Реакторы и парогенераторы АЭС Лекция № 4

Реакторы и парогенераторы АЭС Лекция №

Атомное ядро и его характеристики • Атомные ядра различных элементов состоят из двух частиц – протонов и нейтронов. Сразу же после открытия нейтрона (Дж. Чедвик, 1932 г. ), Д. Д. Иваненко и В. Гейзенберг выдвинули гипотезу о протонно-нейтронном строении атомных ядер, которая полностью подтвердилась последующими исследованиями. Протоны и нейтроны принято называть нуклонами.

• Протон ( p ) обладает зарядом + е. и массой mp = 1, 67262· 10 – 27 кг. Во многих случаях массу частицы удобно выражать в эквивалентных значениях энергии в соответствии с формулой E = mc 2. Так как 1 э. В = 1, 60218· 10– 19 Дж, в энергетических единицах масса протона равна 938, 272331 Мэ. В. Для сравнения укажем, что масса электрона равна m e = 0, 511 Мэв. Следовательно, m p = 1836, 15 me.

• Нейтрон ( n ). Его электрический заряд равен нулю, а масса близка к массе протона • mn = 1, 67493· 10– 27 кг или mn = 939, 56563 Мэ. В.

• В свободном состоянии нейтрон нестабилен и самопроизвольно распадается, превращаясь в протон и испуская электрон ( е- ) и еще одну частицу, называемую антинейтрино. Период полураспада (т. е. время, за которое распадается половина первоначального количества нейтронов) равен примерно 12 мин. n p e %

• Для характеристики атомных ядер вводится ряд обозначений. Число протонов, входящих в состав атомного ядра, обозначают символом Z и называют зарядовым числом или атомным номером (это порядковый номер в периодической таблице Менделеева).

• Заряд ядра равен Ze , где e – элементарный заряд. Число нейтронов обозначают символом N. Общее число нуклонов (т. е. протонов и нейтронов) называют массовым числом A : A = Z + N. Ядра химических элементов обозначают символом X A Z

• Ядра одного и того же химического элемента могут отличаться числом нейтронов. Такие ядра называются изотопами. У большинства химических элементов имеется несколько изотопов. Водород имеет три изотопа: обычный водород, или протий ( Z = 1, N = 0), тяжелый водород, или дейтерий Z = 1, N = 1), тритий ( Z = 1, N = 2).

• Дейтерий обозначают также символом D , а тритий — символом Т. Протий и дейтерий стабильны, тритий радиоактивен.

• Ядра с одинаковым массовым числом А называются изобарами. В качестве примера можно привести 18 40 Ar и 20 40 Ca. Ядра с одинаковым числом нейтронов N = A — Z носят название изотонов ( 6 13 C, 7 14 N ). Радиоактивные ядра с одинаковыми Z и А, отличающиеся периодом полураспада называются изомерами.

Дефект массы. • Измерения показывают, что масса любого ядра m я всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов: mя < Zmp + Nmn. Это обусловлено тем, что при объединении нуклонов в ядро выделяется энергия связи нуклонов друг с другом.

Дефект массы. • Разность масс • Δ = Zmp + Nmn – mя • называется дефектом массы.

Энергия связи атомного ядра • По дефекту массы можно определить с помощью формулы E = mc 2 энергию, выделившуюся при образовании данного ядра, т. е. энергию связи ядра E св : • E св = Δ c 2 = ( Zm p + Nmn – mя ) c 2.

• Энергия связи ядра равна той работе, которую нужно совершить, чтобы разделить образующие ядро нуклоны и удалить их друг от друга на такие расстояния, при которых они практически не взаимодействуют друг с другом.

• Формула для энергии связи практически не нарушится, если заменить массу протона т р массой атома водорода т н , а массу ядра т я — массой атома m а. Если пренебречь сравнительно ничтожной энергией связи электронов с ядрами, указанная замена будет означать добавление к уменьшаемому и вычитаемому выражения, стоящего в фигурных скобках, одинаковой величины, равной Zm e.

Таким образом,

• Удельная энергия связи. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, т. е. Есв / А, называется удельной энергией связи нуклонов в ядре. Эта величина характеризует меру прочности ядра: чем больше Е св / А , тем ядро прочнее.

• Сильнее всего связаны нуклоны в ядрах с массовыми числами порядка 50 -60 (т. е. для элементов от Сг до Zn ), Энергия связи для этих ядер достигает 8, 7 Мэ. В/нуклон. С ростом А удельная энергия связи постепенно уменьшается; для самого тяжелого природного элемента – урана – она составляет 7, 5 Мэ. В/нуклон.

Удельная энергия связи ядер.

Ядерные реакции • Ядерная реакция – это процесс взаимодействия атомного ядра с другим ядром или элементарной частицей, сопровождающийся изменением состава и структуры ядра и выделением вторичных частиц или γ-квантов.

• В результате ядерных реакций могут образовываться новые радиоактивные изотопы, которых нет на Земле в естественных условиях. • Первая ядерная реакция была осуществлена Э. Резерфордом в 1919 году в опытах по обнаружению протонов в продуктах распада ядер. Резерфорд бомбардировал атомы азота α-частицами.

• При соударении частиц происходила ядерная реакция, протекавшая по следующей схеме:

• При ядерных реакциях выполняется несколько законов сохранения: импульса, энергии, момента импульса, заряда. В дополнение к этим классическим законам при ядерных реакциях выполняется закон сохранения так называемого барионного заряда (т. е. числа нуклонов – протонов и нейтронов). Выполняется также ряд других законов сохранения, специфических для ядерной физики и физики элементарных частиц.

• Ядерные реакции могут протекать при бомбардировке атомов быстрыми заряженными частицами (протоны, нейтроны, α-частицы, ионы). Первая реакция такого рода была осуществлена с помощью протонов большой энергии, полученных на ускорителе, в 1932 году:

• Наиболее интересными для практического использования являются реакции, протекающие при взаимодействии ядер с нейтронами. Так как нейтроны лишены заряда, они беспрепятственно могут проникать в атомные ядра и вызывать их превращения. Выдающийся итальянский физик Э. Ферми первым начал изучать реакции, вызываемые нейтронами. Он обнаружил, что ядерные превращения вызываются не только быстрыми, но и медленными нейтронами, движущимися с тепловыми скоростями.

• Ядерные реакции сопровождаются энергетическими превращениями. Энергетическим выходом ядерной реакции называется величина • Q = (MA + MB – MC – MD )c 2 = ΔMc 2 , • где M A и MB – массы исходных продуктов, M C и MD – массы конечных продуктов реакции.

• Величина ΔM называется дефектом масс. Ядерные реакции могут протекать с выделением (Q > 0) или с поглощением энергии (Q < 0). Во втором случае первоначальная кинетическая энергия исходных продуктов должна превышать величину |Q|, которая называется порогом реакции.

• Для того чтобы ядерная реакция имела положительный энергетический выход, удельная энергия связи нуклонов в ядрах исходных продуктов должна быть меньше удельной энергии связи нуклонов в ядрах конечных продуктов. Это означает, что величина ΔM должна быть положительной.

• Возможны два принципиально различных способа освобождения ядерной энергии. • 1. Деление тяжелых ядер. В отличие от радиоактивного распада ядер, сопровождающегося испусканием α- или β-частиц, реакции деления – это процесс, при котором нестабильное ядро делится на два крупных фрагмента сравнимых масс.

• Основной интерес для ядерной энергетики представляет реакция деления ядра 92 235 U. В настоящее время известны около 100 различных изотопов с массовыми числами примерно от 90 до 145, возникающих при делении этого ядра.

• Две типичные реакции деления этого ядра имеют вид:

• Кинетическая энергия, выделяющаяся при делении одного ядра урана, огромна – порядка 200 Мэ. В. Оценку выделяющейся при делении ядра энергии можно сделать с помощью понятия удельной энергии связи нуклонов в ядре.

• Удельная энергия связи нуклонов в ядрах с массовым числом A ≈ 240 порядка 7, 6 Мэ. В/нуклон, в то время как в ядрах с массовыми числами A = 90– 145 удельная энергия примерно равна 8, 5 Мэ. В/нуклон. Следовательно, при делении ядра урана освобождается энергия порядка 0, 9 Мэ. В/нуклон или приблизительно 210 Мэ. В на один атом урана. При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2, 5 т нефти.

• 2. Термоядерные реакции. Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра должно выделяться большое количество энергии. Это видно из кривой зависимости удельной энергии связи от массового числа A.

Удельная энергия связи ядер.

• Вплоть до ядер с массовым числом около 60 удельная энергия связи нуклонов растет с увеличением A. Поэтому синтез любого ядра с A < 60 из более легких ядер должен сопровождаться выделением энергии. Общая масса продуктов реакции синтеза будет в этом случае меньше массы первоначальных частиц.

• Реакции слияния легких ядер носят название термоядерных реакций, так как они могут протекать только при очень высоких температурах. Чтобы два ядра вступили в реакцию синтеза, они должны сблизится на расстояние действия ядерных сил порядка 2· 10– 15 м, преодолев электрическое отталкивание их положительных зарядов.

• Для этого средняя кинетическая энергия теплового движения молекул должна превосходить потенциальную энергию кулоновского взаимодействия. Расчет необходимой для этого температуры T приводит к величине порядка 108 – 109 К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

• Энергия, которая выделяется при термоядерных реакциях, в расчете на один нуклон в несколько раз превышает удельную энергию, выделяющуюся в цепных реакциях деления ядер. Так, например, в реакции слияния ядер дейтерия и трития.

• выделяется 3, 5 Мэ. В/нуклон. В целом в этой реакции выделяется 17, 6 Мэ. В. Это одна из наиболее перспективных термоядерных реакций.

• Осуществление управляемых термоядерных реакций даст новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

• На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

Эффективные сечения реакции • При осуществлении ядерных реакций кроме типа бомбардирующей частицы, её энергии и свойства ядра большое значение имеет вероятность взаимодействия частицы с ядром, т. е. вероятность совершения той или иной ядерной реакции.

Рассмотрим плоский случай: • Пусть на тонкой плоскости площадью S находится одно ядро с эффективным сечением σ. В направлении перпендикулярном плоскости движется нейтрон, который равно вероятно в любой точке пересекает площадку S. • Тогда вероятность взаимодействия нейтрона с ядром равна σ / S.

• Если на поверхности находится N не перекрывающих друга ядер, то вероятность взаимодействия нейтрона с любым из них равна • σ N / S = σ NS , • где N S = N / S – среднее число ядер на единице площади мишени.

• Пусть теперь перпендикулярно плоскости движется поток нейтронов, имеющих одинаковую кинетическую энергию En или, что тоже самое, одинаковую скорость.

Обозначим: • φ – плотность потока нейтронов, которая по определению равна количеству нейтронов, пересекающих за 1 секунду площадку 1 м 2 , расположенную перпендикулярно направлению скорости нейтронов.

• Если плотность нейтронов, т. е. число нейтронов в 1 м 3 потока, равна n , а скорость нейтронов V , • то φ = n. V (нейтр/м 2 c ). • Тогда число взаимодействий нейтронов с ядрами • С s = σ NS n. V= σ NS φ • C s , м 2 с, т. е. на 1 м 2 мишени за 1 с.

• Коэффициент пропорциональности σ называют эффективным микроскопическим сечением реакции или кратко микроскопическим сечением.

• Оно численно равно вероятности взаимодействия нейтрона данной кинетической энергии (скорости) с ядром, если на поверхность мишени падает поток нейтронов плотностью • φ = 1, а на 1 м 2 мишени (плоскости) • Находится одно ядро ( N s = 1 ). • σ = С S / ( φ Ns ) • Измеряется: 1 б = 10 -28 м 2 барн

• Микроскопическое сечение σ зависит от типа нуклида, участвующего в реакции, энергии бомбардирующих частиц (нейтронов) и вида реакции.

• Теперь рассмотрим объемный случай. • Пусть мишень из однородного вещества содержит Nv ядер в 1 м 3 объема. • Пусть в веществе движутся нейтроны с одинаковой кинетической энергией. Направление скоростей нейтронов могут быть произвольными.

• Введем более общее определение плотности потока нейтронов φ как произведение плотности моноэнергетических нейтронов n , нейтр/м 3 , на скорость их движения V , м/с. • φ = n V

• Плотность потока нейтронов равна длине пути, проходимого всеми нейтронами в 1 м 3 , за 1 с. • Отсюда количество моноэнергетических нейтронов, пересекающих произвольную поверхность S , м 2, т. е. поток моноэнергетических нейтронов через произвольную поверхность S , равен φ S нейтр/с.

• Взаимодействие нейтронов с ядрами мишени не зависит от направления скорости нейтронов, поэтому вероятность взаимодействия одного нейтрона в 1 м 3 мишени равна σ N V а, число взаимодействий нейтронов с ядрами мишени С v , м -3 с-1 , равно • С v = σ N V n. V = σ NV φ = ∑ φ

С v = σ N V n. V = σ N V φ = ∑ φ • Где произведение σ NV = ∑ называют макроскопическим эффективным сечением ядерной , м -1 • Оно показывает вероятность совершения ядерной реакции в 1 м 3 данного вещества одним нейтроном, имеющим скорость V , или кинетическую энергию E n

Нейтронные ядерные реакции • Для понимания физических процессов в ядерном реакторе, наиболее важен класс нейтронных ядерных реакций, то есть реакций, инициируемых нейтронами. • Нейтронные реакции — это процесс и результат взаимодействия свободных нейтронов с атомными ядрами.

Основные типы нейтронных ядерных реакций • Начнём с тривиального факта: всякая нейтронная реакция начинается с проникновения свободного нейтрона в объём ядра, в сферу диаметром порядка 10 -13 см , в пределах которой действуют силы притяжения нуклонов.

Основные типы нейтронных ядерных реакций • Квантовая физика рассматривает ядро любого устойчивого атома как систему частиц (нуклонов), суммарная потенциальная энергия которых может принимать ряд строго определённых , присущих только этому ядру, значений ( энергетических уровней).

Основные типы нейтронных ядерных реакций • И если в устойчивое ядро привносится извне дополнительная масса, энергия , или то и другое вместе, суммарная потенциальная энергия такого ядра в общем случае уже не будет соответствовать ни одному из присущих ему уровней устойчивости. А это значит, что образующееся в результате проникновения в него нейтрона составное ядро — ядро возбуждённое или неустойчивое.

• Возбуждённое составное ядро в таком состоянии длительно существовать не может и по мере возможностей стремится «скатиться» к ближайшему устойчивому энергетическому уровню, то есть — избавиться от избытка потенциальной энергии сверх ближайшего уровня устойчивости. Время пребывания составного ядра в возбужденном состоянии — величина порядка 10 -15 ÷ 10 -13 с.

• Это естественное стремление возбуждённого составного ядра к устойчивому состоянию может быть реализовано различными способами. • Рассмотрим их, поскольку от того, каким способом возбуждённое составное ядро переходит к устойчивости, зависит конечный результат взаимодействия нейтрона с ядром, что и определяет тип нейтронной реакции. • Кратко охарактеризуем основные способы ( каналы ) превращения возбуждённого составного ядра в более устойчивые образования.

Радиационный захват. • Возбуждённое составное ядро оказывается способным удержать в своём составе проникший в него нейтрон, а избыток энергии сверх ближайшего уровня устойчивости — «сбросить» в виде испускаемого γ-кванта электромагнитного излучения.

Радиационный захват. • Таким образом, результатом подобного взаимодействия нейтрона с ядром является захват нейтрона исходным ядром, сопровождающийся испусканием γ-радиации, благодаря чему этот тип нейтронной реакции и получил название реакции радиационного захвата.

Радиационный захват. • К реакциям радиационного захвата склонны в различной степени все без исключения известные нуклиды. Наиболее склонные к радиационному захвату сорта атомных ядер называют поглотителями нейтронов.

Радиационный захват. • Например, бор-10 (10 B), самарий-149 (149 Sm), ксенон-135 ( 135 Xe), европий (Eu), кадмий (Cd), гадолиний (Gd) — все это сильные поглотители нейтронов. Уран-235 ( 235 U), основной топливный компонент подавляющего большинства ядерных реакторов, а также плутоний-239 ( 239 Pu), являющийся вторичным ядерным топливом , воспроизводимым в реакторах, — также являются достаточно сильными поглотителями нейтронов.

Радиационный захват. • Обозначение: ( n , γ ) • Обозначение сечения: σ γ , ∑ γ • Примечание: поглощение нейтронов в активной зоне, конструкционных материалах, теплоносителе, замедлителе, биологической защите. Поглощение нейтронов в регулирующих стержнях, выполненных из кадмия.

Рассеяние. • При неспособности возбуждённого составного ядра удержать в своем составе проникший в него нейтрон природное стремление ядра к устойчивости может быть реализовано путем «выталкивания» из ядра захваченного или любого другого нейтрона, равноценного захваченному по квантовым свойствам.

• Таким образом, и до, и после взаимодействия нейтрона с ядром имеются свободный нейтрон и одно и то же ядро, и единственным результатом такого взаимодействия является лишь то, что кинетические энергии исходного и испущенного нейтронов неодинаковы : энергия испускаемого нейтрона в подавляющем большинстве случаев оказывается ниже энергии исходного нейтрона. Кроме того, направления движения исходного и испускаемого нейтронов также неодинаковы.

• Внешне такое взаимодействие выглядит не как ядерное, а скорее как обычное механическое соударение нейтрона с ядром, в результате которого нейтрон передает ядру часть своей кинетической энергии, меняя при этом свою скорость и направление движения. • Многократно повторяемые акты таких соударений в классической механике, как известно, называют рассеяниями. По аналогии с механическими рассеяниями нейтронные реакции подобного типа называют реакциями рассеяния.

• Склонностью к реакции рассеяния, как и склонностью к радиационному захвату, обладают все (без исключения) известные нуклиды , хотя и в различной степени. • Для реакторщика важно знать, ядра каких элементов наделены Природой этой склонностью к рассеянию, поскольку в тепловом реакторе за счёт реакций рассеяния идёт процесс уменьшения кинетической энергии нейтронов при их перемещении в среде активной зоны. Этот процесс коротко именуется замедлением нейтронов. Поэтому ядра — хорошие рассеиватели нейтронов, — обладающие пониженной склонностью к радиационному захвату, как правило, оказываются хорошими замедлителями нейтронов.

• Например, ядра атомов водорода (1 Н), дейтерия ( 2 D), бериллия (9 Be), углерода (12 С), кислорода ( 16 О), циркония (91 Zr) и ряд других ядер со слабыми захватными свойствами и сильно выраженной склонностью к рассеянию являются хорошими замедлителями рождаемых в реакторе быстрых нейтронов. • Материалы — простые и сложные — с хорошими замедляющими свойствами являются столь же принципиально важными компонентами конструкции активных зон ядерных реакторов, как и ядерное топливо и поглотители.

• И ещё одна аналогия ядерного рассеяния с механическим: рассеяние может быть упругим и неупругим, причём, критерии оценки упругости рассеяния в обоих случаях одинаковы: • — если суммы кинетических энергий ядра и нейтрона до и после рассеяния равны между собой • (Ея + Ен )до = (Ея + Ен )после , •

• рассеяние называют упругим. Иначе говоря, при упругом рассеянии происходит простое перераспределение кинетической энергии: нейтрон отдает часть своей кинетической энергии ядру, кинетическая энергия ядра увеличивается после рассеяния именно на величину этой отдачи, а потенциальная энергия ядра (энергия связи нуклонов) остается прежней, а, следовательно, энергетическое состояние и структура ядра до и после рассеяния остаются неизменными;

• — если же сумма кинетических энергий ядра и нейтрона после рассеяния оказывается ниже, чем их сумма до рассеяния, • (Ея + Ен)до > (Ея + Ен)после , • рассеяние называют неупругим.

• Не следует думать, что при неупругом рассеянии нарушается закон сохранения энергии : просто разница сумм кинетических энергий до и после рассеяния затрачивается на изменение внутренней структуры ядра подобно тому, как при неупругом механическом соударении тел (например, свинцовых шариков) суммарное изменение их кинетической энергии расходуется на их деформацию.

• Изменение структуры исходного ядра в процессе неупругого рассеяния равноценно переходу ядра в новое квантовое состояние, в котором в общем случае всегда имеет место некоторый избыток энергии сверх уровня устойчивости, который «сбрасывается» ядром в виде испускаемого гамма-кванта. Физические эксперименты подтверждают, что электромагнитное излучение — непременный спутник реакций неупругого рассеяния, что делает эту реакцию похожей на реакцию радиационного захвата, с той лишь разницей, что при неупругом рассеянии исходный нейтрон не удерживается ядром.

• Отметим для памяти еще одну важную закономерность ядерного рассеяния: • — упругое рассеяние в большей степени свойственно лёгким ядрам (с атомной массой А < 20) при взаимодействии их с нейтронами сравнительно небольших кинетических энергий ( Е 1 Мэ. В ) энергий.

Реакция деления. • Третий способ выхода возбуждённого составного ядра в более устойчивые образования — деление его на две, три или даже более протонно-нейтронных комбинации, называемые осколками деления.

• В отличие от реакций радиационного захвата и рассеяния, к делению склонны далеко не все известные ядра, а лишь некоторые (главным образом, чётно-нечётные) ядра тяжёлых элементов. Вот некоторые из них: • 233 U, 235 U, 239 Pu, 241 Pu, 251 Cf, . . .

• Наиболее важным из перечисленных нуклидов является уран-235 — основное топливо большинства существующих ядерных реакторов. Уран-235 делится нейтронами любых кинетических энергий, но лучше всего – нейтронами с малыми энергиями.

• Вторым по значимости делящимся нуклидом является плутоний-239 — вторичное топливо в урановых реакторах, воспроизводящееся в процессе их работы. Как и уран-235, плутоний-239 делится нейтронами любых кинетических энергий, но наиболее эффективно – тепловыми нейтронами.

• Третьим по значению делящимся нуклидом является чётно-чётный изотоп урана — уран-238 (238 U). Чётное число нейтронов в его ядре даёт более устойчивую комбинацию, чем нечётное их число, благодаря чему деление урана-238 имеет пороговый характер : для инициации деления ядер 238 U годны не любые нейтроны, а лишь нейтроны с энергиями выше Еп = 1. 1 Мэ. В. (Говорят: Eп = 1. 1 Мэ. В — энергетический порог деления ядер урана-238 ).

Три нейтронные реакции • Во-первых, это реакция типа ( n, p ) — то есть нейтронная реакция, завершающаяся испусканием протона. • В результате этой реакции образуется изобара исходного ядра, поскольку протон уносит один элементарный заряд, а масса ядра практически не меняется (нейтрон привнесён, а равный ему по массе протон — унесён).

• Во-вторых, это реакция типа ( n, α) — то есть реакция, завершающаяся испусканием возбужденным составным ядром α-частицы (лишённого электронной оболочки ядра атома гелия 4 He), в результате которой массовое число результирующего ядра снижается на 3 а. е. м. сравнительно с массой исходного ядра, а протонный заряд уменьшается на 2 единицы.

• И, наконец, это реакция типа (n, 2 n) — то есть реакция с испусканием возбуждённым составным ядром двух нейтронов, в результате которой образуется изотоп исходного элемента, на единицу меньшей массы сравнительно с массой исходного ядра.

Реакция деления. • Третий способ выхода возбуждённого составного ядра в более устойчивые образования — деление его на две, три или даже более протонно-нейтронных комбинации, называемые осколками деления.

• В отличие от реакций радиационного захвата и рассеяния, к делению склонны далеко не все известные ядра, а лишь некоторые (главным образом, чётно-нечётные) ядра тяжёлых элементов. Вот некоторые из них: • 233 U, 235 U, 239 Pu, 241 Pu, 251 Cf, . . .

• Наиболее важным из перечисленных нуклидов является 235 U — основное топливо большинства существующих ядерных реакторов. 235 U делится нейтронами любых кинетических энергий, но лучше всего – нейтронами с малыми энергиями.

• Вторым по значимости делящимся нуклидом является 239 Pu — вторичное топливо в урановых реакторах, воспроизводящееся в процессе их работы. Как и 235 U , 239 Pu делится нейтронами любых кинетических энергий, но наиболее эффективно – тепловыми нейтронами.

• Третьим по значению делящимся нуклидом является чётно-чётный изотоп урана — уран-238 (238 U). Чётное число нейтронов в его ядре даёт более устойчивую комбинацию, чем нечётное их число, благодаря чему деление урана-238 имеет пороговый характер : для инициации деления ядер 238 U годны не любые нейтроны, а лишь нейтроны с энергиями выше Е п = 1. 1 Мэ. В. (Говорят: Eп = 1. 1 Мэ. В — энергетический порог деления ядер урана-238 ).

• Обозначение: ( n , f ) • Обозначение сечения: σf , ∑f • Уравнение реакции: 235 1 2 92 1 2 A A Z Z U n X X n k

• Примечание: • Основная реакция в результате которой освобождается ядерная энергия, получаемая в ядерных реакторах

Реакция с испусканием протонов • Реакция типа ( n, p ) — то есть нейтронная реакция, завершающаяся испусканием протона. • В результате этой реакции образуется изобара исходного ядра, поскольку протон уносит один элементарный заряд, а масса ядра практически не меняется (нейтрон привнесён, а равный ему по массе протон — унесён).

• Обозначение: ( n , p ) • Обозначение сечения: σp , ∑p • Уравнение реакции: 16 16 8 7 O n N p

• Примечание: • Реакция приводящая к активации воды первого контура.

• Реакция типа ( n, α) — то есть реакция, завершающаяся испусканием возбужденным составным ядром α-частицы (лишённого электронной оболочки ядра атома гелия 4 He), в результате которой массовое число результирующего ядра снижается на 3 а. е. м. сравнительно с массой исходного ядра, а протонный заряд уменьшается на 2 единицы. Реакция с испусканием α -частицы

• Обозначение: ( n , α ) • Обозначение сечения: σα , ∑α • Уравнение реакции: 10 17 5 3 B n Li

• Примечание: • Поглощение нейтронов в регулирующих стержнях, выполненных из бора. • Регистрация замедленных нейтронов.

• Реакция типа (n, 2 n) — то есть реакция с испусканием возбуждённым составным ядром двух нейтронов, в результате которой образуется изотоп исходного элемента, на единицу меньшей массы сравнительно с массой исходного ядра. Реакция удвоения нейтронов

• Обозначение: ( n , 2 n ) • Обозначение сечения: σ2 n , ∑ 2 n • Уравнение реакции: 12 11 6 6 2 C n

• Примечание: • Используется для регистрации плотности потока нейтронов с энергией выше пороговой.

Реакция с испусканием нейтронов под действием α -излучения • Обозначение: ( α , n ) • Обозначение сечения: σ(α, n) , ∑(α, n) • Уравнение реакции: 9 12 4 6 Be C n

Примечание • Используется для получения нейтронов, применяемых при физическом пуске реактора.

Фотонейтронные реакции • Обозначение: ( γ , n ) • Обозначение сечения: σ(γ, n) , ∑(γ, n) • Уравнение реакции: 2 1 1 1 D H n

Примечание • Реакция фоторасщепления дейтерия, содержащегося в воде, используемой в качестве теплоносителя. • Имеет определенное значение для увеличения числа нейтронов перед физическим пуском реактора.

Сечение поглощения и энергия нейтронов • Обозначим полное эффективное сечение взаимодействия нейтрона с ядром σt. • После взаимодействия нейтрон может лидо рассеется, либо поглотится. • Вероятность прохождение той или иной реакции характеризуется своими сечениями.

• Обозначим: • σs – микроскопическое сечение упругого рассеяния • σ is – микроскопическое сечение не упругого рассеяния • σ a – микроскопическое сечение поглощение нейтрона ядром

• Тогда • σt = σs + σin + σa = σis + σa , где • σ is = σs + σin – суммарное сечение упругого и не упругого рассеяния

• Вспомним σ Nv = ∑ , тогда • ∑ t = ∑is + ∑a , где • ∑ t = σt Nv — полное макроскопическое эффективное сечение взаимодействия нейтрона с ядром данного нуклида; • ∑ is = σis Nv — полное макроскопическое эффективное сечение реакции рассеяния нейтрона ядрами данного нуклида • ∑ a = σa Nv — полное макроскопическое эффективное сечение реакции поглощения нейтрона ядрами данного нуклида

• Поглощение нейтронов происходит в реакциях ( n, γ ); ( n, α ); деление ядра и д. р. • С учетом возможностей • σa = σγ + σf + σα