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

Цепная ядерная реакция. Деление ядер урана

Деление ядер урана было открыто в 1938 г. немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом. Им удалось установить, что при бомбардировке ядер урана нейтронами образуются элементы средней части периодической системы: барий, криптон и др. Правильное толкование этому факту дали австрийский физик Л. Мейтнер и английский физик О. Фриш. Они объяснили появление этих элементов распадом ядер урана, захватившего нейтрон, на две примерно равные части. Это явление получило название деления ядер, а образующиеся ядра — осколков деления.

Атом урана, поглотив нейтрон, возбуждается, деформируется (ядро вытягивается, ядерные силы ослабевают при увеличении расстояний между нуклонами) и разрывается на две части с излучением при этом 2-3 нейтронов.

Поглощая нейтрон, ядро урана получает необходимую энергию для преодоления ядерных сил притяжения между нуклонами, при этом внутренняя энергия ядра увеличивается. При распаде ядра часть внутренней энергии переходит в кинетическую энергию осколков, а затем за счет торможения их во внутреннюю энергию окружающей среды.

В результате деления ядра, инициированного нейтроном, возникают новые нейтроны, способные вызвать реакции деления других ядер. Продуктами деления ядер урана-235 могут быть различные изотопы бария, ксенона, стронция, рубидия и т. д. При делении ядер тяжелых атомов LaTeX: ~^{235}_{92}U выделяется очень большая энергия — около 200 МэВ при делении каждого ядра. Около 80 % этой энергии выделяется в виде кинетической энергии осколков; остальные 20 % приходятся на энергию радиоактивного излучения осколков и кинетическую энергию мгновенных нейтронов. Реакция деления ядер урана идет с преобладающим выделением энергии в окружающую среду.

В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении LaTeX: ~^{235}_{92}U. Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

 

Цепная ядерная реакция

Цепная реакция — ядерная реакция, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции.

При делении ядра LaTeX: ~^{235}_{92}U, которое вызвано столкновением с нейтроном, освобождается 2 или 3 нейтрона. При благоприятных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавинообразный процесс и называется цепной реакцией. 

 


LaTeX: ~^{238}_{92}U + \ ^1_0n \to \ ^{239}_{92}U \to \ ^{239}_{93}Np + \ ^0_{-1}eУран встречается в природе в виде двух изотопов: LaTeX: ~^{238}_{92}U (99,3 %) и LaTeX: ~^{235}_{92}U (0,7 %). При бомбардировке нейтронами ядра обоих изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция деления LaTeX: ~^{235}_{92}U наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) нейтронах с кинетической энергией в интервале 0,5 эв — 1 Мэв., в то время как ядра LaTeX: ~^{238}_{92}U вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией более 1 МэВ, иначе энергия возбуждения образовавшихся ядер LaTeX: ~^{239}_{92}U оказывается недостаточной для деления, и тогда вместо деления происходят ядерные реакции:

Изотоп урана LaTeX: ~^{238}_{92}U β -радиоактивен, период полураспада 23 мин. Изотоп нептуния LaTeX: ~^{239}_{93}Np тоже радиоактивен, его период полураспада около 2 дней.

LaTeX: ~^{239}_{93}Np \to \ ^{239}_{94}Pu + \ ^0_{-1}e .

Изотоп плутония LaTeX: ~^{239}_{94}Np относительно стабилен, период полураспада 24000 лет(в результате α-распада образуется LaTeX: ~^{235}_{92}U). Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием нейтронов так же, как LaTeX: ~^{235}_{92}U. Поэтому с помощью LaTeX: ~^{239}_{94}Np может быть осуществлена цепная реакция.

Рассмотренная выше схема цепной реакции представляет собой идеальный случай, тогда как в реальных условиях не все образующиеся при делении нейтроны участвуют в делении других ядер. Часть их захватывается неделящимися ядрами посторонних атомов, другие вылетают из урана наружу (утечка нейтронов). Поэтому цепная реакция деления тяжелых ядер возникает не всегда и не при любой массе урана. Чтобы разобраться в этом вопросе, необходимо рассмотреть еще одно понятие- коэффициент размножения нейтронов.

Развитие цепной реакции характеризуется так называемым коэффициентом размножения нейтронов К, который измеряется отношением числа Ni нейтронов, вызывающих деление ядер вещества на одном из этапов реакции, к числу Ni-1 нейтронов, вызвавших деление на предыдущем этапе реакции:

LaTeX: ~K = \frac{N_i}{N_{i - 1}} .

Коэффициент размножения зависит от ряда факторов, в частности от природы и количества делящегося вещества, от геометрической формы занимаемого им объема. Одно и то же количество данного вещества имеет разное значение К. К максимально, если вещество имеет шарообразную форму, поскольку в этом случае потеря мгновенных нейтронов через поверхность будет наименьшей.

Масса делящегося вещества, в котором цепная реакция идет с коэффициентом размножения К = 1, называется критической массой. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.

Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Так, для шара из чистого урана LaTeX: ~^{235}_{92}U критическая масса равна 47 кг (шар диаметром 17 см). Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода D2O(дейтерий и кислород). Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

При коэффициенте размножения К = 1 число делящихся ядер поддерживается на постоянном уровне. Такой режим обеспечивается в ядерных реакторах.

Если масса ядерного топлива меньше критической массы, то коэффициент размножения К < 1; каждое новое поколение вызывает все меньшее и меньшее число делений, и реакция без внешнего источника нейтронов быстро затухает.

Если же масса ядерного топлива больше критической, то коэффициент размножения К > 1 и каждое новое поколение нейтронов вызывает все большее число делений. Цепная реакция лавинообразно нарастает и имеет характер взрыва, сопровождающегося огромным выделением энергии и повышением температуры окружающей среды до нескольких миллионов градусов. Цепная реакция такого рода происходит при взрыве атомной бомбы.

Атомная энергетика