Основы теории ядерных реакторов (стр. 7 )

Особая роль реакции деления в ядерном реакторе побуждает к более детальному рассмотрению её особенностей. Но прежде, чем сделать это, упомянем ещё о некоторых видах нейтронных реакций, сопровождающих работу ядерного реактора, но не имеющих принципиального значения.

2.1.4. Ещё три нейтронные реакции. Во-первых, это реакция типа (n, p) - то есть нейтронная реакция, завершающаяся испусканием протона.

Образование возбуждённого

Ядро составного ядра массы (А+1) а. е.м.

Нейтрон массы А а. е.м

и зарядом z

Ядро массы А а. е.м. и зарядом (z-1)

Захват нейтрона ядром Испускание протона

Рис.2.3. Схематическое представление о реакции типа (n, p).

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,a) - то есть реакция, завершающая­ся испусканием возбужденным составным ядром a-частицы (лишённого электронной оболочки ядра атома гелия 4He), 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.

Образование возбуждённого

Ядро составного ядра массы (А+1) а. е.м.

Нейтрон массы А а. е.м

и зарядом z

Ядро массы (А-3) а. е.м. и зарядом (z-2)

Захват нейтрона ядром Испускание a-частицы

Рис.2.4. Схематическое представление о реакции типа (n, a).

И, наконец, это реакция типа (n,2n) - 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.

Образование возбуждённого

Ядро составного ядра массы (А+1) а. е.м.

Нейтрон массы А а. е.м

и зарядом z

Ядро массы (А-1) а. е.м. и зарядом z

Захват нейтрона ядром Испускание двух нейтронов

Рис.2.5. Схематическое представление о реакции типа (n,2n).

Все три упомянутых реакции свойственны лишь очень немногим ядрам при их взаимодействии с нейтронами высоких кинетических энергий. В ядерных реакторах эти типы нейтронных взаимодействий относительно ред­ки и принципиального влияния на работу реактора не оказывают. Упомянуты они здесь лишь потому, что используются в плутоний-бериллиевых и по­лоний-бериллиевых искусственных источниках нейтронов, о необходимости которых будет сказано при изучении кинетики ядерных реакторов.

2.2. Особенности реакции деления и их практическое значение

Нейтронная ядерная реакция деления тяжёлых ядер, как уже отмечалось, является главной и центральной реакцией в ядерных реакторах. Поэтому есть смысл с самого начала познакомиться с физическими представлениями о реакции деления и теми её особенностями, которые так или иначе накладывают свой отпечаток на все стороны жизни и быта сложнейшего технического комплекса, который именуется Атомной Электростанцией.

Представление о делении ядра урана-235 в наглядных образах даёт рис.2.6.

Нейтрон Ядро массой А Возбуждённое составное ядро Осколки деления

 

Нейтроны деления

Рис.2.6. Схематическое представление о делении ядра 235U.

На основании этой схемы обобщённое «уравнение» реакции деления (ко­торое является скорее логическим, чем строго математическим) можно за­писать так:

235U + 1n ® (236U)* ® (F1)* + (F2)* + n5 . 1n + aa + bb + cg + DE

где:

- (F1)* и (F2)* - символьные обозначения возбуждённых осколков де­ления (индексом (*) здесь и далее обозначаются неустойчивые, возбуж­денные или радиоактивные элементы); осколок (F1)* имеет массу A1 и за­ряд Z1, осколок (F2)* - массу А2 и заряд Z2;

- n5 . 1n обозначены n5 нейтронов деления, высвобождающихся в среднем в каждом акте деления ядра урана-235;

- a, b и g - a-частицы, b-частицы и g-кванты, средние числа которых на акт деления ядра урана-235 равны соответственно a, b и c;

-  DE - среднее количество энергии, высвобождаемой в акте деления.

Подчеркнём ещё раз: записанное выше выражение не является уравнением в строгом смысле этого слова; это скорее просто удобная для запоминания форма записи, отражающая основные особенности нейтронной реакции деления:

а) образование осколков деления;

б) образование новых свободных нейтронов при делении, которые впредь будем кратко называть нейтронами деления;

в) радиоактивность осколков деления, обуславливающая их дальней­шие трансформации к более устойчивым образованиям, из-за чего возника­ет ряд побочных эффектов - как позитивных, полезных, так и негативных, которые следует обязательно учитывать при проектировании, постройке и эксплуатации ядерных реакторов;

г) высвобождение энергии при делении - главное свойство реакции деления, позволяющее создать энергетический ядерный реактор.

Каждый из перечисленных выше физических процессов, сопровождающий реакцию деления, играет в реакторе определённую роль и имеет свое практическое значение. Поэтому познакомимся с ними подробнее.

2.2.1. Образование осколков деления. Об одиночном акте деления ядра можно говорить как о явлении до известной степени случайном, имея в виду, что тяжёлое ядро урана, состоящее из 92 протонов и 143 нейтро­нов, принципиально способно разделиться на различное число осколков с различными атомными массами. В таком случае к оценке возможности де­ления ядра на 2, 3 или более осколков можно подходить с вероятностными мерками. По данным, приведенным в [2], вероятность деления ядра на два осколка составляет более 98%, следовательно, подавляющее большинство делений завершается образованием именно двух осколков.

Спектроскопическими исследованиями продуктов деления установлено более 600 качественно различных осколков деления с различными атомными массами. И здесь в кажущейся случайности при большом числе делений сразу выявилась одна общая закономерность, которую кратко можно выра­зить так:

Вероятность появления осколка определённой атомной массы при мас­совом делении конкретного нуклида - величина строго определённая, свойственная этому делящемуся нуклиду.

Эту величину принято называть удельным выходом осколка, обозна­чать малой греческой буквой gi (гамма) с нижним индексом - символом хи­мического элемента, ядром которого является этот осколок, или символом изотопа.

Например, в физических экспериментах зафиксировано, что осколок ксенона-135 (135Xe) при осуществлении каждой тысячи делений ядер 235U появляется в среднем в трёх случаях. Это означает, что удельный выход осколка 135Xe составляет

gXe = 3/1000 = 0.003 от всех делений,

и применительно к одиночному акту деления ядра 235U величина gXe = 0.003 = 0.3% - есть вероятность того, что деление завершится образованием именно осколка 135Хе.

Наглядную оценку закономерности образования осколков деления раз­личных атомных масс дают кривые удельного выхода осколков (рис.2.7).

10

gi, %

1

10-1

10-2

10-3

10-4

10-5

70 80 90 100 110 120 130 140 150 А, а. е.м.

Рис. 2.7. Удельные выходы осколков деления различных атомных масс

при делении ядер 235U (сплошная линия) и 239Pu (штриховая линия).

Характер этих кривых позволяет заключить следующее:

а) Атомные массы осколков, образующихся при делении, в подавляю­щем большинстве случаев лежат в пределах 70 ¸ 165 а. е.м. Удельный выход более лёгких и более тяжёлых осколков очень мал (не превышает 10-4 %).

б) Симметричные деления ядер (то есть деления на два осколка рав­ных масс) крайне редки: их удельный выход не превышает 0.01% для ядер урана-235 и 0.04% - для ядер плутония-239.

в) Чаще всего образуются лёгкие осколки с массовыми числами в пределах 83 ¸104 а. е.м. и тяжёлые осколки с А = 128 ¸ 149 а. е.м. (их удельный выход составляет 1% и более).

г) Деление 239Pu под действием тепловых нейтронов влечёт образо­вание несколько более тяжёлых осколков по сравнению с осколками деле­ния 235U.

*) В будущем при изучении кинетики реактора и процессов его от­равления и шлакования нам ещё не раз предстоит обращаться к величинам удельных выходов многих осколков деления при составлении дифференци­альных уравнений, описывающих физические процессы в активной зоне ре­актора.

Удобство этой величины состоит в том, что, зная скорость реакции деления (число делений в единице объёма топливной композиции в единицу времени), несложно подсчитать скорость образования любых осколков де­ления, накопление которых в реакторе так или иначе влияет на его работу:

Скорость генерации i-го осколка = gi ´ (скорость реакции деления)