Радиоактивті ыдырау. Ядролық реакциялар
Атом ядроларының бөліну механизмі
жүктеу/скачать 1,06 Mb.
|
Лекция 2
| 1.4 Атом ядроларының бөліну механизмі
1.4.1 Нейтрондардың ядролармен өзара әрекеттесуі. Әртүрлі ядролық реакциялардың нәтижесінде бос нейтрондар пайда болады. Бос нейтрондар тұрақсыз бөлшек болып табылады, олардың орташа өмір сүру уақыты 15 минут. Нейтрондардың ядролармен өзара әрекеттесуінің негізі ядролық күштердің болуымен байланысты. Нейтрондардың ядролармен өзара әрекеттесуінің сипаты көп жағдайда нейтрондардың энергиясына байланысты болады. Сондықтан нейтрондарды үш энергетикалық топтарға бөледі: - тез (0,1 - 10 МэВ); - аралық (0,2 - 105 эВ); - жылулық (менее 0,2 эВ). Нейтрондардың ядроға қосылуы (нейтронды қармау) әдеттке сирек болады және оның ядромен соқтығысуы көп жағдайда шашыраумен аяқталады. Әр актіде ядроның шашырауы импульс серпімін алады, сол кезде нейтронның энергиясы азаяды. Нейтрондардың шашырау кезіндегі кинетикалық энергияның кему үрдісі баяулату деп аталады. Нейтронның ядромен қармауы кезінде құрама ядро түзіледі (1.15), содан кейін екі ядроға бөлінеді (1.16): (1.15) (1.16) мұндағы - ядросының бөліну өнімі. 1.4.2 Атом ядроларының бөліну механизмі. Ауыр ядролардың бөліну теориясын бір мезетте және бір-біріне тәуелсіз физиктер Н.Бор мен Я.И.Френкель ұсынды. Бұл теория итальян физигі Э.Фермидің тәжірибелеріне негізделген еді. Тәжірибелер негізінде трансуран элементтерді (Z 92) алу үшін ауыр ядроларды нейтрондармен әсер етуді ұсынды. Бірақ өзінің тәжірибелерінде Ферми жаңа трансуран элементтерін ала алмады, ол бірінші рет уран ядросын бөлшектеді. Бор мен Френкель теориясы бойынша бастапқы ядроға нейтрон қосылғанда байланыс энергиясы есебінен қозған күйге түседі де, ядроның бөлінуі кезінде құрама ядроның түзілуіне алға тартты. Қозған ядро деформациялана бастайды: алғашында ол эллипсоид пішініне ауысады, содан соң энергия жеткілікті болғанда гантель пішініне, соңында кулон күштерінің әсерінен тебіледі де, екі жарықшаға үзіледі (1. 4 сурет). а) деформацияланбаған ядро; б) қозған ядроның деформациялануының бастапқы және в) соңғы стадиясы; г) ядроның жарықшаға бөлінуі Сурет 1.4 – Ядроның бөліну үрдісінің сұлбасы Ядроның жарықшаға бөлінуі кезінде кулондық және ядролық күштердің әсерінен энергияның өзгеруі жүреді де, кулондық энергия (Екул) төмендеп, беттік ядролық күштердің энергиясы (ЕS) артады. Ал заряды Z 45 ядролар үшін Екул азаюуы өте аз мөлшерде болғандықтан ЕS орынын толықтырмайды да, жеңіл ядролар бөлінуге бейім болмайды. Сондықтан олар синтездеу реакциясына қатыса алады. Егер Z 45 Екул ЕS, сондықтан осындай орташа ядролар тұрақты болады да, олар бөлінуге де, синтездеуге де бейім болмайды. Z үлкен болған жағдайда Екул төмендеуі үлкен болады, ал ЕS үлкен болады. Сондықтан ауыр ядролар бөліну нәтижесінде тұрақты жағдайға ауысады. Ауыр ядролардың бөліну мүмкіндігі бөліну параметрлеріне Z2/А байланысты болады. Мұндағы Z – ядроның заряды, А – ядроның атомдық массасы, олар Екул және ЕS күштерінің қатынасын сипаттайды. Ядролардың бөлінуі энергетикалық мүмкіндігі Z2/А 17 және А 90 ядролар үшін болады. 1.5 суретте ядролардың бөлінуі кезінде әртүрлі параметрлердің жарықшақ арасындағы қашықтыққа тәуелділігі көрсетілген. 1 - Z2/A < 17; 2 - Z2/A 35; 3 - Z2/A 45 Сурет 1.5 - Ядролардың бөлінуі кезінде әртүрлі параметрлердің жарықшақ арасындағы қашықтыққа тәуелділігі Бөлінетін ядроның тыныштық энергиясы нейтронмен өзара әрекеттесу үрдісі кезінде, деформацияда және одан әрі жарықшаққа бөліну кезінде өзінің бастапқы мәнінен соңғы Еоск дейін бір сарынды емес, максимум арқылы жүреді. Максимумның биіктігі бастапқы энергияның деңгейінің бөлінуінің энергетикалық барьері болғандықтан, оны бөлінудің белсендіру энергиясы (немесе бөліну шегі) ЕА деп аталады. Сондықтан осындай шектің ЕА болуы ядролардың өздігінен бөлінуін қиындатады. Бөліну шегі бөліну параметрлерінің артуына байланысты тез кемиді. Ол Z2/A 20 (күміс) үшін 45-50 МэВ-ке тең, Z2/A 35 (торий, уран, плутоний) үшін 5,5-5,9 МэВ-ке тең, Z2/A 45-50 (Z 120 гипотетикалық элементтер) үшін нөлге тең болады. Ядроның бөлінуі тез (лездік) болуы үшін, ол бөліну шегінен артық болатын қозу энергиясын Е* алу керек (1.17): Е* = Есв + Ек ЕА (1.17) Е* ЕА болатын нуклидтерді бөлінетін деп атайды. Бөлінетін нуклидтерінің белгілі мөлшерін алу үшін бөлінудің тізбектік реакциясын қамтамасыз етуге жететін заттарды ядролық отын деп атайды. Ядролық отындарда бөлінетін нуклидтердің және болуы тізбектік бөліну реакциясын қамтамасыз етеді (1.18), ал бұл нуклидтер табиғатта кездеспейді, оларды жасанды жолмен ядролық реакциялар арқылы нейтрондардың әсерінен алады (1.19). (1.18) (1.19) Жасанды бөлінетін нуклидтер - белсенді болады, бірақ олардың жартылай ыдырау периоды (2,4104 жыл; 1,6 105 жыл) өте үлкен болғандықтан, оларды тұрақты деп қарастыруға болады. Бос нейтрондардың артық мөлшері бар бөлінетін нуклидтердің жинақталуы ядролық реакторларда жүргізілуі мүмкін. Жасанды бөлінетін заттарды алу үшін қолданылатын торий мен уранның изотоптары отын шикізаты деп аталады. Ауыр ядролардың бөліну үрдісі 30 бағыт бойынша төмендегі сұлбада жүруі мүмкін (1.20): (1.20) Бөліну жарықшақтарының өнімдері: ; kn нейтрондары (k=0,1,2,...,5); - кванттары мен нейтрино болып табылады. Бөліну жарықшақтардың арасында массалық саны 72-ден 161-ге дейінгі және Z мәні 30-дан 65-ке дейінгі нуклидтер болады. Бөліну өнімдерінің негізгі ерекшелігі олардың радиоактивтілігі болып табылады. Өйткені түзілетін ядролардың жарықшағында нейтрондардың артық мөлшерінің болуымен байланысты болады. Жарықшақтар тұрақсыз болғандықтан, олар бөлінудің тізбектік реакциясын тудыратын екіншілік нейтрондарды шығарады. 1.8.3 Бөлінудің тізбектік реакциясы. Бөлінудің тізбектік үрдісі ядролық реакциялардың негізінде жүзеге асырылады. Бір нейтронмен қозғаннан кейін екіншілік нейтрондар туындайды. Бөлінудің әр актісінде тек бір нейтрон пайда болатынын ескерсек, онда тізбектік үрдіс сіңіру және нейтрондарды жоғалту кезінде тармақталмаған болар еді. Бөлінудің әр актісінде түзілетін біреуден артық нейтрон тармақталған тізбектік реакцияның дамуына әсер етеді (1.6 сурет). Екіншілік нейтрондардың бірі басталған тізбекті жалғастырады, ал қалғаны жаңа тізбек құрып, одан әрі тармақталынады. Тізбектік реакцияның туындауы тізбектің үзілуіне (нейтронның сіңірілуі мен жоғалуы есебінен) әкеліп соғатын үрдістердің болуына кедергі келтіреді. Егер тізбектің туындауынан тізбектің үзілуі көп болса, онда тізбектік реакция сөніп қалады. Екінші жағынан жаңадан түзілетін тізбектер, үзілгендерден көп болса, онда тізбектік реакция дами бастайды. Жаңа тізбектің саны мен үзілгендер санының арасындағы теңдік критикалық жағдай деп аталады. Критикалық жағдай екі аймаққа бөледі: біріншісі, тізбектік реакцияның даму аймағы, ал екіншісі тізбектік реакцияның сөну аймағы. Сурет 1.6 – Ядроның бөлінуінің тізбекті реакциясының сұлбасы Бөлінудің тізбектік реакциясын жүруін талдау үшін көбею коэффициентін енгізеді. Көбею коэффициенті алдыңғы ұрпақтардағы талдау үшін талдау коэффицентін енгізеді, ni нейтрондар санының қатынасы кез келген көрсететін ni-1 санын алдыңғы нейтронға көрсетеді: k = ni / ni-1 (1.21) Егер k=1, онда критикалық жағдай орын алады (тұрақты тізбекті реакция). Егер k 1, бұл жүйе жағдайы критикаалды (тізбекті реакция сөнеді) деп аталады. Критикаүсті жағдайда k 1 тізбекті реакция өсе түседі. Бақыланатын ядролық реакцияны алу үшін ол көбейтуші ортада жүргізіледі, соның ішінде ядролық отын және баяулатқыш. Көбейтуші орта гомогенный (ядролық отын және баяулатқыш біріңғай қоспада) және гетерогенди (ядролық отын және баяулатқыш бір бірінен ажыратылған) болып бөлінеді. Баяулатқыш ретінде жеңіл суды (Н2О), ауыр суды (Д2О) немесе графит қолданылады. Тізбекті реакция бөлу үшін әр түрлі ядролық отын және баяулатқыш қолданады: 1) табиғи уран ауыр сулы немесе графитті баяулатқышпен аздап байытылған уран кез келген баяулатқышпен 3) жоғары байытылған уран немесе жасанды ядролық отын (плутония) баяулатқызсыз (жылдам нейтрондағы тізбекті реакция) жүктеу/скачать 1,06 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|