ЯФ. 3. Ядерная физика и ядерные реакторынеобходимый минимум 1 Строение атома

• Название: 3. Ядерная физика и ядерные реакторынеобходимый минимум 1 Строение атома
• Дата: 18.11.2020
• Размер: 1.08 Mb.
• Имя файла: ЯФ.docx
• Тип: Документы; #151606

3. Ядерная физика и ядерные реакторы-необходимый минимум

3.1 Строение атома

Все вещества состоят из молекул, а молекулы, в свою очередь, из атомов. На сегодня известно около 118 различных типов атомов. Таким образом, при всем богатстве разновидностей молекул, атомов не так уж много. Однако ученые, склонные все максимально упрощать и систематизировать, в результате ряда выдающихся открытий выяснили, что абсолютно все атомы состоят только из трех типов частиц: протонов, нейтронов и электронов.


Рисунок - 1 Строение атома
Р ассмотрим, что собой представляет атом. В его центре находится очень маленькое ядро, размеры которого составляют примерно 0,001% диаметра атома. Вокруг ядра расположено пустое пространство, заполненное электронами, которые, вращаясь, формируют электронное облако (рис. 3.1). Соотношение размеров
ядра и электронного облака таковы, что если бы мы увеличили ядро до
размеров монеты, то диаметр облака равнялся бы примерно 1 км. В ядре сосредоточено порядка 99,9% массы всего атома. Ядро состоит из протонов (частиц, имеющих элементарный положительный заряд +1,6·10^–19 Кл) и нейтронов (элементарных частиц, не имеющих заряда).

Электрон, в свою очередь, является носителем элементарного отрицательного заряда (–1,6·10^–19 Кл), однако его масса на много порядков меньше масс протона и нейтрона. Таким образом, атом внутри практически пустой.

Протоны и нейтроны в ядре связаны ядерными силами (т.н. сильным взаимодействием), которые удерживают их вместе (в противном случае протоны разлетелись бы в разные стороны за счет электростатического отталкивания). И если число протонов определяет, к какому элементу относится данный изотоп, то число нейтронов отвечает за его стабильность. Ядра со значительным избытком, а также недостатком нейтронов являются нестабильными, что приводит к их радиоактивному распаду.

Радиоактивный распад, кстати, вовсе не обозначает, что ядро разлетается на составляющие его протоны и нейтроны. Обычно, из ядра вылетает какая-то частица, а также может происходить испускание электромагнитного излучения. И только в ряде
случаев ядро может распасться на два (редко – более) осколка (т.н. спонтанное деление). Поток частиц или квантов электромагнитного излучения, испускаемых радиоактивными ядрами, – это и есть ионизирующее излучение, для простоты называемое радиацией.

3.2 Радиоактивность

Рисунок 2 Схема опыта по отклонению излучения
Что представляет собой радиация, испускаемая радиоактивными ядрами? Почти сразу учёные установили, что это излучение неоднородно по составу. В 1899 году выдающийся французский физик Анри Беккерель и ряд других ученых показали, что под воздействием магнита часть излучения отклоняется, тогда как другая распространяется по прямой линии (рис. 2).

Кроме того, было установлено, что отклоняющиеся в магнитном поле лучи делятся на два потока в электрическом поле, представляя собой положительно и отрицательно заряженные частицы. Английский физик Эрнест Резерфорд назвал первый вид радиации «альфа-лучами», а второй «бета-лучами». Не отклоняющееся в магнитном поле излучение вскоре назвали «гамма-лучами». Чуть позже выяснилось, что гамма-лучи подобны обычному свету, но их энергия намного больше энергии светового излучения. В 1900 году Резерфорд установил, что бета-лучи – это просто поток электронов (e^–); в 1906 году - что альфа-лучи – это поток ядер гелия (⁴₂Не) без электронных оболочек.

В ходе альфа-распада ядра образуется ядро элемента с зарядом, меньшим на 2, и массой, меньшей на 4. Иными словами, при альфа-распаде получаем изотоп тория с зарядом 90 и массовым числом .

Альфа-излучение, испускаемое ядрами при альфа-распаде, является
наиболее опасным видом излучения в случае попадания α-излучающих
ядер внутрь живых организмов. Наружное α-облучение, наоборот, самое безопасное – от него можно защититься с помощью листа бумаги, который полностью задержит α-частицы.

Бета-распад сопровождается вылетом из ядра бета-частиц (которые
представляют собой поток электронов, реже – позитронов). β-распад
происходит из-за того, что в нестабильных нуклидах протоны и нейтроны могут превращаться друг в друга, чтобы компенсировать чрезмерный избыток или недостаток нейтронов.

Бета-излучение менее опасно для организма при попадании внутрь,
чем альфа-излучение; но более опасно при наружном, внешнем облучении. Однако обеспечить защиту от наружного β-излучения просто – для этого достаточно алюминиевой пластины толщиной 5 мм.

α-распад, из ядра вылетает ядро гелия	β-распад, из ядра вылетает электрон (e–)	γ- излучение, ядро испускает гамма-лучи (фотоны)

Рисунок 3 Виды распада ядер

Гамма-излучение (поток γ-квантов, фотонов) может сопровождать радиоактивный распад, но самостоятельно γ-распад не существует. Обычно при
распаде, дочернее ядро имеет избыточную энергию, из которого оно переходит в менее возбужденное или невозбужденное (основное) состояние, испуская γ-квант (или
несколько γ-квантов). Гамма-излучение имеет электромагнитную природу (как и рентгеновское, ультрафиолетовое, инфракрасное излучение, как свет), оно обладает большой энергией – настолько большой, что представляет серьезную опасность для живых организмов. Так как γ-излучение обладает намного большей проникающей способностью, чем α- и β-излучение, для защиты от мощного источника гамма-квантов требуются толстые
свинцовые или бетонные стены.

Существует еще один вид радиоактивного распада. Спонтанное деление -самопроизвольный распад ядра на две примерно равные половинки (осколки деления, представляющие собой другие химические элементы). Это явление зарегистрировано только для тяжелых ядер, начиная с урана. Чем тяжелее ядро, тем вероятнее его распад. Именно этим объясняются трудности, с которыми сталкиваются ученые при получении новых элементов – так как ядра сверхтяжелых элементов распадаются настолько быстро, что их не удается зарегистрировать. А на явлении спонтанного деления ядра ²³⁵U основана ядерная энергетика всего мира.

Основной измерительной характеристикой радиоактивности является активность источника, или число распадов, происходящих в образце за единицу времени. Активность измеряется в беккерелях (количество распадов в секунду: 1 Бк = 1 распад/секунд), а также в кюри (1 Ки = 3,7·1010 распад/секунд, вообще говоря, 1 кюри – это активность 1 грамма ²²⁶Ra).

Для конкретного радионуклида не менее важным параметром является период полураспада (Т_1/2) – время, за которое распадается половина исходного числа ядер. Если период полураспада очень велик, то радионуклид называют долгоживущим; если мал – короткоживущим. Важно отметить, что мы не можем повлиять на протекание радиоактивного распада традиционными способами. Допустим, у нас есть 1 грамм радиоактивного изотопа ¹³⁷Cs, период полураспада этого изотопа Т_1/2 = 30 лет. Можно подвергать этот изотоп воздействию любых, даже самых агрессивных химических реагентов, переводить его в различные химические соединения, расплавлять и даже испарить – несмотря на любые усилия через 30 лет останется половина исходного количества – то есть 0,5 грамма. Причина заключается в том, что энергия ядерных реакций на порядки выше энергии химических реакций, поэтому воздействовать на радиоактивный распад можно, но только вовлекая изотоп в ядерное взаимодействие.

3.2 Взаимодействие нейтронов с веществом

Проходя сквозь вещество, нейтроны могут сталкиваться (взаимодействовать) с ядрами атомов этого вещества, тем самым вызывая различные ядерные реакции (виды взаимодействий). Наиболее общими видами взаимодействия нейтронов с ядрами вещества являются: рассеяние (нейтрон сталкивается с ядром и отскакивает, отдав часть своей энергии) и захват (нейтрон поглощается в ядре при столкновении с ним, при этом образуется составное нестабильное ядро).

Так как нейтрон имеет нулевой электрический заряд, он практически не взаимодействует с электронами атомных оболочек. Поэтому количество электронов или других заряженных частиц в среде не играют никакой роли в распространении нейтронов в веществе. Это чисто ядерный процесс. Основная характеристика нейтронов — это их энергия (измеряется в электронвольтах, эВ). Нейтроны, образовавшиеся при делении ядер урана-235, имеют энергию примерно 200 МэВ (10⁶ эВ) и считаются быстрыми. Эти быстрые нейтроны сталкиваясь с ядрами среды (рассеяние) теряют большую часть своей энергии и превращаются в тепловые (их еще называют-медленные) нейтроны. Тепловые нейтроны имеют энергию меньше 1 эВ.

Тепловые: энергия <1 эВ,          

Резонансные: 1 эВ ÷ 10 кэВ,           

Промежуточные: 10 кэВ ÷ 1 МэВ,

Быстрые: 1 МэВ ÷ 100 МэВ,           

Релятивистские: энергия> 100 МэВ.   

Настоящая атомная энергетика (реакторы типа ВВЭР, PWR, LWR, РБМК) построена на использовании в реакторах тепловых нейтронов. Эти реакторы еще называют реакторами на тепловых нейтронах. Это связано с такой характеристикой урана-235 как «сечение ядерной реакции деления», σ. Ниже, рассмотрим на примере что такое сечение ядерной реакции.

Интересно выяснить в самых общих чертах, от чего зависит вероятность ядерной реакции и почему для названия этой величины стали использовать термин «сечение»?

Легче всего это показать на следующем примере. Если бы нейтрон был обычным маленьким мячиком, то вероятность с завязанными глазами попасть им в другой маленький мячик, подвешенный на нитке в неизвестном нам месте большой форточки, была бы равна отношению площади поперечного сечения мячика к площади форточки – при выполнении, конечно, следующих условий:

• 
  при броске мячик летит перпендикулярно плоскости форточки;
  
• 
  попыток выполняется очень много, причем не засчитываются неудачные попытки, т.е. броски, в результате которых мячик не попадает в площадь форточки.
  

От этих рассуждений нетрудно перейти к количественной интерпретации понятия «сечение ядерной реакции». Ниже рассмотрим сечение ядерной реакции в количественной интерпретации:

1. 
   Мысленно возьмем в качестве мишени очень тонкую плоскую пластинку площадью 1 м², на которой расположено N (количество) ядер, не затеняющих друг друга. Пластинка для того и должна быть тонкой, чтобы ядра не перекрывали друг друга.  
   
2. 
   Направим на нее поток нейтронов с одинаковой энергией (т.е. скорость) и с плотностью Ф, нейтрон/(м²∙с). Это требование является необходимым, поскольку вероятность взаимодействия налетающей частицы с ядром зависит от ее энергии.
   
3. 
   При выполнении названных условий суммарное число всех потенциально возможных взаимодействий нейтронов с ядрами мишени за одну секунду должно быть равно N∙Ф.
   
4. 
   На самом же деле их происходит не N∙Ф, а σ∙N∙Ф, так как квантово-механическое событие (каковым является взаимодействие нейтрона с ядром) носит случайный, вероятностный характер: может произойти, а может и не состояться.  
   
5. 
   Величина σ, выполняющая здесь роль коэффициента пропорциональности, называется - сечением ядерной реакции. 
   

Из условий рассмотренной выше задачи виден смысл сечения σ, имеющего размерность м²/ядро, или просто м², так как «ядро» - величина безразмерная. Величина σ численно равна вероятности взаимодействия нейтрона с ядром в ситуации, когда на мишень площадью 1 м², содержащую одно ядро, налетает 1 нейтрон в секунду.

Сечение ядерных реакций всех элементов определяются в специальных лабораториях экспериментальным путем и вносятся в библиотеку «оцененных ядерных данных». Один из таких библиотек – JANIS (Java-based nuclear information software), где можно найти информации по ядерным данным. Важно отметить, что в одном элементе, сечение захвата нейтрона и сечение рассеяние будут разными, т.е. вероятность различных реакций различаются.

Ниже представлена сечение реакции деления урана нетронами различнқх энергий (рисунок-4).



Рисунок 4  Зависимость сечении реакции деления ²³⁵U (1) и ²³⁸U (2)
от энергии нейтронов

По графику легко заметить что уран-235 хорошо делится (сечение реакции деления большая) нейтронами с низкой энергией (тепловые нейтроны). Этим графиком и обясняется почему в реакторах работающих на уране-235 используются тепловые нейтроны (тепловые реакторы).

3.3 Ядерная реакция деления

Для ядерной отрасли – как для оборонного сектора, так и для ядерной энергетики – наиболее важна реакция деления. При попадании нейтрона в тяжелое ядро (например, ²³⁵U) образуется нестабильное ядро, которое распадается на два осколка. При этом, выделяются 2-3 нейтрона и колоссальная энергия. Если эта энергия высвобождается за очень малый промежуток времени, происходит ядерный взрыв – такой подход используется в атомной бомбе. Если процесс протекает медленно, в контролируемых условиях, то эту энергию можно использовать для производства электрического тока и тепла – что и происходит в ядерных энергетических реакторах, работающих на АЭС.



Рисунок 5 Деление атомного ядра - ²³⁵U

Рассмотрим деление ядра урана-235. После захвата ядром нейтрона, образуется промежуточное ядро , которое находится в возбуждённом состоянии. Ядерные силы, действующие в возбужденном ядре, не могут противостоять кулоновской силе отталкивания частей ядра, и оно распадается на два «осколка», которые разлетаются в противоположные стороны. При делении ядра урана-235 могут возникнуть около ста различных изотопов с массовыми числами от 90 до 145. Одна из таких реакций деления - с образованием изотопов бария и криптона , а также трёх вторичных нейтронов, показана на схеме. При делении ядер тяжёлых атомов выделяется большая энергия - около 200 МэВ (≈ 3,2×10^–11 Дж) при делении каждого ядра. Например, при полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г. урана, выделится такая же энергия, как и при сгорании 3 тонн угля или 2,5 тонн нефти.

3.4 Критическая масса, теплоносители, замедлители – отражатели и поглотители

Хотя при каждом делении испускаются 2 - 3 нейтрона, продолжение цепной
реакции не всегда гарантировано. Нейтроны могут быть «утеряны» за счет
поглощения в топливе и материалах активной зоны реактора или потеряны через
поверхность активной зоны. Долю потерянных нейтронов можно снизить за счет
увеличения размера активной зоны или повышения концентрации делящегося
материала. Минимальное количество делящегося материала, необходимое для
поддержания цепной реакции, называется критической массой. Это количество
изменяется от 10 кг (в сборке с высоким обогащением или чистым ²³⁵U) до 200 кг и
более естественного урана в графитовом реакторе. Как в атомную
бомбу, так и в ядерный реактор необходимо загрузить столько ядерного
материала, чтобы масса оказалась надкритической (т.е. выше критической).

Для использования реакцией деления в мирных целях, тепло, получаемое в топливе, должно постоянно от него отводиться, чтобы избежать чрезмерного повышения температуры топлива и осуществить перенос полученного тепла в другое место, где оно легко может быть превращено в другие формы энергии, например, в электрическую (аналогичный процесс происходит в реакторах АЭС). Для этого надо иметь в реакторе теплоноситель и циркуляционный насос для перекачки теплоносителя по всей системе. В качестве теплоносителя исследовались различные жидкости и Газы с учетом их физических, нейтронных и химических свойств; в качестве теплоносителя используется вода, органические жидкости, углекислый газ, гелий и жидкие металлы как натрий и свинец.

Еще одна задача, которую пришлось решить на пути к созданию
ядерных реакторов – замедление нейтронов. Дело в том, что нейтроны, испускаемые при делении ядра ²³⁵U, имеют очень высокую энергию (именно поэтому они получили название «быстрые» нейтроны). Однако деление ядер наиболее эффективно происходит при попадании в них нейтронов с гораздо меньшей энергией, близкой к кинетической
энергии атомов среды (т.н. «тепловых» нейтронах). Поэтому нейтроны, вылетающие из делящегося ядра, сначала необходимо замедлить, – и заставить замедленные тепловые нейтроны взаимодействовать с ядрами ²³⁵U. Конструктивно вопрос решался достаточно просто: зоны урана отделили друг от друга зонами замедлителя (вещества, при взаимодействии с которым нейтрон эффективно теряет энергию за счет столкновений с его атомами). Однако требуется не только замедлить нейтроны – необходимо также отразить их обратно в активную зону (зону ядерного реактора, содержащую делящийся материал) во избежание их утечки. Значит, требуются отражатели.

В качестве замедлителей и отражателей нейтронов используются одни и те же материалы. Как было установлено в ходе исследований, наиболее эффективными замедлителями и отражателями нейтронов являются вещества, содержащие легкие элементы – графит и вода, – именно они и применяются в современных реакторах. Также в качестве замедлителя и отражателя используется тяжелая вода (D₂O) и бериллий (Be).

Помимо размножения нейтронов, важнейшей задачей является регулирование размножения нейтронов. На сегодняшний день, самый удобный способ регулирования количество нейтронов - поглощение. В тепловых ядерных реакторах поглощение осуществляется с помощью поглощающих нейтроны органов регулирования. В них используются материалы хорошо поглощающие нейтроны: бор, гадолиний, кадмий, гафний, европий.

Вывод поглотителя из активной зоны приводит к увеличению числа нейтронов и росту мощности реактора. При введении поглотителя в активную зону, уменьшается число нейтронов в реакторе – уменьшается мощность. В случае возникновения аварийных ситуаций, в активную зону вводятся поглотители.



Это – реакция деления тяжёлых ядер (в первую очередь — урана и плутония). При захвате нейтрона тяжёлое ядро распадается на два положительно заряженных ядра-осколка сравнимой массы. Под действием силы кулоновского отталкивания они разлетаются, в итоге большая часть высвободившейся внутриядерной энергии переходит в кинетическую энергию их разлета. Пробег таких осколков в плотном веществе невелик (несколько микронов), поэтому при их торможении происходит интенсивный нагрев сравнительно небольшого объёма этого вещества.


Рисунок 6 Цепная реакция деления ядер урана-235 нейтронами
Очень важно, что при захвате нейтрона тяжёлым ядром с последующим делением
ядра-осколки испускают новые (вторичные) нейтроны (обычно 2-3), которые могут разделить новые тяжёлые ядра и т. д. Но так происходит, конечно, не со всеми вторичными нейтронами. Некоторая их часть уходит из системы, содержащей делящийся материал, другая часть
теряется в ядерных реакциях, конкурирующих с делением. Поэтому важнейшим параметром такой системы является отношение количеств
нейтронов в двух «соседних» звеньях (поколениях) цепочки рождения нейтронов.
Его значение, равное единице, соответствует так называемому критическому состоянию, при котором количество нейтронов в системе остаётся постоянным — протекает самоподдерживающаяся цепная реакция деления, которой можно управлять техническими средствами. Если это отношение больше единицы, количество нейтронов в системе, а с ним и выделяющаяся мощность, лавинообразно нарастает во времени, если меньше-затухает.
Локализовав самоподдерживающуюся цепную реакцию деления в некотором объёме, предусмотрев в нём средства управления критичностью и организовав систему теплосъёма, можно использовать выделяющееся тепло, что и происходит на АЭС.