2. Механизм деления ядер

Свойства тяжелых ядер во многом аналогичны свойствам капли жидкости. Ядерные силы стремятся придать ядру сферическую форму. Аналогом ядерных сил являются молекулярные силы в жидкости, которые тоже являются короткодействующими.

Разрыв капли жидкости претерпевает несколько фаз. (Рис. 3.2.1.)

Разрыв капли жидкости

Рис. 3.2.1.

Аналогичное можно представлять себе и деление ядра. Деление происходит в результате поглощения нейтрона и приобретении энергии возбуждения.

E_возб = E + E_связи

Некоторое значение Е_возб окажется достаточным (Е_возб > Е_кр), кулоновские силы расталкивания становятся преобладающими, и тогда разрыв ядра неизбежен.

Изобразим на графике 3.2.2. потенциальную энергию взаимодействия осколков деления как функцию расстояния между ними.

Потенциальная энергия взаимодействия осколков деления

Рис. 3.2.2.

Точка А соответствует основному состоянию ядра. Чтобы произошел распад ядра, необходимо ядру возбудится до энергии Е_возб = Е_кр Точка С отвечает фазе С разрыва. И если произошел распад, то на участке, лежащем справа от точки С, происходит разгон осколков до энергии Е_кин Приобретаемая осколками кинетическая энергия и является основной энергией, используемой в ядерных реакциях.

Если реактор ещё ни разу не работал, необходимо иметь первоначально некоторое количество нейтронов, эти нейтроны берутся за счёт собственного самопроизвольного распада. Значит, запуск реактора можно производить и без нейтронного источника. U²³⁹ и другие промежуточные ядра имеют критическую энергию деления ~ 6,5 МэВ, а энергия связи 6,8 МэВ, таким образом Е_св. > Е_кр. Следовательно, любой нейтрон (с любой энергией) вызовет распад ядра. Для U²³⁹ Е_кр ~ 7 МэВ, Е_св ~ 5,6 МэВ. Здесь нейтрон должен иметь кинетическую энергию порядка энергии порога ~ 1,4 МэВ (=7 – 5,5), чтобы вызвать деление.

3. 3333Продукты деления

При делении образуются осколки произвольной массы. Вероятность w образования осколка с массовым числом А называется выходом данного изотопа (рис. 3.3.1.). Очевидно, что вероятность выхода изотопов (для U²³⁶, например) 236-А и А одинакова.

Вероятность w образования осколка с массовым числом А

рис 3.3.1.

Видно, что вероятность симметричного деления мала.

4. Баланс освобождающейся энергии

Причина выделения энергии при делении - большая энергия связи на 1 кулон для более легких ядер. Полная энергия, выделяющаяся в одном акте распада урана около 204Мэв, в том числе:

• кинетическая энергия осколков – 167Мэв

• энергия мгновенных квантов – 6 МэВ

• энергия нейтронов – 5Мэв

• энергия распадов продуктов деления – 14Мэв

• энергия нейтрино – 12Мэв

Энергия осколков выделяется в непосредственной близости от места распада (~10^-3). Выделение энергии радиоактивных продуктов распада происходит через большой промежуток времени. Таким образом, наиболее удобно использовать энергию осколков.

ЗАДАЧА: Сколько граммов U²³⁵ сгорает за сутки в реакторе, работающем на мощности 100Мвт.

3. Условия поддержания стационарного течения реакции деления ядер

   1. Цепная реакция деления

В каждой реакции деления U²³⁵ рождается 2 и более нейтронов. Необходимым условием цепной реакции является то, чтобы рождалось больше частиц, чем поглощалось инициаторов реакции (нейтронов). Нейтроны могут поглощаться без деления или покидать активную зону. Необходимо, чтобы на 1 нейтрон предыдущего поколения приходилось не менее 1 нейтрона последующего поколения. Эффективным коэффициентом размножения называется отношение числа нейтронов некоторого поколения к соответствующему числу нейтронов предыдущего поколения.

Условие стационарной самоподдерживающейся реакции: К_эфф=1.

Чтобы вывести реактор на заданную мощность, необходимо К_эфф>1, т. е. реакция при таких условиях разрастается.

Пусть в момент времени t плотность нейтронов n, в следующем поколении - на n(К_эфф -1) больше. Скорость изменения плотности, если l-среднее время жизни нейтронного поколения, равна

,

отсюда

,

где

К_изб=К_эф – 1.

Если К_изб = 0,005, а l = 0,1 сек, то поток нейтронов в реакторе изменится в е раз за 20 сек.

Эффективный коэффициент размножения равен также отношению среднего числа нейтронов, генерируемых в реакторе в единицу времени, к среднему числу поглощаемых и вылетающих из реактора нейтронов в единицу времени.

Это определение идентично предыдущему. При K_эф = 1 генерация равна исчезновению нейтронов в единицу времени.