Выгорание ядерного топлива. Классификация ядерных реакторов. Принципиальная схема ядерного энергетического реактора. Термоядерные реакторы. Теплообменный аппарат ядерных энергетических установок, страница 28

     При энергии нейтронов ниже нескольких МэВ определяющими являются следующие два механизма взаимодействия нейтронов с ядрами:

-потенциальное рассеяние (рассеяние на ядре как на упругом теле);

-проникновение нейтрона через поверхность ядра и образование составного ядра.

Составное ядро представляет собой сильно возбужденный изотоп ядра-мишени. Массовое число этого изотопа на единицу больше массового числа исходного ядра.

Способы распада составного ядра

Составное ядро, образовавшееся при захвате нейтрона и находящееся в возбужденном состоянии, может снять возбуждение одним из перечисленных ниже способов. В зависимости от того, какой из возможных способов будет реализован, произойдет та или иная реакция взаимодействия нейтрона с ядром. Для обозначения ядерных (в данном случае - нейтронных) реакций используются общепринятые обозначения.

Реакция (n,γ)-радиационный захват:составное ядро "разряжается", испуская фотон. Пример:²³⁸U (n,γ) ²³⁹U.

Образующееся в результате ядро ²³⁹U - β- радиоактивно(23 мин.) - ²³⁹Np- β – радиоактивно( 2,3 дня ) - ²³⁹Ри.- альфа-активно( Т_1/2=2,411•10⁴ лет.) Радиационный захват нейтронов в уране - 238 - реакция очень важная для физики реакторов: в результате этой реакции природный уран превращается в ядерное топливо – плутоний - 239.

     Упругое рассеяние через составное ядро - реакция (n,n): составное ядро "разряжается", испуская нейтрон и образуя ядро-продукт, идентичное ядру-мишени и находящееся в том же, основном, энергетическом состоянии. Пример:²³⁸U (n,n) ²³⁸U.

Как радиационный захват, так и упругое рассеяние нейтронов - процессы, энергетически возможные при взаимодействии нейтронов любых энергий с любыми ядрами.

Реакция (n,p). Если , то составное ядро может "разрядиться" испустив протон. Пример:¹⁴N (п,р) ¹⁴C.

Временные интервалы, поддающиеся определению этим методом, составляют от тысячи до десятков тысяч лет (период полураспада ¹⁴C равен 5730 лет).

Реакция ¹⁴N (n,р) ¹⁴C экзоэнергетична (В_n(¹⁵N) - В_p(¹⁵N) = 0,63 МэВ > 0)  Именно эта реакция определяет биологическое действие медленных нейтронов: протоны, образующиеся в этой реакции с энергией 0,6 МэВ, ионизуют и повреждают молекулы клеточных структур.

Реакция (n,α). Если , то составное ядро может испустить альфа-частицу, что приведет к реакции (n,α).  Примером экзоэнергетической реакции рассматриваемого типа является реакция:¹⁰В (п,α ) ⁷Li.

Эта реакция часто используется для поглощения избыточных нейтронов, образуемых в цепной реакции деления (для этого в реактор вводятся, а если надо уменьшить поглощение - выводятся борные регулирующие стержни).

Реакция ¹⁰В (п,α )  весьма экзоэнергетична: В_n, (¹¹В) - В_α (¹¹В) = 2,79 МэВ.

    Образующиеся после испускания мгновенных нейтронов ядра хотя и не могут уже испустить еще один нейтрон (так как для них М(А,Z) < М(А-1,Z)), неустойчивы по отношению к - распаду (так как для них М(А,Z) > М(А,Z+1). Образующиеся при бета-распадах осколков ядра также оказываются бета-активны, так что каждый продукт деления испытывает целую цепочку бета-распадов, прежде чем образуются стабильные ядра.    

     Если энергия нейтрона превышает энергию связи нейтрона в ядре-мишени, кроме неупругого рассеяния становится возможной реакция (n,2n), при которой ядро, образующееся при неупругом рассеянии, испускает еще один– второй– нейтрон. Поскольку энергетический порог реакции (n,2n), как правило, превышает 5–7МэВ, лишь небольшая доля нейтронов деления способна вступать в эту реакцию. Поэтому реакция (n,2n) и другие реакции с множественным испусканием частиц–(n,n΄α), (n,n΄р) и т.п., как правило, не играют заметной роли в физике ядерных реакторов деления.

46 Реакторы на быстрых нейтронах с натриевым теплоносителем