Разновидности ядерных реакций

После образования промежуточного ядра его превращение может идти по одному из следующих путей:

1. Процесс упругого рассеяния. Ядро мишень после столкновения выбрасывает частицу такую же, как и в него попавшая. При этом происходит перераспределение энергии подобно законам соударения идеально – упругих тел. Столкновение может быть лобовое, боковое. ( В среднем нейтрон при одном столкновении с протоном теряет 0,632 своей энергии). Чем тяжелее ядро (например ядро углерода в 12 раз больше), тем больше энергии теряет нейтрон. Упругое рассеяние наблюдается при замедлении нейтронов.

2. Процесс неупругого рассеяния. После столкновения ядро выбрасывает частицу, тождественную попавшей в него, но с меньшей энергией, чем при упругом рассеянии. Остаток энергии излучается в виде γ – излучения. Наблюдается также при замедлении нейтронов.

3. Процесс захвата. Частица, столкнувшаяся с ядром, им захватывается. Возбужденное ядро, переходя в нормальное сосояние излучает γ – кванты либо γ – кваний и β – частицу. (Для производства радиоактивных изотопов).

4. Процесс слияния ядер. При столкновении частицы или ядра с другим ядром может произойти их захват. При этом ядро – мишень излучает взамен захваченной другую частицу и превращается в ядро – продукт. Относительно реакции слияния 2^х, легких ядер в одно, более тяжелое и более устойчивое. Это термоядерная реакция.

5. Процесс деления ядер. Наблюдается при возбуждении у ограниченного числа самых тяжелых ядер. После деления тяжелого ядра получают 2 легких ядра. Реакция идет с высвобождением энергии. Деление ядер может быть вызвано бомбардировкой их любыми частицами. Однако практическое значение для получения энергии имеет лишь делении ядер нейтронами.

Одной из наиболее примечательных ядерных реакций с участием нейтронов является деления ядер, открытие которой и привело к возникновению новой отрасли техники – ядерной энергетики.

Эксперименты показали, что тяжелые ядра и многие ядра со средними массовыми числами, поглощая нейтроны с энергией большей некоторой Е _min распадаются на 2 осколка. При этом одновременно испускаются нейтроны.

В символической записи это выглядит: _zX^m + _on¹ → _zX^m+1 , и если энергия поглощения _on¹ велика, то составное ядро мгновенно распадается

_zX^m+1 → _aY^b + _z-aZ^{(m-1) – (b+e)} + L_on¹

Для большинства ядер min энергия E _min велика, больше 1Мэв. Но имеется небольшое число тяжелых ядер, которые делятся при поглощении нейтрона любой энергии.

Делящиеся ядро Е_{min 90}Th ²³² ₉₂U ²³⁵ ₉₂U ²³³ ₉₂U ²³⁸ ₉₄Pu ²³⁹ ₉₄P ²⁴¹

нейтронов, вызывающих

деление: Мэв 1,3 0 0 1,2 0 0

Для практического использования годятся ядра с E _min = a. Именно они позволяют осуществить самоподдерживающуюся реакцию деления. Ядра, делятся при E _min > 1Мэв не позволяют создать систему с самоподдерживающейся реакцией деления,но некоторые из них

( ₉₀Th ²³², ₉₂U²³⁸ ) могут быть сырьем для получения ядерного горючего. Так ₉₂U ²³³ получают из ₉₀Th ²³² под действием нейтронного облучения, а ₉₄Pu ²³⁹ из ₉₂U ²³⁸.

Реакция деления характеризуется образующимися:

1) продуктами деления

2) числом испускаемых нейтронов

3) величиной высвобождающийся энергии

₉₂U²³⁵ распад на ₃₆К₂⁹¹ + ₅₆В₂¹⁴² + 3_0n¹

1) Различают осколки деления при делении исходного ядра и вторичные продуты деления – появляющиеся в результате цепочки радиоактивных превращений осколков деления. Осколки деления имеют сначала ровные соотношения нейтронов и протонов, что и в делящемся ядре. Но т.к. с уменьшением массового числа нейтронов на каждый протон должно уменьшится, то осколки испытывают радиоактивные превращения.

2) Замечательной особенностью реакций деления тяжелых ядер является испускание при делении нейтронов: ₉₂U²³⁵ выделяется 2,47 нейтронов в среднем.

Средняя энергия нейтронов деления E_ср= 2Мэв.

Принято делить нейтроны по энергии на 3 группы: быстрые с E ≥ 1Мэв, промежуточные с 0,2 Мэв ≤ 1 Мэв и тепловые, находящиеся в тепловом равновесии с окружающей средой с E < 0,2 Мэв. В спектре деления быстрые нейтроны с E ≥ 1Мэв составляют 66%

3) Деление ядре сопровождается выделением большого количества энергии.

Хим. реакция Радиоактивный распад ядра Деление ядра

С+О₂=СО₂

<0,3 ∙ 10^-6 Мэв ≤ 20Мэв 198 Мэв

Энергия деления выделяется в основном в виде кинетической энергии осколков.

Цепная реакция

Необходимым условием само поддерживания (или цепной) ядерной реакции деления является высвобождение при каждом акте деления некоторого числа нейтронов, в среднем > 1.

Однако, чтобы текла беспрерывно цепная реакция деления недостаточно еще наличие «делящихся ядер», т.е. наличие первичных свободных нейтронов, которые всегда есть в уране, может еще не обеспечить цепную реакцию.

Для осуществления цепной реакции деления необходимо искусственное создание некоторых условий, обеспечивающих размножение нейтронов. Среда, в которой созданы такие условия называется размножающей средой, а устройство в котором происходит управляемая ядерная реакция – ядерными реакторами.

Условия, обеспечивающие цепную реакцию деления направлены на увеличение размножения нейтронов и на уменьшение препятствующих ему процессов. Первым таким условием является уменьшение вероятности потери нейтронов при их вылете во внешнюю среду, что достигается путем окружения делящегося вещества отражателем, возвращающим вылетающие нейтроны обратно.

Критической массой делящегося вещества называется масса, при которой возможна цепная реакция. Величина ее зависит от рода делящего вещества, рассредоточенности его в размножающейся среде, формы реактора и энергии нейтронов.