Основы ядерной физики

Атомная энергетика
Ядерные реакторы
Тепловые контуры атомных станций
Реактор ВВЭР
Кипящие реакторы
Реактор РБМК
Реакторная установка МКЭР -1500
Реакторы на естественном уране
Газоохлаждаемые реакторы
Реакторы HTGR
Атомные электростанции с натриевым
теплоносителем
АЭС с реактором БН-350

БРЕСТ: быстрый реактор брест со
свинцовым теплоносителем

 
Основы ядерной физики
Строение атомного ядра
ЭНЕРГИЯ СВЯЗИ АТОМНЫХ ЯДЕР
И ДЕФЕКТ МАСС
Ядерная реакция
Закон радиоактивного распада
Цепная ядерная реакция
Термоядерный синтез
Реакторы на быстрых нейтрона
Элементарная частица
Позитрон. Аннигиляция
 
Использование атомной энергетики
для решения проблем дефицита пресной воды
Ядерное опреснение
Варианты  плавучего энергоблока и
опреснительных установок
Схема процесса многостадийной
флеш-дистилляции для опреснения воды
Принципиальная гидравлическая схема
энергоопреснительного комплекса
Опыт использования опреснительных установок
в России и регионах мира
 
Проектирование и строительство
атомных энергоблоков
Работы по подготовке технологических решений
объектов атомной энергетики
Состав разделов проектной документации
Разделы проектной документации
Состав проектной документации
Особенности проектирования и конструкций
Проектирование линейных объектов
Техническое обследование зданий
Экспертиза проектной документации
Особенности компоновки АЭС на примере
проектных решений АЭС с ВВЭР-1200
Основным режимом работы АЭС является
работа в базовом режиме на 100 % мощности
Корпус реактора
Привод системы управления и защиты
Компоновка реакторного контура
Паровая турбина
Генеральный план
Здания и сооружения ядерного острова
Концепция безопасности
Радиационная и ядерная безопасность
производства
Социально-экономический аспект
обеспечения безопасности
Радиационная безопасность человека
Государственное нормирование в области
обеспечения радиационной безопасности
Обеспечение защиты населения

Закон радиоактивного распада.

В любом образце радиоактивного вещества содержится огромное число радиоактивных атомов. Так как радиоактивный распад имеет случайный характер и не зависит от внешних условий, то закон убывания количества N (t) нераспавшихся к данному моменту времени t ядер может служить важной статистической характеристикой процесса радиоактивного распада

Экспоненциальному закон радиоактивного распада, показывающий как со временем t изменяется (в среднем) число N радиоактивных ядер в образце

http://nuclphys.sinp.msu.ru/spargalka/images/s006_1.gif,

где N0 – число исходных ядер в начальный момент (момент их образования или начала наблюдения), а лямбда– постоянная распада (вероятность распада радиоактивного ядра в единицу времени).

Через эту постоянную можно выразить среднее время жизни радиоактивного ядра тау= 1/лямбда,

Для практического использования закон радиоактивного распада удобно записать в другом виде, используя в качестве основания число 2, а не e:

N (t) = N0 · 2–t/T.

Величина T называется периодом полураспада. За время T распадается половина первоначального количества радиоактивных ядер. Величины T и τ связаны соотношением

http://physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164633399-22.gif

Период полураспада наглядно характеризует скорость распада, показывая за какое время число радиоактивных ядер в образце уменьшится вдвое.

Рис. 3 иллюстрирует закон радиоактивного распада.

http://physics.ru/courses/op25part2/content/chapter6/section/paragraph7/images/6-7-4.gif

Рисунок 3.

Закон радиоактивного распада

При α- и β-радиоактивном распаде дочернее ядро также может оказаться нестабильным. Поэтому возможны серии последовательных радиоактивных распадов, которые заканчиваются образованием стабильных ядер.

На характеристики радиоактивного распада, в частности его скорость (период полураспада), оказывают существенное влияние силы (взаимодействия), вызывающие распад. Альфа-распад изначально вызывается сильным взаимодействием, но его скорость определяется кулоновским барьером (электромагнитным взаимодействием). Бета-распад вызывается слабым взаимодействием, а гамма-распад – электромагнитным.

Применение.

Интересным применением радиоактивности является метод датирования археологических и геологических находок по концентрации радиоактивных изотопов. Наиболее часто используется радиоуглеродный метод датирования. Нестабильный изотоп углерода http://physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164633439-29.gifвозникает в атмосфере вследствие ядерных реакций, вызываемых космическими лучами. Небольшой процент этого изотопа содержится в воздухе наряду с обычным стабильным изотопом http://physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164633439-30.gifРастения и другие организмы потребляют углерод из воздуха, и в них накапливаются оба изотопа в той же пропорции, как и в воздухе. После гибели растений они перестают потреблять углерод и нестабильный изотоп в результате β-распада постепенно превращается в азот http://physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164633449-31.gifс периодом полураспада 5730 лет. Путем точного измерения относительной концентрации радиоактивного углерода http://physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164633449-32.gifв останках древних организмов можно определить время их гибели.

Дополнительное чтение.

Явление радиоактивности открыто в 1896 г. А. Беккерелем. В 1899 г. Э. Резерфорд открыл, что уран излучает положительно заряженные частицы (альфа-частицы) и отрицательно заряженные частицы (электроны). В 1900 г. П. Виллард открыл нейтральные частицы (гамма-кванты) при изучении распада урана. Спонтанное деление ядер открыто в 1940 г. К.А. Петржаком и Г.Н. Флёровым.

В процессе β-распада наблюдается кажущееся нарушение закона сохранения энергии, так как суммарная энергия протона и электрона, возникающих при распаде нейтрона, меньше энергии нейтрона. В 1931 году В. Паули высказал предположение, что при распаде нейтрона выделяется еще одна частица с нулевыми значениями массы и заряда, которая уносит с собой часть энергии. Новая частица получила название нейтрино (маленький нейтрон). Из-за отсутствия у нейтрино заряда и массы эта частица очень слабо взаимодействует с атомами вещества, поэтому ее чрезвычайно трудно обнаружить в эксперименте. Ионизирующая способность нейтрино столь мала, что один акт ионизации в воздухе приходится приблизительно на 500 км пути. Эта частица была обнаружена лишь в 1953 г. В настоящее время известно, что существует несколько разновидностей нейтрино. В процессе распада нейтрона возникает частица, которая называется электронным антинейтрино. Она обозначается символом http://physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164633169-11.gif. Поэтому реакция распада нейтрона записывается в виде:

http://physics.ru/courses/op25part2/content/javagifs/63230164633169-12.gif

.

Существование позитрона было предсказано выдающимся физиком П. Дираком в 1928 г. Через несколько лет позитрон был обнаружен в составе космических лучей.

Организационная диаграмма

Отдельно можно выделить реакции на γ-фотонах (ядерный фотоэффект)

Для дополнительного чтения

    Ядерные реакции обозначают следующим образом

a1 + a2 b1 + b2 + ...,

где a1 и a2 - частицы, вступающие в реакцию, а b1, b2 ... - частицы, образующиеся в результате реакции. 
    Реакция обычно может идти несколькими различными путями, в результате ядерных реакций в конечном состоянии могут образовываться различные частицы

 Начальный этап реакции называется входным каналом. Различные возможные пути протекания реакции на втором этапе называют выходными каналами.

    Если в конечном состоянии образуются две частицы

a + A b + B,

обычно используют обозначение

A(a,b)B.

где а - налетающая частица, А - ядро мишень, b - легкая частица, образующаяся в конечном состоянии, В - конечное ядро. 
    В зависимости от энергии налетающей частицы Еа при взаимодействии налетающей частицы с ядром А в конечном состоянии могут образовываться различные частицы. Так при взаимодействии протона с ядром 14N возможны реакции

p + 14N arrow14N + p

(а)

p + 14N arrow 14N* + p

(б)

p + 14N arrow 15O + гамма 

(в)

p + 14N arrow 14O + n 

(г)

p + 14N arrow 13N + p + n

(д)

p + 14N arrow 8p + 7n

(е)

В приведенном примере взаимодействия протона с ядром 14N наблюдаются следующие выходные каналы реакции. 
Упругое рассеяние - ядерная реакция при которой тип частиц и их квантовые состояния не меняются в результате взаимодействия (а). 
В реакции (б) в конечном состоянии образуются те же частицы, что и в начальном состоянии, однако ядро 14N образуется в возбужденном состоянии. Такой процесс называется процессом неупругого рассеяния. 
В реакциях (в-е) образуются частицы, которых не было в начальном состоянии. 
Реакции типа (в), когда в конечном состоянии образуется гамма-квант, называются реакциями радиационного захвата. 
В конечном состоянии могут образовываться как стабильные так и радиоактивные ядра. Так например ядра 14,15О являются бета+-радиоактивными. 
В реакции (д) в конечном состоянии образуются три частицы. 
При достаточно больших энергиях налетающей частицы возможен полный развал ядра на составляющие его отдельные нуклоны (е). 
     Мы привели классификацию ядерных реакций по типу частиц, образующихся в выходном канале. Ядерные реакции также классифицируются по типу частиц во входном канале. Так различают реакции под действием легких заряженных частиц p, d, 3He, 3H(t), 4He(альфа), например

p + 16O arrow 16F + n
 альфа + 14N arrow 18F + гамма

Реакции под действием гамма-квантов и электронов называют фотоядерными и электроядерными.

гамма + 14Narrow 13N + n
e-+ 14N arrow 13C + p + e-

B качестве налетающих частиц могут использоваться ускоренные ионы.

16O + 14N arrow 13C + 17F

    Если в качестве налетающих частиц используются заряженные частицы, они должны иметь достаточную кинетическую энергию, для того чтобы преодолеть кулоновское отталкивание ядра и попасть в область действия ядерных сил. (Если энергия заряженной частицы меньше высоты кулоновского барьера, вероятность ядерной реакции будет сильно подавлена.) Пучки частиц необходимых энергий легко получаются на современных ускорителях. Если энергия частицы недостаточна для преодоления кулоновского барьера, то она будет испытывать упругое рассеяние в кулоновском поле ядра, описываемое формулой Резерфорда. Для исследования характеристик атомных ядер в области малых энергий используют нейтроны, которым не нужно преодолевать кулоновский барьер. Источниками интенсивных потоков нейтронов являются ядерные реакторы

Атомная энергетика