Реакция радиационного захвата.

После захвата нейтрона составное ядро может и не испытать деления, излишек энергии сбрасывается путем испускания гамма-квантов. В этом случае говорят о реакции радиационного захвата.

Вследствие этой реакции металлические детали, находящиеся в АЗ активируются. То есть в них образуются новые изотопы, например: ядро железа, захватывая нейтрон, превращается в радиоактивный изотоп. Метало-конструкции после интенсивного облучения нейтронами представляют опасность для персонала.

Реакция рассеяния.

При взаимодействии нейтрона с ядром возможен случай, когда составное ядро не образуется. Происходит столкновение и разлет в разные стороны нейтрона и ядра. В этом случае говорят об упругом рассеянии. Нейтрон, ударившись о ядро, снижает свою скорость и изменяет направление движения, этот процесс называют замедлением.

Чем легче ядро, с которым столкнулся нейтрон, тем больше снижение скорости.

Неупругое рассеяние - это процесс когда, после столкновения с нейтроном, образуется составное ядро, но из него почти мгновенно вылетают нейтрон, и гамма квант. В этом случае кинетическая энергия нейтрона уменьшается на величину энергии гамма кванта и энергии полученной ядром. Нейтрон замедляется.

Условиях, при которых реакция деления будет самоподдерживающееся: для этого необходимо, чтобы хотя бы один из нейтронов, полученный в результате первого акта деления, взывал второй акт деления. Нейтроны, вызвавшие первые акты деления, называют нейтронами первого поколения, вторые - второго поколения.

_________________

Коэффициент размножения (К_эф) - это отношение количества нейтронов второго поколения к количеству нейтронов первого поколения

 

При К_эф < 1 реакция деления затухает.

При К_эф = 1 реакция деления происходит на постоянной мощности (нормальный режим работы реактора).

При К_эф > 1 реакция деления разгоняется (увеличение мощности).

Для осуществления преобразования ядерной энергии в электрическую, необходимо поддерживать в реакторе К_эф = 1.

 

Нейтроны, сталкивающиеся с ядрами обладают различной энергией. В физике ядерного реактора принята единица измерения энергии - мега электрон-вольт [МэВ] 1 МэВ = 1.602 ´ 10^-13 Дж (1 МэВ =1 000 000 эВ). В зависимости от энергии принято делить нейтроны на группы:

тепловые - энергия движения которых соизмерима энергией теплового движения среды Е < 0.5 эВ.

замедляющиеся - энергия которых лежит в диапазоне от 0.5 эВ до 2000 эВ.

быстрые - E > 2000 эВ.

Основным топливом в ядерных реакторах является уран.

В результате исследований было установлено, что деление изотопа урана ²³⁸U возможно только нейтронами с энергией большей 1 МэВ, но вероятность деления (сечение реакции деления), при таких энергиях в 4 раза меньше чем захвата или рассеяния. Другими словами из 5 нейтронов столкнувшихся с ядром ²³⁸U, только 1 вызовет деление. При меньших энергиях возможны только радиационный захват или рассеяние. Причем при энергиях 7 эВ - 200эВ сечение захвата очень сильно возрастает (Резонансный захват). Нейтроны поглощаются без деления и выбывают из цепной реакции.

Для изотопа урана ²³⁵U деление возможно нейтронами любых энергий, однако, вероятность деления (сечение реакции деления) для тепловых нейтронов в 100 раз больше чем для быстрых нейтронов c энергией 5 - 6 МэВ.

Цепная реакция деления.

Рассмотрим реакцию деления в смеси изотопов урана ²³⁸U и ²³⁵U.

В отдельных актах деления энергия рождающихся нейтронов может принимать значения от 100 эВ, до 10 МэВ. Средняя энергия около 2 МэВ. Нейтроны с такой энергией, могут разделить изотопы ²³⁸U, но как было сказано выше, на 1 нейтрон вызвавший деление ²³⁸U, придется четыре захваченных без деления, а в результате деления возникает в среднем 2,5 нейтрона, следовательно, коэффициент размножения К_эф = 5/2.5 = 0.5 - реакция затухающая. Можно сделать вывод, что при наличии только одного изотопа ²³⁸U осуществить цепную реакцию невозможно.

Нейтроны рожденные при делении с энергией 2 МэВ, в результате рассеяния потеряют свою энергию (замедлятся), чем ниже их энергия, тем больше эффективное сечение деления для изотопа ²³⁵U, однако в процессе замедления в какой-то момент времени энергия нейтронов будет находиться в диапазоне 7 эВ - 200 эВ, где сечение захвата для ядер ²³⁸U очень сильно возрастает. Поэтому до тепловой энергии, где вероятность деления ²³⁵U максимальна, сможет замедлится лишь малая часть нейтронов.

В естественном уране количество изотопа ²³⁵U составляет 0.7 % остальное ²³⁸U и для осуществления реакции необходимо произвести обогащение, увеличить концентрацию изотопа ²³⁵U таким образом, чтобы нейтроны после рождения сталкивались с ядрами ²³⁵U чаще, чем с ядрами ²³⁸U. В этом случае мы можем осуществить цепную реакцию деления на быстрых нейтронах.

Другим способом осуществления реакции деления в уране является использование замедлителя, например воды. Если нейтрон после рождения столкнется с ядром водорода, то он сбросит часть своей энергии, после нескольких столкновений (около 14) его энергия снизится до уровня тепловой, где вероятность деления ²³⁵U максимальна. В этом случае мы можем получить цепную реакцию в смеси изотопов урана с меньшем обогащением по ²³⁵U.

Реакторы, в которых большинство актов деления вызвано тепловыми нейтронами, называют реакторами на тепловых нейтронах. В таких реакторах обязательно используется замедлитель. В качестве замедлителей обычно используют:

Воду Н₂О - реакторы типа ВВЭР, PWR;

Тяжелую воду D₂O - реакторы типа CANDU;

Графит - реакторы типа РБМК, Magnox, HTGR.

В реакторе РБМК в качестве замедлителя используют графит. Нейтроны в них теряют свою энергию (замедляются) при столкновении с ядрами углерода. Причем количество столкновений необходимое для замедления быстрого нейтрона до теплового составляет для углерода около 114.