Ядерная энергия
Чем больше сечение реакции, тем больше вероятность этой реакции.
Если умножить микроскопическое сечение реакции k, 
k на количество ядер в единице объема Nj, то получим макроскопическое сечение реакции 
.
Что влияет на микроскопическое сечение реакций (вероятность реакций)? Основной фактор, это энергия нейтрона, которую он имеет перед столкновением с ядром.
Нейтроны, сталкивающиеся с ядрами обладают различной энергией. В физике ядерного реактора принята единица измерения энергии - мега электрон-вольт [МэВ] 1 МэВ = 1.602 
10-13 Дж (1 МэВ =1 000 000 эВ). В зависимости от энергии принято делить нейтроны на группы:
тепловые - энергия движения которых соизмерима энергией теплового движения среды Е < 0.5 эВ.
замедляющиеся - энергия которых лежит в диапазоне от 0.5 эВ до 2000 эВ.
быстрые - E > 2000 эВ.
Основным топливом в ядерных реакторах является уран, поэтому рассмотрим вероятность реакции деления изотопов урана под действием нейтронов с различной энергией.
В результате исследований было установлено, что деление изотопа урана 238U возможно только нейтронами с энергией большей 1 МэВ, но вероятность деления (сечение реакции деления), при таких энергиях в 4 раза меньше чем захвата или рассеяния. Другими словами из 5 нейтронов столкнувшихся с ядром 238U, только 1 вызовет деление. При меньших энергиях возможны только радиационный захват или рассеяние. Причем при энергиях 7 эВ - 200 эВ сечение захвата очень сильно возрастает (Резонансный захват). Нейтроны поглощаются без деления и выбывают из цепной реакции.
Для изотопа урана 235U деление возможно нейтронами любых энергий, однако, вероятность деления (сечение реакции деления) для тепловых нейтронов в 100 раз больше чем для быстрых нейтронов c энергией 5 - 6 МэВ.
Цепная реакция деления.
Рассмотрим реакцию деления в смеси изотопов урана 238U и 235U.
В отдельных актах деления энергия рождающихся нейтронов может принимать значения от 100 эВ, до 10 МэВ. Средняя энергия около 2 МэВ. Нейтроны с такой энергией, могут разделить изотопы 238U, но как было сказано выше, на 1 нейтрон вызвавший деление 238U, придется четыре захваченных без деления, а в результате деления возникает в среднем 2,5 нейтрона, следовательно, коэффициент размножения Кэф = 5/2.5 = 0.5 - реакция затухающая. Можно сделать вывод, что при наличии только одного изотопа 238U осуществить цепную реакцию невозможно.
Нейтроны рожденные при делении с энергией 2 МэВ, в результате рассеяния потеряют свою энергию (замедлятся), чем ниже их энергия, тем больше эффективное сечение деления для изотопа 235U, однако в процессе замедления в какой-то момент времени энергия нейтронов будет находиться в диапазоне 7 эВ - 200 эВ, где сечение захвата для ядер 238U очень сильно возрастает. Поэтому до тепловой энергии, где вероятность деления 235U максимальна, сможет замедлится лишь малая часть нейтронов.
В естественном уране количество изотопа 235U составляет 0.7 % остальное 238U и для осуществления реакции необходимо произвести обогащение, увеличить концентрацию изотопа 235U таким образом, чтобы нейтроны после рождения сталкивались с ядрами 235U чаще, чем с ядрами 238U. В этом случае мы можем осуществить цепную реакцию деления на быстрых нейтронах.
Другим способом осуществления реакции деления в уране является использование замедлителя, например воды. Если нейтрон после рождения столкнется с ядром водорода, то он сбросит часть своей энергии, после нескольких столкновений (около 14) его энергия снизится до уровня тепловой, где вероятность деления 235U максимальна. В этом случае мы можем получить цепную реакцию в смеси изотопов урана с меньшем обогащением по 235U.
Реакторы, в которых большинство актов деления вызвано тепловыми нейтронами, называют реакторами на тепловых нейтронах. В таких реакторах обязательно используется замедлитель. В качестве замедлителей обычно используют:
Воду Н2О - реакторы типа ВВЭР, PWR;
Тяжелую воду D2O - реакторы типа CANDU;
Графит - реакторы типа РБМК, Magnox, HTGR.
В реакторе РБМК в качестве замедлителя используют графит. Нейтроны в них теряют свою энергию (замедляются) при столкновении с ядрами углерода. Причем количество столкновений необходимое для замедления быстрого нейтрона до теплового составляет для углерода около 114.
Жизненный цикл нейтронов.
Рассмотрим "пакет" из N0 = 100 нейтронов рожденных со средней энергией 2МэВ. Часть нейтронов, сталкиваясь с изотопом 238U, вызовет его деление. Число нейтронов возрастет до N0 
, где - коэффициент размножения на быстрых нейтронах. Замедлившись до резонансных значений энергии, часть нейтронов поглотится на 238U, и их общее число составит N0 
8, где 8 - вероятность избежать резонансного захвата на 238U. Замедлившись до тепловых энергий, часть нейтронов поглотится в изотопе урана 235U, эта часть составляет:
, где 
5 - вероятность поглощения нейтронов в 235U. На каждый поглощенный нейтрон приходится в среднем 
f5 рожденных нейтронов. В результате количество нейтронов второго поколения составит:
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7