Жылдам, резонансты нейтрондардың ядромен жұмыс істеуі туралы

Пән: Физика
Жұмыс түрі: Реферат
Тегін: Антиплагиат
Көлемі: 11 бет
Таңдаулыға:

ҚАЗАҚСТЫН РЕСПУБЛИКАСЫ БІЛІМ ЖӘНЕ ҒЫЛЫМ МИНИСТРЛІГІ

СЕМЕЙ ҚАЛАСЫНЫҢ ШӘКӘРІМ АТЫНДАҒЫ МЕМЛЕКЕТТІК УНИВЕРСИТЕТІ

Инженерлік-технологиялық факультеті

Техникалық физика және жылуэнергетика кафедрасы

СОӨЖ

Тақырыбы: Жылдам, резонансты нейтрондардың ядромен жұмыс істеуі

Орындаған: Капсалямов К. Ш.

Топ: ТФ-205

Тексерген: Нургалиев Д. Н.

Семей 2015

Мазмұны

Кіріспе3

Нейтрондық физика4

Нейтрондар және олардың ядролармен өзара әсерлесу ықтималдылығы5

Жылулық және шапшаң нейтрондардағы тізбекті бөліну реакциялары6

Қорытынды12

Пайдаланылған әдебиеттер тізімі13

Кіріспе

Мен осы өздік жұмыста 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 [2] .

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.

Рис. 2.

1-сурет. Энергияның резонанстық аймағында ²³⁸ U изотобы ядроларының нейтрондарды радиациялық қармау қимасы

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.

Рис. 3.