Неутронно-физични процеси

Механизъм на ядреното делене
Средната енергия на свързване на един нуклон в атомното ядро достига максималната стоСредната енергия на свързване на един нуклон в атомното ядро достига максималната стойност 8.7 MeV при ядра с масово число около 50. Следователно, чрез сливане на по-леки ядра (ядрен синтез), или чрез предизвикване на разделянето на едно тежко ядро на две или повече ядра с междинни маси
(ядрено делене), е възможно
да бъдат образувани по-здраво свързани ядра и да бъде освободена енергия.
Наблюдаваната стабилност на тежките ядра по отношение на спонтанно делене се дължи на близкодействув
ащите ядрени
сили между нуклоните в ядрото, водещи до възникването на потенциална енергетична бариера, която тря
бва да бъде п
реодоляна, за да настъпи делене. Височината на тази бариера при повечето тежки ядра, пред
с
тавляващи интерес от гледна точка на верижната реакция на делене, е типично 6-9 MeV.
Следователно, за да бъде предизвикано делене, на тежкото ядро трябва да се придаде достатъчна енергия за преодоляване на потенциалната бариера. Това може да бъде постигнато по различни начини. Един от тях е чрез стълкновение на високоенергетична частица с ядрото (с кинетична енергия, надхвърляща енергетичната бариера за делене). Пример за такава реакция е фотоделенето, предизвиквано от стълкновение на високоенергетичен гама квант с тежкото ядро. Алтернативна възможност е да се създадат условия за залавяне на неутрон от тежкото ядро. Тогава за преодоляване на енергетичната бариера и предизвикване на делене може да се окаже достатъчна и само енергията на свързване на заловения неутрон.
Последният процес може действително да настъпи при някои тежки ядра, като н

НаблНаблюдаваната стабилност на тежките ядра по отношение на спонтанно делене се дължи на близкодействуващите ядрени сили между нуклоните в ядрото, водещи до възникването на потенциална енергетична бариера, която трябва да бъде преодоляна, за да настъпи делене. Височината на тази бариера при повечето тежки ядра, предс
тав
ляв
ащи
ин
тер
ес от
гл
една точка на верижната реакция на делене, е типично 6-9 MeV.
Следователно, за да бъде предизвикано делене, на тежкото ядро тря
бва да се
придаде достатъчна енергия за преодоляване на потенциалната бариера. Това може да бъде постигнато по различни начини. Един от тях е чрез стълкновение на високоенергетична частица с ядрото (с кинетична енергия, надхвърляща енергетичната бариера за делене). Пример за такава реакция е фотоделенето, предизвиквано от стълкновение на високоенергетичен гама квант с тежкото ядро. Алтернативна възможност е да се създадат условия за залавяне на неутрон от
тежкот
о ядро. Тогава за преодоляване
на
енер
гет
ична
та
бариера и предизвикване на делене може да се окаж
е д
остатъ
чна
и само енергията на свързване на заловения неутрон.
Последният процес може действително да настъпи при някои тежки ядра, като напр. 233U, 235U, 239Pu и 241Pu. Такива нуклиди, чието делене може да настъпи при залавянето на неутрони с практически нулева кинетична енергия, се наричат делящи се. Делящите се нуклиди са главни компоненти на горивото в я
дре
ните реактори.
При повечето тежк
и
нуклиди допълнителната енергия на свързване на заловения неутрон не е достатъчна за преодоляване на енергетичната бариера за делене. При някои от тях, обаче, тази бариера моСледователно, за да бъде предизвикано делене, на тежкото ядро трябва
да се придаде достатъ
чна енергия за преодоляване на потенциалната бариера.
Т
ова може да бъде по
с
т
и
гнато по различни начини. Един от тях е чрез стълкновение на високоенергетична частица с ядрото (с кинетична енергия, надхвърляща енергетичната бариера за делене). Пример за такава реакция е фотоделенето, предизвиквано от стълкновение на високоен
ергетичен
гама квант с тежкото ядро. Алтернативна възможност е да се създадат условия за залавяне на неутрон от тежкото ядро. Тогава за преодоляване на енергетичната бариера и предизвикване на делене може да се окаже достатъчна и само енергията на свързване на заловения неутрон.
Последният процес може действително да настъпи при някои тежки ядра, като напр. 233U, 235U, 239Pu и 241Pu. Такива нуклиди, чието делене може да настъпи при залавянето на неутрони с практически нулева кинетична енергия, се наричат делящи се. Делящите се нуклиди са главни компоненти на горивото в ядрените реактори.
При повечето тежки нуклиди допълнителната енергия на свързване на заловения неутрон не е достатъчна за преодоляване на енергетичната бариера за делене. При някои от тях, обаче, тази бариера може да бъде преодоляна, ако заловеният неутрон притежава кинетична енергия от порядъка на 1 MeV. Нуклидите, които могат да се делят п
р
и залавяне
на такива “бързи
” неутрони, с
е
нарича
т делими. Примери за такива нуклиди са 232Th, 238U и 240Pu (както, естествено и делящите се нуклиди като 235U или 239Pu).
При някои тежки ядра съществува и известна малка вероятност за спонтанно делене чрез преодоляване на потенциалната бариера в следствие на познатия от квантовата механика тунелен еф
е
кт. При повечето нуклиди, намиращи приложение като ядрено гориво, вероятността за такова съб
и
тие е действително твърде малка. Например, перио
дът на полуразпадане на 238U чрез
спонтанно делене е 6.5x1015 години. Даже и тази много ниска скорост на спонтанно де
л
ене може обаче да бъде от значение за ядрените реактори, тъй като незначителният брой възникващи
п
ри това неутрони могат да бъдат много бързо размножени в процеса на верижната реакция.
Продукти на деленето
При една типична реакция на ядрено делене, като напр.
възникват разнообразни продукти, ср
(i, i=1,...,6: относителни дялове (спрямо пълния брой неутрони от делене) на закъсняващите неутрони, изпускани от ядрата-предшественици във всяка група;
(i(E): спектри на закъсняващите неутрони, изпускани от групите ядра-предшественици.
Тъй като относителният добив на ядра-предшественици от инд
ивидуалните делящи се (или де
лими) нуклиди е различен, характеристиките на тези 6 групи са специфични за всеки нуклид. За главните нуклиди в горивото на реакторите ВВЕР те са:
нукл.235U238U239Pu241Puг
р. EMBED Eq
uation.3 
: относителен дял на закъсняващите неутрони спрямо пълния брой неутрони от делене;
(i(
E): спектри н
а закъсняващите неутрони, изпускани от групите ядра-предшественици.
Тъй като относителния
т
добив на ядра-предшественици от индивидуалните делящи се (или делими) нуклиди е различен, характеристиките на тези 6 групи са специфични за всеки нуклид. За главните нуклиди в горивото на реакторите ВВЕР те са(i(E): спектри на закъсняващите неутрони, изпускани от групите ядра-предшественици.
Тъй като относителният добив на ядра-предшественици от индивидуалните делящи се (или делими) нуклиди е различен, характеристиките на тези 6 групи са специфични за всеки нуклид. За главните нуклиди в горивото на реакторите ВВЕР те са:
нукл.235U238UТъй като относителният добив на ядра-предшественици от индивидуалните делящи се (или делими) нуклиди е различен, характеристиките на тези 6 групи са специфични за всеки нуклид. За главните нуклиди в горивото на реакторите ВВЕР те са:
нукл.235U238U239Pu241Puгр.(i⠇Ⱪ猠ㄭ⠇ݩ椨‬⵳ܱ椨⠇Ⱪ猠ㄭ⠇ݩ椨‬⵳ܱㄇ㈇㔮䔰ܴ〭⸰㄰㌳㈇〮䔲ܴ〭⸰㄰㘳㘇㘮䔰〭ܵ⸰㄰㌳㠇㠮䔲〭ܵ⸰㄰㜳܇ܲ⸱㘲ⵅ㌰〇〮㈳ܵ⸱㐶ⵅ㌰〇〮ㄳܳ⸵㔶ⵅ㐰〇〮〳ܲ⸱㜲ⵅ㌰〇〮㤲ܹ㌇ㄇ〮䔸〭ܳ⸰㈱ܲ⸱ㄹⵅ㌰〇ㄮ㌲㌇㤮䔴ܴ〭⸰ㄱܳ⸷㤷ⵅ㐰〇ㄮ㐱܇ܴ⸲㘲ⵅ㌰〇㌮㐱㔇㘮䔲〭ܳ⸰㈳ܴ⸷㤰ⵅ㐰〇㈮㔹ㄇ㠮䔲〭ܳ⸰〳ܸ㔇ㄇㄮ䔵〭ܳ⸰㘹ܰ⸳〷ⵅ㌰〇㤮㘰㌇㈮䔰ܴ〭⸰㔸ܴ⸱〰ⵅ㌰〇㠮㤵܇ܶ⸵㠸ⵅ㐰㈇㤮ܴ⸱〵ⵅ㌰㌇〮ܵ⸱㐰ⵅ㐰㈇㘮ܳ⸳㈳ⵅ㐰㌇〮㜶܇нукл.235U238U239Pu235U238U239Pu24238U239Pu241Pu239Pu241Puгр.(i⠇Ⱪ猠241Puгр.(i⠇Ⱪ猠ㄭ⠇ݩ椨‬⵳
椨‬⵳ܱ椨⠇Ⱪ猠ㄭ܇ܱ⸲〵ⵅ椨⠇Ⱪ猠椨‬⵳ܱㄇ㈇㔮䔰ܴ〭⸰㄰㌳㈇ܱ⸲⸲〵ⵅ㐰〇〮㌱ܳ⸲㈰ⵅ㐰〇〮㌱ܶ⸰㄰㌳㈇〮䔲ܴ〭⸰㄰㘳㘇⸲㈰ⵅ㐰〇〮㌱ܶ⸶〶ⵅ㔰〇〮㌱ܳ⸰㄰㘳㘇㘮䔰〭ܵ⸰㄰㌳㠇⸶〶ⵅ㔰〇〮㌱ܳ⸸㈸ⵅ㔰〇〮㌱ܷ⸰㄰㌳㠇㠮䔲〭ܵ⸰㄰㜳܇⸸㈸ⵅ㔰〇〮㌱ܷ㈇ㄇ㈮䔶〭ܳ⸰㌰⸰㄰㜳܇ܲ⸱㘲ⵅ㌰〇〮㈳ܲ⸱⸱㘲ⵅ㌰〇〮㈳ܵ⸱㐶ⵅ㌰〇〮ㄳܳ⸰㌰㔲ㄇ㘮䔴〭ܳ⸰㌰㌱㔇⸱㐶ⵅ㌰〇〮ㄳܳ⸵㔶ⵅ㐰〇〮〳ܲ⸰㌰㌱㔇㘮䔵ܴ〭⸰㌰㈰ㄇ⸵㔶ⵅ㐰〇〮〳ܲ⸱㜲ⵅ㌰〇〮㤲ܹ⸰㌰㈰ㄇ㈮䔷〭ܳ⸰㈰㤹܇⸱㜲ⵅ㌰〇〮㤲ܹ㌇ㄇ〮䔸〭ܳ⸰㈱⸰㈰㤹܇ܳ⸱㠰ⵅ㌰〇ㄮ㈲ܳ⸱⸱㠰ⵅ㌰〇ㄮ㈲ㄇ㤮䔱〭ܳ⸰㈱ܳ⸳
⸰㈱ܲ⸱ㄹⵅ㌰〇ㄮ㌲⸱ㄹⵅ㌰〇ㄮ㌲㌇㤮䔴ܴ〭⸰ㄱܳ⸷⸰㈱ܳ⸳㐹ⵅ㐰〇ㄮ㌱⸳㐹ⵅ㐰〇ㄮ㌱㜇㜮䔹ܴ〭⸰ㄱܴ㐇⸰ㄱܳ⸷㤷ⵅ㐰〇ㄮ㐱⸷㤷ⵅ㐰〇ㄮ㐱܇ܴ⸲㘲ⵅ㌰〇㌮㐱⸰ㄱܴ㐇㈇㈮䔶〭ܳ⸰ܴ⸲⸲㘲ⵅ㌰〇㌮㐱㔇㘮䔲〭ܳ⸰㈳ܴ⸷⸰ㄳܴ⸵㈶ⵅ㌰〇㌮㐲⸵㈶ⵅ㌰〇㌮㐲㜇〮䔹ܴ〭⸰㤲ܵ⸱⸰㈳ܴ⸷㤰ⵅ㐰〇㈮㔹⸷㤰ⵅ㐰〇㈮㔹ㄇ㠮䔲〭ܳ⸰〳ܸ㔇⸰㤲ܵ⸱㈸ⵅ㌰〇㌮㠰⸱㈸ⵅ㌰〇㌮㠰܇ܵ⸱㔱ⵅ㌰〇㤮〶⸰〳ܸ㔇ㄇㄮ䔵〭ܳ⸰ܵ⸱⸱㔱ⵅ㌰〇㤮〶㌇㜮䔰〭ܳ⸰〹ܶ⸳⸰㘹ܰ⸳〷ⵅ㌰〇㤮㘰⸳〷ⵅ㌰〇㤮㘰㌇㈮䔰ܴ〭⸰㔸ܴ⸱⸰〹ܶ⸳〲ⵅ㐰〇㠮㐵⸳〲ⵅ㐰〇㠮㐵ㄇ〮䔰〭ܳ⸰㔸ܹ㘇⸰㔸ܴ⸱〰ⵅ㌰〇㠮㤵⸱〰ⵅ㌰〇㠮㤵܇ܶ⸵㠸ⵅ㐰㈇㤮ܴ
⸰㔸ܹ㘇㔇㠮䔸ܴ〭⸲ܶ⸵⸵㠸ⵅ㐰㈇㤮ܴ⸱〵ⵅ㌰㌇〮ܵ⸱㐰⸲㐹ㄇ㔮䔰〭ܳ⸳⸱〵ⵅ㌰㌇〮ܵ⸱㐰ⵅ㐰㈇㘮ܳ⸳㈳⸳㔰ㄇ〮䔴ܴ〭⸲⸱㐰ⵅ㐰㈇㘮ܳ⸳㈳ⵅ㐰㌇〮㜶܇⸲㌶㌇㌮䔲ܴ〭⸳⸳㈳ⵅ㐰㌇〮㜶܇⸳㘰ܷ6.59E-031.46E-022.16E-035.2911.46E-022.16E-035.29E-03
Ва22.16E-035.29E-03
Важно е да с55.29E-03
Важно е да се отбележи

ВВажно е да се отбележи, че средните енергии на закъсняващите неутрони са няколкостотин keV и са значително по-ниски от средната енергия на мигновените неутрон
и, която е около 2 MeV. По та
зи причина те имат различна относителна ценност за поддържане на верижната реакция на делене в сравнение с мигновените. Така например, за реактори от типа ВВЕР ценността на закъ
сняващите неу
трони, които поради недостатъчната си енергия не могат да предизвикат делене на 238U, е по-ниска от
тази на мигн
овените.
Енергия от деленето
Двата фрагмента, на които се разделя ядрото, са положително
з
аредени и се раздалечават под действието на кулоновата сила на отблъскване, отдавайки във вид на топлина (отново чрез кулоново взаимодействие) своята кинетична енергия ((168 MeV) на ядрата на околното вещество в радиус (10-3 cm от мястото на деленето. Така около 82% от пълната освободена при деленето енергия се превръща мигновено в топлина на мястото, където е протекло деленето.
Пълната кинетична енергия на неутроните от деленето е (5 МeV. Тя се превръща в топлина посредством многократни сблъсъци на неутроните с ядрата на веществото на активната зона в област с радиус няколко сантиметра. Ако не напуснат реактора и не бъдат погълнати, неутроните се забавят докато тяхната средна енергия стане близка до кинетичната енергия на атомите на веществото ((0.025 eV), което съответствува на скорост (2200 m/s. В крайна сметка (след 10-3 до 10-7 s, в зависимост от състава на средата) неутроните биват погълнати. Важно е да се отбележи, че докато енергията на фрагментите от делене се превръща в топлина в горивото, то енергията на неутроните се отдава във вид на топлина предимно в топлоносителя. Причина за това е, че при удар с леко ядро (водород, кислород) неутронът отда
ва
мно
го
пов
ече
енер
гия
, отколкото при удар с тежко ядро (уран). При удар с ядро на водород неутронът губи средно 37% от енергията си, а при удар с ядр
о на 238U
- само 0.9%. Времето за забавяне на неутрона е около 10-5 s.
Мигновено изпуЕнергия от деленето
Двата фрагмента, на които се разделя