| Як відомо, все в світі складається з молекул, які представляють собою складні комплекси взаємодіючих атомів. Молекули - це найменші частки речовини, що зберігають його властивості. До складу молекул входять атоми різних хімічних елементів. Хімічні елементи складаються з атомів одного типу. Атом, дрібна частка хімічного елемента, складається з "важкого" ядра і обертаються навколо електронів. |
| Ядра атомів утворено сукупністю позитивно заряджених протонів та нейтральних нейтронів. Ці частинки, що називаються нуклонами, утримуються в ядрах короткодіючими силами тяжіння, що виникають за рахунок обмінів мезонами, частками меншої маси. |
Ядро елемента X позначають як чи XA, наприклад уран U-235 -
,
де Z - заряд ядра, що дорівнює числу протонів, що визначає атомний номер ядра, A - масове число ядра, рівне сумарному числу протонів і нейтронів.
Ядра елементів з однаковим числом протонів, але різним числом нейтронів називаються ізотопами (наприклад, уран має два ізотопи U-235 і U-238); ядра при N = const, z = var - ізобарами.
1.2 Ядерні реакціїЯдра водню, протони, а також нейтрони, електрони (бета-частинки) і поодинокі ядра гелію (звані альфа-частинками), можуть існувати автономно поза ядерних структур. Такі ядра або інакше елементарні частинки, рухаючись у просторі і наближаючись до ядер на відстані порядку поперечних розмірів ядер, можуть взаємодіяти з ядрами, як кажуть брати участь в реакції. При цьому частинки можуть захоплюватися ядрами, або після зіткнення - міняти напрям руху, віддавати ядру частину кінетичної енергії. Такі акти взаємодії називаються ядерними реакціями. Реакція без проникнення внут ядра називається пружним розсіюванням.
Після захоплення частки складене ядро перебуває в збудженому стані. "Звільнитися" від порушення ядро може декількома способами - испустить яку-небудь іншу частку і гамма-квант, або розділитися на дві нерівні частини. Відповідно кінцевими результатами розрізняють реакції - захоплення, непружного розсіювання, поділу, перетворення ядерного з випусканням протона або альфа-частинки.
Додаткова енергія, що звільняється при ядерних перетвореннях, часто має вигляд потоків гамма-квантів.
Вірогідність реакції характеризується величиною "поперечного перерізу" реакції даного типу
1.3 РадіоактивністьРадіоактивність увійшла у свідомість людства всього лише приблизно 100 років тому. Лише в 1986 році А. Бекерель виявив якісь х-промені, засвічували фотопластинки. Потім було встановлено, що радіоактивність - це властивість випускати потоки заряджених aльфа, бета і нейтральних гамма часток. Зусиллями багатьох учених було виявлено, що aльфа-частинки являють собою ядра гелію, бета-частинки - електрони, а гамма-частинки - потік квантів світла. Було встановлено, що багато речовин є природними випромінювачами часток, з яких деякі, як наприклад радій, виявилися дуже інтенсивними джерелами радіації.
Різні комбінації нуклонів в ядрах управляються законами ядерних взаємодій, взаємне положення і рухи всередині ядер визначається дією короткодействующих ядерних сил. Відомо, що існує деяка залежність між числом протонів і нейтронів в ядрах, в рамках якої реалізується стабільність ядер. Ця залежність для стійких ядер має вигляд:
З цієї формули випливає, що при малих масових числах 110 число протонів росте як корінь кубічний з числа А. Відхилення від цієї "лінії стійкості ядер", надлишок числа нуклонів призводить до того, що ядра атомів зазнають радіоактивні перетворення прагнучи зменшити ступінь відхилення і перейти до більш стабільної конфігурації нуклонів.
Різні види радіоактивних перетворень можна описати:
,
де X * - складене ядро, A = A1 + A2, Z = Z1 + Z2, E - виділена енергія.
Дочірні продукти радіоактивних процесів можуть також зазнавати розпад - так виникають ланцюжка радіоактивних перетворень. Важливим різновидом радіоактивних перетворень є т.зв. спонтанне ділення важких ядер, відкрите Флерова і Петржака в 1942 році. Радіоактивний розпад це процес статистичний, тобто керований імовірнісними законаміi. Однак, в середньому, за часи великі часів характерних внутрішніх процесів - це цілком детерміноване явище. Так, можна записати рівняння радіоактивного розпаду, що має вид
або
де Аi-число ядер ізотопу Аi в одиниці об'єму, - Константа радіоактивного розпаду ізотопу Аi.
Величина визначає іншу, часто використовувану характеристику радіоактивного розпаду ізотопів - період напіврозпаду T1 / 2:
-
час, протягом якого кількість речовини за рахунок радіоактивного розпаду зменшується у два рази.
Інтенсивність радіоактивного розпаду вимірюється в одиницях, званих "бекерель" (1 Бк = 1 розпад / 1 сек). Важлива одиниця інтенсивного радіоактивного розпаду - кюрі (1 кюрі = 3,7 * 1010 Бк = 37 ГБК)
1.4 Поділ ядер| Розподіл важких ядер відбувається при захопленні нейтронів. При цьому випускаються нові частинки і звільняється енергія зв'язку ядра, передана осколках поділу. Це фундаментальне явище було відкрите в кінці 30-их років німецькими вченими Ганом і Штрасманом, що заклало основу для практичного використання ядерної енергії. |
Ядра важких елементів - урану, плутонію і деяких інших інтенсивно поглинають теплові нейтрони. Після акту захоплення нейтрона, важке ядро з імовірністю ~ 0,8 ділиться на дві нерівні за масою частини, звані осколками або продуктами поділу. При цьому випускаються - швидкі нейтрони / (в середньому близько 2,5 нейтронів на кожен акт поділу), негативно заряджені бета-частинок і нейтральні гамма-кванти, а енергія зв'язку частинок в ядрі перетворюється на кінетичну енергію уламків поділу, нейтронів та інших частинок. Ця енергія після цього витрачається на теплове збудження складових речовина атомів і молекул, тобто на розігрівання навколишнього речовини.
Після акту поділу ядер народжені при розподілі осколки ядер, будучи нестабільними, зазнають ряд послідовних радіоактивних перетворень і з деяким запізненням випускають "запізнілі" нейтрони, велике число альфа, бета і гамма-частинок. З іншого боку деякі осколки мають здатність інтенсивно поглинати нейтрони.
Диференціальне рівняння перетворень осколків розподілу можна записати у вигляді:
де Ai - число ядер ізотопу i в одиниці об'єму,
Q (t) - число актів поділу в одиниці об'єму в одиницю часу в момент t, - Вихід ізотопів Ai в акті поділу,
- Константа радіоактивного розпаду ізотопу Ai,
- Щільність потоку нейтронів,
- Перетин поглинання нейтронів ядрами ізотопу Ai,
- Константа переходу до-того ізотопу в i-тий.
Для вирішення цієї системи рівнянь потрібно задати початкові умови, знати схеми і константи всіх радіоактивних переходів. Підсумовуючи за групами ізотопів, які мають той чи інший тип радіоактивності, можна визначити інтенсивність радіоактивного розпаду в функції часу. У [3] представлені деталі і результати таких розрахунків.
Найбільш значущі осколки поділу - Kr, Cs, I, Xe, Ce, Zr та ін
У Таблиці 1 [] дані деякі характеристики осколків поділу
Таблиця 1. Характеристики деяких радіонуклідів і продуктів поділу урану-235| Ім'я нукліда | Період напіврозпаду Е, дні | Вихід при розподілі,% | Кількість радіоактивності у реакторі потужністю 3412 МВт, працював три роки, млн. кюрі |
| Ізотопи йоду | |||
| йод-131 | 8,04 | 2,88 | 87 |
| йод-132 | 0,095 | 4,30 | 130 |
| йод-133 | 0,866 | 6,70 | 180 |
| йод-135 | 0,276 | 6,55 | 170 |
| Благородні гази | |||
| криптон-85 | 3,95 | 1,30 | 0,66 |
| криптон-85м | 0,187 | 1,30 | 32 |
| криптон-87 | 0,053 | 2,56 | 57 |
| криптон-88 | 0,119 | 3,64 | 77 |
| ксенон-133 | 5,25 | 6,7 | 180 |
| ксенон-135 | 0,378 | 6,55 | 38 |
| Ізотопи цезію | |||
| цезій-134 | 753 | 7,81 | 13 |
| цезій-137 | 11000 | 6,23 | 6,5 |
| Інші осколки ділення | |||
| стронцій-90 | 10300 | 5,94 |
Для багатьох завдань певний інтерес представляють дані про активність паливних елементів після деякої витримки їх поза реактора.
Для нас важливо відзначити зараз, що осколки поділу мають значної радіаційної здатністю. Так 1 грам уламків поділу має активністю ~ 0,3 кюрі. Ця активність повільно зменшується за законом
E = 2,66 * t-1, 2 MeV / дел.сек, де t - час у сек.
2 Елементи нейтронної фізики 2.1 ядерний реакторЯдерний реактор - це технічна установка, в якій здійснюється самопідтримується ланцюгова реакція поділу важких ядер із звільненням ядерної енергії. Ядерний реактор складається з активної зони і відбивача, розміщених в захисному корпусе.Актівная зона містить ядерне паливо у вигляді паливної композиції в захисному покритті і сповільнювач. Паливні елементи зазвичай мають вигляд тонких стрижнів. Вони зібрані в пучки і укладені в чохли. Такі збірні композиції називаються збірками або касетами.
Уздовж паливних елементів рухається теплоносій, який сприймає тепло ядерних перетворень. Нагрітий в активній зоні теплоносій рухається по контуру циркуляції за рахунок роботи насосів або під дією сил Архімеда і, проходячи через теплообмінник, або парогенератор, віддає тепло теплоносію зовнішнього контуру. Перенесення тепла та утворення його носіїв можна представити у вигляді простої схеми:
 | Реактор Теплообмінник, парогенератор паротурбінної установки Генератор Конденсатор Насос |
Розмноження нейтронів є основою самопідтримуваної ланцюгової реакції поділу ядер.
Цикл розмноження нейтронів починається з акту захоплення нейтрона ядром важких (U-235, Pu-239 та інших "діляться") елементів. Інтенсивність захоплень, тобто кількість актів захоплень нейтронів в одиниці об'єму в одиницю часу є
де n - густина нейтронів,
v - їх швидкість, - Щільність ядер поглинача,
- Ймовірність поглинання нейтрона, т.зв. перетин поглинання. Індекс c означає "capture", тобто захоплення.
Величина nv = - Називається потоком нейтронів,
- Макроскопічними перетином поглинання.
При кожному акті поділу ядер важких "діляться" елементів випускається 2-3 нових, "швидких" нейтронів. Це число позначають vf. Перераховуючи на один акт захоплення нейтрона, це число слід помножити на ймовірність поділу щодо поділу та радіаційного захоплення, тобто ставлення і
. Твір
позначають vc.
Це число вторинних швидких нейтронів на один акт захоплення нейтрона ураном-235, так само приблизно 2. Враховуючи що паливо реакторів містить більшу частку неделящейся ізотопу урану-238, кількість нових нейтронів на один акт захоплення в урані палива складає
Число нових нейтронів, що народилися в одиниці об'єму палива в одиницю часу є
Ці нейтрони стикаючись з ядрами навколишнього палива можуть зробити додаткові акти поділу ядер палива, зробити як кажуть "розмноження на швидких нейтронах". Це множення покоління нейтронів позначають буквою. Далі нейтрони, стикаючись з ядрами сповільнювача, теплоносія та конструктивних елементів втрачають свою енергію, "сповільнюються". При цьому деяка їх частка поглинається (без поділу) на резонансах перетину поглинання важких елементів і вибуває з гри, а деяка дифундує в зовнішній простір і тим самим також втрачається.
Частку нейтронів "уникли резонансний захоплення" позначають через, а частку уникли "витік" при уповільненні - за. Тоді число "вповільнилися" нейтронів в одиницю часу в одиниці об'єму, що стали "тепловими", тобто втратили свою енергію народження (~ 2 Мev) є
,
де - Геометричний параметр, - "вік" нейтронів.
Ці нейтрони, "діфундіруя" в середовищі, можуть загубитися за рахунок витоку і поглинання в матеріалах активної зони. Частку нейтронів, які уникли витік при дифузії в тепловій області енергії (~ kT ev) позначають через, а частку нейтронів поглинених в важких елементах щодо повного поглинання в усіх матеріалах активної зони через . Число нейтронів пройшли весь нейтронний цикл на один нейтрон, поглинений у важких елементах, тобто пройшли цикл розмноження, уповільнення, дифузії в тепловій області є
= Keff
Твір називають коефіцієнтом розмноження нейтронів у нескінченному середовищі - k "нескінченна", а
- Ефективним коефіцієнтом розмноження нейтронів в кінцевій середовищі, k - "ефективне".
Реактор називається критичним, якщо число нових нейтронів при кожному акті їх захоплення ядрами урану, які уникли резонансний захоплення в урані-238 і витік з реактора при уповільненні і дифузії, точно дорівнює кількості поглинених. Цей стан Відповідне рівності keff = 1 Величина 1-keff/keff = r називається реактивністю. Ця величина визначає темп розгону реактора при r> 0.
3 Література1. Е. Фермі
"Ядерна фізика",
пер. з англ., Москва, вид. "Іноземна література", 1951 р.
2. В.Є. Левін
"Ядерна фізика",
Москва, Атоміздат, 1975 р.
3. А.С. Герасимов, Т.С. Зарицька, А.П. Рудик
"Довідник з освіти нуклідів в ядерних реакторах",
Москва, Вища школа, 1989 р.
4. В.Д. Сидоренко, В.М. Колобашкін, П.М. Рубцов, П.А. Ружанський
"Радіаційні характеристики опроміненого ядерного палива",
довідник, Москва, Вища школа, 1983 р.