Что такое возраст нейтронов?
Физическая природа выделения энергии при делении тяжелого ядра
Деление тяжёлых ядер — экзотермический процесс, в результате которого высвобождается большое количество энергии в виде кинетической энергии продуктов реакции, а также излучения. Деление ядер служит источником энергии в ядерных реакторах и ядерном оружии. Процесс деления может протекать только в том случае, когда потенциальная энергия начального состояния делящегося ядра превышает сумму масс осколков деления. Поскольку удельная энергия связи тяжёлых ядер уменьшается с увеличением их массы, это условие выполняется почти для всех ядер с массовым числом .
То, что при делении тяжёлых ядер выделяется энергия, непосредственно следует из зависимости удельной энергии связи ε = Eсв(A,Z)/A от массового числа А .При делении тяжёлого ядра образуются более лёгкие ядра, в которых нуклоны связаны сильнее, и часть энергии при делении высвобождается. Как правило, деление ядер сопровождается вылетом 1 – 4 нейтронов.Деле́ние ядра́ — процесс расщепления атомного ядра на два (реже три) ядра с близкими массами, называемых осколками деления. В результате деления могут возникать и другие продукты реакции: лёгкие ядра (в основном альфа-частицы), нейтроны и гамма-кванты. Деление бывает спонтанным (самопроизвольным) и вынужденным (в результате взаимодействия с другими частицами, прежде всего, с нейтронами).
|
|
|
Энергия связи нуклонов в ядре,удельная энергия связи ?
Энергией связи называется энергия, которую необходимо затратить для того, чтобы расщепить ядро. Ее обычно выражают в мегаэлектронвольтах (МэВ) (1 МэВ= 1,6 · 10-13Дж). Устойчивость атомного ядра характеризуется энергией связи (Eсв).
Под энергией связи ядра понимается энергия, необходимая для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. Основываясь на законе сохранения энергии можно сказать, что энергия связи равняется той энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц.
Удельной энергией связи является энергия связи, которая приходится на один нуклон ядра. Она определяется экспериментально.
Эффективный коэффициент размножения нейтронов через возраст и длину замедления
В общем виде, когда коэффициент размножения в реакторе отличается от единицы, уравнение (3.12) запишется следующим образом:
(3.14)
τ – величина, называемая возрастом нейтронов и имеющая размерность см2.
L – длина диффузии.cм
В^2 называется геометрическим параметром
Уравнение (3.14) является основным уравнением реактора, раскрывающим зависимость эффективного коэффициента размножения нейтронов от состава и размеров активной зоны. Это уравнение справедливо для гомогенного и гетерогенного реакторов. Особенность гетерогенности активной зоны отражается в подходе к расчету параметров уравнения четырех сомножителей, а именно величин ε, φ и θ.
|
|
|
При стационарном процессе
(3.15)
где М2 = L2 + τ величина, называемая площадью миграции, см2
Решение уравнения (3.11) дает возможность определить величину В2. В данном случае этот параметр является функцией размеров и геометрической формы активной зоны. В частности, для цилиндрического реактора
(3.16)
где R – радиус, а Н – высота активной зоны. В данном случае величина В2 называется геометрическим параметром .
Скорость ядерной реакции
Число актов этой реакции , ежесекундно происходящих с этими ядрами в единичном обьёме (1см^3)среды .
R=GNnv (cм^-3c^-1)
N-ядерная концентрация элемента (см^-3)
n-плотность частиц(см^-3)
v-скорость частиц(см/c)
G-сечение реакции(см^2)
Что такое возраст нейтронов?
Возраст нейтронов с энергией е - это шестая часть среднего квадрата пространственного смещения нейтрона в среде при замедлении от начальной энергии Ео до данной энергии е.
ԏ=[cм^2]
Возраст нейтронов, как квадрат длины замедления, имеет размерность площади см2. Важно с самого начала вникнуть в физический смысл этой величины и не воспринимать возраст как время процесса замедления нейтрона (чему способствует житейское понятие возраста человека).
|
|
|
Хотя несложно понять, что возраст нейтронов в среде явно находится в прямой взаимосвязи с хронологическим временем замедления нейтронов: чем больше времени идёт процесс замедления нейтрона, тем на большее расстояние смещается нейтрон в объёме среды от точки своего рождения при делении ядра.
И опять-таки: возраст нейтронов - характеристика не нейтронов, а замедляющих свойств среды, в которой происходит замедление нейтронов: величина возраста является, как видно из (5.3.10), комбинацией характеристик замедляющих свойств вещества (в знаменателе стоит утроенное произведение замедляющей способности xSs и транспортного макросечения вещества Str).
Продуктыреакцииделения
Условное схематическое изображение стадий процесса деления (r — расстояние между образовавшимися ядрами, t — время протекания стадий).
Деление начинается с образования составного ядра. Спустя примерно 10−14 секунды это ядро делится на два осколка, которые, ускоряясь под действием кулоновских сил, разлетаются в противоположные стороны. Ускоренное движение осколков заканчивается спустя 10−17 с с момента их образования. К этому времени они имеют суммарную кинетическую энергию примерно 170 МэВ и находятся на расстоянии друг от друга примерно 10−8 см, то есть порядка размера атома.
|
|
|
Часть энергии деления переходит в энергию возбуждения осколков деления, которые ведут себя как любые возбуждённые ядра — либо переходят в основные состояния, излучая гамма-кванты, либо испускают нуклоны и превращаются в новые ядра, которые также могут оказаться в возбуждённом состоянии и их поведение будет аналогично поведению ядер, образовавшихся при делении исходного составного ядра.
Испускание ядром нуклона возможно лишь в случае, когда энергия возбуждения превышает энергию связи нуклона в ядре, тогда он испускается с большей вероятностью, чем гамма-квант, так как последний процесс протекает гораздо медленнее (электромагнитное взаимодействие намного слабее ядерного). Чаще всего испускаемым нуклоном является нейтрон, так как ему не нужно преодолевать кулоновский барьер при вылете из ядра, а для осколков деления это ещё вероятнее, так как они перегружены нейтронами, что приводит к понижению энергии связи последних. Энергия возбуждения осколков деления примерно равна 20 МэВ, что намного больше энергии связи нейтронов в осколках, а следовательно возможно испускание одного или двух нейтронов каждым из осколков спустя 10−17−10−14 секунды с момента их образования. В результате практически мгновенно после деления составного ядра осколки деления испускают два или три нейтрона, которые принято называть мгновенными.
Образовавшиеся ядра по-прежнему находятся в возбуждённых состояниях, однако в каждом из них энергия возбуждения меньше энергии связи нейтрона, поэтому остатки энергии возбуждения излучаются в виде гамма-квантов спустя 10−14−10−9 секунды с момента испускания нейтронов, такие гамма-кванты также называются мгновенными.
В дальнейшем движение осколков деления не связано с их превращениями. Так как они увлекают за собой не все электроны исходного атома, из них образуются многозарядные ионы, кинетическая энергия которых тратится на ионизацию и возбуждение атомов среды, что вызывает их торможение. В результате ионы превращаются в нейтральные атомы с ядрами в основных энергетических состояниях. Такие атомы называются продуктами деления.
Продукты деления имеют ядра со всё ещё избыточным количеством нейтронов по сравнению со стабильными ядрами в той же области массовых чисел и являются таким образом β−-радиоактивными, каждое из них служит началом серии β−-превращений, заканчивающихся только при достижении стабильного состояния. Ядра одной серии составляют так называемую цепочку распада, состоящую в среднем из трёх β−-переходов, скорость которых зависит от избытка нейтронов, уменьшается по мере приближения к стабильному состоянию и намного меньше рассмотренных выше стадий процесса деления. β−-распад сопровождается испусканием антинейтрино.
В результате β−-распадов могут образовываться ядра в возбуждённых состояниях, которые переходят в основные состояния путём излучения гамма-квантов либо, крайне редко, превращаются в другие ядра путём испускания нейтронов. Такие нейтроны называются запаздывающими.
Следует отметить, что в процессе деления возможно образование частиц, не упомянутых выше (например α-частиц), либо осколков деления в количестве, большем двух, однако эти события настолько маловероятны, что на практике обычно не рассматриваются[36][37].
Дата добавления: 2018-05-12; просмотров: 1988; Мы поможем в написании вашей работы! |
Мы поможем в написании ваших работ!