Радиационная безопасность. От теории к практике

F->

O+

H.

Избыточная энергия выделяется в виде кинетической энергии ядер

O и 

H, разлетающихся с большой скоростью. Обыно ядерные реакции записывают (опуская промежуточную запись) следующим образом:

N+

He->

O+

H.

В ядерных процессах, происходящих в реакторах, главное значение имеют ядерные реакции, вызываемые нейтронами. Ниже кратко рассматриваются особенности и физическая сущность этих реакций.

Элементарные частицы-нейтроны, не обладая электрическим зарядом, не взаимодействуют с электронами атомов и не подвержены влиянию кулоновских сил ядер. Поэтому нейтроны обладают огромной проникающей способностью. Ядерные реакции, вызываемые нейтронами, происходят с образованием промежуточного ядра, называемого также составным ядром. Ядро, образующееся в результате ядерной реакции, называется ядром отдачи.

Промежуточное ядро обладает энергией возбуждения, т. е. избытком энергии по сравнению с энергией такого же ядра, находящегося в основном состоянии. Этот избыток энергии, приобретаемый ядром при столкновении с нейтроном (энергия возбуждения промежуточного ядра), равен сумме кинетической энергии нейтрона и его энергии связи в составном ядре.

Основными видами ядерных реакций, вызываемых нейтронами, происходящих в ядерных реакторах, являются: упругое рассеяние, неупругое рассеяние, радиационный захват, превращение и деление.

Рассеянием нейтронов атомными ядрами называют процесс, в результате которого происходит только передача кинетической энергии налетевшего нейтрона нуклонам ядра-мишени. Рассеяние может быть упругим и неупругим.

Реакция упругого рассеяния нейтрона ядром аналогична столкновению двух идеально упругих шаров (рис. 1.6).

При этом виде рассеяния нейтрона кинетическая энергия системы «нейтрон плюс ядро-мишень» остается неизменной: не происходит ни поглощения, ни выделения энергии, происходит лишь отдача кинетической энергии нейтрона ядру-мишени без изменения внутреннего состояния ядра. Доля теряемой нейтроном энергии и изменение направления его движения зависят от соотношения кинетических энергий нейтрона и ядра-мишени: если энергия нейтрона больше энергии ядра, то рассеянный нейтрон замедляется, а ядро ускоряется, и наоборот.

Рис. 1.6. Упругое рассеяние нейтронов (схема): а – при соударении под углом; б – при лобовом соударении

Если, например, нейтрон ударяет в ядро легкого водорода (протон), то ввиду малого различия их масс при лобовом ударе вся энергия нейтрона будет передана протону, а нейтрон потеряет свою скорость. При боковых ударах (общие случаи) нейтрон передает протону лишь часть своей энергии.

В среднем потеря энергии нейтрона при одном столкновении с ядром водорода составляет примерно

/

 первоначальной. Чем тяжелее бомбардируемое ядро, тем меньше потеря энергии при одном соударении. Так, при соударении нейтрона с ядром углерода, который в 12 раз тяжелее нейтрона, среднее значение потери энергии нейтрона равно около 0,15 первоначальной величины. Реакция упругого рассеяния нейтрона на углероде записывается, например, так:

C (n, n)

C.

Реакция упругого рассеяния имеет большое практическое значение в процессах замедления нейтронов в ядерных реакторах. Ряд последовательных упругих соударений нейтронов с ядрами атомов вещества-замедлителя приводит к снижению энергии нейтронов до значений, примерно равных кинетической энергии атомов замедлителя. Такие нейтроны называют тепловыми.

Нейтроны с энергией до 1000 эВ (0,001 МэВ) называются медленными, нейтроны с энергией около 0,025 эВ называются тепловыми, с энергией 0,001…0,5 МэВ – промежуточными, с энергией 0,5 МэВ и выше – быстрыми.

Тепловые нейтроны – нейтроны энергий, соответствующих энергии теплового движения атомов.

Нейтрон с энергией около 1 МэВ может вызывать возбуждение ядер тяжелых элементов; в этом случае он может потерять большую часть своей первоначальной энергии. При этом ядро атома, захватывая нейтрон и приобретая избыток энергии, возбуждается, а затем испускает нейтрон с меньшей кинетической энергией, все еще оставаясь в возбужденном состоянии; оставшийся избыток энергии возбужденного ядра испускается в виде излучения, после чего ядро возвращается в свое основное энергетическое состояние. При этом энергия системы «нейтрон плюс ядро-мишень» уменьшается на величину энергии излучения.

Рассматриваемая реакция вызывается быстрыми нейтронами и преимущественно при взаимодействии с ядрами тяжелых элементов. Например, при соударении быстрого нейтрона с ядром урана потеря энергии нейтроном составляет 0,1…0,2 первоначальной энергии, в то время как при упругом соударении этих частиц средняя потеря энергии нейтрона ввиду большого отношения масс составляет около 0,01 первоначальной энергии. Реакция идет параллельно, например, с упругим рассеянием при взаимодействии нейтрона с протоном. Часть соударений приводит к захвату нейтрона протоном с образованием ядра тяжелого водорода-дейтрона; масса этого ядра меньше, чем сумма масс протона и нейтрона на 0,00234 а.е.м. (дефект массы), что соответствует энергии 2,2 МэВ, которую выделяет ядро.

Ядерные реакции с захватом нейтрона ведут к образованию различных изотопов; они имеют большое практическое значение, в частности, при производстве радиоактивных изотопов. Если энергия нейтрона достаточно велика, то реакция захвата может происходить с испусканием ядром протона. Образовавшееся в результате ядро отдачи отлично от ядра-мишени, т.е. происходит превращение одного элемента в другой.

Примером такого превращения является образование азота

N в результате взаимодействия кислорода

O с нейтронами, имеющими энергию выше 10 МэВ. Эта реакция записывается так:

O (n, р)

N.

Рис. 1.7. Схема реакции синтеза ядер дейтерия и трития с образованием ядра гелия и вылетом нейтрона

К числу ядерных реакций превращения относятся реакции синтеза двух легких ядер в одно ядро более тяжелое и более устойчивое (термоядерные реакции). Так, при столкновении двух легких ядер дейтерия

H и трития

H образуется промежуточное ядро

He, которое испускает нейтрон и переходит в ядро отдачи

He. Эта реакция записывается так:

H (d, n)

He, где d – ядро дейтерия.

Дефект массы реакции будет равен 0,1894 а.е.м. и ей соответствует энергия связи 17,6 МэВ. Следовательно, эта реакция происходит с выделением энергии, которая в данном случае выделяется в виде кинетической энергии нейтрона и атома гелия.

Примером реакции превращения, но с поглощением энергии, может служить реакция

Li (р, n)

Be, при которой ядро лития бомбардируется протоном; образующееся промежуточное ядро испускает нейтрон и получается ядро отдачи с тем же массовым числом, но с зарядом на единицу больше. Дефект массы реакции составляет 0,00175 а.е.м., а энергия равна (—1,63) МэВ.

Знак минус означает, что реакция происходит с поглощением энергии. Если ударяющий протон имеет энергию, равную или больше 1,63 МэВ, то реакция происходит за счет поглощения кинетической энергии протона, если же она менее этой величины, то реакция произойти не может.

1.2.2. Ядерные реакции деления

Ядерная реакция деления заключается в том, что возбужденное промежуточное ядро, образующееся при захвате бомбардирующей частицы, делится на две части (осколка), сравнимые по величине. Деление может быть осуществлено под действием частиц большой энергии: нейтронов, протонов, дейтронов. При реализации реакции деления взрывного типа наиболее важное значение имеет деление под действием нейтронов. При делении тяжелого ядра образуются изотопы, расположенные в средней части периодической системы Менделеева, где ядра имеют большую, чем у тяжелых ядер, энергию связи на нуклон. Поэтому реакция деления сопровождается освобождением большого количества энергии.