Жылдам, резонансты нейтрондардың ядромен жұмыс істеуі

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 14 бет
Таңдаулыға:

ҚАЗАҚСТАН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

СЕМЕЙ ҚАЛАСЫНЫҢ ШӘКӘРІМ АТЫНДАҒЫ МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ

Инженерлік-технологиялық факультеті

Техникалық физика және жылуэнергетика кафедрасы

СӨЖ

Тақырыбы: Жылдам, резонансты нейтрондардың ядромен жұмыс істеуі

Орындаған: Серікқан Е. Е.

Тексерген: Нургалиев Д. Н.

Семей 2015

Мазмұны

Кіріспе3

Нейтрондық физика4

Нейтрондар және олардың ядролармен өзара әсерлесу ықтималдылығы5

Жылулық және шапшаң нейтрондардағы тізбекті бөліну реакциялары6

Нейтрондардың заттармен әрекеттесуі11

Жылдам, резонансты және жылу нейтрондардың ядролармен әрекеттесуі14

Қорытынды16

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі17

Кіріспе

Осы өздік жұмыс жылдам, резонансты нейтрондардың ядромен жұмыс істеуі туралы қарастыратын боламын. Нейтрондық физика - нейтрондардың қасиеттері мен құрылымын (өмір сүру уақыты, магниттік моменті және т. б. ), алу тәсілдері, сонымен қатар оларды қолданбалы және ғылыми зерттеулер мақсатында пайдалану мүмкіндіктерін зерттеумен айналысатын физиканың элементарлық бөлшектерінің бөлімі. Нейтрондарда электрлік зарядтың жоқтығы негізінен олардың атом ядросымен тікелей әсерлеседі немесе ядролық реакция тудырады немесе ядрода таралуына әкеп соғады. Нейтрондық-ядролық әсерлесудің мінездемесі мен интенсивтілігі (нейтрондық қиылысу) болмысынан нейтрондардың энергиясынан тәуелді.

Нейтрондық физика

Нейтрондық физика - нейтрондардың қасиеттері мен құрылымын (өмір сүру уақыты, магниттік моменті және т. б. ), алу тәсілдері, сонымен қатар оларды қолданбалы және ғылыми зерттеулер мақсатында пайдалану мүмкіндіктерін зерттеумен айналысатын физиканың элементарлық бөлшектерінің бөлімі. Нейтрондарда электрлік зарядтың жоқтығы негізінен олардың атом ядросымен тікелей әсерлеседі немесе ядролық реакция тудырады немесе ядрода таралуына әкеп соғады. Нейтрондық-ядролық әсерлесудің мінездемесі мен интенсивтілігі (нейтрондық қиылысу) болмысынан нейтрондардың энергиясынан тәуелді. Нейтрондық физикада негізінен энергиясы 10 ⁷ -ден 10 ^-7 эВ дейін (Де Бройлдың толқын ұзындығы 10 ^-12 -ден 10 ^-5 см дейін) нейтрондар пайдаланылады. Осы энергия және толқын ұзындығы диапазонына сәйкес 10 ⁻¹² см басталатын өлшемді нысандар және 10 ⁶ - 10 ⁷ эВ (атом ядросы) қозғыш энергияға тән 10 ⁻⁴ см өлшемді оптикалық микроскоппен көрінетін нысандарға дейін (мысалы биополимерлер макромолекулалары) зерттеледі. Нейтрондық сәулеленуді шартты түрде алу тәсілдері және тіркелу нейтрондары, сонымен қатар оларды пайдалану бағыттарымен ерекшеленетін энергетикалық диапазондарға бөледі. 1-кестеде нейтрондардың физикалық қасиеттері келтірілген.

1кесте. Нейтрондардың физикалық қасиеттері

Нейтрондар

Энергия Ε, эВ

Жылдамдық v , см/с

Толқынның орташа ұзындығы λ, см

Орташа температура Τ _ср , К

Нейтрондар: Жылдам

Энергия Ε, эВ: > 10 ⁵

Жылдамдықv, см/с: > 1, 4·10 ⁹

Толқынның орташа ұзындығы λ, см: < 10 ⁻¹²

Орташа температура Τср, К: 10 ¹⁰

Нейтрондар: Баяу

Энергия Ε, эВ:

Нейтрондар: Аралық

Энергия Ε, эВ: 10 ⁴ −10 ³

Жылдамдықv, см/с: 1, 4·10 ³

Толқынның орташа ұзындығы λ, см: 3·10 ⁻¹¹

Орташа температура Τср, К: 10 ⁸

Нейтрондар: Резонанстық

Энергия Ε, эВ: 0, 5−10 ⁴

Жылдамдықv, см/с: 1, 4·10 ⁷

Толқынның орташа ұзындығы λ, см: 3·10 ⁻¹⁰

Орташа температура Τср, К: 10 ⁶

Нейтрондар: Жылулық

Энергия Ε, эВ: 0, 5−5·10 ⁻³

Жылдамдықv, см/с: 2·10 ⁵

Толқынның орташа ұзындығы λ, см: 2·10 ⁻⁸

Орташа температура Τср, К: 300

Нейтрондар: Суық

Энергия Ε, эВ: 5·10 ⁻³ −10 ⁻⁷

Жылдамдықv, см/с: 4, 4·10 ⁴

Толқынның орташа ұзындығы λ, см: 9·10 ⁻⁸

Орташа температура Τср, К: 10

Нейтрондар: Ультрасуық

Энергия Ε, эВ: 10 ⁻⁷

Жылдамдықv, см/с: 4, 4·10 ²

Толқынның орташа ұзындығы λ, см: 9·10 ⁻⁶

Орташа температура Τср, К: 10 ⁻³

Нейтрондар және олардың ядролармен өзара әсерлесу ықтималдылығы

Біз нейтрондардың ядролармен негізгі реакцияларын қарастырдық. Нақты жағдайда қандай реакцияның жүретіндігін анықтау мүмкін емес. Сондықтан реакциялардың қай түрінің өтетіндігінің ықтималдылығын бағалау үшін реакцияның эффектілік қимасының шамасы енгізіледі.

Реакцияның микроскопиялық қимасы σ _k - деп оған ұшып кірген нейтрон осы берілген реакцияны туғызатын, ядро айналасындағы көлденең қиманың эффектілік диаметрін айтады.

Қима ауданы неғұрлым үлкен болса, берілген реакцияның ықтималдылығы да үлкен.

Егер σ _k реакцияның макроскопиялық қимасын бірлік көлемдегі N _j ядролар санына көбейтсе , реакцияның Σ макроскопиялық қимасы алынады

Σ _k = σ _k × N _j

Реакцияның макроскопиялық қимасына (реакция ықтималдылығына) ядромен соқтығысу алдындағы нейтронның ие болатын энергиясы әсер етеді.

Ядромен соқтығысатын нейтрондар әртүрлі энергияға ие болады. Ядролық реакциялар физикасында энергияны өлшеу үшін мега-электрон-вольт [МэВ] 1 МэВ = 1. 602 x 10 ^-13 Дж (1 МэВ =1 000 000 эВ) өлшемі қолданылады.

Энергия шамасына байланысты нейтрондарды мынадай топтарға бөледі:

Жылулық- қозғалыс энергиясы ортаның жылулық қозғалыс энергиясына (Е < 0. 5 эВ) жуық.

Баяулатушы - энергиясы 0. 5 эВ-тен 2000 эВ аралығында жатады.

Шапшаң - энергиясы 2000 эВ-тен артық.

Бөліну актісінінің басым көпшілігі шапшаң нейтрондар нәтижесінде өтетін реакторларды шапшаң нейтронды реакторлар деп атайды.

Бөліну актісінінің басым көпшілігі жылулық нейтрондар нәтижесінде өтетін реакторларды жылулық нейтронды реакторлар деп атайды.

Сондай-ақ, нейтрондардың спектріне байланысты аралық нейтронды және аралас спектрлі реакторлар деп бөледі.

Аралық нейтронды реакторларда тізбекті реакцияны ұстап тұру үшін энергиялары 0, 025 ÷ 1000 эВ нейтрондар қолданылады. Бұл реакторлардың актив зонасындағы бөлінетін заттардың концентрациясы сондай, шапшаң нейтрондар жұтылу алдында 1 ÷ 1000 эВ энергияға дейін баяулайды. Мысалы, бериллий мен ²³⁵ U -дің ядроларының қатынасы 150-ден 250 аралығында жатады.

Аралас спектрлі реакторларда оның әр бөлігіндегі нейтрондар спектрлерінің бір-бірінен айырмашылығы бар. Осындай реакторларда жылу бөлуші элементтер (ТВЭЛ) ішіндегі нейтрондар спектрі шапшаң нейтрондағы реакторға, ал жалпы нейтрондық өріс - жылулық нейтрондардағы реакторға сәйкес келеді. Осы реакторларда отынның регенерациясы шапшаң нейтрондарда өтеді, бұл ядролық отынның регенерация коэффициентін аттыруға мүмкіндік береді. Бұл конструкцияның кемшілігі - диаметрі үлкен (ондаған сантиметр) жылу бөлуші элементтерден жылу алудың қиыншылығында. Осы уақытта практикалық тұрғыдан іске асқан емес.

Жылулық және шапшаң нейтрондардағы тізбекті бөліну реакциялары

Жылулық нейтрондарда қармау қимасы өте үлкен және бір ядродан екіншіге өткенде қатты өзгереді. Бірқатар элементтердің ядроларында (мысалы, кадмий) бұл қималар ²³⁵ U-ға қарағанда жүздеген есе тіпті одан да артық болады. Сондықтан қондырғылардың актив зонасында жылулық нейтрондар үшін бірқатар қоспаларға тазалықтарына қатысты өте жоғары талап қойылады.

Шапшаң нейтрондар үшін қармау қимасы кішкене және бір-бірінен көп айырмашылығы жоқ болғандықтан, жоғары жиілікке қатысты проблемалар туындамайды. Шапшаң нейтрондардың басқа да артықшылығы - қайталау коэффициентінің жоғарылығында.

Жылулық реакциялардың шапшаң реакциядан ерекше қасиеті мынада - актив зонада отын өте күшті араластырылған, яғни отынның бір ядросына бөлінуге қатыспайтын ядролардың көп мөлшері келеді. Мысалы, табиғи уранның жылулық реакциясында ²³⁵ U отын ядросына ²³⁸ U шикізатының 140 ядросы келеді, ал шапшаң реакцияда ²³⁵ U ядросына келетін ²³⁸ U ядросы бес-алтаудан артық болмайды. Отынның араластырылуы жылулық реакция кезінде шапшаңға қарағанда энергия көп мөлшерде бөлінеді. Сондықтан жылулық реакция кезінде актив зонадан жылуды бұру оңай, ол бұл реакцияны шапшаңға қарағанда үлкен қарқындылықпен жүргізуге мүмкіндік береді.

Тек бөлінетін изотоптың бір түрінен ғана тұратын біртекті ортада көбею коэффициенті η болуы керек еді. Бірақ, нақты жағдайларда, бөлінетін ядролармен қатар, басқа да бөлінбейтін ядролар жолығады. Осы бөтен ядролардың нейтрондарды қармап алуы нәтижесінде көбею коэффициентіне әсері болады. Осыдан k _∞ , k коэффициенттерін анықтайтын үшінші шама - бөлінбейтін ядроның біреуімен нейтронның қармауланбау ықтималдылығы. Нақты қондырғыларда «бөтен» қармау баяулатқыш ядроларында, әртүрлі конструкциялық элементтер ядроларында, сондай-ақ бөліну өнімдері мен қармау өнімдерінде өтеді.

Баяу нейтрондарда тізбекті реакцияны жүзеге асыру үшін актив зонаға арнайы заттар енгізеді - бөлу нейтрондарын жылулыққа айналдыратын баяулатқыштарды. Іс жүзінде баяу нейтрондардағы тізбекті реакция табиғи немесе уранның жеңіл байытылған ²³⁵ U изотобында жүреді. Актив зонада ²³⁸ U изотобының көп болуы баялау процесін қиындатады да, баяулатқыштың сапасына деген талаптарды күшейте түседі. Баяулатқышы бар актив зонадағы нейтрондардың бір буынының өмірін екіге бөлуге болады: жылулық энергияға дейін баулау және жұтылуға дейін жылулық жылдамдықтармен диффузиялану. Нейтрондардың негізгі бөлігі жұтылусыз-ақ баяулауы үшін мынадай шарт орындалуы қажет

σ _упр /σ _захв >> n,

мұндағы σ _упр , σ _захв- энергиялары бойынша орташаланған серпімді және қармау қималары, n -жылулық энергияға жетуге қажет болатын нейтрондардың баяулатқыш ялроларымен соқтығысу саны. Бұл сан баяулатқыштың массалық саны артқан сайын тез артады. ²³⁸ U үшін ол бірнеше мың ретке ие. Осы изотоп үшін σ _упр /σ _захв қатынасы шапшаң нейтрондар үшін 50-ден аспайды. Әсіресе нейтрондарды қармауға байланысты 1кэв-тен 1 эв-ке дейінгі резонанстық аралығы «қауіпті». Бұл аймақта нейтрондардың ²³⁸ U ядроларымен әсерлесуінің толық қимасының қарқынды резонансы өте көп болады (1-сурет) . Төмен энергияларда радиациялық ендер нейтрондықтардан басым түседі. Сондықтан резонанстар аймағында σ _упр /σ _захв қатынасы бірден кіші _. Бұл қайсы бір резонанс аймағына түскен нейтрон бірден жүз пайыздық ықтималдылықпен жұтылып кетедіндігін көрсетеді. Уран сияқты ауыр ядрода баяулау «өте кішкене қадаммен» өтетіндіктен, резонанстық аймақ арқылы өткенде баулаушы нейтрон міндетті түрде бір резонансқа соқтығысып жұтылады. Осыдан табиғи уранда бөтен қоспасыз тізбекті реакция жүргізу мүмкін еместігі шығады: шапшаң нейтрондарда реакция η-ң аздығынан жүрмейді, ал баяу нейтрондар пайда бола алмайды.

Нейтрондарды резонанстық қармауды болдырмау үшін баяулату үшін өте жеңіл ядроларды қолдану қажет, оларда баяулау «өте үлкен қадамдармен» жүреді, сондықтан нейтрондардың резонанстық аймақтан секіріп өту ықтималдылығы тез артады. Ең жақсы баяулатқыш-элементтерге сутегі, дейтерий, берилий, көміртегі жатады.

2-сурет. Баяулатқышы бар ортадағы тізбекті реакцияның сұлбасы

Практикада негізінен баяулатқыш ретінде ауыр су, берилий, берилий тотығы, графит, сондай-ақ кәдімгі су қолданылады. Кәдімгі су нейтрондарды ауыр судан кем баяулатпайды, бірақ оларды көп мөлшерде жұтады. Баяулатқыш өте жақсы тазартылуы қажет. Сондай-ақ, баяу реакция жүру үшін баяулатқыштар ураннан ондаған, тіпті жүздеген есе көп болуы қажет, тек осы жағдайда ғана нейтрондардың ²³⁸ U ядроларымен резонанстық соқтығысын болдырмауға болады.

Ортаның баяулатқыш қасиеттері жуықтап алғанда үш шамамен сипатталуы мүмкін: баяулау кезінде нейтрондардың баяулатқышпен жұтылын болдырмау ықтималдылығы, ²³⁸ U ядроларымен р резонанстық қармауды болдырмау ықтималдылығы және жылулық нейтронның отын ядросымен, бауяулатқышпен емес, f жұтылу ықтималдылығы. f шамасы жылулық қолдану коэффициенті деп аталады. Бұл шамаларды дәл есептеу өте күрделі. Оларды есептеу үшін көбінесе жартылай эмпирикалық жуықтау формулаларды қолданады.

p және f шамалар тек баяулатқыштың салыстырмалы санына ғана байланысты емес, сондай-ақ актив зонадағы оның орналасу геомериясына да байланысты. Уранның біртекті қоспасынан және баяулатқыштан тұратын актив зона гомогенді, ал уран мен баяулатқыштар кезектескен блоктарынан тұратын жүйе гетерогенді делінеді (3-сурет) . Гетерогенді жүйенің сапа жағынан ерекшелігі сол, ондағы уранда пайда болған шапшаң нейтрон резонанстық энергияға жетпей баяулатқышқа өтіп кетеді. Бұл резонанстық қармауды болдырмау ықтималдылығын арттырады

p _гет > p _гом.

Екіншіден, керісінше, баяулатқышта жылулық болып, нейтрон тізбекті реакцияға қатысуы үшін, таза баяулатқышта жұтылмай, оның шекарасына дейін диффундалынуы керек. Сондықтан жылулық қолдану коэффициенті f гетерогендік ортада гомогендік ортаға қарағанда кем болуы қажет:

f _гет < f _гом .

Жылулық реактордың k _∞ көбею коэффициентін бағалау үшін жуықталған төрт көбейткіштер формуласы қолданылады

k _∞ = η pf ε

Алғашқы үш көбейткіштер жоғарыда қарастырылған. Ε шамасы шапшаң нейтрондардағы көбею коэффициенті делінеді. Бұл коэффициент баяуламай тұрып шапшаң нейтрондардың біраз бөлігінің бөлінуге қатысуын есептеу үшін енгізіледі. Мағынасы бойынша ε коэффициенті әрқашанда бірден артық. Бұл артықшылық үлкен емес. Жылыулық реакция үшін бұл шама ε= 1. 03. Шапшаң реакциялар үшін төрт көбейткіш формуласы қолданылмайды, семебі әр коэффициент энергияға байланысты және жылдам өтетін реакцияларда энергиялар айырмашылығы өте жоғары.

Нейтрондардың заттармен әрекеттесуі

Нейтрондардың заттан өтуі кезінде жұту ортасының ядроларымен әрекеттесуінің екі түрі орын алады. Нейтрондардың зат ядросымен соқтығысуы нәтижесінде соңғысының табиғаты өзгермейді, ал нейтрондар атом ядроларында ыдырап кетеді. Бұл кезде серпімді және серпімсіз шашырауды қарастыру қажет.

Әрекеттесудің екінші түрінде бөлшектердің соқтығысуы кезінде табиғаты өзгереді. (n, β), (n, p), (n, γ), (n, 2n) , т. б. типтес ядролық реакциялар жүреді және ауыр ядролардың бөлінуі байқалады.

Қандай да бір реакцияның жүру мүмкіндігі у (n, β), у (n, p), у (n, γ), у (n, 2n) (жақша ішінде бірінші бомбалаушы бөлшек, екінші ұшып шығатын бөлшек немесе γ-квант жазылады) реакцияларының микроскопиялық қимасымен анықталады.

Микроскопиялық қима ретінде ядро айналасындағы сфера қимасын елестетуге болады. Нейтрон бұл сфераны өте отырып ядромен реакцияға түсуі мүмкін.

Сферадан тыс радиусында әрекеттесу жүрмейді. Микроскопиялық қима шаршы сантиметрмен (см ² ) және барнмен (1барн=10 ^-24 см ² ) өлшенеді. Әрбір радионуклид нейтрон энергиясынан тәуелді у белгілі мәнге ие.

Нейтрондар энергиясы 10МэΒ-тен жоғары болған кезде толық эффективті қима мәні тәжірибеде дәлелденген бойынша

(1)

Осыдан ядро радиусы

(2)

Ядро радиусын масса саны А бойынша толығырақ тәжірибелік зерттеулер 14 және 25 МэВ энергияға ие нейтрондарды қолданумен жасалды. Анықтау көрсеткіші бойынша

(3)

Микроскопиялық қиманы у 1 см ³ жұту ортасының ядро санына N көбейтіп, жұтатын заттың 1см ³ -тегі барлық ядроладың толық қимасын - берілген реакция үшін берілген заттың макроскопиялық қимасын аламыз:

У= уN

(4)

Макроскопиялық қима өлшем бірлігі ұзындық өлшеміне кері шама, см ^-1 .

Энергияларына байланысты нейтрондарды келесі топтарға бөлуге болады:

- ультрасуық нейтрондар - энергиясы 10 ^-7 эΒ-тан кіші нейтрондар;

- суық нейтрондар - энергиясы 5*10 ^-3 эΒ-тан кіші нейтрондар; Ультрасуық және суық нейтрондар поликристалды торлар арқылы өткен кезде аномальды үлкен өту қасиетімен ажыратылады.

- жылулық нейтрондар, қоршаған ортаның ыдырайтын атомдарымен термодинамикалық тепе-теңдікте тұратын және максвелл таралуына ұмтылатын жылдамдықпен салыстырмалы әлсіз жұтылатын орта арқылы диффундалады. Сондықтан оларды жылулық деп атайды. Олардың жылдамдығы максвелл таралуының максимумына сәйкес E ₀ =kT энергиясымен сипатталады (T-нейтрондар диффундалатын ортаның абсолютті температурасы, k - Больцман тұрақтысы) .

- жылуүсті нейтрондар 0, 1эΒ-тен 0, 5кэΒ-қа дейінгі энергияға ие.

Жылулық нейтрондардың бөлімдеріне жылуүсті нейтрондарды энергиясы 0, 5эΒ-тан кіші нейтрондарды жұтатын кадмий арқылы өткізеді. Кадмий арқылы өткен нейтрондарды кейде кадмиүсті нейтрондары деп те атайды. Жылуүсті немесе кадмиүсті нейтрондары ортаның жылулық тепе-теңдігінде тұрмайды, сондықтан олар максвелл таралуына бағынбайды. Жылуүсті нейтрондары жұту және шашырау орталары арқылы өтуі кезінде негізгі заңына бағынады. Нейтрондар энергиясының анықталған мәндерінде (n, г) реакциясын радиациялық жаулау реакциясы пайда болады.

- аралық нейтрондардың энергиясы 0, 5кэΒ-тен 0, 2 МэΒ-ке дейін.

Осы энергиядағы нейтрондар үшін затпен әрекеттесудің типтік процессіне серпімді шашырау жатады.

- энергиясы от 0, 2-ден 20 МэΒ-ке дейінгі тез нейтрондар серпімді шашыраумен де, серпімсіз шашыраумен де және ақаулық ядролық реакциялардың пайда болуымен де сипатталады.

... жалғасы

Сіз бұл жұмысты біздің қосымшамыз арқылы толығымен тегін көре аласыз.