Реакции деления тяжелых ядер

Превращение ядер при взаимодействии с элементарными частицами или друг с другом называют ядерными реакциями.

Ядерные реакции являются основным методом изучения структуры ядер и их свойств. Ядерные реакции подчиняются законам сохранения: электрического заряда, барионного заряда, лептонного заряда, энергии, импульса и др.

Например, закон сохранения барионного заряда сводится тому, что суммарное число нуклонов не меняется в результате ядерной реакции.

Недавно установлено, что факт существования современной Вселенной (Метагалактики) связан с нарушением законов симметрии, т. е. существует барионная асимметрия Вселенной по отношению к барионам и антибарионам.

Ядерные реакции характеризуются эффективным сечением реакции

s = w _js₀, (11.7)

где s₀ = pR², а вероятность ядерной реакции

w = s₀vn₀ (11.8)

Выход ядерной реакции W - отношение числа актов ядерной реакции DN к числу частиц N, упавших на 1 см² мишени, т. е.

(11.9)

где n - концентрация ядер.

Многие ядерные реакции при невысоких энергиях проходят через стадию образования составного ядра.

Например, чтобы нейтрон пролетел сквозь ядро со скоростью 10⁷ , не испытав столкновений, требуется время» 10^-22 с, которым пользуются для определения длительности ядерных процессов, происходящих в ядре.

При уменьшении скорости нейтрона увеличивается время взаимодействия его с ядром, что повышает вероятность захвата нейтрона ядром, так как эффективное сечение обратно пропорционально скорости частицы (s ~ 1/v).

Если суммарная энергия нейтрона и исходного ядра лежит в области расположения энергетических полос составного ядра, то вероятность образования квазистационарного уровня энергии составного ядра особенно велика. Сечение ядерных реакций при таких энергиях частиц резко возрастает, образуя резонансные максимумы.

В таких случаях ядерные реакции называют резонансными. Резонансное сечение захвата тепловых (медленных) нейтронов (kТ» 0,025 эВ) может ~10⁶ раз превосходить геометрическое сечение ядра s₀ = pR².

Захватив частицу, составное ядро находится в возбужденном состоянии в течение ~10^-14 с, затем испускает какую-либо частицу. Известно несколько каналов радиоактивного распада составного ядра. Возможен также и конкурирующий процесс - радиационный захват, когда после захвата ядром частицы оно переходит в возбужденное состояние, затем, испустив g - квант, переходит в основное состояние. При этом также может образоваться составное ядро.

Процесс деления радиоактивного урана изучен довольно хорошо. Точно измерено эффективное сечение реакции s деления тепловыми нейтронами - s» 582 б (1барн = 10^-28 м² ). Предсказать путь реакции деления радиоактивного урана невозможно. Известно, что ядро урана делится примерно 50 различными способами, причем вероятности их сильно различаются, но не превышают 8% каждый. Один из способов деления может быть таким, как представлено на схеме, где над стрелкой b^- -бэта-минус распад; под стрелкой - период полураспада; звездочка вверху справа ядра элемента - возбужденное ядро.

Он тем менее вероятен, чем выше и шире потенциальный барьер. Особенно это характерно для средних и тяжелых ядер.

Например, ядро изотопа урана , захватив нейтрон, образует составное ядро , которое переходит в сильно возбужденное состояние, затем разделяется на две части.

Под действием кулоновских сил отталкивания эти части разлетаются с большой кинетической энергией ~200 МэВ, так как в этом случае электрические силы превосходят ядерные силы притяжения.

При этом осколки радиоактивны и находятся в возбужденном состоянии. Переходя в основное состояние, они испускают мгновенные и запаздывающие нейтроны, а также g - кванты и др. частицы.

Вылетевшие нейтроны называют вторичными.

Из всех выделяющихся при делении ядер освобождается мгновенно ~99% нейтронов, а на долю запаздывающих нейтронов приходится ~0,75%.

Несмотря на это, запаздывающие нейтроны используют в ядерной энергетике, так как они позволяют осуществить управляемые ядерные реакции.

Согласно капельной модели ядра ядерную реакцию можно представить схематически (рис. 11.3).

Рис. 11.3

Наиболее вероятно деление урана на осколки, один из которых примерно в полтора раза тяжелее другого. Это объясняется влиянием ядерных нейтронных оболочек, так как ядру энергетически выгоднее делиться так, чтобы число нейтронов в каждом из осколков было близко к одному из магических чисел - 50 или 82. В качестве таких осколков могут быть, например, ядра , , . На кривой потенциальной энергии W_р = W_р(r) существует максимум,

Рис. 11.4

характеризующий высоту потенциального барьера, который должен быть преодолен, чтобы произошло деление ядра (рис. 11.4).

Разность между максимальным значением потенциальной энергии W_р(r) и ее значением при r = 0 для стабильных ядер называют энергией активации. Для деления ядра необходимо сообщить ему энергию, не меньшую энергии активации, которую приносят нейтроны, при поглощении которых, образуются возбужденные составные ядра.

Исследования показали, что ядра изотопа испытывают деление после захвата любых, в том числе и тепловых, нейтронов. Для деления же изотопа урана требуются быстрые нейтроны с энергией >1 МэВ.

Такое различие в поведении ядер и связывают с эффектом спаривания нуклонов. Возможно и спонтанное деление радиоактивных ядер при отсутствии внешнего возбуждения. В этом случае деление ядра может произойти путем просачивания продуктов деления через потенциальный барьер за счет туннельного эффекта.

Другой характерной особенностью ядерных реакций, протекающих через составное ядро при определенных условиях, является симметрия в системе центра масс углового распределения разлетающихся частиц, которые образуются при распаде составного ядра. Возможны и прямые ядерные реакции, например,

МэВ, (11.10)

используемая для получения нейтронов.

При делении тяжелых ядер освобождается энергия, равная в среднем 200 МэВ на каждое делящееся ядро, называемая ядерной, или атомной энергией. Получение такой энергии производится в ядерных реакторах.

Естественный уран содержит 99,3% изотопа и 0,7% изотопа , который и является ядерным горючим. Изотопы урана и тория являются сырьевыми материалами, из которых искусственно получают изотоп и изотоп , являющиеся также ядерным топливом и в естественном состоянии в природе не встречающиеся.

Изотоп плутония получают, например, в реакции

(11.11)

Изотоп урана - в реакции

, (11.12)

где означает реакцию

. (11.13)

Изотопы ядер и делятся только быстрыми нейтронами с энергией > 1 МэВ.

Важной величиной, характеризующей делящееся ядро, является среднее число вторичных нейтронов, которое для осуществления цепной ядерной реакции деления атомных ядер должно быть не менее двух. В таких реакциях атомных ядер воспроизводятся нейтроны. Цепная реакция практически осуществляется на обогащенном уране в ядерных реакторах. В обогащенном уране содержание изотопа урана , путем разделения изотопов доведено до 2 - 5%. Объем, занимаемый делящимся веществом, называют активной зоной реактора.

Для естественного урана коэффициент размножения тепловых нейтронов k =1,32. Для уменьшения скорости быстрых нейтронов до скорости тепловых используют замедлители (графит, воду, бериллий и др.).

Существуют различные виды ядерных реакторов в зависимости от назначения и мощности.

Например, экспериментальные реакторы для получения новых трансурановых элементов и др. В настоящее время в ядерной энергетике используют реакторы - размножители (бридерные реакторы), в которых происходит не только выработка энергии, но и расширенное воспроизводство делящегося вещества.

В них применяют обогащенный уран с достаточно высоким содержанием до 30% изотопа урана . Такие реакторы - размножители используют для выработки энергии на атомных электростанциях.

Основным недостатком атомных электростанций является накопление радиоактивных отходов. Однако по сравнению с электростанциями на угольном топливе атомные электростанции более экологически чистые.

Что вызывает тренды на фондовых и товарных рынках Объяснение теории грузового поезда Первые 17 лет моих рыночных исследований сводились к попыткам вычис­лить, когда этот...

Что делает отдел по эксплуатации и сопровождению ИС? Отвечает за сохранность данных (расписания копирования, копирование и пр.)...

ЧТО ПРОИСХОДИТ, КОГДА МЫ ССОРИМСЯ Не понимая различий, существующих между мужчинами и женщинами, очень легко довести дело до ссоры...

Система охраняемых территорий в США Изучение особо охраняемых природных территорий(ООПТ) США представляет особый интерес по многим причинам...

Не нашли то, что искали? Воспользуйтесь поиском гугл на сайте: