Деление ядер и ядерные процессы в реакторе

Деление ядер (n,f). Некоторые тяжелые ядра (А>90) в состоянии неустойчивости могут делиться самопроизвольно (спонтанно) или при облучении их нейтронами. Минимальную энергию, которую необходимо внести в ядро, чтобы получить данную ядерную реакцию, называют пороговой или энергией активации Е_акт. Вносимая нейтроном в ядро энергия называется энергией возбуждения Е_возб. Она равна сумме кинетической энергии налетающей частицы и энергии ее связи в образовавшемся ядре. Чтобы произошло деление ядра необходимо выполнение условия . Например, нуклиды ²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu и некоторые другие имеют Е_акт ≈ ε_св , поэтому они способны делиться под действием нейтронов с произвольной энергией. Такие делящиеся нуклиды называют беспороговыми. Нуклиды ²³²Th,²³⁸U и некоторые другие имеют Е_акт>>ε_св , поэтому они могут делиться только нейтронами, имеющими Е_кин > 1 МэВ (пороговые нуклиды). Поглотив нейтрон, тяжелое ядро при Е_возб > Е_акт спустя примерно 10^-14с делится на два осколка, которые в течение 10^-17с разлетаются в противоположных направлениях под действием кулоновских сил отталкивания. Пройдя расстояние ̴ 10^-8 см (до находящегося рядом атома), они приобретут суммарную кинетическую энергию ̴ 165 МэВ. С этого момента осколки тормозятся, при этом отдавая энергию окружающим атомам и молекулам. Находясь в сильно возбужденном состоянии (20 МэВ), они передают часть этой энергии вылетающим нейтронам и γ-квантам: 1-2 нейтрона и 2-3 γ-кванта на каждый осколок. Имея все еще большой избыток нейтронов, но недостаточную для их вылета Е_возб, осколки претерпевают несколько (в среднем три) β-распада с превращением нейтрона в протон и излучением антинейтрино. После β-распада излучаются еще γ-кванты и очень редко испускается запаздывающий нейтрон.

Итак, при делении тяжелого ядра образуются (рисунок 2.1) осколки деления А₁, А₂, мгновенные нейтроны и γ-излучение, β- и γ-излучение осколков и продуктов их распада, антинейтрино, запаздывающие нейтроны. Семейство нуклидов, родоначальником которого является осколок деления топлива, а конечным продуктом стабильный нуклид, образует цепочку продуктов деления [15].

Рисунок 2.1 Схема деления ядра урана (плутония) [15, 53 С.].

Цепная ядерная реакция – поочередный процесс деления ядер топлива, начатый первичным нейтроном, разделившим ядро, в результате чего появляются вторичные нейтроны, способные поддерживать цепную реакцию деления. Цепная реакция бывает самоподдерживающейся (k>=1) и затухающей (k<1). Необходимым условием самоподдерживающейся цепной реакции является рождение в новом поколении не менее одного нейтрона. Достаточность этого условия зависит от результата «состязания» четырех процессов, которые могут иметь место в размножающей среде (среде, содержащей нуклиды ядерного топлива): а) деление ядер топлива, б) радиационный захват в топливе, в) захват нейтронов конструкционными материалами активной зоны, а также компонентами топлива, не участвующими в процессе деления, г) утечка нейтронов.

Эффективный коэффициент размножения с учетом утечки нейтронов для критического ядерного реактора на тепловых нейтронах имеет вид:

, (2.1)

где

р_зам и р_диф – вероятности избежать утечки нейтрону в процессе замедления и диффузии;

– вероятность нейтрону избежать утечки (остаться в размножающей среде) в процессе замедления, то есть с момента рождения до его замедления до тепловой энергии. Чем больше размеры реактора, то есть чем меньше параметр В, тем больше р_зам;

– вероятность тепловому нейтрону избежать утечки в процессе диффузии. Чем больше размеры зоны (меньше В) и меньше L, тем больше р_диф.;

В (м^-2) – геометрический параметр, который зависит от геометрии (размеров и формы) активной зоны реактора. Для цилиндрической АЗ с радиусом R(м) и высотой H(м) геометрический параметр равен [15]:

, (2.2)

а для сферической АЗ радиусом R(м) –

, (2.3)

где

δ_эф (м) – эффективная добавка – уменьшение линейных размеров АЗ за счет отражателя нейтронов.

Между диаметром и высотой цилиндрической АЗ существует альтернативное соотношение, которое обеспечивает минимальные критические размеры (то есть минимальную потерю нейтронов) [15]:

. (2.4)

РАДИАЦИОННЫЙ НАГРЕВ

Различные источники радиационного излучения, такие как мгновенные гамма-лучи, производимые в результате деления, гамма-кванты продуктов деления, захватное гамма-излучение, гамма-излучение продуктов активации вносят вклад в гамма-излучение, создаваемое реактором.

Гамма-изучение при делении

Основным источником гамма-излучения в реакторе ВВР-К являются гамма-излучения при делении и продуктов деления урана-235. Энергия гамма-излучения, выделяемая при делении, делится на четыре временных интервала, причем первый и последний дают вклад более 90%. Эти временные диапазоны (t):

· Мгновенные t ≤ 0.05 μс (7.2 MэВ);

· Короткоживущие 0.05 < t ≤ 1.0 μс (0.43 МэВ);

· Промежуточные 1.0 μс < t ≤ 1.0 с (0.55 МэВ);

· Запаздывающие t > 1 c (0.65 МэВ).

Спектр гамма-излучения, производимый одновременно с делением ²³⁵U, и может быть аппроксимирован сегментированным подбором

· Г (E) = 6.6 при 0.1 < E < 0.6 MэВ;

· Г (E) = 20.2 exp (-1.78E) при 0.6 < E < 1.5 MэВ;

· Г (E) = 7.2 exp (-1.09E) при 1.5 < E < 10.5 MэВ.

Гамма-излучение продуктов деления

Большинство осколков деления или изотопов продуктов деления, полученных в результате деления, являются радиоактивными и распадаются путем бета- и/или гамма-излучения. Между 10^-8 и 10^-3 с после деления ²³⁵U основная часть гамма-излучения идет от распада изомеров в возбужденных состояниях в основное состояние, а затем - от бета-распада нестабильных ядер. Интегрирование по времени гамма-квантов от продуктов деления дает величину и форму распределения энергии, близкую к распределению мгновенных гамма-квантов: N(E) = 7.4 еxp(-1.1E) фотонов/деление/MэВ.

Во время вычислений эта часть распределения учитывается в распределении с мгновенными гамма-квантами деления.

Захватное гамма-излучение

Радиационный захват нейтронов при тепловых и эпитепловых энергиях ядрами материалов, присутствующих в реакторе, производит вторичные гамма-лучи, которые обычно называют захватными гамма-лучами. Они быстро испускаются из составных ядер, образованных за счет захвата нейтронов. Полная энергия, доступная для гамма-квантов от захвата, представляет собой сумму кинетической энергии налетающего нейтрона и его энергии связи в составном ядре.

Гамма-излучение продуктов активации

Иногда ядро, образованное нейтронным взаимодействием, может быть радиоактивным и распадается с определенным периодом полураспада, излучая фотоны и другие частицы. Эти гамма-лучи продуктов активации важны для конструкции защиты и вызывают особую обеспокоенность после остановки реактора. Значительное количество такого излучения испускаются из материалов, таких как, облученные образцы, конструкционные материалы и теплоноситель реактора, которые подверглись воздействию высокого потока нейтронов в активной зоне. Реакция ¹⁶O (n,p) ¹⁶N, вызванная активацией воды быстрыми нейтронами, испускает гамма-лучи с энергией 6,1 и 7,1 МэВ. Период полураспада составляет 7.4 с, достаточно короткий, чтобы обеспечить высокую активность в водяном теплоносителе [16].