Материал: Баранник Лекции по курсу Теория переноса нейтронов 2012

Сведем реакции с участием нейтронов в табл. 2.2.

Изотопные источники нейтронов – устройства, в которых идут ядерные реакции с образованием нейтронов. При этом излучение, испускаемое радионуклидом (например, α-частицы) вступает в

36

ядерную реакцию со специально подобранным веществом (например, бериллием), в результате которой образуются нейтроны 94 Be + 42 α → 126 C + 01n . Источники нейтронного излучения могут быть

изготовлены на основе испускающих α-частицы радионуклидов, таких, как америций-241 (Am), плутоний-238 (Pu), плутоний-239,

кюрий-248 (Cm), калифорний-252 (Cf), полоний-210 (Po), радий226 (Ra).

Наиболее известными ампульными источниками являются ра- диево-бериллиевый и полониево-бериллиевый. Полоний-210 – это практически чистый α-излучатель с энергией 5,3 МэВ и периодом полураспада 138,4 сут. Распад полония сопровождается γ- излучением слабой интенсивности. Основной недостаток и достоинство одновременно – небольшой срок службы, определяемый периодом полураспада полония. В связи с относительно небольшим периодом полураспада при использовании полония-210 в изделиях практически не возникает проблемы долговременного хранения радиоактивных отходов (РАО).

Другой тип радионуклидного источника нейтронов строится на калифорний-бериллиевой смеси. Калифорний-252 имеет период полураспада 2,6 года. При этом самопроизвольно делится 3 % всех атомов, и при каждом делении выделяется четыре нейтрона. При такой нейтронной эмиссии 1 г выделяет 2,4×1012 нейтр./с. Это соответствует нейтронному потоку среднего ядерного реактора. В настоящее время самыми распространёнными нейтронными источниками являются Pu-239-Be источники. Они не имеют недостатков полоний-бериллиевых и радий-бериллиевых источников, которые остались в прошлом.

Как и при любых ядерных реакциях в случае нейтронных реакций выполняются законы сохранения: энергии, импульса, момента импульса, электрического заряда (зарядового числа), барионного заряда (часто это сохранение числа нуклонов – массового числа А, кроме реакций при очень высоких энергиях с тяжелыми частицами), лептонного заряда, спина, четности волновой функции (при пренебрежении слабым взаимодействием), изотопического спина (при пренебрежении электромагнитным взаимодействием) и др.

37

2.2. Цепная реакция деления и ядерные реакторы

При бомбардировке нейтронами может происходить деление ядер топливных изотопов на несколько ядер-осколков с испусканием α-, β- и γ-излучения, а также ν мгновенных и запаздывающих нейтронов деления. Мгновенные нейтроны образуются сразу же при делении, запаздывающие нейтроны – в результате β-распада нестабильных ядер-осколков деления:

Атомные массы ядер-осколков (рис. 7) лежат в пределах А = 70– 164. Удельный выход более лёгких и более тяжёлых ядер-осколков мал <10-4 %. Удельный выход реакций (каналов) с двумя осколками >98 %. Наиболее вероятное отношение масс осколков 3:2. Кинетическая энергия осколков изменяется обратно пропорционально их массе: Е1/Е2 = m2/m1. Энергия осколков ≈0,8 от энергии реакции деления.

Согласно расчетным и экспери-

ской защите ЯР, антинейтрино слабо взаимодействует с веществом и беспрепятственно покидает ЯР как будто на его пути ничего нет, унося с собой еще часть энергии, и т.д.

Основная теплоотдача идет при торможении ядер-осколков в топливной матрице при их среднем пробеге 8–10 мкм, из-за чего топливо разогревается, а сами осколки остаются внутри топливных таблеток. Так, при делении (выгорании) 1,044 г урана-235 выделяется 1 МВт·сутки энергии, что эквивалентно сжиганию 3000 т условного топлива.

38

Ядерный (атомный) реактор (ЯР) – устройство, в активной зо-

не которого осуществляется контролируемая самоподдерживающаяся цепная реакция (ЦР) деления ядер некоторых тяжелых элементов под действием нейтронов с целью выработки тепловой энергии.

По числу контуров различают одно-, двух-, трехконтурные АЭС. В системе АЭС различают теплоноситель и рабочее тело.

Рабочим телом, т.е. средой, совершающей работу с преобразованием тепловой энергии в механическую и далее в электрическую в турбоагрегате (турбина+генератор), является водяной пар высокой чистоты.

Теплоносителем, отводящим тепло из активной зоны ЯР, может служить и другое вещество (жидкий натрий, газ, вода, др.). Если контур теплоносителя и рабочего тела не разделены, то АЭС называется одноконтурной (АЭС с ЯР РБМК, рис. 8, а): вода в активной зоне ЯР 1 превращается в пар, пар в барабан-сепараторе отделяется от воды и идет на турбину 4. После турбины пар поступает в конденсатор 7, где охлаждается водой из пруда охладителя или водой, охлаждаемой с помощью градирни. Конденсат проходит очистку и все повторяется снова. Циркуляция в петле теплоносителя принудительная, создаваемая главным циркуляционным насосом (ГЦН) 12. По одноконтурной схеме работают Курская, Смоленская и Ленинградская АЭС.

Если контур теплоносителя и рабочего тела разделены, то АЭС называется двухконтурной (АЭС с ЯР ВВЭР, рис. 8, б): вода в первом контуре (контуре теплоносителя) нагревается в активной зоне ЯР 1 до 320 °С, но не кипит при давлении 16 МПа.

39