Занятие № 8 Теория деления ядра

Учебная цель: глубже усвоить теорию деления ядра; на конкретных примерах научиться определять энергию, выделяющуюся при делении ядра U-235 тепловыми нейтронами; рассмотреть условия, которые необходимо выполнить для осуществления самоподдерживающейся цепной реакции деления.

Контрольные вопросы для подготовки к занятию

1. Какие реакции возможны при взаимодействии тепловых нейтронов с U-235?

2. Деление ядра может происходить многими путями. С каким соотношением массовых и зарядовых чисел наиболее вероятно появление легкого и тяжелого осколков деления?

3. Перечислите и охарактеризуйте свойства осколков деления. Нарисуйте график массового спектра осколков деления (качественно).

4. Какая энергия выделяется в среднем на один акт при делении ядра U-235 тепловыми нейтронами? Докажите. В какой форме эта энергия освобождается? Какая часть энергии деления освобождается в форме кинетической энергии осколков деления?

5. Каковы физические процессы перехода кинетической энергии осколков деления в тепловую энергию?

6. Какие нейтроны называются нейтронами деления? Каково среднее число нейтронов, испускаемых на один акт деления U-235 тепловыми нейтронами?

7. Каков энергетический спектр нейтронов деления? Начертите график спектра Уатта и поясните его. Укажите численное значение и физический смысл наиболее вероятной и средней энергии нейтронов деления.

8. Какие нейтроны деления называются мгновенными и запаздывающими? Какие ядра являются источниками запаздывающих нейтронов?

9. Какие радионуклиды называют отравляющими ядерное топливо? Какие продукты деления ядра U-235 называют шлаками?

10. Что такое параметр деления?

11. В каком случае деление ядра энергетически выгодно?

12. Как определяется энергия возбуждения промежуточного ядра? Запишите формулу. Поясните.

13. Какую энергию называют критической энергией или энергией активации? Как зависит энергия активации от параметра деления?

14. Почему деление ²³⁹Pu, ²³⁵U, ²³³U возможно нейтронами любых энергий, начиная с тепловых, а ²³⁸U - только быстрыми? Докажите.

15. Почему в таблице Менделеева за ураном природных элементов нет?

16. Какое явление назвали спонтанным делением?

17. Каково необходимое условие развития самоподдерживающейся цепной реакции деления (СЦРД)?

18. Во сколько раз для U-238 сечение реакции деления на быстрых нейтронах (с Е от 2 до 6 МэВ) меньше, чем суммарное сечение реакций (n, γ) и (n, nγ)?

19. Почему самоподдерживающаяся цепная реакция деления на U-238 не может быть осуществлена? Докажите.

20. Какие условия необходимо выполнить для осуществления управляемой СЦРД на природном или слабо обогащенном (по U-235) топливе?

21.Что такое коэффициент размножения в бесконечной размножающей среде?

22. Перечислите и охарактеризуйте компоненты формулы четырех сомножителей. Каков их физический смысл?

Краткие теоретические сведения и основные формулы

Экспериментально найдено, что деление ядра может происходить многими путями. Среди продуктов деления найдены различные элементы. Например, при делении тепловыми нейтронами было обнаружено более 600 различных типов ядер-осколков. Установлен фактасимметрии деления, то есть ядро тяжёлого элемента чаще всего делится на осколки неодинаковых масс.

Наиболее вероятно появление осколков с соотношением их массовых чисел, приблизительно равным 2/3. То есть:

; ;.

Аналогично: и.

Образующиеся при делении осколки перенасыщены избыточными для их устойчивости нейтронами, потому -радиоактивны и должны испускать нейтроны.

Продукты распада осколков деления чаще всего также будут ^--активными, так что осколки деления должны давать начало цепочкам радиоактивных ядер. Средняя длина цепочки составляет 34 звена.

В процессе -переходов осколков деления и продуктов их распада испускаются -кванты, сопровождающие -распады.

При делении ядра выделяется большая энергия Q_f . Схема деления:

,

где = 23

Определим энергию, выделяющуюся при делении одного ядра, на конкретном примере одной из возможных реакций деления ядра U тепловыми нейтронами:

;

Q_f = 931,5(m_u + m_n - m_Xe - m_Sr - 2m_n) = 931,5(235,1175 + 1,00867 - 138,95 –

94,936 - 2·1,00867)  207 МэВ.

Аналогичные расчеты можно провести и для других сочетаний осколков, появляющихся при делении ядра. Результат будет приблизительно таким же.

Вывод: при делении ядратепловыми нейтронами выделяется энергия равная в среднем 200 МэВ на один акт деления.

Это очень большая энергия. В 1 г содержится

ядер.

Следовательно, при делении 1 г урана-235 выделится энергия, равная

.

Чтобы получить такое же количество тепловой энергии, надо сжечь более трех тонн угля.

Получение большой энергии при делении тяжелых ядер обуславливает широкое использование реакции деления в качестве источника энергии.

Подавляющая часть энергии деления освобождается в форме кинетической энергии осколков деления ( 82 %).

Электростатическое отталкивание протонных зарядов осколков разбрасывает их, и потенциальная энергия кулоновского поля переходит в кинетическую энергию осколков деления. Обладая значительным зарядом и большой скоростью, осколки деления теряют энергию в основном за счет возбуждения и ионизации атомов той среды, в которой они движутся. Лишь в конце пути, когда заряды осколков оказываются малыми, потеря энергии происходит в результате их столкновений с ядрами среды. Вследствие того, что смещение осколков от мест деления пренебрежимо мало, тепловая энергия выделяется практически в точке деления ядра. Благодаря этому вся энергия осколков деления трансформируется в тепло в тепловыделяющих элементах (твэлах) реактора. Толщина оболочки твэла превышает пробег осколков деления, что позволяет предотвратить выход продуктов деления за его пределы. Выделение тепла происходит за миллионные доли секунды. При этом температура в точке увеличивается до многих тысяч градусов, вызывая повреждения в структуре вещества. Тепловой пик захватывает от 5000 до 10000 атомов находящихся в зоне деления. Они приходят в возбужденное состояние и передают энергию другим примыкающим атомам. Таким образом, кинетическая энергия осколков превращается в энергию ионизации, переданную электронам, и в конечном итоге переходит в энергию атомных колебаний, т.е. тепловую энергию.

Экспериментально найденное распределение энергии деления между различными ее носителями, при делении тепловыми нейтронами, представлено в табл. 8. 1.

Таблица 8.1