Реферат: Элементы ядерной физики
Реферат: Элементы ядерной физики
1.1 Строение атомов, ядер
Как известно, все в мире
состоит из молекул, которые представляют собой сложные комплексы
взаимодействующих атомов. Молекулы - это наименьшие частицы вещества,
сохраняющие его свойства. В состав молекул входят атомы различных химических
элементов.
Химические элементы состоят из атомов одного типа. Атом, мельчайшая
частица химического элемента, состоит из "тяжелого" ядра и
вращающихся вокруг электронов.
|
Кликните
мышкой в картину, чтобы посмотреть анимированную версию.
|
Кликните
мышкой в картину, чтобы посмотреть анимированную версию.
|
Ядра атомов образованы
совокупностью положительно заряженных протонов и нейтральных нейтронов. Эти
частицы, называемые нуклонами, удерживаются в ядрах короткодействующими
силами притяжения, возникающими за счет обменов мезонами, частицами меньшей
массы. |
Ядро элемента X обозначают как или X-A, например уран
U-235 - ,
где
Z - заряд ядра, равный числу протонов, определяющий атомный номер ядра, A -
массовое число ядра, равное суммарному числу протонов и нейтронов.
Ядра элементов с одинаковым числом протонов, но разным числом нейтронов
называются изотопами (например, уран имеет два изотопа U-235 и U-238); ядра при
N=const, z=var - изобарами.
1.2 Ядерные реакции
Ядра водорода, протоны, а
также нейтроны, электроны (бета-частицы) и одиночные ядра гелия (называемые
альфа-частицами), могут существовать автономно вне ядерных структур. Такие ядра
или иначе элементарные частицы, двигаясь в пространстве и приближаясь к ядрам
на расстояния порядка поперечных размеров ядер, могут взаимодействовать с
ядрами, как говорят участвовать в реакции. При этом частицы могут захватываться
ядрами, либо после столкновения - менять направление движения, отдавать ядру
часть кинетической энергии. Такие акты взаимодействия называются ядерными
реакциями. Реакция без проникновения внуть ядра называется упругим рассеянием.
После захвата частицы составное ядро находится в возбужденном состоянии.
"Освободиться" от возбуждения ядро может несколькими способами -
испустить какую-либо другую частицу и гамма-квант, либо разделиться на две
неравные части. Соответственно конечным результатам различают реакции -
захвата, неупругого рассеяния, деления, ядерного превращения с испусканием
протона или альфа-частицы.
Дополнительная энергия, освобождаемая при ядерных превращениях, часто имеет
вид потоков гамма-квантов.
Вероятность реакции характеризуется величиной "поперечного
сечения" реакции данного типа
1.3 Радиоактивность
Радиоактивность вошла в
сознание человечества всего лишь примерно 100 лет тому назад. Лишь в 1986 году
А. Бекерель обнаружил некие х-лучи, засвечивавшие фотопластинки. Затем
было установлено, что радиоактивность - это свойство испускать потоки
заряженных aльфа, бета и нейтральных гамма частиц. Усилиями многих ученых было
обнаружено,что aльфа-частицы представляют собой ядра гелия, бета-частицы -
электроны, а гамма-частицы - поток квантов света. Было установлено, что многие
вещества являются естественными излучателями частиц, из которых некоторые, как
например радий, оказались очень интенсивными источниками радиации.
Различные комбинации нуклонов в ядрах управляются законами ядерных
взаимодействий, взаимное положение и движения внутри ядер определяется
действием короткодействующих ядерных сил. Известно,что существует некоторая
зависимость между числом протонов и нейтронов в ядрах, в рамках которой
реализуется стабильность ядер. Эта зависимость для устойчивых ядер имеет вид:
Из этой формулы следует,что при малых массовых числах 1<A<10 число
протонов, определяемое атомным номером - числом z, примерно равно числу нейтронов,
а при больших массовых числах A>>10 число протонов растет как корень
кубический из числа А. Отклонение от этой "линии устойчивости ядер ",
избыток числа нуклонов приводит к тому, что ядра атомов претерпевают
радиоактивные превращения стремясь уменьшить степень отклонения и перейти к
более стабильной конфигурации нуклонов.
Различные виды радиоактивных превращений можно описать:
,
где X* - составное ядро, A=A1+A2, Z=Z1+Z2,
E - выделенная энергия.
Дочерние продукты радиоактивных процессов могут также претерпевать распад -
так возникают цепочки радиоактивных превращений. Важной разновидностью
радиоактивных превращений является т.н. спонтанное деление тяжелых ядер,
открытое Флеровым и Петржаком в 1942 году. Радиоактивный распад это процесс
статистический, т.е. управляемый вероятностными законамиi. Однако, в среднем,
за времена большие времен характерных внутренних процессов - это вполне
детерминированное явление. Так, можно записать уравнение радиоактивного
распада, имеющее вид
или
где Аi- число ядер изотопа Аi в
единице обьема,
- константа
радиоактивного распада изотопа Аi.
Величина определяет
другую, часто используемую характеристику радиоактивного распада изотопов -
период полураспада T1/2:
-
время в течение которого количество вещества за счет радиоактивного распада
уменьшается в два раза.
Интенсивность радиоактивного распада измеряется в единицах, называемых "беккерель"
(1 Бк = 1 распад / 1 сек). Важная единица интенсивного радиоактивного распада -
кюри (1 кюри = 3,7*1010 Бк = 37 ГБк)
1.4 Деление ядер
Деление тяжелых ядер
происходит при захвате нейтронов. При этом испускаются новые частицы и
освобождается энергия связи ядра, передаваемая осколкам деления. Это
фундаментальное явление было открыто в конце 30-ых годов немецкими учеными
Ганом и Штрасманом, что заложило основу для практического использования
ядерной энергии. |
Кликните
мышкой в картину, чтобы посмотреть анимированную версию.
|
Ядра тяжелых элементов - урана, плутония и некоторых других интенсивно
поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелое ядро с
вероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называемые осколками
или продуктами деления. При этом испускаются - быстрые нейтроны/ (в среднем
около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательно заряженные бета-частиц
и нейтральные гамма-кванты, а энергия связи частиц в ядре преобразуется в
кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия
затем расходуется на тепловое возбуждение составляющих вещество атомов и
молекул, т.е. на разогревание окружающего вещества.
После акта деления ядер рожденные при делении осколки ядер, будучи
нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с
некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большое
число альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны некоторые осколки обладают
способностью интенсивно поглощать нейтроны.
Дифференциальное уравнение превращений осколков деления можно записать в
виде:
где Ai - число ядер изотопа i в
единице объема ,
Q(t) - число актов деления в единице объема в единицу времени в момент t,
- выход
изотопов Ai в акте деления,
- константа
радиоактивного распада изотопа Ai,
- плотность
потока нейтронов,
- сечение
поглощения нейтронов ядрами изотопа Ai ,
- константа
перехода к-того изотопа в i-тый.
Для решения этой системы уравнений нужно задать
начальные условия, знать схемы и константы всех радиоактивных переходов.
Суммируя по группам изотопов, имеющих тот или иной тип радиоактивности, можно
определить интенсивность радиоактивного распада в функции времени. В [3]
представлены детали и результаты таких расчетов.
Наиболее значимые осколки деления - Kr, Cs, I,
Xe, Ce, Zr и др.
В Таблице 1 [ ] даны некоторые характеристики
осколков деления
Таблица 1. Характеристики некоторых радионуклидов и
продуктов деления урана-235
Имя нуклида |
Период полураспада
Е , дни
|
Выход при делении, % |
Количество радиоактивности
в реакторе мощностью 3412 МВт,
работавшего три года, млн. кюри
|
Изотопы иода |
|
|
|
иод-131 |
8,04 |
2,88 |
87 |
иод-132 |
0,095 |
4,30 |
130 |
иод-133 |
0,866 |
6,70 |
180 |
иод-135 |
0,276 |
6,55 |
170 |
Благородные газы |
|
|
|
криптон-85 |
3,95 |
1,30 |
0,66 |
криптон-85м |
0,187 |
1,30 |
32 |
криптон-87 |
0,053 |
2,56 |
57 |
криптон-88 |
0,119 |
3,64 |
77 |
ксенон-133 |
5,25 |
6,7 |
180 |
ксенон-135 |
0,378 |
6,55 |
38 |
Изотопы цезия |
|
|
|
цезий-134 |
753 |
7,81 |
13 |
цезий-137 |
11000 |
6,23 |
6,5 |
Другие осколки деления |
|
|
|
стронций-90 |
10300 |
5,94 |
|
Для многих задач определенный интерес
представляют данные об активности топливных элементов после некоторой выдержки
их вне реактора.
Для нас важно отметить сейчас, что осколки
деления обладают значительной радиационной способностью. Так 1 грамм осколков
деления обладает активностью ~0,3 кюри. Эта активность медленно уменьшается по
закону
E=2,66*t-1,2
MeV/дел.сек, где t - время в сек.
2 Элементы нейтронной физики
2.1 Ядерный
реактор
Ядерный
реактор - это техническая установка, в которой осуществляется
самоподдерживающаяся цепная реакция деления тяжелых ядер с освобождением
ядерной энергии. Ядерный реактор состоит из активной зоны и отражателя,
размещенных в защитном корпусе.Активная зона содержит ядерное топливо в виде
топливной композиции в защитном покрытии и замедлитель. Топливные элементы
обычно имеют вид тонких стержней. Они собраны в пучки и заключены в чехлы.
Такие сборные композиции называются сборками или кассетами.
Вдоль топливных элементов двигается
теплоноситель, который воспринимает тепло ядерных превращений. Нагретый в
активной зоне теплоноситель двигается по контуру циркуляции за счет работы
насосов либо под действием сил Архимеда и, проходя через теплообменник, либо
парогенератор, отдает тепло теплоносителю внешнего контура. Перенос тепла и
движения его носителей можно представить в виде простой схемы:
|
- Реактор
- Теплообменник,
парогенератор
- Паротурбинная установка
- Генератор
- Конденсатор
- Насос
|
2.2 Размножение
нейтронов
Размножение
нейтронов является основой самоподдерживающейся цепной реакции деления ядер.
Цикл размножения нейтронов начинается с акта
захвата нейтрона ядром тяжелых (U-235, Pu-239 и других "делящихся")
элементов. Интенсивность захватов, т.е. число актов захватов нейтронов в
единице объема в единицу времени есть
где n - плотность нейтронов,
v - их скорость,
- плотность
ядер поглотителя,
-
вероятность поглощения нейтрона, т.н. сечение поглощения. Индекс c
означает "capture", т.е. захват.
Величина nv=
- называется потоком нейтронов,
-
макроскопическим сечением поглощения.
При каждом акте деления ядер тяжелых
"делящихся" элементов испускается 2-3 новых, "быстрых"
нейтронов. Это число обозначают vf. Пересчитывая на один акт
захвата нейтрона, это число следует умножить на вероятность деления
относительно деления и радиационного захвата, т.е. отношение и . Произведение обозначают vc.
Это число вторичных быстрых нейтронов на один акт
захвата нейтрона ураном-235, равно примерно 2. Учитывая что топливо реакторов
содержит большую долю неделящегося изотопа урана-238, число новых нейтронов на
один акт захвата в уране топлива составляет
Число новых нейтронов, родившихся в единице
объема топлива в единицу времени есть
Эти нейтроны сталкиваясь с ядрами окружающего
топлива могут произвести дополнительные акты деления ядер топлива, произвести
как говорят "размножение на быстрых нейтронах". Это умножение
поколения нейтронов обозначают буквой . Далее нейтроны, сталкиваясь с
ядрами замедлителя,теплоносителя и конструктивных элементов теряют свою
энергию, "замедляются". При этом некоторая их доля поглощается
(без деления) на резонансах сечения поглощения тяжелых элементов и выбывает из
игры, а некоторая диффундирует во внешнее пространство и тем самым также
теряется.
Долю нейтронов "избежавших резонансный
захват" обозначают через , а долю избежавших
"утечку"при замедлении - через . Тогда число
"замедлившихся" нейтронов в единицу времени в единице объема, ставших
"тепловыми", т.е. потерявших свою энергию рождения (~ 2 Мev) есть
,
где - геометрический
параметр, - "возраст" нейтронов.
Эти нейтроны, "дифундируя" в среде,
могут потеряться за счет утечки и поглощения в материалах активной зоны. Долю
нейтронов, избежавших утечку при диффузии в тепловой области энергии (~kT ev)
обозначают через , а долю нейтронов
поглощенных в тяжелых элементах относительно полного поглощения во всех
материалах активной зоны через . Число нейтронов
прошедших весь нейтронный цикл на один нейтрон, поглощенный в тяжелых
элементах, т.е. прошедших цикл размножения, замедления, диффузии в тепловой области
есть
= keff
Произведение называют коэффициентом размножения
нейтронов в бесконечной среде - k "бесконечное", а - эффективным
коэффициентом размножения нейтронов в конечной среде, k -
"эффективное".
Реактивность
Реактор
называется критическим, если число новых нейтронов при каждом акте их захвата
ядрами урана, избежавших резонансный захват в уране-238 и утечку из реактора
при замедлении и диффузии, точно равно числу поглощенных. Это состояние
cоответствует равенству keff=1 Величина 1-keff/keff=r
называется реактивностью. Эта величина определяет темп разгона реактора
при r>0 .
3 Литература
1.
Э. Ферми
"Ядерная физика",
пер. с англ., Москва, изд. "Иностранная литература", 1951 г.
2.
В.Е. Левин
"Ядерная физика",
Москва, Атомиздат, 1975 г.
3.
А.С. Герасимов, Т.С. Зарицкая,
А.П. Рудик
"Справочник по образованию нуклидов в ядерных
реакторах",
Москва, Энергоатомиздат, 1989 г.
4.
В.Д. Сидоренко, В.М.
Колобашкин, П.М. Рубцов, П.А. Ружанский
"Радиационные характеристики облученного ядерного
топлива",
справочник, Москва, Энергоатомиздат, 1983 г.
|