Ядролық бөліну реакциясы. Ядроның бөліну шарттары.

Бөліну деп ядроның өздігінен немесе сыртқы қоздырғыштың әсерінен екі (кейде үш, өте сирек төрт) массалары жақын, бірақ бірдей емес жарқыншақтарға жіктелуін ұғады. Ядроның бөлінуі көптеген бөлшектердің-фотондардың, протондардың, дейтрондардың т.б. әсерінен өтуі мүмкін. Олардың ауыр ядролардың құрылымын, бөліну механизмін зерттеуде маңызы зор, бірақ нейтронның әсерінен өтетіндерінен басқалары тәжрибелік қолдану таппады.

Ядролардың бөлінуі туралы мәліметтер Э.Ферми мен оның қызметкерлерінің нейтрондардың әсерінен туатын жасанды радиоактивтілікті зерттеу жұмыстарынан басталады. 1934-жылы олар уранды нейтрондармен атқылау кезінде туатын өнімдерге бірнеше жартылай ыдырау периоды тән екенін байқады. Оларды дәлірек зерттеу кезінде біреуі-біреуіне түрленетін бірнеше радиоактивті элементтер тізбегі тағайындалды.

1938-жылы Ирэн Жолио-Кюри мен Савичтің зерттеулері уранды нейтрондармен атқылағанда пайда болатын элементтердің ішінде лантан, ал Ган мен Штрассман олардың қатарында барий бар екенін анықтады. Сөйтіп, уранды нейтрондармен атқылағанда, ураннан ауыр емес, одан екі еседей жеңіл элементтер пайда болатыны белгілі болды.

Бұл нәтижелерді Мейтнер мен Ферми уран ядросының аралық массалы екі жарқыншаққа жіктелуі деп түсіндірді. Ядроның мұндай жіктелуін оның бөлінуі деп атады. Олар ядроның сығылмайтын сұйық тамшысына ұқсастығы негізінде бөлінудің бірінші механизмін ұсынды. Сұйықтың тамшысының қатты соққы кезінде бірнеше ұсақ тамшыға шашырайтыны сияқты, нейтронды қарпыған ядро да бірдей дерлік екі жарқыншаққа бөлінеді. Кейінгі зерттеулер баяу нейтрондардың әсерінен изотопының ғана бөлінетінін, ал баяу нейтронды жұтқан ядросының бөлінбейтінін көрсетті.

Әр уран-235 ядросы бөлінген кезде орташа 195 МэВ энергия бөлініп шығады. Осыдан, жарқыншақтар қарама-қарсы бағыттарда ұшады және олардың кинетикалық энергиялары жоғары. Жарқыншақтар бөліну кезінде пайда болатын жалғыз ғана бөлшектер емес. Әр ядролық бөліну кезінде 2 немесе 3 нейтрон бөлініп шығады. Мысал үшін бөліну реакциясының мүмкін арналарының екеуін келтірейік:

(19.1)

(3.1)-ден бөліну нәтижесінде пайда болатын жарқыншақтардың массалары бірдей болмайтыны көрінеді.

6.1-суретте ядросы бөлінген кезде пайда болатын жарқыншақтардың массалық сан бойынша таралуы көрсетілген. Таралудың шыңдарына сәйкес келетін жарқыншақтардың массаларының қатынасы 1,5. Шыңдардың ендері әжептәуір кең. Олардың биіктіктерінің жартысына сәйкес келетін ендерінің жуық мәні DА≈20. Бұл ядроның бөліну жолдарының әралуан екенін дәлелдейді.

Бөліну реакциясының қарқыны нейтрондардың энергиясы мен ядроның тегіне күшті тәуелді. Жеткілікті жоғары (мысалы, Т>100 МэВ) нейтрондардың әсерінен кезкелген (жеңіл, орташа, ауыр) ядро бөлінеді. Энергиясы бірнеше МэВ нейтрондар ауыр, массалық сандары 210-нан жоғары, ядроларды ғана бөле алады. Кейбір ауыр ядролар кезкелген нейтрондардың (энергиясы нөлден бастап) әсерінен бөлінеді. Мұндай ядролардың қатарында уран изотоптары, плутоний изотоптары, америций изотоптары және басқа трансурандық элементтердің изотоптары бар.

Кейбір ядролар өздігінен, сыртқы күштің әсерінсіз бөлінеді. Табиғатта ондай ядролардың үшеуі ғана: мен белгілі.

Ядролардың нейтрондармен бөлінуінің тамаша ерекшелігі – ол бөліну кезінде бірнеше нейтрон шығарылатындығы. Мысалы, уран-235 ядросының әр бөлінуінде орташа есеппен 2,4 нейтрон туады. Енді бар ортада бір ядро ыдырасын (мысалы, космостық нұрдың құрамындағы нейтронның әсерінен). Мұнда 2 немесе 3 нейтрон бөлініп шығады. Ол нейтрондардың біреулері бір жаққа жоғалып, мысалы сыртқа шығып кетеді, ал біреулері жаңа ядроларды бөледі. Әр бөлінуден шыққан нейтрондардың орта есеппен екеуі реакцияға қатысып, екі ядроны бөледі дейік. Онда бірінші ядро шығарған нейтрондар екі ядроны, ал олар шығарған нейтрондар төрт ядроны және т.б. созыла беріп, нейтрондардың саны, онымен бірге бөлінген ядролардың саны тасқындап өседі. n рет бөліну болғаннан кейінгі n -ыншы „ұрпақтық“ нейтрондардың саны 2 ⁿ болады. Осы бөлінетін ядролардың санының тасқындық өсу құбылысын тізбекті бөліну реакциясы дейді. Жалпы тізбекті реакция деп белгілі реакция келесі дәл сондай реакция туғызатын процесті атайды.

Сонымен, тізбекті реакция нейтрондардың бұрыннан белгілі жұтылу, баяулау және диффузия құбылыстарымен қатар, олардың көбеюі болатын ортада ғана өтеді. Ондай ортаны белсенді өңір дейді. Нейтрондардың көбею қарқынын сипаттайтын физикалық шаманы нейтрондардың ортадағы көбею коэффициенті k _¥ дейді. Көбею коэффициенті деп нейтрондардың бір ұрпағындағы санының оның алдындағы ұрпақтағы санына қатынасын атайды.

k _¥ мөлшері шексіз ортадағы нейтрондардың көбею коэффициенті. Осыған ұқсас физикалық (шектелген мөлшерлі) жүйедегі нейтрондардың көбею коэффициенті k енгізіледі. Егер бірінші ұрпақта нейтрондардың саны N болса, n-ші ұрпақта олардың саны Nk ⁿ болады. Егер к =1 болса, нейтрондардың саны уақыт бойынша өзгермей бөліну тұрақты өтеді. k <1 болса, реакция сөніп қалады, ал k >1 болса, реакцияның қарқыны тез өсіп, қопырылыс болуы мүмкін. k =1 болса, реакцияның күйі сындық, k >1 болса, сындықтан жоғары, k <1 болса, сындықтан төмен делінеді.

Тізбекті реакцияға қатыспайтын және уран мен торий изотоптары нейтрондық қарпу мен екі тізбекті бета-ыдыраудан кейін, бағалы ядролық отын болатын және изотоптарын береді:

(19.2)

(19.3)

Бұл реакциялар тізбекті реакция барысында ядролық отынды қайта өндіруге мүмкіндік береді.

Тізбекті реакция.

Ядролардың нейтрондармен бөлінуінің тамаша ерекшілігі ол бөліну кезінде бірнеше нейтрон шығарылатындығы. Мысалы, уран-235 ядросының әр бөлінуінде орташа есеппен 2,4 нейтрон туады. Енді бар ортада бір ядро ыдырасын (мысалы, космостық нұрдың құрамындағы нейтронның әсерінен). Мұнда 2 немесе 3 нейтрон бөлініп шығады. Ол нейтрондардың біреулері бір жаққа жоғалып, мысалы сыртқа шығып кетеді, ал біреулері жаңа ядроларды бөледі. Әр бөлінуден шыққан нейтрондардың орта есеппен екеуі реакцияға қатысып, екі ядроны бөледі дейік. Онда бірінші ядро шығарған нейтрондар екі ядроны, ал олар шығарған нейтрондар төрт ядроны және т.б. созыла беріп, нейтрондардың саны, онымен бірге бөлінген ядролардың саны тасқындап өседі. n рет бөліну болғаннан кейінгі n -ыншы „ұрпақтық“ нейтрондардың саны 2 ⁿ болады. Осы бөлінетін ядролардың санының тасқындық өсу құбылысын тізбекті бөліну реакциясы дейді. Жалпы тізбекті реакция деп белгілі реакция келесі дәл сондай реакция туғызатын процесті атайды.

Сонымен тізбекті реакция нейтрондардың бұрыннан белгілі жұтылу, баяулау және диффузия құбылыстарымен қатар, олардың көбеюі болатын ортада ғана өтеді. Ондай ортаны белсенді өңір дейді. Нейтрондардың көбею қарқынын сипаттайтын физикалық шаманы нейтрондардың ортадағы көбею коэффициенті k _¥ дейді. Көбею коэффициенті деп нейтрондардың бір ұрпағындағы санының оның алдындағы ұрпақтағы санына қатынасын атайды.

k _¥ мөлшері шексіз ортадағы нейтрондардың көбею коэффициенті. Осыған ұқсас физикалық (шектелген мөлшерлі) жүйедегі нейтрондардың көбею коэффициенті k енгізіледі. Егер бірінші ұрпақта нейтрондардың саны N болса, n-ші ұрпақта олардың саны Nk ⁿ болады. Егер к =1 болса, нейтрондардың саны уақыт бойынша өзгермей бөліну тұрақты өтеді. k <1 болса, реакция сөніп қалады, ал k >1 болса, реакцияның қарқыны тез өсіп, қопырылыс болуы мүмкін. k =1 болса, реакцияның күйі сындық, k >1 болса, сындықтан жоғары, k <1 болса, сындықтан төмен делінеді.

Нейтрондардың ұрпақ ауысуы деп бір ұрпақтық нейтрондардың бәрінің жұтылып олардың орнына басқа жаңа нейтрондардың пайда болу құбылысы аталады. Ал, бұған жұмсалатын уақыттың орташа t мәні нейтрон ұрпағының орташа өмірі деп аталады. Оның мәні ортаның қасиетіне күшті тәуелді және 10^-8-10^-3с аралығында жатады. Осыдан нейтрондардың санының уақыт бойынша өзгеру жылдамдығы

, (20.1)

осыдан нейтрондар санының уақытқа тәуелділігі

, (20.2)

шығады. Мұндағы - нейтрондардың алғашқы саны. Нейтрондардың ұрпақтық өмірінің өте қысқалығынан, басқарылатын тізбектік бөліну реакциясы кезінде k =1 мәнінің өте үлкен дәлдікпен қамтамасыз ету қажеттігі туады. Мысалы, k =1,005 болса қондырғы лезде қопарылысқа ұшырайды.

Көбею коэффициенті (k _¥ мен k) ең алдымен бір бөліну кезінде шығатын нейтрондардың n санына тәуелді. Көбею коэффициенті k ³1 болу үшін бөліну реакциясы кезінде бөлініп шығатын нейтрондардың саны жеткілікті (ең болмағанда, бірден үлкен) болуы тиіс. Ол сан отынның тегі мен нейтрондардың энергиясына тәуелді болады. 3.1-кестеде ядролық энергетикада қолданылатын негізгі изотоптар үшін бөліну барысында бөлініп шығатын нейтрондардың орташа саны тиетін нейтрондардың энергиясының екі (0,025 МэВ және 1 МэВ) мәні үшін берілген.

Нейтрондардың ауыр ядролармен әсерлесуі кезінде ядролар бөлініп қана қоймайды, олардың нейтрондарды радиациялық қарпуы да мүмкін. Радиациялық қарпуға тек қана отынның (бөлінетін изотоптың) ядролары емес, басқа ядролар да қатысуы мүмкін. Уранмен жұмыс істейтін реакторлар үшін ол ядросы. Радиациялық қарпу бөлінумен бәсекелес өтіп, көбею коэффициентін кемітеді. Осыдан көбею коэффициенті уран ядроларымен қарпылған нейтрондардың ішінде оны бөлетіндерінің

үлесіне тәуелді болады. Мұндағы - уран-235 ядросының бөліну қимасы мен оның отынның құрамындағы үлесі, - отынның құрамындағы уран-238 ядросының үлесі, ші ядроның радиациялық қарпуға қимасы, Σ_nγ=σ_nγ5 n₅ +σ_nγ8 n₈.

Нейтрондардың саны мен бөлуге қатысатын нейтрондардың үлесін бірден ескеру үшін

(20.3)

коэффициентін енгізеді. h коэффициенті де әрине, отынның тегі мен нейтрондардың энергиясына тәуелді. Ең маңызды бөлінетін изотоптар үшін бұл коэффициентің мәндері де 3.1-кестеде көрсетілген. h шамасы отының ең маңызды көрсеткіші. Тізбекті реакция өту үшін h бірден үлкен болуы (h>1) тиіс. h бірден қанша үлкен болса, отынның сапасы сонша жоғары. Нақты қондырғыларда нейтрондарды уран ядролары ғана емес, басқа бөлінбейтін ядроларда қарпуы мүмкін. Олардың қатарына, мысалы, баяулатқыш пен қондырғының әртүрлі құрылымдық элементтерінің ядролары жатады. Олардың әсерін баяулату барысында қарпуға ұшырамау р коэффициентімен ескереді. Ядролар тек баяу нейтрондардың ғана емес, әлі баяулап үлгермеген жылдам нейтрондардың әсерінен де бөлінеді. Ол бөлінуге қатысатын нейтрондардың санын көбейтеді. Оны e коэффициентін енгізу арқылы ескереді. Баяулаған нейтрондардың тек (жылулық нейтрондарды пайдалану коэффициенті) бөлігі ғана уран ядроларымен қарпылады. Сонымен, мөлшері шексіз үлкен қондырғыда бір бөліну

(20.4)

екінші реттік бөліну туғызады. Нақты қондырғылардағы k көбею коэффициентін анықтау үшін коэффициентін нейтрондардың қондырғының ішінде қалатындығының, яғни олардың ағып кетпейтіндігінің ықтималдылығына көбейту керек:

.

c, әрине, қондырғының пішіні мен мөлшеріне тәуелді. Осыдан, көбею коэффициенті де осы шамаларға тәуелді. Қондырғының мөлшері кішірейсе оның сырт бетінің ауданының оның көлеміне қатынасы артады. Ал, одағы пайда болатын нейтрондардың саны оның көлеміне, ал одан ағып шығатын нейтрондардың саны сырт бетінің ауданына тәуелді. Осыдан қондырғының мөлшері кішірейсе, c ықтималдылығы, демек k көбею коэффициенті кемиді. Сөнбейтін тізбекті реакцияны қамтамасыз ететін, көбею коэффициентінің мәніне сәйкес келетін қондырғының ең кіші мөлшері сындық деп аталады. Сындық мөлшерге сәйкес келетін бөлінетін заттың ең кіші массасын сындық масса дейді. Сындық массаның мөлшері қондырғының пішіні мен құрылымына байланысты.

3.1-кесте

Ядро
Жылұлық нейтрондар (T =0.025 эB)		2.52	2.47	2.91	2.93
	h	2.28	2.07	2.09	2.15
Жылдам нейтрондар (T =1 MэB)		2.7	2.65	3.0
	h	2.45	2.3	2.7

Ядролардың нейтрондарды радиациялық қарпуы олардың бөлінуі турғысынан зиянды. Ол бөлінуге қатысатын нейтрондардың санын азайтады. Бірақ, радиациялық қарпудың пайдасы да бар. Олар бағалы жаңа изотоптар алуға көмектеседі. Мысалы, тізбекті реакцияға қатыспайтын және уран мен торий изотоптары нейтрондық қарпу мен екі тізбекті бета-ыдыраудан кейін, бағалы ядролық отын болатын және изотоптарын береді:

(20.5)

(20.6)

Бұл реакциялар тізбекті реакция барысында ядролық отынды қайта өндіруге мүмкіндік береді.

Не нашли, что искали? Воспользуйтесь поиском: