Реакция радиационного захвата.

После захвата нейтрона составное ядро может и не испытать деления, излишек энергии сбрасывается путем испускания гамма-квантов. В этом случае говорят о реакции радиационного захвата.

Вследствие этой реакции металлические детали, находящиеся в АЗ активируются. То есть в них образуются новые изотопы, например: ядро железа, захватывая нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп. Метало-конструкции после интенсивного облучения нейтронами представляют опасность для персонала.

Реакция рассеяния.

При взаимодействии нейтрона с ядром возможен случай, когда составное ядро не образуется. Происходит столкновение и разлет в разные стороны нейтрона и ядра. В этом случае говорят об упругом рассеянии. Нейтрон, ударившись о ядро, снижает свою скорость и изменяет направление движения, этот процесс называют замедлением.

Чем легче ядро, с которым столкнулся нейтрон, тем больше снижение скорости. В дальнейшем мы увидим, что снижение скорости движения нейтрона, или другими словами снижение его кинетической энергии (замедление), очень важный процесс в физике ядерного реактора.

Неупругое рассеяние - это процесс когда, после столкновения с нейтроном, образуется составное ядро, но из него почти мгновенно вылетают нейтрон, и гамма квант. В этом случае кинетическая энергия нейтрона уменьшается на величину энергии гамма кванта и энергии полученной ядром. Нейтрон замедляется.

В заключении остановимся на условиях, при которых реакция деления будет самоподдерживающееся. Для этого необходимо, чтобы хотя бы один из нейтронов, полученный в результате первого акта деления, взывал второй акт деления. Нейтроны, вызвавшие первые акты деления, называют нейтронами первого поколения, вторые - второго поколения.

Определение: Коэффициент размножения (Кэф) - это отношение количества нейтронов второго поколения к количеству нейтронов первого поколения

При Кэф < 1 реакция деления затухает.

При Кэф = 1 реакция деления происходит на постоянной мощности (нормальный режим работы реактора).

При Кэф > 1 реакция деления разгоняется (увеличение мощности).

Для осуществления преобразования ядерной энергии в электрическую, необходимо поддерживать в реакторе Кэф = 1.

Управляемая цепная реакция деления.

Нейтроны и вероятность их взаимодействия с ядрами.

На предыдущем занятии мы рассмотрели, возможные реакции взаимодействия нейтрона с ядрами. Точно определить какая реакция произойдет, в каждом конкретном случае невозможно, говорят о вероятности протекания той или иной реакции. Для оценки вероятности введена величина эффективного сечения реакции.

Определение: микроскопическое сечение реакции - представляет собой эффективную площадь поперечного сечения вокруг ядра, попав в которую налетающий нейтрон вызовет данную ядерную реакцию.

Чем больше сечение реакции, тем больше вероятность этой реакции.

Если умножить микроскопическое сечение реакции k, k на количество ядер в единице объема Nj, то получим макроскопическое сечение реакции .

Что влияет на микроскопическое сечение реакций (вероятность реакций)? Основной фактор, это энергия нейтрона, которую он имеет перед столкновением с ядром.

Нейтроны, сталкивающиеся с ядрами обладают различной энергией. В физике ядерного реактора принята единица измерения энергии - мега электрон-вольт [МэВ] 1 МэВ = 1.602 10-13 Дж (1 МэВ =1 000 000 эВ). В зависимости от энергии принято делить нейтроны на группы:

тепловые - энергия движения которых соизмерима энергией теплового движения среды Е < 0.5 эВ.

замедляющиеся - энергия которых лежит в диапазоне от 0.5 эВ до 2000 эВ.

быстрые - E > 2000 эВ.

Основным топливом в ядерных реакторах является уран, поэтому рассмотрим вероятность реакции деления изотопов урана под действием нейтронов с различной энергией.

В результате исследований было установлено, что деление изотопа урана 238U возможно только нейтронами с энергией большей 1 МэВ, но вероятность деления (сечение реакции деления), при таких энергиях в 4 раза меньше чем захвата или рассеяния. Другими словами из 5 нейтронов столкнувшихся с ядром 238U, только 1 вызовет деление. При меньших энергиях возможны только радиационный захват или рассеяние. Причем при энергиях 7 эВ - 200 эВ сечение захвата очень сильно возрастает (Резонансный захват). Нейтроны поглощаются без деления и выбывают из цепной реакции.

Для изотопа урана 235U деление возможно нейтронами любых энергий, однако, вероятность деления (сечение реакции деления) для тепловых нейтронов в 100 раз больше чем для быстрых нейтронов c энергией 5 - 6 МэВ.

Цепная реакция деления.

Рассмотрим реакцию деления в смеси изотопов урана 238U и 235U.

В отдельных актах деления энергия рождающихся нейтронов может принимать значения от 100 эВ, до 10 МэВ. Средняя энергия около 2 МэВ. Нейтроны с такой энергией, могут разделить изотопы 238U, но как было сказано выше, на 1 нейтрон вызвавший деление 238U, придется четыре захваченных без деления, а в результате деления возникает в среднем 2,5 нейтрона, следовательно, коэффициент размножения Кэф = 5/2.5 = 0.5 - реакция затухающая. Можно сделать вывод, что при наличии только одного изотопа 238U осуществить цепную реакцию невозможно.

Нейтроны рожденные при делении с энергией 2 МэВ, в результате рассеяния потеряют свою энергию (замедлятся), чем ниже их энергия, тем больше эффективное сечение деления для изотопа 235U, однако в процессе замедления в какой-то момент времени энергия нейтронов будет находиться в диапазоне 7 эВ - 200 эВ, где сечение захвата для ядер 238U очень сильно возрастает. Поэтому до тепловой энергии, где вероятность деления 235U максимальна, сможет замедлится лишь малая часть нейтронов.

В естественном уране количество изотопа 235U составляет 0.7 % остальное 238U и для осуществления реакции необходимо произвести обогащение, увеличить концентрацию изотопа 235U таким образом, чтобы нейтроны после рождения сталкивались с ядрами 235U чаще, чем с ядрами 238U. В этом случае мы можем осуществить цепную реакцию деления на быстрых нейтронах.

Другим способом осуществления реакции деления в уране является использование замедлителя, например воды. Если нейтрон после рождения столкнется с ядром водорода, то он сбросит часть своей энергии, после нескольких столкновений (около 14) его энергия снизится до уровня тепловой, где вероятность деления 235U максимальна. В этом случае мы можем получить цепную реакцию в смеси изотопов урана с меньшем обогащением по 235U.

Реакторы, в которых большинство актов деления вызвано тепловыми нейтронами, называют реакторами на тепловых нейтронах. В таких реакторах обязательно используется замедлитель. В качестве замедлителей обычно используют: