Шпаргалка по ядерной энергетики. Ядерная энергетика. 1 Строение атомов. Ядро. Протон. Нейтрон. Атомное ядро. Электрический
 Скачать 1.2 Mb.
|
|
7) Взаимодействие нейтронов с ядрами вещества. Вероятность взаимодействия нейтрона с каким-либо их ядер. Ядерная объемная плотность. Межъядерное расстояние. Когда вводится определение величины взаимодействия одной частицы с другой, то в это определение вносится смысл площади, подчеркивая, что это характер взаимодействия между частицами. Если налетающая частица, которую мы представляем точкой, пересекает некоторую область вокруг ядра, то обязательно между ними будет взаимодействие с вероятностью 100%. Область вокруг частицы-мишени ограничивается площадкой, перпендикулярной к направлению движения налетающей частицы. Самый простой случай, когда имеется сферическая симметрическая частица- мишень. Для сферической частицы-мишени величину сечения можно выразить, как: 2 R , где R – радиус окружности с диаметром в центре частицы-мишени. Сопоставление вероятности процессов взаимодействия с площадью сечения условно, так как даже при пересечении налетающей частицей этой области взаимодействия может не быть в связи с волновыми свойствами. Возникает вопрос, как связать эффективное сечение с вероятностью, которая находится от 0 до 1. Рассмотрим некоторую площадку в плоскости перпендикулярной движению нейтрона. Если в плоскости этой площадки находится только одно ядро, это ядро имеет некоторое сечение , то тогда при равновероятностном пересечении нейтронов площадки, в любой ее точке (площадки) вероятность взаимодействия с ядром равна вероятности попасть в сечение 0 P F Если оказалось, что в этой плоскости площадки будет несколько ядер, каждой из которых имеет сечение , то тогда при равновероятном пересечении нейтроном той же площадки в любой ее точке вероятность взаимодействия нейтрона с произвольным ядром увеличивается. 1 2 s n N P N F , где s N – поверхностная плотность распределения ядер (яд/см 2 ). 0 P и P отличаются в N раз – это связано с тем, как выбирать площадку F Поскольку сечение определяется как характеристика взаимодействия одного нейтрона с одним ядром, то интересующая вероятность P Вместо всей площадки F вводят эффективную площадь F – площадь приходящееся на одно ядро. F F N N P FN F Рассмотрим структуру вещества, с которой взаимодействуют нейтроны. Итак, будем считать, что ядра располагаются в узлах кристаллической решетки. Нейтрон при взаимодействии с ядрами вещества может попасть в область действия сил какого-либо одного из ядер, поэтому в качестве площадки F перпендикулярной движению, рассматриваем эффективную площадь, которая относится к одному ядру. В качестве этой площадки выбираем площадь квадрата со стороной a . Эта сторона a определяется межатомным (межядерным) расстоянием. 2 S a F Пусть вещество имеет некоторую плотность (г/см 3 ) и молекулярный вес . Тогда можно определить объемную плотность ядер: A яд N N Следовательно, можно определить погонную и поверхностную плотность ядер: 3 d яд N N – погонная. 2 2/3 s d яд N N N – поверхностная. Межядерное расстояние можно вычислить, исходя из количества ядер, приходящихся на длину ребра куба: 1 d см a N 2 2 1 1 d s F a N N 0 1 s s N P N F При движении нейтрона, перпендикулярного плоскости переднего слоя, последующие слои будут полностью экранированы этим слоем. A N P Можно получить соотношение между вероятностью P и через и 8) Характеристики гамма-излучения. Флуоресцентное излучение. Тормозное рентгеновское излучение. Гамма-излучение и рентгеновское излучение – это формы одного и того же электромагнитного излучения. Они различаются своими происхождениями. Гамма- излучение возникает в процессе ядерных превращений, а рентгеновское излучение испускается, если имели место процессы возбуждения атома или удаление его орбитальных электронов, а также при торможении быстрых (свободных) электронов. Оба излучения могут рассматриваться, как поток частиц, имеющих энергию E h , где h – постоянная Планка, – частота hc . При испускании гамма-квантов выделяется энергия возбужденного ядра, которая может оказаться в данном состоянии в процессе естественного радиоактивного распада, либо в процессе искусственных превращений. В случае конкретной ядерной реакции гамма-кванты имеют одну энергию или несколько дискретных значений. Возбуждение или удаление орбитальных электронов, приводящих к появлению рентгеновского излучения может быть связано с тремя видами процессов: Неупругое рассеяние электронов Внутренняя конверсия Захват электронов При возвращении орбитального электрона в основное состояние или при переходе атома в основное состояние происходит выделение энергии в виде излучение, которое называется флуоресцентным, при этом выделяется энергия, которая зависит от конкретного вещества и изменяется от нескольких эВ до 0,1 МэВ, если речь идет о трансурановых элементах. Если речь идет о рентгеновском излучении, которое связано с торможением быстрых электронов, то такое излучение называется тормозным рентгеновским излучением. Этот вид излучения возникает при бомбардировки электрическими веществами (особенно, если вещество состоит из элементов с большим атомным номером). 9) Фотоэффект. При взаимодействии рентгеновского и гамма-излучений с веществом, основную роль играют три процесса: Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект). Комптоновское рассеяние. Образование электронно-позитронных пар. При фотоэффекте гамма-квант взаимодействует с атомом вещества, и всю порцию своей энергии передает одному из орбитальных электронов. Обычно эта энергия передается электрону, находящемуся на внутренней, то есть ближайшей к ядру оболочке, и этот электрон, который получил энергию вылетает из атома с кин св E h E . На получившейся свободное место попадает другой электрон, и при этом испускается один или несколько гамма-квантов (фотонов). 10) Эффект Комптона. При взаимодействии рентгеновского и гамма-излучений с веществом, основную роль играют три процесса: Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект). Комптоновское рассеяние. Образование электронно-позитронных пар. При комптоновском рассеянии гамма-квант (фотон) может взаимодействовать с любым из орбитальных электронов и при большой энергии гамма-кванта орбитальный электрон может рассматриваться как свободный. Комптоновское рассеяние – есть упругое соударение первичного гамма-кванта с этим свободным электроном, при этом энергия гамма-кванта делится между электроном-отдачи и вторичным гамма-квантом, который соответственно движется в направлении уже не совпадающем с направлением первичного гамма-кванта. Вторичный гамма-квант называют рассеянным гамма-квантом. 11) Образование электрон-позитронных пар. При взаимодействии рентгеновского и гамма-излучений с веществом, основную роль играют три процесса: Фотоэлектрическое поглощение (фотоэффект). Комптоновское рассеяние. Образование электронно-позитронных пар. Если оказалось так, что энергия гамма-кванта близка или меньше, чем энергия связи электрона, то рассеянный гамма-квант имеет энергию равную энергии первичного гамма- кванта. Такой процесс называется когерентного рассеяния. При этом атом принимает на себя момент отдачи как на целое. Поскольку атом имеет большую массу, то он получает тогда от гамма-кванта незначительную часть энергии. При образовании пар первичный гамма-квант поглощается, и вся его энергия переходит в энергию массы покоя двух частиц – электрона и позитрона, а также в их кинетическую энергию. Такой процесс, процесс образования электронно-позитронных пар, был открыт в 1928 г. Диреком, который анализировал релятивистское квантово- механическое движение электрона. Если процесс образования электронно-позитронной пары происходит в кулоновском поле ядра или протона, то энергия учувствовавшего в нем ядра-отдачи, будет весьма малой, и вводится понятие пороговой энергии: 2 0 0 2 1,02 E m c МэВ. Она необходима для образования электрона и позитрона. 12) Физические основы ядерных реакторов. Физика ядерных реакторов. Условия критичности реактора. Температурный коэффициент реактивности. Физика ядерных ректоров – это часть ядерной физики, в которой изучают развитие цепной реакции деления ядер в реакторе. В этом разделе рассматривается вопрос о том, какова судьба родившегося при делении нейтрона прежде, чем он сможет вызвать деление другого ядра, если это получится. Зная свойства элементарных актов взаимодействия нейтрона с ядрами, можно будет определить, как быстро нейтрон, образовавшийся при делении, будет менять свою энергию и путешествовать по объему реактора. Эти процессы описывает теория взаимодействия нейтронов с веществом, а не с отдельными ядрами. Можно определить условия критичности реактора. Это такие условия, при которых протекает стационарная цепная ядерная реакция. Критичность реактора достигается при низких потоках нейтронов, то есть при малой мощности реактора. По мере роста мощности реактора растет температура в реакторе, при этом изменяются нейтронно-физические свойства различных веществ, которые находятся в реакторе. Изменение этих свойств приводит к изменению размножающих свойств активной зоны реактора. Эти свойства зависят от величины, которую называют температурным коэффициентом реактивности. Иногда также рассматривается паровой коэффициент и плотностной эффект. Возникшая стационарная цепная ядерная реакция, работающая на мощности реактора, самопроизвольно становится нестационарной, она начинает затухать из-за образования осколков деления, и выгорают делящиеся нуклиды. Для поддержания стационарной цепной реакции надо знать, какие осколки деления образуются, их нейтронные свойства и кинетику образования этих осколков, также надо знать кинетику выгорания делящихся нуклидов и как происходит образование изотопов трансурановых ядер – это составляет физические основы ядерных реакторов. 13) Основные типы реакций, идущие в ядерном реакторе. Рассеяние. Захват. Деление. Эффективное поперечное сечение. Делящиеся природные изотопы. Искусственные делящиеся изотопы. Регенеративные реакторы. Реакторы- размножители (бридеры). Для реакторов наиболее важны нейтронные реакции, приводящие к делению ядер. Эти реакции обозначают , n f , где n – нейтрон, а f – деление. При прохождении нейтронов сквозь вещество между нейтронами и ядрами атомов вещества происходит взаимодействие трех типов: Рассеяние Захват Деление Характеристики этих процессов описываются величиной называемой эффективным поперечным сечением или микросечением . Микроскопическое сечение (эффективное сечение) взаимодействия нейтрона с ядром – это размерная величина (м 2 ), поэтому под величиной эффективного сечения взаимодействия понимают величину, которая описывает вероятность того или иного взаимодействия. Эта величина выражается в барнах (1 барн =10 -24 см 2 ). Каждому изотопу свойственны свои значения и они разные для разных ядерных реакций, поэтому у этой приписывают индекс, который обозначает тип реакции. s – рассеяние, a – поглощение, f – деление, c – радиационный захват. a s c Эти все эффективные поперечные сечения меняются при переходе от одного изотопа к другому, они меняются в зависимости от энергии нейтронов. В таблице собраны эффективные поперечные сечения для тепловых нейтронов с энергией 0,0235 эВ при температуре 20 0 С, при этом можно обнаружить, что полные эффективные поперечные сечения равны сумме поперечных сечений рассеяния и поглощения. Эффективные поперечные сечения рассеяния слабо меняются при переходе от изотопа к изотопу и находятся в пределах от 1 до 10 барн. Сечение поглощения могут отличаться у разных изотопов даже для одного и того же химического элемента. Для проектирования ядерных реакторов и исследования их работы надо иметь данные по микросечениям всех веществ, входящих в состав активной зоны, а также в отражатель нейтронов. Эти данные получают опытным путем. График зависимости эффективного поперечного сечения поглощения в барнах от энергии. Основные типы ядерных реакций, рассматриваемые в физике ядерных реакторов, связаны с делящимися изотопами. К делящимся природным изотопам относят изотопы урана. Природный уран 235 235 U начинает делиться под действием нейтронов всех энергий, а другие природные изотопы 234 и 238 234 238 , U U делятся только при взаимодействии с быстрыми нейтронами. Плутоний 239 239 Pu и уран 233 233 U являются искусственно делящимися изотопами. Они делятся под действием нейтронов всех энергий, образуются в результате ядерных реакций с нейтронами. Если мы возьмем торий 232 232 90 Th и добавим к нему нейтрон, то получим торий 233 233 90 Th 232 ' 233 90 0 90 Th n Th Если подождать 23,5 минуты, то он превратится в протактиний 233 233 91 Pa 233 233 90 91 Th Pa , где – нейтрино Если подождать 27,5 суток, то он превратится в уран 233 233 U 233 233 91 92 Pa U Реакторы, в активной зоне которых имеется уран 238 238 U и торий 232 232 Th , относятся к числу регенеративных реакторов, работающих с воспроизведением делящихся материалов. Реакторы-размножители (бридеры) дают возможность переработать уран 238 238 U и торий 232 232 Th в ядерное топливо, и полностью использовать для деления природные запасы урана и тория, и для получения плутония 239 239 Pu и урана 233 233 U необходим мощный источник нейтронов, в качестве которого может выступать активная зона ядерного реактора. 14) Деление тяжёлых ядер, энергия деления, продукты деления. Наибольший выход нейтронов. Мгновенные нейтроны. Запаздывающие нейтроны. В 1939 г. Фриш, Майтнер и Кюри в Париже опубликовали впервые результаты работ по делению ядер урана, и стало ясно, что процесс деления дает возможность получить новые источники деления. К середине 1940 г. Было опубликовано много работ по делению ядер урана, тория и протактиния, из этих работ стало ясно: Деление тория и протактиния вызывается только быстрыми нейтронами. Деление урана вызывается как быстрыми, так и тепловыми нейтронам. Тепловые нейтроны вызывают деление урана 235 235 U , а у урана 238 238 U не вызывают. Вероятность деления урана 235 235 U тепловыми нейтронами значительно больше, чем быстрыми. Количество энергии, высвобождаемой при делении одного ядра урана составляет, около 200 МэВ и при этом выпускается от 1 до 3 нейтронов деления. Все эти результаты дали возможность предполагать об осуществлении самоподдерживающейся цепной реакции деления ядер. И теоретический расчет такой реакции был опубликован Зильдовичем и Харитоном. В 1942 г. 2 декабря в Чикаго Энрико Ферми получил такую реакцию в установке, загруженной природным ураном. Было установлено, что наибольший выход нейтронов дает деление ядер природного изотопа урана 235 235 U медленными нейтронами. 235 ' 236 0 U n U 236 1 2 ' 1 2 0 2,5 A A Z Z U F F n Эта реакция происходит с образованием промежуточного исчезающего ядра урана 236 236 U Осколки – это элементы из средней части таблицы Менделеева 1 2 1 2 A A Z Z F F . В среднем на каждый акт деления урана 235 235 U испускается ' 0 2,5n называемые нейтронами-деления. Кроме этого в процессе испускаются гемма-кванты и бетта-частицы. Если говорить об этих 2х осколках, то можно говорить об их вероятности. Вероятность распределения масс осколков деления. 1) Среди этих осколков деления были обнаружены атомы более 30 различных элементов. Все эти атомы радиоактивны, так как их ядра обладают переизбытком нейтронов. 2) Было установлено, что 2-3 нейтрона испускаются осколками в тот час же после деления с энергией по 2,5 МэВ на каждый. Ядра осколков деления содержат по 4-5 избыточных нейтронов. 3) 0,75% от общего числа нейтронов деления испускаются некоторыми продуктами распада осколков деления в течение нескольких минут после акта деления, и их энергия составляет 0,5 МэВ и эти нейтроны играют большую роль в регулировании мощности и управлении ядерных реакторов. 4) От имеющихся избыточных нейтронов ядра осколков деления освобождаются при помощи последовательных 3-4 бетта-распадов. Каждое осколочное ядро имеет свою цепочку распада. Важнейшим результатом реакции деления является выделение энергии порядка 200 МэВ на один акт деления ядра. Эта энергия распределяется так: энергия осколков – 168 МэВ, энергия нейтронов-деления – 5 МэВ, энергия мгновенного гамма-излучения – 5 МэВ, энергия бетта-распада – 7 МэВ, энергия гамма-распада – 6 МэВ, энергия нейтрино – 11 МэВ. Энергия нейтрино не может быть уловлена, так как эти частицы не взаимодействуют с веществом. Поэтому реальная энергия процесса деления 202-11+4=195 МэВ, где энергия радиоактивного вторичного превращения ядер в реакторе – 4 МэВ. Полное выделение энергии на один акт деления в реакторе принимают равным 195 5 МэВ с учетом вторичных эффектов. Поскольку некоторая часть нейтронов захватывается изотопами урана 235 235 U , плутония 239 239 Pu и урана 233 233 U без деления, то количество выгоревшего ядерного горючего больше, чем количество разделившегося на 10-20 %. |