Елементи ядерної фізики

Елементи  ядерної фізики 1.1 Будова атомів, ядер        Як відомо, все в світі складається з молекул, які представляють собою складні комплекси   взаємодіючих атомів. Молекули - це найменші частинки речовини, які зберігають його властивості. До складу молекул входять атоми різних хімічних   елементів.   Хімічні елементи складаються з атомів одного типу. Атом, дрібна частинка хімічного елемента, складається з "важкого" ядра і   обертаються навколо електронів.            Клацніть   мишкою в картину, щоб побачити анімовану версію.                Клацніть   мишкою в картину, щоб побачити анімовану версію.         Ядра атомів утворені сукупністю позитивно заряджених протонів та нейтральних нейтронів. Ці   частинки, що називаються нуклонами, утримуються в ядрах короткодействующих силами тяжіння, що виникають за рахунок обмінів мезонами, частинками меншою   маси.     

Ядро  елемента X позначають як або X-A, наприклад  уран U-235 -,

де Z - заряд ядра, що дорівнює числу протонів, що визначає атомний номер ядра, A -- масове число ядра, що дорівнює сумарному числу протонів і нейтронів.

Ядра елементів  з однаковим числом протонів, але  різним числом нейтронів називаються  ізотопами (наприклад, уран має два  ізотопу U-235 та U-238); ядра при N = const, z = var - ізобарами. 1.2 Ядерні реакції

Ядра водню, протони, а також нейтрони, електрони (бета-частинки) і поодинокі ядра гелію (звані  альфа-частками), можуть існувати автономно  поза ядерних структур. Такі ядра чи інакше елементарні частинки, рухаючись  у просторі і наближаючись до ядер на відстані близько поперечних розмірів ядер, можуть взаємодіяти з ядрами, як кажуть брати участь в реакції. При цьому частинки можуть захоплюватися ядрами, або після зіткнення - змінювати напрямок руху, віддавати ядру частину кінетичної енергії. Такі акти взаємодії називаються ядерними реакціями. Реакція без проникнення внут ядра називається пружним розсіюванням.

Після захоплення частки складене ядро знаходиться у збудженому стані. "Звільнитися" від збудження  ядро може декількома способами - випустить  яку-небудь іншу частку і гамма-квант, або розділитися на дві нерівні частини. Відповідно кінцевими результатами розрізняють реакції - захоплення, непружного розсіювання, поділу, ядерного перетворення з випусканням протона або альфа-частинки.

Додаткова енергія, що звільняється при ядерних перетвореннях, часто має вигляд потоків гамма-квантів.

Імовірність реакції  характеризується величиною "поперечного  перерізу" реакції даного типу 1.3 Радіоактивність

Радіоактивність ввійшла  у свідомість людства всього лише приблизно 100 років тому. Лише в 1986 році А. Бекерель виявив якісь х-промені, засвічувалися фотопластинки. Потім було встановлено, що радіоактивність - це властивість випускати потоки заряджених aльфа, бета і нейтральних гама часток. Зусиллями багатьох вчених було виявлено, що aльфа-частинки являють собою ядра гелію, бета-частинки -- електрони, а гамма-частинки - потік квантів світла. Було встановлено, що багато речовин є природними випромінювачами часток, з яких деякі, як наприклад радий, виявилися дуже інтенсивними джерелами радіації.

Різні комбінації нуклонів в ядрах керуються законами ядерних  взаємодій, взаємне положення та утворення усередині ядер визначається дією короткодействующих ядерних сил. Відомо, що існує деяка залежність між числом протонів і нейтронів у ядрах, в рамках якої реалізується стабільність ядер. Ця залежність для стійких ядер має вигляд:

З цієї формули випливає, що при малих масових числах 110 число протонів росте як кубічний корінь з числа А. Відхилення від  цієї "лінії стійкості ядер ", Надлишок числа нуклонів призводить до того, що ядра атомів зазнають радіоактивні перетворення прагнучи зменшити ступінь відхилення і перейти до більш стабільної конфігурації нуклонів.

Різні види радіоактивних  перетворень можна описати:

 
,  
де X * - складене ядро, A = A1 + A2, Z = Z1 + Z2, E - виділена енергія.

Дочірні продукти радіоактивних  процесів можуть також зазнавати  розпад - так виникають ланцюжки радіоактивних перетворень. Важливою різновидом радіоактивних перетворень  є т.зв. спонтанне ділення важких ядер, відкрите Флерова і Петржаком в 1942 році. Радіоактивний розпад це процес статистичний, тобто керований ймовірносними законаміi. Проте, в середньому, за часи великі часів характерних внутрішніх процесів - це цілком детерміноване явище. Так, можна записати рівняння радіоактивного розпаду, що має вигляд

або

де АI-число ядер ізотопу АI в одиниці об'єму,  
- константа радіоактивного розпаду ізотопу АI.

Величина визначає іншу, часто використовувану характеристику радіоактивного розпаду ізотопів -- період напіврозпаду T1/2:

-

час, протягом якого  кількість речовини за рахунок радіоактивного розпаду зменшується в два  рази.

Інтенсивність радіоактивного розпаду вимірюється в одиницях, званих "бекерель" (1 Бк = 1 розпад/1 сек). Важлива одиниця інтенсивного радіоактивного розпаду - кюрі (1 кюрі = 3,7 * 1010 Бк = 37 ГБК) 1.4 Поділ ядер        Поділ важких ядер відбувається під час захоплення нейтронів. При цьому випускаються нові частинки і   звільняється енергія зв'язку ядра, що передається осколкам поділу. Це фундаментальне явище було відкрите в кінці 30-их років німецькими вченими   Ганом і Штрасманом, що заклав основу для практичного використання ядерної енергії.            Клацніть   мишкою в картину, щоб побачити анімовану версію.     

Ядра важких елементів - урану, плутонію і деяких інших інтенсивно поглинають теплові нейтрони. Після акту захоплення нейтрона, важке ядро з ймовірністю ~ 0,8 ділиться на дві нерівні за масою частини, звані осколками або продуктами поділу. При цьому випускаються - швидкі нейтрони/(в середньому близько 2,5 нейтронів на кожен акт поділу), негативно заряджені бета-частинок і нейтральні гамма-кванти, а енергія зв'язку частинок у ядрі перетвориться в кінетичну енергію уламків поділу, нейтронів та інших частинок. Ця енергія після цього витрачається на теплове збудження складових речовина атомів і молекул, тобто на розігрівання навколишнього речовини.

Після акту поділу ядер народжені при розподілі  уламки ядер, будучи нестабільними, зазнають ряд послідовних радіоактивних  перетворень і з деяким запізненням випускають "запізнюються" нейтрони, велике число альфа, бета і гамма-частинок. З іншого боку деякі осколки володіють здатністю інтенсивно поглинати нейтрони.

Диференціальне  рівняння перетворень осколків поділу можна записати у вигляді:

де Ai - число ядер ізотопу i в одиниці об'єму,  
Q (t) - кількість актів поділу в одиниці об'єму в одиницю часу в момент t,  
- Вихід ізотопів Ai в акті поділу,  
- Константа радіоактивного розпаду ізотопу Ai,  
- Щільність потоку нейтронів,  
- перетин поглинання нейтронів ядрами ізотопу Ai,  
- Константа переходу до-того ізотопу в i-тий.

Для вирішення цієї системи рівнянь  потрібно задати початкові умови, знати  схеми і константи всіх радіоактивних переходів. Підсумовуючи по групах ізотопів, які мають той чи інший тип радіоактивності, можна визначити інтенсивність радіоактивного розпаду в функції часу. В [3] представлені деталі і результати таких розрахунків.

Найбільш значимі осколки поділу - Kr, Cs, I, Xe, Ce, Zr і ін

В Таблиці 1 [] дані деякі характеристики осколків поділуТаблиця 1. Характеристики деяких радіонуклідів та продуктів  поділу урану-235        Назва нукліда         Період напіврозпаду  
Е, дні         Вихід при розподілі,%         Кількість радіоактивності  
в реакторі потужністю 3412 МВт,  
працював три роки, млн. кюрі             Ізотопи йоду                                           йод-131         8,04         2,88         87             йод-132         0,095         4,30         130             йод-133         0,866         6,70         180             йод-135         0,276         6,55         170             Благородні гази                                           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             Ізотопи цезію                                           цезій-134         753         7,81         13             цезій-137         11000         6,23         6,5             Інші осколки ділення                                           стронцій-90         10300         5,94               

Для багатьох завдань певний інтерес  представляють дані про активність паливних елементів після деякої витримки їх поза реактора.

Для нас важливо відзначити зараз, що осколки поділу мають значну радіаційної здатністю. Так 1 грам осколків поділу володіє активністю ~ 0,3 кюрі. Ця активність повільно зменшується за законом

E = 2,66 * t-1, 2 MeV/дел.сек, де t - час в  сек. 2 Елементи нейтронної фізики 2.1 Ядерний реактор

Ядерний реактор - це технічна установка, в якій здійснюється самопідтримується  ланцюгова реакція розподілу  важких ядер із звільненням ядерної  енергії. Ядерний реактор складається  з активної зони та відбивача, які  розміщені в захисному корпусе.Актівная зона містить ядерне паливо у вигляді паливної композиції в захисному покритті і сповільнювач. Паливні елементи зазвичай мають вигляд тонких стрижнів. Вони зібрані в пучки й ув'язнили в чохли. Такі збірні композиції називаються збірками або касетами.

Уздовж паливних елементів рухається теплоносій, який сприймає тепло ядерних перетворень. Нагріте в активній зоні теплоносій рухається по контуру циркуляції за рахунок роботи насосів або під дією сил Архімеда і, проходячи через теплообмінник, або парогенератор, віддає тепло теплоносія зовнішнього контуру. Перенесення тепла та утворення його носіїв можна представити у вигляді простої схеми:                     Реактор    Теплообмінник, парогенератор    Паротурбінна установка    Генератор    Конденсатор    Насос         2.2 Розмноження нейтронів

Розмноження нейтронів є основою  самопідтримуваної ланцюгової реакції  поділу ядер.

Цикл розмноження нейтронів  починається з акту захоплення нейтрона ядром важких (U-235, Pu-239 та інших "діляться") елементів. Інтенсивність захоплень, тобто кількість актів захоплень нейтронів в одиниці об'єму в одиницю часу є

де n - щільність нейтронів,  
v - їх швидкість,  
- щільність ядер поглинача,  
-- ймовірність поглинання нейтрона, т.зв. перетин поглинання . Індекс c означає "capture", тобто захоплення.  
Величина nv = - називається потоком нейтронів,  
- Макроскопічними перетином поглинання.

При кожному акті поділу ядер важких "діляться" елементів випускається 2-3 нові, "швидких" нейтронів. Це число  позначають vf . Перераховуючи на один акт захоплення нейтрона, це число слід помножити на ймовірність поділу щодо розподілу та радіаційного захоплення, тобто ставлення і . Твір позначають vc.

Це число вторинних швидких  нейтронів на один акт захоплення нейтрона ураном-235, так само приблизно 2. З огляду на що паливо реакторів містить велику частку неделящегося ізотопу урану-238, число нових нейтронів на один акт захоплення в урані палива становить

Число нових нейтронів, що народилися в одиниці об'єму палива в одиницю  часу є

Ці нейтрони стикаючись з ядрами навколишнього палива можуть провести додаткові акти поділу ядер палива, зробити як кажуть "розмноження на швидких нейтронах". Це множення покоління нейтронів позначають буквою. Далі нейтрони, стикаючись з ядрами сповільнювача, теплоносія і конструктивних елементів втрачають свою енергію,"сповільнюються" . При цьому деяка їхня частка поглинається (без поділу) на резонанс перетину поглинання важких елементів і вибуває з гри, а деяка дифундує у зовнішній простір і тим самим також втрачається.

Долю нейтронів "уникли резонансний захоплення" позначають через, а частку уникли "витік" при уповільненні - через. Тоді число "сповільнилися" нейтронів в одиницю часу в одиниці обсягу, що стали "тепловими", тобто втратили свою енергію народження (~ 2 Мev) є

,

де - геометричний параметр, - "вік" нейтронів.

Ці нейтрони, "діфундіруя" в  середовищі, можуть загубитися за рахунок  витоку і поглинання в матеріалах активної зони. Долю нейтронів, які  уникли витік при дифузії в  тепловій області енергії (~ kT ev) позначають через, а частку нейтронів поглинених у важких елементах щодо повного поглинання в усіх матеріалах активної зони через. Число нейтронів пройшли весь нейтронний цикл на один нейтрон, заглиблений у важких елементах, тобто що пройшли цикл розмноження, уповільнення, дифузії в тепловій області є

= keff

Твір називають коефіцієнтом розмноження  нейтронів в нескінченному середовищі - k "нескінченна", а - ефективним коефіцієнтом розмноження нейтронів в кінцевій середовищі, k - "ефективне". Реактивність

Реактор називається критичним, якщо число нових нейтронів при кожному акті їх захоплення ядрами урану, які уникли резонансний захоплення в урані-238 і витік з реактора при уповільненні і дифузії, точно дорівнює кількості поглинули. Цей стан Відповідне рівності keff = 1 Величина 1-keff/keff = r називається реактивністю . Ця величина визначає темп розгону реактора при r> 0. 3 Література

1. Е. Фермі

"Ядерна фізика",  
пер. з англ., Москва, вид. "Іноземна література", 1951 р.

2. В.Е. Левін

"Ядерна фізика",  
Москва, Атомиздат, 1975 р.

3. А.С. Герасимов, Т.С. Зарицька, А.П. Рудик

"Довідник з освіти нуклідів  в ядерних реакторах",  
Москва, Энергоатомиздат, 1989 р.

4. В.Д. Сидоренко, В.М. Колобашкін, П.М. Рубцов, П.А. Ружанскій

"Радіаційні характеристики  опроміненого ядерного палива",  
довідник, Москва, Энергоатомиздат, 1983 р.