ИЗОТОПЫ: СВОЙСТВА ПОЛУЧЕНИЕ ПРИМЕНЕНИЕ. Инжечик Лев Владиславович. Кафедра общей физики Лекция 19

Транскрипт

1 ИЗОТОПЫ: СВОЙСТВА ПОЛУЧЕНИЕ ПРИМЕНЕНИЕ Инжечик Лев Владиславович Кафедра общей физики

2 Иллюстрация процесса деления на основе капельной модели ядра Учитываются поверхностное натяжение (сильное взаимодействие) и кулоновское взаимодействие протонов. + X Y + Y + kn + Q A1+ A2 + k A1 A2 Z Z Z 1 Z A1, 2 β, n,,,, Z Y1, 2 Y3,... e e n 1, 2 ν γ Q 200 MeV Перемычка Перемычка состоит состоит преимущественно преимущественно из из нейтронов, нейтронов, т. т. к. к. протоны протоны концентрируются концентрируются на на концах концах «гантели» «гантели» из-за из-за кулоновского кулоновского взаимодействия. взаимодействия. При При разрыве разрыве перемычки перемычки вылетают вылетают нейтроны нейтроны Изотопы: свойства, получение, применение 2

3 Выделение энергии при делении урана МэВ выделяется мгновенно Изотопы: свойства, получение, применение 3

4 Возможность цепной реакции деления тяжелых ядер + X Y + Y + k n + Q A1 + A2 + k A1 A2 Z Z Z 1 Z Поскольку в реакции деления для ряда тяжелых ядер образуется больше одного нейтрона, то этот процесс может развиваться по схеме цепной реакции*, и при благоприятных условиях может приобрести характер взрыва. Действительно, от момента захвата нейтрона ядром до его деления проходит время порядка 10 8 секунды. Для деления 1 грамм-атома урана (235 г) нужно 1024 нейтронов. Если в одной ступени деления число нейтронов удваивается, то это число нейтронов возникнет через 10 6 секунды в 80-м поколении. За это время выделится энергия эрг, что больше, чем получается при сгорании 700 тонн угля. К сожалению, именно возможность создания сверхбомбы, а отнюдь не перспектива мирного применения ядерной энергии послужила стимулом для интенсивных исследований физики атомного ядра в западной Европе, США и СССР в середине XX века. * ) В химии цепной реакцией называют экзотермическую реакцию, при которой продукты единичного взаимодействия молекул вызывают более одного такого же акта взаимодействия других таких же молекул. Этот термин используется и для ядерных реакций. Общую теорию цепных реакций создал в 1936 г. Н.Н. Семенов ( , физик и физхимик, акад. АН СССР 1932, Ноб. пр. по химии 1956). В СССР расчеты цепной реакции деления ядер выполнили в годах Ю.Б. Харитон ( , физик, акад. АН СССР 1953, трижды Герой Соц. Труда 1949, 51, 53; Лен. пр. 1856; Стал. пр. 1949, 51, 53) и Я.Б. Зельдович ( ; физик, акад. АН СССР 1958; трижды Герой Соц. Труда 1949, 51, 53; Лен. пр. 1957; Стал. пр. 1949, 51, 53). Изотопы: свойства, получение, применение 4

5 Спектр нейтронов деления Изотопы: свойства, получение, применение 5

6 Изотопы: свойства, получение, применение 6

7 Сечениеделения 238 Uнейтронами Сечение деления 238 U нейтронами 2-6 MeV: σ f (2 6 MeV) cm 2 Это 1/4 максимального возможного (геометрического) сечения σ max = π R cm 2 Остальные каналы неупругого рассеяния нейтронов приводят не к делению, а к реакции U(n, γ). Т. е. примерно 3/4 нейтронов выбывают из процесса деления: P = σ nf /(σ nf +σ nγ ) 1/4 Для цепной реакции на 238 U нужно не менее 5 вторичных нейтронов с энергией 1 MeV, тогда как ν 2 3. Поэтому для взрывной реакции пригоден только обогащенный по 235-у изотопу уран. Изотопы: свойства, получение, применение 7

8 Сечениеделения 235 Uнейтронами Цепная реакция на медленных (тепловых) нейтронах Изотопы: свойства, получение, применение 8

9 Свойства ядер по отношению к спонтанному и вынужденному под действием тепловых нейтронов делению

10 Возможность реализации управляемой цепной реакции на тепловых (замедленных) нейтронах для природного урана Прирост числа нейтронов за одно поколение: dn=n(k-1) N n =N 1 k n-1, где k коэффициент размножения нейтронов. Для незатухающей цепной реакции нужно, чтобы k 1. k = k k, где k коэффициент размножения нейтронов для бесконечной среды; k вероятность избежать утечки нейтрона из активной зоны. k = η ε p f "формула 4-х сомножителей", где η = ν σ f /σ число нейтронов, возникающих κ после захвата 1 го теплового нейтрона; ν среднее число вторичных нейтронов при делении ядра; ε коэффициент размножения на быстрых нейтронах; p вероятность избежать радиационного захвата при замедлении нейтронов; f = σ U N U /(σ U N U + σ m N m ) коэффициент теплового использования, т. е. вероятность поглощения замедленных нейтронов ураном, а не ядром замедлителя (moderator). Для естественного урана и графита η 1.35; ε 1.03; εpf 0.8 k Для k 1 нужно, чтобы k Это может быть реализовано для естественной смеси изотопов урана при массе порядка 100 т. Изотопы: свойства, получение, применение 10

11 Судьба нейтронов с среде. Замедление нейтронов 1. Неупругое рассеяние быстрых нейтронов, не вызывающее деление ядер урана, промежуточные нейтроны с E<100 kev, которые не могут вызвать деление 238 U. 2. Упругое рассеяние промежуточных нейтронов. Потеря в 1-м акте рассеяния максимальна при минимальной массе ядра-мишени. В уране потеря энергии происходит медленно, и весьма вероятен резонансный захват нейтрона ядром 238 U. 3. Упругое рассеяние промежуточных нейтронов до тепловых энергий (kt) при наличии замедлителя, содержащего легкие ядра и слабо поглощающего нейтроны. Замедлители нейтронов Замедлитель E/E max N (2 MeV kt) <λ>, cm t, 10-5 s Примечание 1 H H ( 2 D) He Заметно поглощает нейтроны 7 Li Be C Вода Тяжелая вода Заметно поглощает нейтроны Изотопы: свойства, получение, применение 11

12 Первые реализации управляемой цепной реакции деления урана Декабрь 1946 г. реактор Курчатова в Москве 50 т урана т графита 10 квт (пик 4 МВт) Декабрь 1942 г. реактор Э. Ферми, Чикаго, США 45 т урана т графита (замедлитель нейтронов). 200 Вт, k = квт перемонтированный в Аргонской национальной лаборатории (Чикаго) с защитой и вентиляцией Графитовая кладка первого советского уранового реактора Ф-1. Изотопы: свойства, получение, применение 12

13 Ядерный реактор в природе В Окло (урановый рудник, Габон, западная Африка) 1900 миллионов лет назад работал природный ядерный реактор. Было выделено шесть "реакторных" зон, в каждой из которых обнаружены признаки протекания реакции деления. Остатки распадов актиноидов указывают на то, что реактор работал в режиме медленного кипения на протяжении 600 тысяч лет. В мае - июне 1972 года было обнаружено, что в уране содержится 0,7171% 235 U. Нормальное значение для природного урана 0,7202%. В некоторых пробах было обнаружено менее 0,44%. Нынешний изотопный состав природного урана: 234 U 0,0055 %; T 1/2 = лет 235 U 235 U 0,7200 %; T1 /2 = лет 238 U 99,2745 %; T 1/2 = лет 2 миллиарда лет тому назад концентрация 235 U была заметно выше, чем сегодня. Мощная урановая жила этого месторождения содержала глинистые линзы размерами (10-20)х1 м с высоким концентрацией урана (20-40%) и перемежалась водоносными пластами (замедлитель!). В линзах и шла цепная реакция деления 235 U в результате которой уран-235 частично "выгорел". Это подтверждается повышенной концентрацией в руде редкоземельных элементов продуктов деления. Время "работы" реактора оценено по количеству наработанного 239 Pu, также обнаруженного в руде. Изотопы: свойства, получение, применение 13

14 Ядерный реактор в Окло Зависимость коэффициента размножения нейтронов от концентрации урана и воды в месторождении Изотопы: свойства, получение, применение 14

15 Динамика цепной реакции с учетом запаздывающих нейтронов Если среднее время жизни одного поколения нейтронов τ, которое складывается из времени деления, запаздывание вылета нейтрона из делящегося ядра и времени перемещения κ вылетевшего до следующего ядра. Скорость изменения числа нейтронов: Для мгновенных нейтроновτ m 10-7 s. dn/dt=n(k-1)/τ n 0 =exp[t(k-1)/τ] Пусть k=1.005 (<1.0064). Доля запаздывающих нейтронов при делении 0.64%. С учетом запаздывающих нейтронов τ m 0.1 s. Тогда n 0 =exp(0.05t). Т. е. за 1 секунду число нейтронов возрастает всего в 150 раз. При цепной реакции на быстрых нейтронах k> реакция идет с характерным временем, меньшим на много порядков. Для деления 2 г 235 U нужно нейтронов, т. е. 72 поколения. Это займет время 1-10 ms, за которое выделится энергия Дж. Изотопы: свойства, получение, применение 15