Распределение вещества. Фбгоу впо игу федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт геохимии им. А. П. Виноградова Сибирского отделения Российской академии наук
 Скачать 1.96 Mb.
|
) , ( n или двух нейтронов ) 2 , ( n n 56 В качестве примеров реакции ) , ( p n можно привести реакции p C N n 14 6 14 7 или кратко C p n N 14 14 ) , ( , Энергия протонов, возникающих в реакции C p n N 14 14 ) , ( , составляет 0,66 Мэв. Наиболее важные реакции типа ) , ( p n : 76 , 0 3 1 3 2 p H He n МэВ H p n He 3 3 ) , ( , для тепловых нейтронов kT = 5400 барн, 63 , 0 14 6 10 5 p C B n МэВ C p n B 14 5 10 5 ) , ( , для тепловых нейтронов kT =1.75 барн. Наиболее важные реакции типа ) , ( p n : 29 , 2 7 3 10 5 Li B n Мэв; Li n B 7 10 ) , ( , с сечением взаимодействия kT для тепловых равном 3840 барн, 78 , 4 3 1 6 3 H Li n Мэв с сечением взаимодействия kT для тепловых равном 945 барн Последние две реакции часто используются в радиационно- химических исследованиях. Два изотопа бора В и В стабильны и входят в состав природного бора с концентрациями 19,9 и 80,1 % соответственно. По величине сечения захвата тепловых нейтронов легкий изотоп бора В занимает одно из первых мест среди всех элементов и изотопов, а тяжелый Водно из самых последних. Другими важными поглотителями нейтронов, которые используются в ядерных реакторов являются ксенон, кадмий, гафний, гадолиний, кобальт, самарий, титан, диспрозий, эрбий, европий, молибдена и иттербий. Реакции типа ) 2 , ( n n относятся к пороговым реакциям, с величиной порога около 10-15 МэВ и сечением в несколько десятых барн. 3.2.5 Вынужденное деление атомных ядер нейтронами Деление атомных ядер может быть вызвано различными частицами, однако практически наиболее выгодно использовать для этой цели нейтроны. Отсутствие кулоновского отталкивания позволяет нейтронам со сколь угодно малой кинетической энергией приблизиться к ядру на расстояние меньше радиуса действия ядерных сил. 57 Захват ядром нейтрона приводит к возбуждению ядра, и, если энергия возбуждения достаточна, происходит деление. Величина сечения деления f всегда меньше величины сечения захвата c , так как существуют другие каналы распада возбужденных ядер (рис. 3.17). Эффективное сечение деления ядер нейтронами может быть записано в следующем виде i i div c f , (3.45) где f - вероятность деления ядра после захвата нейтрона i - вероятность распада этого ядра по i -му каналу. Наиболее существенными каналами распада помимо деления являются испускание квантов и нейтронов. Многие тяжелые ядра делятся тепловыми нейтронами, при этом сечение деления достигает нескольких сотен барн. Так, например, сечение деления 235 U тепловыми нейтронами равно 580 б. При увеличении энергии нейтронов сечение захвата c , а следовательно, и сечение деления дел уменьшается, причем всегда рис. 3.18 ). Сечение деления 235 U быстрыми нейтронами равно всего около 1,5 б. Изотоп урана 238 U, как упоминалось, делится быстрыми нейтронами с энергией >1 МэВ. Сечение деления 238 U быстрыми нейтронами примерно в два раза меньше, чем для 235 U (рис. 3.18 ). Процесс деления изотопов урана 238 U и 235 U под действием нейтронов представляет особый Рис. 3.17 Зависимость сечения захвата и сечения деления 235 U нейтронами от их энергии (верхняя линия - сечение захвата, нижняя - сечение деления. Пунктир - сечение рассеяния нейтронов Рис. 3.18 Зависимость сечения деления 235 U и 238 U быстрыми нейтронами от их энергии 58 интерес, т.к. они используются в качестве топлива в ядерных реакторах. Природный уран состоит из смеси трёх изотопов 238 U (изотопная распространённость 99,2745 %, период полураспада T 1/2 = 4,468·10 9 лет, 235 U (0,7200 %, T 1/2 = 7,04·10 8 лети лет. Последний изотоп является не первичным, а радиогенным, он входит в состав радиоактивного ряда 238 U. При захвате ядром с массовым числом нейтрона с кинетической энергией n E энергия возбуждения ядра определяется соотношением n n E n B A A E n B E ) ( 1 ) ( * , (3.46) где ) (n B - энергия отделения нейтрона в ядре Возможны два случая Энергия отделения нейтрона больше барьера деления, те. Энергия отделения нейтрона меньше барьера деления, те. В первом случае деление возможно при захвате нейтронов любой энергии. Во втором случае, для того чтобы произошло деление, нейтроны должны иметь кинетическую энергию ) (n B H E n , те. существует порог деления. Это соотношение между высотой барьера деления и энергией отделения нейтрона приводит к различию в энергии нейтронов, которые могут вызвать деление изотопов урана 238 U и 235 U. 238 U делится нейтронами с энергией n E 1 МэВ. 235 U делится под действием нейтронов любой энергии. Энергия возбуждения ядра 236 U после захвата теплового нейтрона превышает высоту потенциального барьера, в то время как для 239 U энергия отделения нейтрона меньше высоты барьера на 1 МэВ. Поэтому тепловые нейтроны не вызывают деления 239 U. Минимально возможная кинетическая энергия, которой должен обладать нейтрон, чтобы вызвать деление ядра 238 U, равна разности высоты барьера и энергии отделения нейтрона в ядре 239 U, те. 1 МэВ. Различие в делении этих изотопов урана объясняется двумя обстоятельствами. Так как A Z 2 для 239 U меньше, чем для 236 U (нужно рассматривать деление ядра, захватившего нейтрон, то величина барьера Н для первого из этих изотопов будет больше. При захвате теплового нейтрона энергия возбуждения конечных ядер 236 U и 239 U оказывается различной. Эта энергия равна энергии отделения нейтрона в конечном ядре (очень малой кинетической энергией Рис. 3.19 Массовое распределение осколков деления 235U тепловыми нейтронами 59 теплового нейтрона можно пренебречь. Так как ядро 236 U - четно-четное, а 239 U - нечетно-четное, то энергия отделения нейтрона в 236 U больше, чем в 239 U (6,5 МэВ против 4,8 МэВ. Характерной особенностью деления является то, что осколки, образующиеся в результате деления, как правило, имеют существенно разные массы. В случае наиболее вероятного деления 235 U отношение масс осколков равно 1,46. Тяжелый осколок при этом имеет массовое число 139, легкий - 95. Деление на два осколка с такими массами не является единственно возможным. Распределение по массам осколков деления 235 U тепловыми нейтронами показано на рис. 3.19 . Среди продуктов деления были обнаружены осколки си. Вероятность деления на два равных по массе осколка неравна нулю. При делении тепловыми нейтронами вероятность симметричного деления примерно натри порядка меньше, чем в случае наиболее вероятного деления на осколки си. Капельная модель не исключает возможности асимметричного деления, однако, даже качественно не объясняет основных закономерностей такого деления. Асимметричное деление можно объяснить влиянием оболочечной структуры ядра. Ядро стремится разделиться таким образом, чтобы основная часть нуклонов осколка образовала устойчивый магический остов. В процессе деления основная часть энергии освобождается в виде кинетической энергии осколков деления. Такой вывод можно сделать из того, что кулоновская энергия двух соприкасающихся осколков приблизительно равна энергии деления. Под действием электрических сил отталкивания кулоновская энергия осколков переходит в кинетическую энергию. 3.2.6 Естественный атомный реактор в Окло В Окло (урановый рудник в государстве Габон, вблизи экватора, западная Африка) 2 млр. лет назад работал природный ядерный реактор. Было выделено шесть реакторных зон, в каждой из которых обнаружены признаки протекания реакции деления. Остатки распадов актиноидов указывают на то, что реактор работал в режиме медленного кипения на протяжении сотен тысяч лет. В мае - июне 1972 года при рядовых измерениях физических параметров партии природного урана поступившего на обогатительную фабрику французского города Пьерлате из африканского месторождения Окло (урановый рудник в Габоне, государстве, расположенном вблизи экватора в Западной Африке) обнаружилось, что изотопа 235 U в поступившем природном уране меньше стандартного. Было обнаружено, что в уране содержится 0,7171 % 235 U. Нормальное значение для природного урана 0,7200 % 235 U. Во всех урановых минералах, во всех горных породах и природных водах Земли, а также в лунных образцах это 60 соотношение выполняется. Месторождение в Окло пока единственный, зарегистрированный в природе случай, когда это постоянство было нарушено. Разница была незначительная - всего лишь 0,003 %, но тем не менее она привлекла внимание технологов. Возникло подозрение, что имела место диверсия или похищение делящегося материала, те. 235 U. Однако оказалось, что отклонение в содержании 235 U прослеживалось вплоть до источника урановой руды. Там в некоторых пробах было обнаружено менее 0,44 % 235 U. Пробы брали повсюду по руднику и показали систематическое уменьшение содержания 235 U поперёк некоторых жил. Эти рудные жилы имели толщину болеем. Предположение, что 235 U выгорел, как это бывает в топках ядерных электростанций, поначалу прозвучало как шутка, хотя для того имелись серьёзные основания. Расчёты показали, что если массовая доля грунтовых вод в пласте составляет около 6 % и если природный уран обогащён до 3 % 235 U, то при этих условиях может начать работать природный ядерный реактор. Поскольку рудник находится в тропической зоне и довольно близко к поверхности, то существование достаточного количества грунтовых вод весьма вероятно. Соотношение изотопов урана в руде было необычными- радиоактивные изотопы с различными периодами полураспада. 235 U имеет период полураспада 7,04·10 8 лета распадается с периодом полураспада влет. Изотопное содержание 235 U находится в природе в процессе медленного изменения. Например, 400 млн лет назад в природном уране должен был быть 1 % 235 U, 1900 млн лет назад его было 3 %, те. необходимое количество для критичности жилы урановой руды. Считается, что именно тогда природный ядерный реактор Окло находился в состоянии работы. Было выделено шесть реакторных зон, в каждой из которых обнаружены признаки протекания реакции деления. Например, торий от распада 236 U и висмут от распада 237 U были обнаружены только в реакторных зонах в месторождении Окло. Остатки от распада актиноидов указывают на то, что реактор работал в режиме медленного кипения на протяжении сотен тысяч лет. Реакторы были саморегулирующимися, так как чересчур большая мощность привела бык полному выкипанию воды и к остановке реактора. Как же природе удалось создать условия для цепной ядерной реакции Сначала в дельте древней реки образовался богатый урановой рудой слой песчаника, который покоился на крепком базальтовом ложе. После очередного землетрясения, обычного в то буйное время, базальтовый фундамент будущего реактора опустился на несколько километров, потянув за собой урановую жилу. Жила растрескалась, в трещины проникла грунтовая вода. Затем очередной катаклизм поднял всю установку до современного уровня. В ядерных топках АЭС (атомных электростанциях) топливо компактными массами располагается внутри замедлителя - гетерогенный реактор. Так получилось ив Окло, замедлителем служила вода. В руде появились глинистые линзы, где 61 концентрация от природного урана от обычных 0,5 % повысилась до 40 %. Как образовались эти компактные глыбы урана, точно не установлено. Возможно их создали фильтрационные воды, которые уносили глину и сплачивали уран в единую массу. Как только масса и толщина слов, обогащённых ураном, достигла критических размеров, в них возникла цепная реакция, и установка начала работать. В результате работы реактора образовалось около 6 т продуктов деления и 2,5 т плутония. Большинство радиоактивных отходов осталось внутри кристаллической структуры минерала уранита, который обнаружен в теле руд Окло. Элементы, которые не смогли проникнуть сквозь решётку уранита из-за слишком большого или слишком маленького ионного радиуса, диффундируют или выщелачиваются. В течение двух миллиардов лет, прошедших соврем н работы реакторов в Окло, по крайней мере половина из более чем тридцати продуктов деления оказались связанные в руде, несмотря на обилие грунтовых вод в этом месторождении. Связанные продукты деления включают в себя элементы La, Ce, Pr, Nd, Eu, Sm, Gd, Y, Zr, Ru, Rh, Pd, Ni, Ag. Была обнаружена некоторая частичная миграция Pb, а миграция Pu была ограничена расстоянием меньшем. Только металлы с валентностью 1 или 2, тете, которые обладают высокой растворимостью вводе, были унесены. Как и предполагалось, на месте почти не осталось Pb, Cs, Ba и Cd. Изотопы этих элементов имеют относительно короткие периоды полураспада десятки лет или меньше, так что они распадаются до нерадиоактивного состояния прежде, чем смогут далеко мигрировать в почве. Наибольший интерес сточки зрения долговременных проблем защиты окружающей среды представляют вопросы миграции плутония. Этот нуклид эффективно связанна срок почти 2 млн. лет. Так как плутоний к настоящему времени почти полностью распадается до 235 U, то о его стабильности свидетельствует отсутствие избытка 235 U не только снаружи реакторной зоны, но также вне зерен уранита, где образовывался плутоний вовремя работы реактора. Существовал этот уникум природы около 600 тыс лети выработал примерно 13 000 000 кВт. час энергии. Его средняя мощность всего 25 кВт враз меньше, чему первой в мире АЭС, давшей в 1954 г электроэнергию подмосковному городу Обнинску. Но энергия природного реактора не расходовалась впустую по некоторым гипотезам именно распад радиоактивных элементов снабжал энергией разогревающуюся Землю. Реактор в Окло безусловно был не исключением. Существуют гипотезы, что работа таких реакторов подстегнула развитие на земле живых существ, что зарождение жизни связано с влиянием радиоактивности. Данные свидетельствуют о более высокой степени эволюции органической материи по мере приближения к реактору Окло. Он вполне мог оказывать влияние на частоту мутаций одноклеточных, попадавших в зону повышенного уровня радиации, что и привело к появлению предков человека. Во всяком случае жизнь на Земле возникла и 62 прошла долгий путь эволюции на уровне естественного фона радиации, которая стала необходимым элементом развития биологических систем. Создание атомного реактора - новшество, которым гордится человек, но оказывается его создание давно записано в патентах природы. Сконструировав ядерный реактор, шедевр научно-технической мысли, человек, по сути дела, оказался имитатором природы, много миллионов лет тому назад создавшей установки подобного рода. 3.2.7 Общая характеристика прохождения нейтронов через вещество Потеря энергии быстрыми нейтронами до 1 эв в результате рассеяния на ядрах вещества называется обычно замедлением, тогда как уменьшение энергии нейтронов от 1 эв до тепловых энергий - термализацией. Тепловые нейтроны диффундируют в веществе до тех пор, пока не произойдет процесс захвата ядрами. Вероятность протекания того или иного процесса характеризуется сечением взаимодействия. По аналогии с ослаблением фотонного излучения (2.15, 3.26) , можно написать следующее уравнение для ослабления потока нейтронов i i i l N exp 0 , (3.47) где 0 - начальный поток нейтронов - поток нейтронов после прохождения слоя вещества длинной l ; i N - число ядер сорта i в 1 см и i - эффективное сечение взаимодействия нейтронов с ядрами сорта Величину i i i N , по аналогии с фотонным излучением, можно рассматривать, как коэффициент ослабления. Замедление и термализация нейтронов происходит при упругих столкновениях с ядрами, так как если до столкновения ядро покоилось, то после столкновения оно приходит в движение, получая от нейтрона некоторую энергию. Поэтому нейтрон замедляется. Однако это замедление нейтронов не может привести к их полной остановке из-за теплового движения ядер. Энергия теплового движения порядка kT . Если нейтрон замедлился до этой энергии, то при столкновении с ядром он может с равной вероятностью как отдать, таки получить энергию. Нейтроны с энергиями kT находятся в тепловом равновесии со средой. Поглощение и диффузия нейтронов происходят как вовремя замедления, таки после окончания этого процесса. Практическая важность процесса замедления обусловлена тем, что в большинстве нейтронных источников (ядерный реактор, радон- бериллиевая ампула и т. д) нейтроны рождаются в основном с энергиями от десятков кэВ до нескольких МэВ, в то время, как большинство важных 63 в прикладном отношении нейтронных реакций интенсивно идёт при низких энергиях нейтронов. Сечение захвата для быстрых нейтронов имеет величину значительно меньшую, чем для тепловых и с ростом энергии нейтрона сечение уменьшается обратно пропорционально скорости нейтрона. Замедление идёт тем эффективнее, чем легче ядра замедлителя. Кроме того, от хорошего замедлителя требуется, чтобы он слабо поглощал нейтроны, те. имел малое сечение поглощения. Малые величины имеют сечения поглощения нейтронов на дейтерии и кислороде. Поэтому прекрасным замедлителем является тяжёлая вода D 2 O. Приемлемым, но несколько худшим замедлителем является обычная вода H 2 O, так как водород поглощает нейтроны заметно интенсивнее, чем дейтерий. Неплохими замедлителями являются также углерод, бериллий, двуокись бериллия. Важной чертой процесса замедления является то, что потеря энергии на столкновение, согласно пропорциональна самой энергии. Так, при столкновении с атомом водорода нейтрон с энергией 1 МэВ теряет 0,5 МэВ, а нейтрон с энергией в 10 эВ – всего 5 эВ. Поэтому длительность замедления и проходимый при замедлении путь обычно слабо зависят от начальной энергии нейтрона. Некоторым исключением являются водородосодержащие вещества. Сечение нейтрон – протон резко падает при повышении энергии выше 100 кэВ. Поэтому длина замедления в водородосодержащих веществах относительно сильно зависит от энергии нейтрона. Время замедления нейтрона невелико. Даже в таком тяжёлом замедлителе, как свинец, нейтрон замедляется от энергии 1 МэВ до 1 эВ за 4·10 -4 с. Нейтроны обладают еще одной особенностью - способностью отражаться от различных веществ. Это отражение не когерентное, а диффузное. Нейтрон, попадая в среду, испытывает беспорядочные столкновения с ядрами и после ряда столкновений может вылететь обратно. Вероятность такого вылета носит название альбедо нейтронов для данной среды. Очевидно, что альбедо тем выше, чем больше сечение рассеяния и чем меньше сечение поглощения нейтронов ядрами среды. Хорошие отражатели отражают до 90% попадающих в них нейтронов, те. имеют альбедо до 0,9, в частности, для обычной воды альбедо равно 0.8. Отражатели нейтронов широко применяются в ядерных реакторах и других нейтронных установках. Возможность отражения нейтронов объясняется следующим образом. Вошедший в отражатель нейтрон при каждом столкновении с ядром может рассеяться в любую сторону. Если нейтрону поверхности рассеялся назад, то он вылетает обратно, те. отражается. Если же нейтрон рассеялся в другом направлении, то он может рассеяться так, что уйдёт из среды при последующих столкновениях. Этот же процесс приводит к тому, что концентрация нейтронов резко снижается вблизи границы среды, в которой они рождаются, т.к. вероятность для нейтрона уйти наружу велика. |