2 Природные и искусственные ядерные материалы

Ядерные материалы - это материалы, содержащие или способные воспроизвести делящиеся (расщепляющиеся) ядерные вещества

Природные – U 238, уран содержащие ядра U235, TH232

Исскуственные – PU 239, U233,

Делящихся веществ, имеющих практическое значение и применение, всего два - это изотоп урана - уран-235 (оружейный уран) и изотоп плутония - плутоний-239 (оружейный плутоний). При этом уран-235 является природным изотопом, а плутоний-239 - искусственным: химического элемента плутония в природе нет (тем более его оружейного изотопа).

Наибольшее применение имеет изотоп урана ²³⁵U, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии . Выделение изотопа U²³⁵ из природного урана — сложная технологическая проблема, (см. разделение изотопов).

Изотоп U²³⁸ способен делиться под влиянием бомбардировки высокоэнергетическими нейтронами, эту его особенность используют для увеличения мощности термоядерного оружия (используются нейтроны, порождённые термоядерной реакцией).

В результате захвата нейтрона с последующим β-распадом ²³⁸U может превращаться в ²³⁹Pu, который затем используется как ядерное топливо.

Уран-233, искусственно получаемый в реакторах из тория (торий-232 захватывает нейтрон и превращается в торий-233, который распадается в протактиний-233 и затем в уран-233), является ядерным топливом для атомных электростанций и производства атомных бомб (критическая масса около 16 кг).

На самом деле торий-природный ядерный материал. в природе он существует в виде ThF4. запасов тория в природе в 3-4 раза больше, чем урана. отсюда вывод: надо научиться использовать эффективно торий как ядерное топливо(цепочка превращения его в уран 233). но есть проблемы:добыча тория стоит дороже добыча урана + уран 233-интенсивный излучатель гамма и альфа излучений.

Уран-233 также является наиболее перспективным топливом для газофазных ядерных ракетных двигателей.

3. Плутоний – 240, его свойства, каналы образования и роль в яо.

²⁴⁰Pu – основной изотоп, загрязняющий оружейный ²³⁹Pu.

Наличие всего 1% производит так много нейтронов, что пушечная схема неработоспособна и для эффективной бомбы требуется имплозия.

В стандартном оружии содержится не > 6,5% ²⁴⁰Pu

Более высокие уровни приводят к предетонации даже при быстрой имплозии. Это балласт, дает слишком много тепла.

²⁴⁰Pu хорошо делится. T_1/2= 6500 лет.

²³⁸U + n → ²³⁹U → ²³⁹Np → ²³⁹Pu + n → ²⁴⁰Pu

Билет 13

1. Упругое рассеяние и его основные закономерности в предельных случаях. Замедление нейтронов.

Нейтрон и ядро взаимодействуют как бильярдные шары – реакция упругого рассеивания, соуд частицы не меняют св-в происходит перераспределение

E_n⁽¹⁾= E_n E_n⁽²⁾= E_n –E’_{n (потерянная при соударении)}

^{до реакции после реакции}

E_A⁽¹⁾= 0 E_A⁽²⁾= E’_n

^ядро

m_n⁽¹⁾= m_n⁽²⁾ c⁽²⁾ M_A ⁽²⁾ = c⁽²⁾ M_A ⁽²⁾

^{внутреннее состояние нейтрона масса покоя ядра мишени}

^{меняться не может внутренняя энергия не измен => упругое рассеяние}

_{шар, который больше}

n тяж, мягкий

Считаем, что t взаимодействия = 0

на какой-то момент взаимодействия 2 шара образуют общую систему

Энергия (внутр) диссипир-ся в тепло. При таком взаимодействии изменяется внутр энергия шара взаимодействия

E_{n =} E_A^(кин) + E_n ’ + E* при En’ < En

Составное (compound) ядро

Сколько времени живет такая составная система (ядерн)? – 10^-17 с

n +A (z,N) A* (z, N+1)^{(нагрет(возбужденное) состояние системы)}

Предположим A>>1 (n мал, ядро большое) =>

Исключается кинематическая составляющая. Ядро мишень останется на листе при соударении.

Что мешает ядерной энергетике? – реакция , которая отъедает нужные нам n

Девиз: «береги нейтроны» (когда коробки стоят криво)

Рассмотрим реакцию как черный ящик

Вход: n + A (z,N) выход: A* (z, N+1)

Поначалу это ядро получило возбуждение, но по условию осталось прежним (как-то выкинуло возбуждение)

Получается: ядро сохранило нуклонный состав => никакого распада нет ->

Как убрать возбуждение? – яд j- излучение

n + A(z,N) -> A (z, N+1) + j

Резонансное упругое рассеяние (РУР) – реакция, когда ядро съедает, потом выплевывает n

δ_{упр р}

_{РУР (n попадает внутрь ядра)}

При РУР En - одинакова: En⁽¹⁾ = En⁽²⁾ А >>1

n в ядро не залетает, отскакивает

классическое упругое рассеяние En

(n не попадает внутрь ядра: шарик с шариком)

Можно ли на 1 съеденный n получить 2?

_{на ядро бросили n 2n кот хотим получить}

С²Мя(z, N) + c²m_n + En_(кинет) = С² М(z, N-1) + 2 c²m_n +E

Как доказать ответ? (по аналогу)

1. Считать En для соседних ядер одинаковой

Ответ: c²m_n + En = En + c²m_n +E*

• 1.) E* = En – En

• 2.) En= E*+ En

При En < E*+ En реакция не пойдет – пороговая эндотермическая реакция

Выход Е будет <, чем был затрачен

Эндотермическая реакция всегда пороговая.

Пороговая реакция не всегда эндотермическая

Пример:

²³⁸U + n (хотим вызвать деление)

Е

Еn _{= 1.2 МэВ}

М_{F реакция резко экзотермическая}

^{делящееся ядро}

2М _оск

²³⁵U+n -> сразу за барьер

Если хотим поделить ²³⁸ U-> надо 1,2 МэВ на выход за барьер

А получ 200 МэВ

_{Н а входе :} ³H+ ²H ^{реакция термоядерного синтеза 4}He + n

^{тритий дейтерий} +17,6 МэВ

T + D альфа + n ^{Радиоактивен по β- моде}

(классическая безнейтронная термоядерная реакция, экзотермическая)

Взяли легкий изотоп Li :

⁶ Li D- дейтерид лития («Лидочка»)

⁶Li + n -> ³T + α Пример реакции (n, альфа)

В зависимости от энергии связи ядра относительно

альфа – частицы может быть экзо- и эндотермическая

_{обычный белый порошок}

_{захват n}

^{термояд взрыва}

¹⁴N (n, p) ¹⁴C Пример реакции (n, p)

^{в атмосфере испуск протон} (n - на входе, p – на выходе)

может быть эндо-, экзо-.

Замедлитель – вещество, которое понижает энергию нейтронов

p A^ядро нейтрон попадает в ядро, потом рассеивается

r

p – прицельный параметр (очень важный)

Случай:

1. p≈ r

нейтрон чуть-чуть коснется; энергию почти не попадает

2. p = 0- передача энергии max

_{отскочившая энергия n до}

^{энергия соударения}

E’n = (A-1)² En

(A+1)²

E_A= 4A En

(A+1)²

Ядро очень маленькое (Н) => ( )² = 0 => En’ = 0 (случай с бильярдными шарами)

Замедлители – легкие среды! (вода, тяжелая вода, графит, парафин в лабораториях)

Чтобы n замедлить нужна легкая среда!

_{сечение деления}

δ _{f (fission)}

5 86 барн ²³⁵U

1 барн

En

^{тепловая энергия нейтрона} 1МэВ 1,2 МэВ

Энергия n ниже 1 МэВ в смысле деления ²³⁸U не интересна!