Справочник по физике для инженеров и студентов - Яворский Б.М.
ISBN 5-488-00330-4
Скачать (прямая ссылка):
Энергия реакции деления тяжелых ядер освобождается главным образом в виде кинетической энергии ос-
235
колков (около 89% при делении ядер 52U тепловыми нейтронами), а также в виде энергии нейтронов деления, у-квантов и частиц-продуктов Р“-распада).
12°. Особым видом ядерных реакций являются экзотермические реакции синтеза легких ядер, эффективно протекающие при сверхвысоких температурах (порядка IO7—IO9 К) самопродолжающиеся за счет значительного выделения в них энергии. Такие реакции назвают термоядерными. Высокие температуры в них необходимы для того, чтобы кинетическая энергия теплового движения ядер, оказалась достаточной для преодоления кулоновского потенциального барьера ядер и последую-
VII.3.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
905
щего возбуждения реакции синтеза. Термоядерные реакции начинаются при энергиях теплового движения ядер, несколько меньших высоты потенциального барьера (туннельный эффект).
13°. Термоядерные реакции являются, по-видимому, основнеыми источниками энергии звезд. Известны два термоядерных цикла, в Которых энерговыделение происходит за счет превращения ядер водорода в ядра гелия. В одном из вариантов протонно-протонного цикла,
р + р -» d + е+ + Ve,
d+P— 2Не +У,
gHe —* 2р + ^He,
ядро гелия образуется из 4 протонов, и выделяется энергия. В одном из вариантов углеродно-азотного цикла.
1Jlc +P - 7N +Y.
> +P - 15„ , 8° +Y.
> - 13C + е+ + Ve,
Io - > + е+ + Ve,
1Ic +P - > + У,
1^N +P - Ic + *Не,
4
т. е. 4р 2Не + 2е+ + 2ve (vf — электронное нейтрино,
у — гамма-квант), ядро углерода 1^C играет роль «катализатора»; этот цикл также сопровождается выделением энергии.
3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
1°. Зависимость сечения ядерной реакции деления от энергии вызывающих ее нейтронов различна для разных ядер. Для одной группы ядер (например,
906
VII.3. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ
233U, 235U, 239Pu) сечение реакции имеет максимумы для медленных нейтронов (E «0,025 эВ), а также для промежуточных нейтронов (E ~ I—IO3 эВ). Для другой группы ядер (например, 232Th, 238U) эффективное сечение реакции деления является наибольшим для быстрых нейтронов (E ~ IO6 эВ). Это связано с различной энергией связи нейтронов в ядрах с четным или нечетным числом нуклонов в ядре. В случае за-235тт
хвата нейтрона ядром 92U , захваченный нейтрон является четным, и его энергия связи больше, чем энер-
238тт
гия связи нейтрона, захваченного ядром 92U и
являющегося нечетным.
2°. В каждом акте реакции деления тяжелых ядер из сильно возбужденных ядер испускаются от 2 до 3 мгновенных нейтронов. Нейтроны деления, взаимодействуя с соседними ядрами делящегося вещества, в свою очередь могут вызывать их деление. Такую реакцию деления называют цепной по аналогии с цепными химическими реакциями, продукты которых могут вновь вступать в соединения с исходными веществами. Особенностью подобных реакций является непрерывное восстановление активных центров. В цепной реакции деления роль активных центров играют нейтроны деления.
3°. Характер протекания во времени цепной реакции деления тяжелых ядер под действием нейтронов определяется значением коэффициента размножения нейтронов ft, равного отношению чисел нейтронов, поглощаемых ядрами и вызывающих их деление в данном и предыдущем звеньях цепи. Для осуществления незатухающей цепной реакции деления необходимо, чтобы выполнялось условие: ft > 1.
Скорость нарастания цепной реакции деления равна скорости увеличения числа нейтронов, вызывающих деление ядер:
где T — среднее время жизни одного поколения нейтронов.
Vll 3.3. ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
907
При k > I > О, и реакцию называют саморазго-
няющейся {развивающейся), а ее режим — надкритическим. При k = I п = const и реакцию называют самопод-держивающейся, а ее режим — критическим. При
k < 1 цепная реакция затухает: — 0.
df
4°. Коэффициент размножения нейтронов всегда меньше среднего числа v нейтронов, высвобождающихся при делении одного ядра рассматриваемого тяжелого изотопа. Это связано, во-первых, с тем, что цепная реакция проходит в пределах ограниченного объема пространства, вызываемого активной зоной. Поэтому часть нейтронов и не участвует в цепной реакции. Во-вторых, есть вероятность радиационного захвата нейтрона ядром, т. е. испускания составным ядром у-кванта без деления самого ядра.
Соответственно важнейшей характеристикой ядерного горючего служит величина
T1 = _____________v,
а(п, f) + o(n, у)
где о(п, /) и о(п, у) — сечения реакций деления ядра и радиационного захвата нейтрона. Наконец, в реальных ядерных установках часть нейтронов деления захватывается неделящимися ядрами (замедлителей, конструкционных материалов, продуктов реакции, примесей). В результате
k = T1Pd - (I),
где P < 1 — вероятность того, что нейтроны деления остаются в пределах активной зоны, ц — вероятность захвата нейтронов неделящимися ядрами. Значение вероятности P зависит от формы и размеров активной зоны, уменьшаясь с уменьшением размеров этой зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых еще возможно осуществление реакции деления, т. е.
