1. Прямые реакции. Из них наиболее интересно для нас потенциальное упругое рассеяние. Его сечение зависит только от т.н. фазы орбитального момента налетающего нейтрона _l (она зависит от волнового числа К и радиуса ядра R и равна ₁=KR, ₂ =KR-arctan (KR) и т.д.). Само сечение _p²_lsin² (_l) . Главным свойством потенциального упругого рассеяния является его практически постоянное значение на интервале энергий от 0 до 10⁴ эВ (крайне ценное для замедлителей). Практически _pR² .

2. Реакции через компаунд –ядро.

Необходимым условием образования составного ядра является выполнение правил отбора по спину и четности для систем нейтрон +ядро. Кроме того, вероятность образования компаунд- ядра выражается через «факторы проницаемости» вследствие чего и появляется обычно характерная резонансная зависимость от энергии. Основные реакции.

1. Упругое резонансное рассеяние (elasticscattering). Исходные нейтрон-ядро и конечные нейтрон ядро имеют равные суммы энергии (т.е. сохраняется кинетическая энергия системы и она не переводится в другие формы –гамма-кванты и пр).

Рис. ЯФ.2б Схематическое представление реакции рассеяния

2. Неупругое рассеяние (inelasticscattering). Кинетическая энергия не сохраняется, часть энергии переходит в энергию гамма-квантов. Имеет четко выраженные пороги (например уран-238 имеет пороги 44 кэВ, 144 кэВ, 300 кэВ и т.д. ). Именно на величину энергии гамма-кванта снижается суммарная кинетическая энергия системы ядро+нейтрон.

3. Радиационный захват. (Radiationcapture). Ядро захватывает нейтрон, энергия возбуждения высвечивается через каскад 1-5 гамма-квантов, иногда с задержкой и сохранением метастабильного ядра.

Рис. ЯФ.2в Схематическое представление реакции радиационного захвата

4. Делениевызванное нейтронами обычно идет в тяжелых ядрах (А более 200). Нам интересно деление инициированное нейтронами, но возможно и спонтанное деление.

Рис. ЯФ.2г Схематическое представление реакции радиационногоднлнния

Для четно- четных ядер (вплоть до ²⁴²Pu²⁴²Am )характерно пороговое деление, обычно порог начинается при энергии 1.0Мэв, эффективный порог (половина высоты) околоЕ=1.4.Мэв.Ряд четно-четных ядер -³⁰Th, ³²Th, ³²U, ³²U, ³⁶U, ³⁸U, ⁴⁰Pu, ⁴²Pu, ⁴²Am, ⁴²Cm, и далее до 252. Все ядра этого ряда –близкие родственники по свойством сечений, схемам неупругих уровней и т.п., с реакторной точки зрения мы относим их к т.н. «сырьевым» изотопам.

Для нечетных (и нечетно-нечетных) ядер характерно беспороговоеделение, т.е. ядроделится нейтронами любых энергий, начиная с тепловых. Ряд четно-нечетных ядер - ³³U, ³⁵U, ³⁷Np, ³⁹Pu, ⁴¹Pu,⁴³Am, ⁴³Cm. Свойства ядер в ряду относительно близки, но имеются существенные различия.

При делении образуется множество продуктов. Их характеристики даны ниже.

Таблица ЯВ 1а –Продукты деления и их энергия

Вид энергии	Мэв	Время
Кинетическая энергия осколков	166.2	Мгновенно
Энергия  квантов деления	8.0	Мгновенно
Кинетическая энергия нейтронов деления Количество вторичных нейтронов т =2.4 (5U) -2.9 (39Pu)	4.8	(1-)-Мгновенных -запаздывающих
 лучи осколков	7.0	Запаздывающие
Энергия  квантов осколков	7.2	Запаздывающие
Антинейтрино	9.6	Запаздывающие
ИТОГО	205-215

Кривая выхода осколков деления по массе имеет два пика при А= 90 и 140. Отметим, что наиболее широко распространенные в радиоактивных следах аварии ЧАЭС ядра приходятся как раз на эти максимумы ( ⁹⁰Sr, ¹²⁹I -¹³⁵I, ¹³⁷Cs ).

Возможность самоподдерживающейся цепной реакции(СЦР) деления определяется тем, что число вторичных нейтронов на одно деление существенно больше 1 (притом возрастает с ростом энергии нейтронов примерно на 0.2 нейтрона на 1 МэВ энергии первичного нейтрона).

Таблица ЯФ 1б -Среднее число вторичных нейтронов, образующихся при делении ядер тепловыми и быстрыми нейтронами

Исходное ядро	Значения νfпри различной энергии первичных нейтронов
	Тепловые нейтроны	Быстрые нейтроны
233U	2.480	2.734
235U	2.407	2.677
238U	-	2.788
239Pu	2.874	3.188
240Pu	-	3.163
241Pu	2.931	3.228

Кроме мгновенных нейтронов деления имеются запаздывающие нейтроны, которые высвечиваются осколками. Только присутствие запаздывающих нейтронов деления (их доля называется  и равна 0.2% в ³⁹Pu и 0.64% в ⁵U) позволяет управлять цепной реакцией.

5. Другие реакции : (n,2n); (n,3n); (n,α), (n,р), (n,d) и т.п. Реакция (n,2n) может играть существенную роль при размножении нейтронов в реакторе или т.н. «бустере» нейтронной бомбы Li(n,2n).

6. Понятие реакции «поглощение нейтронов» (исчезновение)absorptionвключает в себя деление и радиационный захват σ_a =σ_c+ σ_f.

7. Полное сечение “total” составляет сумму всех вышеперечисленных реакций взаимодействия нейтрона с данным ядромσ_t=Σ_iσ_i.

ЯФ3. Радиоактивный распад .

Изотопный состав ядерного топлива, находящегося в реакторе и отработавшего ядерного топлива(ОЯТ), находящегося в бассейне выдержки(БВ) и хранилищах (ХОЯТ) определяется вышеописанными процессами ядерных реакций и процессами радиоактивности в топливе.

3.1. Естественная Радиоактивность– это распад ядра по причине его внутренней неустойчивости. Закон распадаdN(t)= -N*dt или N(t)=N₀ *exp(-t),-постоянная распада.

Альфа-распад.

Альфа-распад идет только для тяжелых ядер (Z82), он является главным признаком их присутствия в топливе или в пробах радиоактивной загрязненности (для нас это изотопы U,Pu ). Масса ядра изменяется на -4 единицы, заряд на –2 единицы. Альфа-распад конкурирует с  распадом и спонтанным делением, поэтому Распаду способствует избыток протонов в ядре. Альфа-распад часто сопровождается сопутствующим -излучением.

Радиоактивные семейства.

Радиоактивные семейства –это результат цепочек радиоактивных распадов естественных или искусственно произведенных изотопов. Различают четыре основных семейства - Тория, Нептуния, Урана, Актино- урана.

²³⁶U²³²Th²²⁸Ra²²⁴Ac²²⁰Rn²¹⁶Po²¹²PbBi²⁰⁸Pb>>(семейство 4n)

²³⁷Np²³³PaUThRaAcFrAtBiPo²⁰⁹Bi >>(семейство4n+1)

²³⁸UThPaUTHRaRnPoPbBiPa²⁰⁶Pb >>(семейство4n+2)

²³⁵UThPaAcThRaRnPoPbTlPo²⁰⁷Pb>> (семейство4n+3)

Отметим, что в случае образования в реакторе любого из ядер этих цепочек искусственным путем, его дальнейший распад будет происходить по схемам и законам соответствующего семейства.

Бета-распад.

Бета-распад идет в средних и тяжелых ядрах. Масса ядра прибета- распаде не изменяется, заряд меняется на +1 единицу. Бета-распад конкурирует с - распадом и спонтанным делением. Распаду способствует избыток нейтронов в ядре. Бета-распад часто сопровождается сопутствующим -излучением.

Гамма-распад.

Гамма-распад идет на всех ядрах, через него снимается как начальная, так и остаточная энергия возбуждения. Гамма –частицы или гамма –лучи (кванты) имеют высокую проникающую способность. Гамма- лучи очень опасны при любом –внутреннем и внешнем облучении.

Нейтронный распад.

Нейтронный распад идет в ядрах с очень высокой энергией возбуждения (энергия отделения нейтрона составляет около 8 МэВ). Спектр испускаемых нейтронов – испарительный ехр(-Е/кТ). Нейтроны имеют высокую проникающую способность. Нейтроны очень опасны при любом облучении.

ЯФ4. Цепочки формирования и распада изотопов в топливе

В итоге всех указанных реакций в свежем топливе, которое обычно состоит из урана-235 и урана-238, образуется практически вся таблица Менделеева. Цепочки образования и распада изотопов тяжелых элементов показаны на рис. ЯФ 3а-б.

Рис. ЯФ.3а Цепочки образования и распада изотопов тяжелых элементов

Рис. ЯФ.3б Цепочки образования и распада изотопов тяжелых элементов

Изотопный состав топлива, который образуется в результате выхода осколков, реакций радиационного захвата и альфа-распадов, приведен на рис. ЯФ.4

Рис. ЯФ.4 Изотопный состав топлива,