cząstek α ​​i ciężkich jonów węgla, azotu) służy do badania nisko położonych poziomów rotacyjnych ciężkich jąder.
• Reakcje z ciężkimi jonami na ciężkich jądrach, prowadzące do fuzji kolidujących jąder, są główną metodą wytwarzania superciężkich jąder atomowych.
• Reakcje fuzji lekkich jąder przy stosunkowo niskich energiach zderzeń (tzw. reakcje termojądrowe). Reakcje te wynikają z tunelowania mechaniki kwantowej przez barierę Coulomba. Reakcje termojądrowe zachodzą wewnątrz gwiazd w temperaturze 10 7 –10 10 K i są głównym źródłem energii dla gwiazd.
• Reakcje fotojądrowe i elektrojądrowe zachodzą przy zderzeniu z jądrami kwantów γ i elektronami o energiach E > 10 MeV.
• Reakcje rozszczepienia ciężkich jąder, którym towarzyszy głęboka restrukturyzacja jądra.
• Reakcje z wiązkami jąder promieniotwórczych otwierają możliwość otrzymywania i badania jąder o niezwykłym stosunku liczby protonów i neutronów, z dala od linii stabilności.

Reakcje jądrowe są zwykle klasyfikowane według typu i energii cząstki padającej, typu jądra docelowego oraz energii cząstki padającej.

Powolne reakcje neutronowe

„1934 Pewnego ranka Bruno Pontecorvo i Eduardo Amaldi testowali niektóre metale pod kątem radioaktywności. Próbki te miały kształt małych pustych cylindrów tej samej wielkości, wewnątrz których można było umieścić źródło neutronów. Aby napromieniować taki cylinder, włożono do niego źródło neutronów, a następnie wszystko umieszczono w ołowianym pudełku. Tego doniosłego poranka Amaldi i Pontecorvo przeprowadzili eksperymenty ze srebrem. I nagle Pontecorvo zauważył, że ze srebrnym cylindrem dzieje się coś dziwnego: jego aktywność nie zawsze była taka sama, zmieniała się w zależności od tego, gdzie został umieszczony, w środku lub w rogu ołowianego pudełka. W całkowitym oszołomieniu Amaldi i Pontecorvo poszli zgłosić ten cud Fermiemu i Rasettiemu. Franke był skłonny przypisywać te osobliwości pewnym błędom statystycznym lub niedokładnym pomiarom. Enrico, który uważał, że każde zjawisko wymaga weryfikacji, zasugerował, aby spróbowali napromieniować ten srebrny cylinder poza ołowianą skrzynkę i zobaczyć, co się stanie. A potem zdarzyły się dla nich absolutnie niesamowite cuda. Okazało się, że obiekty znajdujące się w pobliżu cylindra mogą wpływać na jego działanie. Jeżeli cylinder został napromieniowany, gdy stał na drewnianym stole, jego aktywność była wyższa niż wtedy, gdy był postawiony na metalowej płycie. Teraz cała grupa była tym zainteresowana i wszyscy brali udział w eksperymentach. Umieścili źródło neutronów na zewnątrz cylindra i umieścili różne obiekty między nim a cylindrem. Płytka ołowiana nieznacznie zwiększyła aktywność. Ołów−substancja jest ciężka. „Cóż, spróbujmy teraz łatwego!−zasugerował Fermi.−Powiedzmy, że parafina ”. Rankiem 22 października przeprowadzono eksperyment z parafiną.
Wzięli duży kawałek parafiny, wydrążyli w nim otwór i umieścili w nim źródło neutronów, napromieniowali srebrny cylinder i przenieśli go do licznika Geigera. Licznik, jakby spadł z łańcucha, po prostu kliknął. Cały budynek grzmiał z okrzykami: „Niesamowite! Niewyobrażalny! Czarna magia!" Parafina stukrotnie zwiększyła sztuczną radioaktywność srebra.
W południe grupa fizyków niechętnie rozeszła się na przerwę, nastawioną na śniadanie, które zwykle trwało dwie godziny… Enrico wykorzystał swoją samotność, a kiedy wrócił do laboratorium, miał już teorię wyjaśniającą dziwny efekt parafiny.”