Нейтроны, образующиеся в процессе деления.

УРОК 18( 1-й час)

Уран – источник энергии. Ядерные свойства делящихся изотопов.

Уран – источник энергии.

В отличие от других металлов уран применяют не как конструкционный материал, а как чрезвычайно эффективный источник энергии. Веществ, способных к делению (делящихся материалов) под действием нейтронов с выделением энергии три – ₉₂U²³⁵, ₉₂U²³³, ₉₄Pu²³⁹. Из них только ₉₂U²³⁵ встречается в природе (U²³⁵ – 0,711, U²³⁸ – 99,283 % масс., остальное U²³⁴).

Два других (₉₂U²³³, ₉₄Pu²³⁹)получают искусственным путем в атомных реакторах облучения нейтронами U²³⁸ и Th²³² . Синтез Pu²³⁹ и U²³³ описывается ядерными реакциям:

₉₂U²³⁸ (n, σ)  ₉₂U²³⁹ ₉₃Np²³⁹ ₉₄Pu²³⁹ (3.1)

₉₀Th²³² (n, σ)  ₉₀Th²³³ ₉₁Pa²³³ ₉₂U²³³ (3.2).

₉₂U²³⁵ называют первичным ядерным топливом,

 ₉₂U²³³ и ₉₄Pu²³⁹ – вторичным ядерным топливом.

В процессе деления (“сгорания”) этих изотопов по реакции

₉₂U²³⁵ (n, σ)  А + В + (2-3 n) + 200 Мэв + γ

(где А и В осколки деления). Аналогично, с U²³³ и Pu²³⁹ выделяется колоссальное количество энергии. Теплотворная способность U²³⁵ примерно в 50 млн. раз больше угля.

Вероятность ядерных реакций деления выражают величиной эффективного сечения – σ, имеющее размерность площади поперечного сечения ядра мишени.

За единицу сечения принята величина σ = 10^-24 см², которая называется барн. Эта величина приблизительна геометрическому сечению ядер, радиус которых равен 10^-12 – 10^{-13 см.}

Величина σ зависит от природы бомбардирующих частиц, их энергии и ряда других факторов.

Ядерные свойства делящихся изотопов.

Делящимися материалами являются изотопы: урана-235, плутония-239, U²³³, тория-Th.

Для большинства изотопов сечения поглощения меняются обратно пропорционально скорости нейтронов. В табл. 1 приведены сечения деления, захвата и поглощения для трех изотопов делящихся на тепловых нейтронах.

Для большинства изотопов сечения поглощения меняются обратно пропорционально скорости нейтронов. В табл. 1 приведены сечения деления, захвата и поглощения для трех изотопов делящихся на тепловых нейтронах.

Табл.1

Свойства делящихся ядер на тепловых нейтронах

(V = 2200 м/с).

Самостоятельно: определить наиболее подходящий изотоп для проведения цепной реакции

Изотоп U²³⁵ испытывает деление как на медленных (тепловых), так и на быстрых нейтронах с энергией более 1,1 Мэв.

В ядерной физике используется энергетическая единица электрон-вольт (эВ).

1 эВ равен энергии, приобретенной частицей с зарядом е , при прохождении разницы потенциалов в 1 вольт.

1 эВ = 1,6 · 10^-19 Дж.

1 МэВ = 10⁶ эВ = 1,6 · 10^-13 Дж.

200 МэВ = 200 х 1,6 · 10^-13 = 3, 2 ∙ 10 ^-11 Дж

Нейтроны, образующиеся в процессе деления.

В процессе деления образуются две группы нейтронов – мгновенные и запаздывающие.

- мгновенные составляют около 99% от их общего количества и вылетают в течение очень короткого промежутка времени (10^-14 сек);

- запаздывающие испускаются уже осколками деления через достаточно большие промежутки времени (в среднем около долей секунд до 55 сек) этот 1% запаздывающих нейтронов позволяет четко контролировать цепную реакцию в ядерных реакторах и вести управление эксплуатацией объекта в целом.

Средняя энергия нейтронов, испускаемых при делении ядер урана и плутония, имеет следующие значения:

U²³⁵ Е= 1,08 + 0,03 МэВ

U²³⁸   Е= 1,08 + 0,03 МэВ

Pu²³⁹ Е= 2,06 + 0,03 МэВ

Pu²⁴¹ Е= 2,00 + 0,03 МэВ

Энергия деления лежит в широком диапазоне от 1 – 10 Мэв (быстрое) до 0,025 (тепловое). Соответственно их скорости изменяются от 2 · 10⁷ до 2200 м/сек. При захвате медленных нейтронов U²³⁸ по реакции 3.1 переходит в Pu²³⁹, который по своим ядерным свойствам близок к U²³⁵ и может делиться как на медленных, так и на быстрых нейтронах.

Вследствие достаточно высоких значений радиационного захвата для делящихся изотопов, например, U²³⁵ c обогащением 2 – 5 % масс. в ядерном реакторе на 100 тепловых нейтронов, взаимодействующих с ядром U²³⁵, только 85 вызывают акт деления. Остальные 15 претерпевают радиационный захват, что приводит к образованию U²³⁶, являющимся вредным поглотителем нейтронов.

U²³⁵       U²³⁶       U²³⁷              Np²³⁷

   σ_c – 10⁷           σ_c – 5,2          6,7 дня    (не делится)     

Радиационный захват нейтронов Pu²³⁹ протекает по следующей ядерной реакции:

₉₄Pu²³⁹ Pu²⁴⁰ Pu²⁴¹  Pu²⁴² Pu²⁴³ ₉₅Am²⁴³ (3.4)

σ_c – 315 σ_c – 289 σ_c – 368  σ_c - 4,98 час. (не делится)

Что же касается дробной величины выхода нейтронов на один акт деления – это не парадокс, а всего лишь усредненная величина на очень большое число актов деления. Иными словами, не все нейтроны ведут к акту деления радиационным захватом.

Итак, поглощение U²³⁸ нейтронов приводит к синтезу ядер Pu²³⁹, что в свою очередь увеличивает количество ядерного топлива в активной зоне ядерного реактора. Таким образом, по мере появления Pu²³⁹ уже значительная часть делений приходится на его долю с выделением энергии до 40% от общего числа делений U²³⁵.

Из ядерной реакции  видно, что часть делений идет на образование Pu²⁴⁰ , который в свою очередь приводит к синтезу делящегося изотопа Pu²⁴¹.

Pu²⁴² - вредный поглотитель нейтронов (не делится).

Сечение взаимодействия нейтрона с ядром является важной характеристикой всех материалов применяющихся в конструкциях ядерных реакторов.

Таблица.2.

Сечения взаимодействия для некоторых элементов.

Из приведённых табличных данных можно сделать вывод, что наиболее подходящими конструкционными материалами для активной зоны ядерного реактора могут служить циркониевые и алюминиевые сплавы. Железные (и стальные) конструкции могут применяться в качестве конструкционных зон корпуса ядерного реактора, а бор, кадмий и гадолиний - элементы поглощающие нейтроны (для изготовления стержней-поглотителей)

3. Уран как ядерное топливо используется в ядерных реакторах в виде таблеток размером в несколько сантиметров, где оно обычно располагается в герметично закрытых ТеплоВыделяющих ЭЛементах (ТВЭЛах), которые в свою очередь для удобства использования объединяются по нескольку сотен в ТеплоВыделяющие Сборки (ТВС).

Металлический уран сравнительно редко используют как ядерное топливо. Его максимальная температура ограничена 660 °C. При этой температуре происходит фазовый переход, в котором изменяется кристаллическая структура урана. Фазовый переход сопровождается увеличением объёма урана, что может привести к разрушению оболочки ТВЭЛов. При длительном облучении в температурном интервале 200—500 °C уран подвержен радиационному росту. Это явление заключается в том, что облучённый урановый стержень удлиняется. Экспериментально наблюдалось увеличение длины уранового стержня в два — три раза.

Использование металлического урана, особенно при температуре больше 500 °C, затруднено из-за его распухания. После деления ядра образуются два осколка деления, суммарный объём которых больше объёма атома урана (плутония). Часть атомов — осколков деления являются атомами газов (криптона, ксенона и др.).