ОҚУ-Әдістемелік кешен «нейтрондық физика» арнайы курсы

Ядролық реакциялар ядроның басқа ядромен немесе элементар бөлшектермен өзара әсерлесе отырып, түрленуін айтады. Бұл әсерлесу бөлшектер бір-біріне 10^-15м қашықтыққа жақындағанда ядролық күш әсерінен болады.

Нейтрондарды жұта отырып ауыр ядро бірдей екі бөлікке ыдырайды. Пайда болған бөліктер бөліну жарқыншақтары деп аталады. Ауыр ядролардың мұндай тұрақсыздығын оның құрамындағы бір-бірімен кулондық тебілетін протондардың көптігімен түсіндіріледі.

Ауыр ядролардың екі жарқыншақтарға бөлінуі өте көп мөлшердегі энергияның шығарылуымен жүреді. Мысалы1 г уран ыдырағанда 8·10¹⁰Дж энергия бөлініп шығады. Бұл бөліну келесі түрде жазылады:

 

.

Келесі шарт орындалған жағдайда ауыр ядролар ыдырайды:

мұндағы:- бөліну параметрі.

Бөліну параметрі (бөлінудің шекті параметрі) болғанда ядролар өте тұрақсыз болып табылады және табиғатта өмір сүрмейді.болған жағдайда ядролардың өздігінен бөлінуі мүмкін болады. Ядролардың өздігінен бөлінуінің жартылай ыдырау периоды 10¹⁶-10¹⁷жыл болады. Бөліну кезіндегі жарқыншақтардан ұшып шығатын нейтрондар - бөліну нейтрондары деп аталады. Бөліну нейтрондарының арасында лездік және кешігіп шығатын нейтрондар болады. Лездік нейтрондар ядроның бөлінуі кезінде 10^-14с уақыт мезетінде шығады. Кешігіп шығатын нейтрондар бөліну өнімдерінен бөліну аяқталғаннан кейін біршама уақыттан кейін шығады. Бөліну реакциясында пайда болған әрбір лездік нейтрондар көрші ядролармен әсерлесе отырып, оларда да бөліну реакциясын тудырады. Бұл жағдайда бөліну актілерінің көшкін түріндегі артуы, яғни тізбекті бөліну реакциясы жүреді.

Нейтрондардың көбею коэффициентідеп реакцияның белгілі бөлігінде шығатын нейтрондар санының алдыңғы бөлігінде шығатын нейтрондар санына қатынасын айтады. Тізбекті реакциялардың жүру шарты.

Ауыр ядролардың бөлінуі кезінде массалары әр түрлі 2 жарықшақтар орнықты ядроға айналмастан бұрын бірнеше рет бета-ыдырауға ұшырайды. Атом ядросының бөлінуі кезінде жарықшақтармен қатар нейтрондар және γ-кванттар да бөлініп шығады. Әрбір ядро бөлінгенде 200 МэВ-қа жуық энергия бөленіді. Ядроның бөлінуі кезінде бөлініп шығатын нейтрондарды шапшаң және баяунейтрондардеп аталатын екі топқа бөлуге болады. Тізбекті реакция жүру үшін әрбірнейтронныңядроны бөлуі шарт емес. Тек ядроға тізбекті реакция өту үшін қажетті мөлшердегі нейтрондардың саны түссе болғаны.

Радиациялық қармау реакциясы кезінде актив зонадағы (АЗ) металл бөлшектер активтеледі, яғни онда жаңа изотоптпр пайда болады. Мысалы, темір ядросы нейтронды қармап алып радиоактивті изотопқа айналады. Сондықтан нейтрондармен қарқынды сәулелендірілген металл конструкциялар қызмет етуші адамдарға қауіп төндіреді.

Нейтронның ядромен әсерлесуі кезінде серпімді шашырау орын алуы мүмкін, бұл кезде құрамды ядро пайда болмайды, тек нейтрон мен ядроның соқтығысуы болып, олар жан –жаққа ұшады. Ядроға соғылған нейторон өз жылдамдығын азайтып, бағытын өзгертеді. Бұл процесс баяулату деп аталады.

Нейтрон соқтығысқан ядро соғұрлым жеңіл болса, соғұрлым жылдамдық кемуі үлкен болады. Нейтрон қозғалысының жылдамдығының немесе оның кинетикалық энергиясының кемуі (баяулау) ядролық реактор физикасында маңызды роль атқарады.

Серпімсіз шашырау- нейтронмен соқтығысқаннан кейін құрамды ядро пайда болатын процесс, бірақ одан тура сол сәтте нейтрон мен гамма-квант бөлінеді. Бұл жағдайда нейтрондардың кинетикалық энергиясы гамма-квант энергиясы мен ядроның алатын энергиясының шамаларына кемиді. Сөйтіп нейтрон баяулайды.

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 неғұрлыс 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, бериллии мен ²³⁵U –дің ядроларының қатынасы 150-ден 250 аралығында жатады.

Ядро тұтас орта, ол өзіне түскен бөлшектерді және толқындарды жұтады және сындырады. Ядроның күштік өрісі мен бөлшектің әсерлесу өрәсәнәі гамильтонианы мынаған тең:

Н_әсер=V(r) + i*W (r).

Оптикалық модельге негізделіп тіке ядролық реакциялар жүреді. Бұл реакциялар 10^-21 с уақыт аралығында өтетін болса, онда ядроға келіп түскен бөлшек өзінің энергиясын қандай да бір бөлшекке береді.

Түскен нуклон өзінің энергиясын және импульсін ядродаңы бір нуклонға береді де нуклондар алға қарай қозғалады. Онығ қозғалыс бағыты импульс бағытымен бағыттас болады. Нуклондардың энергиясы өте үлкен болуы керек. Протондар үшін де және нейтрондар үшін де реакция бірдей интенсивтілікпен жүру керек. Кулондық тосқауылды ескермеуге болады. Тіке ядролық процестер өте алуан түрлі болып келеді. Олар барлық ядрода және атқылаушы бөлшектерде жүреді. Ядродан нуклондар және нуклондар жұптары дейтрондар ₁Н², ₂Не³ ядролары, α- бөлшектер және литий ядролары берилий ядролары т.б. ұшып шығуы мүмкін. Li мен Be ядролары ядролық жарықшақтар- фрагмент деп аталды. Тура процестердің ең жақсы қарастырылғандары (n.n).(p.p). (p.n). (n.p) процестері болып келеді. Атқылайтын нуклондар энергиялары бірнеше мегаэлектронвольт мөлшерінде болып келеді. Дейтон (d.p). (d.n) – үзілу процесі, (p, d). (n, d) қармау процестері де тіке ядролық процестерге жатады. Бұл процестерде дейтрондар өте нашар байланысқан болып келеді. Сонымен қатар (p.2p). (p. p n) процестері де жүреді. Егер ионизация энергиясы Е_п>100МэВ болса, онда серпіміді соқтығысу нәтижесінде 2 нуклон да ядродан бқлініп кетеді. - бөлшектер, тритондар және басқа бөлшектер қатысу арқылы жүретін тіке процестерде кездеседі. Олар (n.t).(n. ₂H³). (n. ). (p. t) және т.б. Бұл бөлшектердің энергиялары бірнеше жүздеген МэВ-тан жоғары болуы керек. Бұндай процестерге жұлдыздар пайда болатын процестер жатады. Сонымен қатар тіке реакциялар ауыр иондармен көміртектегі, азот, оттегі және т.б. ядролардың қатысуымен жүреді.

Сонымен қатар тіке процестерге аз бөлшектер саны қатыса отырып жаңа элементар бөлшектер пайда болатын процестер де жатады. Пайда болатын элементтер,бөлшекті пиондар, каондар, т.б. бөлшектер болуы мүмкін.

Радиациялық қармау реакциясы кезінде актив зонадағы (АЗ) металл бөлшектер активтеледі, яғни онда жаңа изотоптпр пайда болады. Мысалы, темір ядросы нейтронды қармап алып радиоактивті изотопқа айналады. Сондықтан нейтрондармен қарқынды сәулелендірілген металл конструкциялар қызмет етуші адамдарға қауіп төндіреді.

Шашырау реакциясы

Нейтронның ядромен әсерлесуі кезінде серпімді шашырау орын алуы мүмкін, бұл кезде құрамды ядро пайда болмайды, тек нейтрон мен ядроның соқтығысуы болып, олар жан –жаққа ұшады. Ядроға соғылған нейторон өз жылдамдығын азайтып, бағытын өзгертеді. Бұл процесс баяулату деп аталады.

Нейтрон соқтығысқан ядро соғұрлым жеңіл болса, соғұрлым жылдамдық кемуі үлкен болады. Нейтрон қозғалысының жылдамдығының немесе оның кинетикалық энергиясының кемуі (баяулау) ядролық реактор физикасында маңызды роль атқарады.

Серпімсіз шашырау- нейтронмен соқтығысқаннан кейін құрамды ядро пайда болатын процесс, бірақ одан тура сол сәтте нейтрон мен гамма-квант бөлінеді. Бұл жағдайда нейтрондардың кинетикалық энергиясы гамма-квант энергиясы мен ядроның алатын энергиясының шамаларына кемиді. Сөйтіп нейтрон баяулайды.
12Тақырып:Жылулық нейтрондар. Аз энергиялар облысындағы нейтрондарды радиациялық қармау қимасы. Жылулық нейтрондар облысындағы нейтронның жабысу коэффициенті.

1. 
   Потенциалдық шашырау;
   
2. 
   Резонанстық шашырау;
   
3. 
   Радиациялық қармау;
   

Бұл облыста нейтрондар ядролармен мынандай әсерлесу түрлеріне қатысады:

4. 
   Потенциалдық шашырау;
   
5. 
   Резонанстық шашырау;
   
6. 
   Радиациялық қармау;
   
7. 
   Тек қана тақ изотоптардың бөлінуі (U-233, U-235, Pu-239).
   

Осы әсерлесудің ішіндегі потенциалдық шашыраудан басқаларының барлығында процестер құрамдас ядроның пайда болу арқылы жүреді.

W₁₂-1-ші күйден 2-ші күйге өту ықтималдығы.

W₂₁-2-ші күйден 1-ші күйге өту ықтималдығы.

W₁₂ = W₂₁ (1)

Р₁₂ = W₁₂ g₂ (2)

Р₂₁ = W₂₁ g₁ (3)

W₁₂ = Р₁₂ /g₂ және W₂₁ = Р₂₁ /g₁ (4)

Р₁₂ g₁ = Р₂₁g₂ (5)

P₁₂= (7)

I_A-A ядросының спині

S_а-а бөлшегінің спині

Р_а-(а+А) жүйесінің салыстырмалы импульсі

(2I_A+1)- бөлшектің барлық спиндерінің мүмкін бағыттары, оған импульстары Ра мен Ра+dРа аралығында жататын көп күйлер сәйкес келеді.

g₂=(2I_В+1)(2S_в+1) 4πV* (8)
P₂₁= (9)
Енді (6)-(9) өрнектерін (5) апарып қойып, мынаны аламыз:

(2I_A+1) (2S_в+1)р_а²= (2I_A+1) (2S_в+1)р_в ² (10)

λ²)*g* (11)

ƛ==(см) (12)

Егер нейтронның энергиясы Е_п=Е₀ және Е₀>>Г болса, онда

 ²)*g*

(13)
g-осы құрамдас ядроның статистикалық салмағы, ол мынаған тең: g

мұндағы,
J-құрамдас ядроның спині

I-нысана ядроның спині

S-нейтронның спині.
Егер>>R болса, онда әсерлесу l=0 кезде ғана мүмкін. Бұл жағдай үшін құрамдас ядро спині J былай анықталады:
J=I+1/2, I-1/2

Ендеше,
g=

8. 
   Потенциалдық шашырау;
   
9. 
   Резонанстық шашырау;
   
10. 
    Радиациялық қармау;
    

Бұл облыста нейтрондар ядролармен мынандай әсерлесу түрлеріне қатысады:

11. 
    Потенциалдық шашырау;
    
12. 
    Резонанстық шашырау;
    
13. 
    Радиациялық қармау;
    
14. 
    Тек қана тақ изотоптардың бөлінуі (U-233, U-235, Pu-239).
    

Осы әсерлесудің ішіндегі потенциалдық шашыраудан басқаларының барлығында процестер құрамдас ядроның пайда болу арқылы жүреді.

W₁₂-1-ші күйден 2-ші күйге өту ықтималдығы.

W₂₁-2-ші күйден 1-ші күйге өту ықтималдығы.

W₁₂ = W₂₁ (1)

Р₁₂ = W₁₂ g₂ (2)

Р₂₁ = W₂₁ g₁ (3)

W₁₂ = Р₁₂ /g₂ және W₂₁ = Р₂₁ /g₁ (4)

Р₁₂ g₁ = Р₂₁g₂ (5)

P₁₂= (7)

I_A-A ядросының спині

S_а-а бөлшегінің спині

Р_а-(а+А) жүйесінің салыстырмалы импульсі

(2I_A+1)- бөлшектің барлық спиндерінің мүмкін бағыттары, оған импульстары Ра мен Ра+dРа аралығында жататын көп күйлер сәйкес келеді.

g₂=(2I_В+1)(2S_в+1) 4πV* (8)
P₂₁= (9)
Енді (6)-(9) өрнектерін (5) апарып қойып, мынаны аламыз:

(2I_A+1) (2S_в+1)р_а²= (2I_A+1) (2S_в+1)р_в ² (10)

λ²)*g* (11)

ƛ==(см) (12)

Егер нейтронның энергиясы Е_п=Е₀ және Е₀>>Г болса, онда

 ²)*g*

(13)
g-осы құрамдас ядроның статистикалық салмағы, ол мынаған тең: g

мұндағы,
J-құрамдас ядроның спині

I-нысана ядроның спині

S-нейтронның спині.
Егер>>R болса, онда әсерлесу l=0 кезде ғана мүмкін. Бұл жағдай үшін құрамдас ядро спині J былай анықталады:
J=I+1/2, I-1/2

Ендеше,
g=

Енді құрамдас ядроның квазистационарлық теңдеуін жазайық:
Жылулық нейтрондар облысындағы әсерлесудуң орташа эффективті қималары. Жылулық нейтрондардың жұтылу қимасы.
Кері процесс үшін:

Мұндағы, J-аралық ядрооның қозғалыс мөлшерінің моменті. Сонда,

Мұндағы,

Енді жоғарыдағы өрнектерді детальдық тепе-теңдік принципі (3.11) формулаға апарып қойып, мынаны аламыз:

(2J+1)(2S+1)

ны орнына қойып және  -қа алмастырып ең соңынан -ны былайаламыз:

1. 
   Радиациялық қармау үшін  ендеше = радиациялық ен.
   

 + - резонанстық сипатта болады.

⁰ 

–парциалдық ендер, нейтронның кинетикалық энергиясына және нысана ядроның массалық санына тәуелді болып келеді және бұл тәуелділік өте күрделі. Бірақ кейбір заңдылықтарды байқауға болады.Олар мыналар:

радиациялық ен іс жүзінде нейтронның кинетикалық энергиясына тәуелсіз,жеңіл ядролар үшін

-нейтрондық енді бағалау үшін келтірілген нейтрондық ен-деген ұғым енгізіледі.



Резонанстық шашыраудың -өтуден айырмашылығы оның соңғы бір ғана күйі болады.мен -ді салыстыра отырып,мынандай қорытынды жасауға болады, жеңіл ядролар үшін серпімді резонанстық шашырау басым болады да,ал ауыр ядролар үшін екі энергетикалық облыс болады.Олардың біреуінде радиациялық қармау басым, ал екіншісінде резонанстық шашырау басым.

Бөлінетін ядролар (U-233,U-235,Pu-239) үшін -бөліну ені ұғымын енгіземіз,-0,05эВ және құрамдас ядроның бір деңгейіне екінші деңгейіне өткен кезде күшті өзгеріп отырады.

Серпімді резонанстық шашырау кезіндегі,резонанс параметрлерін алу үшін аудандар әдісі қолданылады. Үлгілері өте жұқа бірнеше молекулалық