Квантовая физика. Водный курс - Гольдин Л.Л.
Скачать (прямая ссылка):
ся после вылета нейтронов энергия возбуждения осколков уносится 7-
квантами (т7 ~ 10-9 с; ^2Е1 " 7 Мэв).
Ядра-осколки, образовавшиеся при делении ядер 926U*, имеют то же, что и у
этих ядер отношение (А - Z)/Z " 1,5. Но у стабильных изотопов с А\ ~ 90 и
А2 ~ 143 отношение числа нейтронов к числу протонов должно быть меньшим:
1,25 и 1,35. Таким образом, ядра-осколки перегружены нейтронами по
сравнению со стабильными изотопами с тем же числом нуклонов, и должны
испытывать -распад. Например, изотоп збКг распадается по схеме:
90izr^ ,90 ри Р 90 с г @ 90 у Р ч 90 уг
збКгЗЗН ~"37 2/7мйн ^38 28лёт ~"39 Y3^S ^40 Zr (СТаб)'
Легко проверить, что у 9g Кг (А - Z)/Z = 1,5, а у стабильного IfjZr оно
равно ~ 1,25. В среднем на каждый из 80 осколков приходится радиоактивная
цепочка из 3 звеньев; периоды полураспада изотопов находятся в широком
диапазоне от долей секунды до многих лет.
В частности, изотоп IgSr является одним из долгоживущих изотопов, надолго
заражающих местность в случае взрыва ядерного заряда или аварии на
атомной электростанции.
Энергия, которую уносят продукты -распада осколков в одном акте деления
составляет ~ 24 МэВ (по ~ 7 МэВ уносят электроны и 7-кванты, и - 10 МэВ
приходится на долю антинейтрино, участвующих в распаде).
К продуктам реакции деления относятся и нейтроны, получившие название
запаздывающих. Их происхождение уже обсуждалось в §75. Различают б групп
запаздывающих нейтронов; интенсивность каждой группы спадает по
экспоненте со своим т* (от 0,33 до 80,6 с). Общая доля запаздывающих
нейтронов по отношению ко всем нейтронам деления невелика, меньше 0,01,
их суммарная энергия меньше 1 МэВ. Тем не менее, как мы увидим далее,
запаздывающие нейтроны играют огромную роль в процессах управления
ядерными реакторами.
Цепная реакция деления. Размножающая среда и ее основные характеристики.
В реакции деления тяжелых ядер выделяется большая энергия. Практическое
использование этой энергии возможно лишь
§79. Цепная реакция деления. Проблемы ядерной энергетики 413
в том случае, если начавшийся процесс деления будет самоподдержива-
ющимся, или цепным. Это оказывается возможным, т.к. среди продуктов
реакции есть нейтроны - частицы, способные вызвать деление других ядер.
Как уже отмечалось, среднее число нейтронов деления на один акт деления
заметно больше единицы (и " 2,5), и реакция деления может оказаться не
только самоподдерживающейся, но и быстро развивающейся. Эти особенности
реакции деления используются как в ядерных зарядах, так и в атомных
электростанциях. Среда, в которой развивается или может развиваться
цепная реакция деления (ц.р.д.), называется размножающей средой. Любая
размножающая среда содержит делящиеся изотопы, но кроме них может
содержать и другие вещества, например, вещества, замедляющие нейтроны,
или регулирующие скорость ц.р.д. и др.
Рассмотрим ц.р.д. в очень малом объеме размножающей среды, содержащей
только делящиеся ядра (рис. 171). Пусть в среду извне попадает один
нейтрон. Если этот нейтрон вызовет реакцию деления одного из ядер, то в
среде появится v нейтронов 1-го поколения. Эти нейтроны (в
рассматриваемом случае - два) сталкиваются с др. ядрами среды и могут
вызвать как реакцию деления с появлением нейтронов
2-го поколения, так и реакцию, в результате которой нейтрон погибает
(например, реакцию (тг/у)). К уменьшению числа нейтронов приводит и их
выход за пределы размножающей среды. Если число нейтронов и число
делящихся ядер от поколения к поколению все же увеличивается (происходит
"размножение" нейтронов), то цепная реакция деления развивается.
3-е поколение
2-е поколение
1-е поколение
Рис. 171. Схема развития ц.р.д.
414
Глава 15
Основной характеристикой размножающей среды является коэффициент
размножения к:
где Ni - число нейтронов в некотором поколении, i - число нейтронов в
предыдущем поколении. Очевидно, что при к > 1 ц.р.д. развивается, при к =
1 протекает в стационарном режиме, а при к < 1 затухает.
Выясним связь между к и и. Очевидно, что к < и, т. к. в размножающей
среде кроме реакции деления идут реакции захвата нейтронов без
последующего деления, и, кроме того, возможен вылет нейтронов за пределы
размножающей среды. Чтобы исключить последнюю причину, рассмотрим сначала
бесконечную размножающую среду и введем для нее коэффициент размножения
коо; тогда к = эе&оо, где эе - безразмерный коэффициент, характеризующий
вероятность для нейтронов остаться в пределах размножающей среды. В любой
реальной среде ае < 1; с ростом размеров среды ае -> 1. Но и в
бесконечной размножающей среде кое < v.
Введем "эффективное" число нейтронов rj - среднее число нейтронов деления
на один захваченный нейтрон. В размножающей среде, содержащей делящиеся
ядра одного и того же сорта,
где (jf - сечение деления, а сечение поглощения а = crt - сгпп.
В бесконечной размножающей среде, содержащей только делящиеся ядра, коо =
rj.
Рассчитаем г] для |i5U по табличным значениям физических величин,
