ОҚУ-Әдістемелік кешен «нейтрондық физика» арнайы курсы

Құрамдас ядро мехнанизмі

Бұл теория бойынша ядролық реакция екі сатыдан тұрады, брінщісі ол жаңа ядроның пайда болуы, содан кейін жаңа ядроның ыдырауы.

Ядролық реакция Нильс Бор бойынша келесі механизм бойынша жүреді. Бірінші нейтрон ядро ішіне енген соң ол өзінің энергиясын ядроның нуклондарына бере бастайды, нуклондар ол энергия әсерінен тербеліп, белгілі бір уақытта олбір нуклон немесе нуклондар жүйесі өте үлкен амплитудаға ие болып ядроны тастап ыршып шығады, сол кезде ядро өз энергиясын жоғалтып орныққан күйге келеді. Бұл жерде бір ньюансты ескру қажет. Ядроны ыдырауы біз екі сатыда жүрді деп атаймыз егер аралықты ядро өте ұзақ ақыт өмір сүретін болса. Бұл жерде ұзақ уақыт ол 10^-14с қа жуық. Бір жақтан қарасақ ол өте аз уақыт, бірақ мысалға нейтронға ядроның жанынан ұшып өтуі үшін 10^-22с уақыт қажет. Яғни нейтрон, ядроға ұшып кірген, өзінің «жеке» нейтрон екндігін ұмытып кетеді де, ядроның белгілі бір бөлшегі болып кетеді. Бұл жерде тағы бір парадокс бар. Кулондық тебілу күші ядроның ыдырауына кедергі жасайды. Себебі ол күштің әсеррінен нуклондар арасы көбейеді. Ал аралары көбейген сайын нуклондарға нейтронның өз энергиясын беру ықтималдығы төмендейді.

Сонымен жалпы ядролық реакция келесідей болады:

Қазіргі кездегі атом энергиясының дамуы, ядролық қарудың пайда болуы, рак ауруларын емдеуде радиоизотоптарды пайдалану нейтрон бөлшегінің ашылуының арқасында болды. Бұның себебі нейтрон нейтрал бөлшек бола отырып, өте жеңіл ядролық реакцияларға түсуге мүмкіндікке ие.

Нейтрондық физика қазіргі кезде өте көп қолданбалы мәселелерді шешедіі. Мысалы нейтрондар өзінің затпен нашар әсерлесуінен өте терең әрі тығыз қабаттарға еңе алады. Бұ қасиетін пайдалы қазбаларды іздеген кезде пайдаланылады. Нейтрондардың ядролық реакцияны негізгі тудырушы болғандықтан ол кез-келген ядролық зерттеулерде пайдаланылады.

1930 жыл Ботте және Беккер кейбір жеңіл элементтерді альфа бөлшектремен атқылағанда, заттарда өте нашар жұтылатын бөлшектреді тапты. Жолио және Ирен кюри бұл жеңіл ядролардан жақсы тебілетінің айтты.Және оны жаңа сәулелердің түрі деп айтты Бірақ импульс және энергия сақталу заңына сәйкес бұл бөлшектер сәуле болып шықпады. Чедвик бұл бөлшек протон массаысына жуық массаға ие екендігін айтты. Ол бұл нейтрал екендігін болжап, кейін бұл болжам тәжірибемен дәлелденді.

Нейтро арқасында Отто Ган және Фриц Штрасман уранды нейтронмен атқылап тұңғыш рет атом ядросын ыдыратқан еді. Бұл тәжірибе нейтронның эксперименталдық физикадағы елеулі рөлін бастады. Осы уақыттан бастап нейтрон кез-келген ядролық реакцияда қолданылатын болды. Мысалы атомдық реакторда отынның ыдырауы уран арқылы жүзеге асады. Нейтронның қазіргі таңда қолдану саласы өте кең. Ол тек ядролық, атомдық физикамен шектелмейді.

5Тақырып:Нейтрондар көздері. Ядролық реактор- қуатты нейтрондар көздері.

Нейтрондар көздері

• 
  изотопты ыдару;
  
• 
  ядролық реакторларда;
  
• 
  нейтрондық генераторларда;
  
• 
  фотоыдырау;
  
• 
  пьезоэлектрлік кристалдағы нейтрон көзі.
  

Бұндай изотопты көздер нейтронның тұтас спектріне (0,1Мэв-12Мэв) және гамма сәулелерінің жоғарғы фонына ие.

Нейтрон көзінің екініші түрі ол ядролық реакторлар болып табылады.1942 жыл Э. Ферми ең алғашқы реактор жасаса, 1965 жылы ғана шоқтық зерттеулерге арналған реактор салынды.

Нейтрон шогын монохроматты қылдыру үшін арнайы бөгегіштер қажет. Айналып тұрған дискіні пайдалану арқылы тежеу, Ферми тежегіші деп аталады.

Біркелкі реакторларда суыту жүйесімен проблемалар боғандықтан импульсті реакторларды пайдалану тиімдірек.Импульстік реакторларды нейтрондардың көбею коэффиценті өте қысқа мерзімге к>1 мәнге ие болады. Сол кезде нейтрондардың қатты импільсі пайда болады. Импульстік реакторлардын бірнеше түрлері болады. Өздігінен тоқтайтын, периодты импульы бар және бустерлер.

Нейтрондардың тағы бір көзі ол нейтронды генератор.Нейтронды генераторда осы реакция қолданылады.t(d;n)⁴He және d(d;n)³He. Ол реакциялар қимасының максимумы өте аз энеергияларды болады. Немесе альфа бөлшектерін қолдану арқылы конвертор нысанадан n бөлшектерінің шоғын алуға болады. Оның схемасы төменде көрсетілген (сурет 1).

Сурет 1. Нейтронды генератордың қарапайым сұлбасы

Нейтрондарды алудың тағы бір әдісі ол тритий және дейтрий бөлшектерін үдетіп соқтыру арқылы нейтрондарды алуға болады.Мысалы қазіргі кезде АҚШ-та бұндай проект жүзеге асуда. Түзу үдеткіште Н теріс иондары 1 Гэв энергияға дейін үдетіліп, олардың электрондары алынып, протондар арнайы сақиаға жиналады. Содан кейін протондар үлкен үдеумен конвертер нысанаға түсіп, нысанадан нейтрондарды шығарады.

Нейтронды-радиоактивті ядролар табиғатта кездеспейді, нейтрондар (α;n) және (γ;n) реакцияларда пайда болады. Осының нәтижесінде қозған компаунд-ядро пайда болады, оның қозу энергиясы инерция орталығы жүйесінде байланыс энергиясы және соғылған бөлшек энергиясының қосындысына тең. Егер қозу энергиясы соңғы нейтронның байланыс энергиясынан көп болса, онда нейтрон пайда болады.

Ең кең қолданыс тапқан реакция α бөлшектермен Ве ядросын атқылау реакциясы болып табылады. Ол реакцяның кең қолданысқа ие болу себебі бұл реакцияда өте үлкен энергия шығуы пайда болады. Және нысана ядро зарядының аздығы және қиманың салыстырмалы түрде үлкендігі болып табылады.

αбөлшектің көзі ретінде ²¹⁰Ро кең қолдану себебі оның гамма активтілігінің төмендігі,болып табылады. Альфа бөлшектерінің энергиясы 5,3 Мэв. ²¹⁰Ро ыдырау ықтималдығы 1,2 *10^-5 тең болған кезде энергиялары 800 кэВ гамма кванттар пайда болады. ²¹⁰Ро активтілігі 3,7*10¹⁰ альфа ыдырау/ с болған кезед нейтрондар ағыны 1,8*10⁸ пайда болады.

γ сәулеленуді ядролардың β ыдырауын жүргізетін нейтрондарды алу үшін пайдаланылады. Бұл жағдай (γ;n) ядролық реакциялар кезінде пайда болады. Осы реакцияларды жүргізу үшін тек 2 ядроларны аламыз. ²D (2,33 Мэв)және Ве (1,67 Мэв).

γ+²D= ¹₁p+¹₀n

γ+⁹Be= ⁸₄Be+¹₀n

Е_п – ұшып шығатын нейтрондар энергиясы.

Фотонейтрондық көздерді дайындаған кезде Ве және D₂O жасалған сфераға гамма квант көзін қояды. Энергисы 10кэВ-тан 1Мэв-қа дейін моноэнергетикалық бөлшектерді алуға болады. Кемшіліг үлкен гамма фон. Олардың саны нейтрондар санынан 1000 есе көп. Нейтрон көздерніе ²⁵²Сf өте тиімді. Альфа ыдыраудын периоды 2,55 жыл. Нейтрондық белсенділік 2,5*10⁶ нейтрон/с*мкг.

Нйетрондар көзі ретінде ядролық реактор. Нейтрондар көзі ретінде ядролық реактор болуы оның үлкен қуаттылығымен түсіндіріледі. Активті аймақтың бетіндегі 10¹⁷ және 10¹⁸ нейтрон/с өтеді. Нейтрондар энергиясының интервалы 10^-3 эв және 20 Мэв. Нейтрондар реакторда ыдырау нәтижесінде пайда болады немесе радиоактивті өнімдердің ыдырау тізбегінде пайда болады. (γ;n) реакция нәтижесінде пайда болады. Бүкіл жағдайларда нейтрондарды шығару спектрі біртұтас.
Ядролық жарылыс нейтрондар көзі ретінде.

Өте үлкен нейтрондар ағынының жер астындағы ядролық жарылысты қолданатын эксперименталдық қондырғыдан алуға болады. Жарылыс кезінде 1 килотонна тротилл эквивалентіне 2*10²³нейтрон пайда болады. Ол ағынды трансурандық элементтерді алуға пайдалануға болады. Термоядролық жарылыста 1 килотонна тротилге 10 есе көп нейтрондар ағыны сәйкес келеді. Бұл әдістің кемшілігі бұл әдіс бір рет ғана 10^-6 с уақыт қимасында пайдалануға болады және ол әдіс салыстырмалы түрде қолжетімсіз.

А) электрондық үдеткіш нысаналарынан алынған нейтрондар

Ныснанф жылдам электрондар шоғымен атқылаған кезде нейтрондардың пайда болуы 2 сатылы процесс нәтижесінде жүзеге асады. Олар:

Электрондар тежеліп гамма сәулелерін шығарады.

(γ;n) реакциясының жүруі.

Қазіргі нейтрондар үдеткіштері нейтрондарды ұшып өту уақыты бойынша селекцияға пайдаанатын жеткілікті деңгейде қуатты нейтрон көздерін алуға мүмкіндік береді. Электрондар энергиясы 30Мэв болған кезде қалың уран нысанасынан 10¹¹нейтрон/с*мкг шогы пайда болады. Нейтрондар спектрін осы формуламен сипаттауға болдаы.

Б) Ауыр зарядталған бөлшектер үдеткіштерінен моноэнергетикалық емес электрондар шығады.

Ауыр зарядталған бөлшектермен атқыланатын кез-келген нысанадан, егер энергетикалық тиым салыну болмаса, нейтрондар пайда болады. Бұл өз кезегінде нейтрондардың пайда болуы нысананы энергиясы 20 Мэв энергиясынан көп энергиясы бар протондармен атқылаған кезде жүзеге асатының айтады. Және кез-келген дейтрондармен атқыланатын нысанада пайда болатының білдіреді. Энергиясы 20 Мэв-тан кем болған кезде нейтрондардың ең үлкен шығысын жеңіл ядроларды дейтрондармен атқылаған кезде нейтрндар пайда болады.
7Тақырып: Нейтрондарды энергиялары бойынша кластарға бөлу. Жылдам нейтрондар. Жылдам нейтрондардың ядромен әсерлесуінің толық қимасы.
Ядролық жарылыс нейтрондар көзі ретінде.

Өте үлкен нейтрондар ағынының жер астындағы ядролық жарылысты қолданатын эксперименталдық қондырғыдан алуға болады. Жарылыс кезінде 1 килотонна тротилл эквивалентіне 2*10²³нейтрон пайда болады. Ол ағынды трансурандық элементтерді алуға пайдалануға болады. Термоядролық жарылыста 1 килотонна тротилге 10 есе көп нейтрондар ағыны сәйкес келеді. Бұл әдістің кемшілігі бұл әдіс бір рет ғана 10^-6 с уақыт қимасында пайдалануға болады және ол әдіс салыстырмалы түрде қолжетімсіз.

А) электрондық үдеткіш нысаналарынан алынған нейтрондар

Ныснанф жылдам электрондар шоғымен атқылаған кезде нейтрондардың пайда болуы 2 сатылы процесс нәтижесінде жүзеге асады. Олар:

Электрондар тежеліп гамма сәулелерін шығарады.

(γ;n) реакциясының жүруі.

Қазіргі нейтрондар үдеткіштері нейтрондарды ұшып өту уақыты бойынша селекцияға пайдаанатын жеткілікті деңгейде қуатты нейтрон көздерін алуға мүмкіндік береді. Электрондар энергиясы 30Мэв болған кезде қалың уран нысанасынан 10¹¹нейтрон/с*мкг шогы пайда болады. Нейтрондар спектрін осы формуламен сипаттауға болдаы.

Б) Ауыр зарядталған бөлшектер үдеткіштерінен моноэнергетикалық емес электрондар шығады.

Ауыр зарядталған бөлшектермен атқыланатын кез-келген нысанадан, егер энергетикалық тиым салыну болмаса, нейтрондар пайда болады. Бұл өз кезегінде нейтрондардың пайда болуы нысананы энергиясы 20 Мэв энергиясынан көп энергиясы бар протондармен атқылаған кезде жүзеге асатының айтады. Және кез-келген дейтрондармен атқыланатын нысанада пайда болатының білдіреді. Энергиясы 20 Мэв-тан кем болған кезде нейтрондардың ең үлкен шығысын жеңіл ядроларды дейтрондармен атқылаған кезде нейтрндар пайда болады.


8Тақырып:Нейтрондардың потенциалдық шашырау мен радиациялық қармау кезіндегі резонанстық қимасы. Резонанс кезіндегі толық қиманы есептеу
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.

Бөліну реакциясы тоқтамау үшін ең болмағанда бірінші бөліну актісі нәтижесінде алынған нейтрондардың біреуі келесі бөліну актісін тудыруы керек. Бірінші бөліну актісін тудырған нейтрондарды бірінші буынды, екіншілерді – екінші буынды нейтрондар дейді.

Көбею коэффициенті (К_эф)– екінші буынды нейтрондар санының бірінші буынды нейтрондар санына қатынасын айтады.

К_эф<1 болса, бөліну реакциясы баяулайды.

К_эф=1 болса, бөліну реакциясы тұрақты қуатта жұмыс істейді (реактордың қалыпты жұмыс режимі)

К_эф>1 болса, бөліну реакциясы үдейды (қуаты артады).

Ядролық энергияны электр энергиясына түрлендіру үшін реакторда К_эф = 1 ұсталынып тұруы қажет.
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 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.

Аралас спектрлі реакторларда оның әр бөлігіндегі нейтрондар спектрлерінің бір-бірінен айырмашылығы бар. Осындай реакторларда жылу бөлуші элементтер (ТЭВЛ) ішіндегі ненйтрондар 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.

α- бөлшек ядро ішінде тұтас бір құрылымы деп қарастырылып ядродағы нуклондар тудырған потенциалдық өрісте қозғалсын деп есептелік. Мына тқмендегі 1-суретте α- бөлшектің ядромен әсерлесуінің потенциалдық энергиясы мен олардың арақашықтығы арасындағы тәуелділік графигі келтірілген.

0

-U₀

R

В

1. 
   сурет
   

=  30 МэВ

мұндағы, R= = 0.9*  см.

Кинетикалық энергиясы Тα= 5МэВ- қа тең α- бөлшек тосқауылдан өткен кездегі =  + , = mgh, = , ендеше . Сондықтан бөлшек тосқауылдан өте алмай кері қайтады.

Егер r ˂ R болса, U= - = const. болады.

Егер R< r< R+ d болса, U= болады.

d

R

- U

2. 
   сурет. α- бөлшектің тосқауыл арқылы өтуі.
   

Ψ(r) =  =

мұндағы,  _{= (}_{+ E)) 0}
Тосқауылдың ішінде де- Бройль толқындары тез өшеді, себебі - бөлшектің кинетикалық энергиясы теріс және тосқауыл биіктігінен кіші.

E< U және кинетикалық энергиясы теріс болғандықтан - бөлшектің импульсі жорамал болады P= i, - теріс

P= I 

E= Tα+ U, Tα<0 ендеше R< r< R+ d үшін:

Ψ ( r )= 

Жорамал импульспен қозғалыс мүмкін емес.

Тосқауыл сыртындағы r> R+ d бөлшек үшін толқындық функция былай жазылады:

Ψ = 

мұндағы, P=, U= 0 .

Бөлшектің кулондық тосқауыл арқылы өту ықтималдығы бөлшектің тосқауылдың сыртында r> R+d болу ықтималдығының бөлшектің тосқауылдың ішінде r= R болу ықтималдығына қатынасымен анықталады:

D= = 

D- тосқауыл мөлдірлігі,

λ - бірлік уақыттағы ыдырау ықтималдығы:

λ = 1/τ = D = 

осыдан, =.

Центрден тепкіш тосқауыл

Егер α- бөлшектер 0- ден өзгеше l- ға тең бұрыштық моментпен ұшатын болса, онда ұшу ықтималдығы  есе азаяды. Яғни бөлшек центрден тепкіш орбитадық моментке ие болса, онда оның қозғалыс мөлшерінің моменті центрден тепкіш күш тудырады. Ол күшті центрден тепкіш потенциал арқылы сипаттауға болады:

F= -= =  = 

мұндағы,

 - қозғалыс мөлшері моменті векторының модулі;

 =  , l – орбиталдық момент.

= 

осыдан,  = 

Егер l ≠0 болса, онда  артады. Ал әсерлесу потенциалы:

U_әсер = U_Кл +U_ц= + 

мұндағы, e – электрон заряды; l –орбиталдық момент.