Канальный кипящий графитовый реактор Реакторы водо-водяного типа Реакторы на быстрых нейтронах Задачи по физике ядра Испытания ядерного оружия

Классификация нейтронов.

В ядерных реакциях, образуются, как правило, быстрые нейтроны (с энергией 0,1-1МэВ). Быстрые нейтроны при соударениях с атомными ядрами теряют энергию большими порциями, расходуя её, главным образом, на возбуждение ядер или их расщепление. В результате энергия нейтрона становится меньше минимальной энергии возбуждения ядра (от десятков КэВ до нескольких МэВ в зависимости от свойств ядра). После этого рассеяние нейтрона ядром становится упругим, т.е. нейтрон расходует энергию на сообщение ядру скорости без изменения его внутреннего состояния. При одном упругом соударении нейтрон теряет в среднем долю энергии, равную 2A/(A+1)2, где А – массовое число ядра-мишени. Эта доля мала для тяжёлых ядер (1/100 для свинца) и велика для лёгких ядер (1/7 для углерода и ½ для водорода). Поэтому замедление нейтронов на лёгких ядрах происходит гораздо быстрее, чем на тяжёлых.

Замедление нейтронов приводит в конечном счёте к образованию тепловых нейтронов (нейтронов, находящихся в тепловом равновесии со средой, в которой происходит замедление). Средняя энергия теплового нейтрона при комнатной температуре равна 0,025эВ.

В процессе замедления часть нейтронов теряется, поглощаясь при столкновении с ядрами или вылетая из среды наружу.

В замедлителях нейтронов – веществах, содержащих лёгкие ядра, слабо захватывающие нейтроны, (при достаточно больших размерах замедлителя) потери малы и большая часть нейтронов, испущенных источником, превращается в тепловые нейтроны.

К числу лучших замедлителей относятся вода, тяжёлая вода, бериллий, графит, которые широко используются в ядерной технике. Нейтроны с кинетической энергией, меньшей 100 кэВ, называются медленными. Различают нейтроны ультрахолодные (0–10-7эВ), холодные (10-7–5∙10-3 эВ), тепловые и надтепловые (2,5∙10-2–0,5 эВ), резонансные (0,5 эВ–1(10) кэВ), которые имеют много резонансных пиков в зависимости эффективного сечения взаимодействия со средними и тяжелыми ядрами от энергии нейтронов, и промежуточные (1(10)–100 кэВ). Приведенные значения граничных энергии условны. В действительности эти границы различны и зависят от типа явлений и конкретного вещества.

Медленные нейтроны и, в частности, тепловые имеют огромное значение для работы ядерных реакторов. Большие потоки тепловых нейтронов в ядерных реакторах широко используются также для получения радиоактивных изотопов. Исследования неупругого рассеяния тепловых и холодных нейтронов дают важные сведения о динамике атомов в твёрдых телах и жидкостях и о свойствах молекул. Сечение захвата холодных нейтронов ядрами очень большое, поскольку у них сильно проявляются волновые свойства (длина волны де Бройля больше межатомных расстояний).

Источники нейтронов.

Радиево-бериллиевые источники. Впервые нейтроны были получены с помощью α-частиц радиевых препаратов. Реакция (α, n): 24He + 49Be → 612C + n.

Фотонейтронные источники. Реакция (γ, n): γ + 12H → p + n – фоторасщепление дейтона на протон и нейтрон.

Реакции типа (d, n) в ускорителях (реакции срыва): d + 49Be → 510B + n.

При энергии дейтонов Ed ≈ 16 МэВ получают ≈ 109 n/(см2∙с) с энергией En ≈ 4 МэВ. При энергии дейтонов ≈ 200 МэВ в реакциях срыва на средних и тяжёлых ядрах получают пучки нейтронов с En ≈ 100 МэВ.

Ядерные реакции (деление ядер урана в реакторе). При захвате нейтрона тяжёлым ядром, последнее делится на осколки, испуская при этом 2-3 нейтрона. В осколках число нейтронов больше числа протонов, как и в исходных ядрах. Выделившиеся нейтроны, сталкиваясь с ядрами, снова вызывают их деление и т.д., т.е. возникает цепная реакция. Образующиеся в этой реакции нейтроны имеют энергию ≈ 0–13 МэВ (плотность потока нейтронов ≈ 1019 n/(см2∙с)).

Источниками нейтронов могут быть и другие процессы (реакции) при варьировании, например, ядер мишени или типа ускоренных частиц. Это тесно связано с проблемой искусственного получения нуклидов (ядер с различными Z и A). В настоящее время известно около 3000 нуклидов (т.е. ядерный мир богаче мира химических элементов или атомов). Среди необычных ядер, полученных искусственно, такие как 210He; 68C; 812O; и т.д. до 118293M. Известно 285 стабильных и долгоживущих (T1/2 > 5∙108 лет) нуклидов и около 2700 радиоактивных с меньшими T1/2. Вообще оценивают, что искусственно может быть получено 5000 – 6000 ядер.

Основное и возбуждённое состояние атомного ядра.

Атомное ядро – система с фиксированной полной энергией. Состояния таких систем – стационарные. Состояние с наибольшей энергией связи – основное. Но это же состояние характеризуется наименьшей полной энергией. Все остальные состояния с большей полной энергией – возбуждённые. Диаграмма ядерных уровней энергии строится так:

Нижнему по энергии (наибольшему по энергии связи –W) состоянию приписывается нулевой индекс и энергия E0=0:

 , где W0 – энергия связи ядра в основном состоянии.

Энергии Ei (i=1, 2,…) остальных состояний определяются как , т.е. отсчитываются от основного состояния. Это – энергии возбуждения. Нижние уровни энергии ядра дискретны. При ядерных превращениях и рспадах происходят переходы между различными стационарными состояниями ядер.


На главную