Радиационная безопасность. От теории к практике

Так как у образующихся осколков ядер отношение числа нейтронов к числу протонов меньше, чем у тяжелых ядер делящихся материалов, при делении ядер в осколках возникает избыток нейтронов; часть из них превращается в протоны, а небольшая их часть (два-три на один акт деления) остается в виде свободных нейтронов. Это является важнейшим фактором получения самоподдерживающейся реакции деления ядер.

Возникновение при реакции деления двух-трех свободных нейтронов и их электрическая нейтральность, позволяющая им проникать в бомбардируемые ядра без затраты большого количества энергии, обусловливают самоподдерживающийся процесс деления с непрерывным выделением энергии. Такой процесс деления ядер нуклидов, при котором число нейтронов, образующихся в процессе деления ядер за какой-либо интервал времени, равно или больше числа нейтронов, убывающих из системы вследствие утечки и поглощения за тот же интервал времени, получил название самоподдерживающейся цепной реакции деления (СЦР).

В настоящее время известны четыре изотопа, делящиеся под действием как быстрых, так промежуточных и медленных нейтронов. Это

U,

U,

Pu и 

Pu. Именно эти изотопы и ядерные материалы их содержащие относят к категории делящихся веществ. Изотопы

U и 

Pu в природе не существуют, их искусственно получают из изотопов

Th и 

Pu (соответственно). Под действием тепловых нейтронов

Th и 

Uне делятся, но, захватывая нейтроны, после определенных превращений образуют делящиеся изотопы

U и 

Pu.

Непрерывное самопроизвольное (спонтанное) деление происходит лишь у ядер, для которых отношение Z / А> 44,5. Это отношение называется параметром деления. Для урана и плутония его значения равны 36—37. Поэтому для осуществления деления их ядер необходима дополнительная энергия, которая может быть сообщена им в виде энергии возбуждения попадающих в ядра нейтронов.

Энергия, которую необходимо сообщить ядру для деления, называется пороговой энергией или энергией активации (Е

). Для промежуточных ядер

U,

U, и 

Pu она соответственно равна 6, 8; 7,1 и 5,1 МэВ.

Энергия, которую придает ядру бомбардирующая его частица, называется энергией возбуждения (Е

) ядра.

По капельной теории промежуточных ядер (Н. Бор и Я. И. Френкель), деление атомных ядер по аналогии с делением капель жидкости осуществляется в две стадии и протекает следующим образом.

Ядро, захватившее нейтрон, образует возбужденное промежуточное ядро. Такое ядро обладает энергией, равной сумме его энергии связи, кинетической энергии попавшего нейтрона и энергии частицы, высвобождающейся при образовании промежуточного ядра. Энергия же возбуждения ядра будет равна сумме энергии связи попавшего нейтрона и его кинетической энергии. Эта энергия распределяется между нуклонами ядра, при этом происходит как бы его нагревание (возбуждение). На этом заканчивается первая стадия реакции деления ядра.

Промежуточное ядро существует чрезвычайно малое время (примерно 10

 с) и претерпевает последующие превращения, составляющие вторую стадию реакции.

Вследствие возбуждения ядро под действием внутриядерных сил переходит в состояние, подобное состоянию колеблющейся капли жидкости.

В момент разрыва капли-ядра отделяется несколько частиц (нейтронов). На рис. 1.8 приведена схема деления атомного ядра урана-235 под действием нейтрона.

Если энергия возбуждения ядра недостаточна, чтобы довести ядро до состояния перетянутой в центре капли, то ядерные силы возвратят ядро к первоначальной сферической форме, а избыток энергии будет выделен излучением нейтрона или кванта.

Если же возбуждение ядра достаточно велико, электростатические силы отталкивания между двумя полуядрами преодолеют ядерные силы притяжения и ядро разделится на два осколка (см. рис. 1.8.), которые разлетятся с огромной скоростью.

Рис. 1.8. Схема реакции деления ядра урана-235 под действием нейтрона

От избыточных нейтронов осколки освобождаются путем последовательных распадов. Нейтроны, испускаемые осколками ядра при делении делятся на две группы: мгновенные и запаздывающие.

Мгновенные нейтроны (два или три) испускаются осколками немедленно после деления (в промежуток времени около 10

 сек). Их энергия достигает 10 МэВ и более, однако большинство мгновенных нейтронов деления обладают энергией 1…2,5 МэВ. Мгновенные нейтроны составляют более 99% от общего числа нейтронов, испускаемых при делении. Остальная небольшая часть (менее 1%) нейтронов, запаздывающих, испускается в продолжение нескольких секунд после акта деления. Их энергия в среднем составляет около 0,5 МэВ.

От остальных (девяти-десяти) избыточных нейтронов осколки деления освобождаются путем последовательных трех-четырех распадов. Каждое осколочное ядро имеет свою цепочку распада.

Радиоактивный распад осколков деления приводит к появлению в делящемся материале большого количества (до 200) новых изотопов, также обладающих большой радиоактивностью. Поэтому операции с отработавшим ядерным топливом являются опасными и выполняются при помощи специальных защитных устройств.

Важнейшим результатом реакций деления ядер является выделение энергии. Исследования показывают, что при делении

U, чаще всего образуются осколки с массовыми числами 95 и 139. Масса атома

U равна 235,124 а.е.м., масса нейтрона 1,0089 а.е.м., массы устойчивых изотопов, соответствующих массовым числам 95 и 139 равны соответственно 94,945 и 138,955 а.е. м. Следовательно, дефект массы на один акт деления

U на два осколка составит 0,215 а.е.м.

Энергия, освобождающаяся при одном акте такого деления, будет равна 0,215х931=200 МэВ. Величина энергии деления ядра

U распределяется по составляющим в соответствии с табл. 1.3.

Таблица 1.3

Распределение энергии реакции деления ядер

U

Исключив энергию нейтрино, равную около 11 МэВ, как безрезультатно покидающую зону реакции и прибавив около 4 МэВ энергии, выделяющейся за счет вторичных эффектов, связанных с радиоактивными превращениями, количество выделяющейся энергии на один акт деления ядра

U можно считать равным 195±5 МэВ.

Полное деление 1 кг

U дает в сутки тепловую мощность, равную 925 МВт, или полное деление 1,08 г дает 1 МВт в сутки.