19140

История открытия реакции деления. Осколки деления. Выходы осколков деления. Мгновенные и запаздывающие нейтроны

Лекция

Энергетика

Лекция 5. История открытия реакции деления. Осколки деления. Выходы осколков деления. Мгновенные и запаздывающие нейтроны. Распределение энергии между продуктами деления. Спонтанное деление. Особенности сечений деления основных делящихся изотопов. 5.1. История откры

Русский

2013-07-11

292 KB

9 чел.

Лекция 5.

История открытия реакции деления. Осколки деления. Выходы осколков деления. Мгновенные и запаздывающие нейтроны. Распределение энергии между продуктами деления. Спонтанное деление. Особенности сечений деления основных делящихся изотопов.

5.1. История открытия реакции деления

1932

Открытие нейтрона Чедвиком.

Открытие позитрона. К.Д.Андерсон в Технологическом институте в Калифорнии.

Г.К.Юри, Ф.Г.Брикуэдде и Дж.М.Мерфи обнаружили у водорода изотоп с массовым числом 2, содержащийся в естественном водороде в количестве 1:5000.

1934

Кюри и Жолио сообщили о том, что некоторые легкие элементы (бор, магний, алюминий), подвергнутые бомбардировке альфа-частицами, в течении известного времени продолжали испускать позитроны после того как бомбардировка была прекращена.

!!! Искусственная радиоактивность. Стимул к экспериментам в других лабораториях.

Облучение нейтронами ядер урана (Э.Ферми и сотрудники)

1939

16 января 1939 года Нильс Бор прибыл в США, чтобы провести несколько месяцев в Пристоне (Нью-Джерси). … Как раз перед тем, как Бор покинул Данию, двое его сотрудников О.Р.Фриш и Л.Мейтнер (оба эмигранты из Германии) поделились с ним своей догаткой о том, что поглощение нейтрона ядром урана вызывет иногда расщепление этого ядра на две приблизительно равные части, сопровождающееся освобождением колоссальных количеств энергии. Поводом для этой гипотезы послужило важное открытие О.Гана и Ф.Штрасмана в Германии (опубликовано в первых числах января 1939 г. в журнале Naturwissenschaften), которые доказали, что при действии нейтронов на уран получается изотоп бария.

По приезду в США Бор поделился новостью со многими физиками.

26 января 1939 г в Вашингтоне состоялась конференция по теоретической физики на которой Бор и Ферми обсуждали проблему деления, и, в частности, Ферми упомянул, что могут испускаться нейтроны. Хотя это было лишь догаткой, из нее с очевидностью вытекала возможность цепной реакции. По вопросу деления в печати был опубликован ряд сенсационных статей.

Повторение результатов и их опубликование в Physical Review от 15 февраля 1939 г. 30 января 1939 г. Ф. Жолио также опубликовал свои первые результаты.

Более сотни докладов и статей по делению за 1939 год !!!

5.2. Продукты деления. Выходы осколков деления.

Термины «продукты» и «осколки» деления в некоторых работах используются как синонимы, в других работах как различные термины. В настоящем курсе будем придерживаться второй точки зрения. В отличие от осколков деления, которые, как правило, являются ионами короткоживущих изотопов, продукты деления – нейтральные атомы в основных энергетических состояниях. Осколки деления появляются непосредственно в результате деления тяжелого ядра. Осколки становятся продуктами деления после торможения в среде. Ядра осколков и продуктов деления являются ядрами изотопов элементов середины периодической таблицы (от цинка до гадолиния). Осколки и большинство продуктов деления имеют в своем составе избыток нейтронов по сравнению с устойчивыми атомами данной массы и поэтому являются бета-активными. Деление ядер осуществляется по более чем 50 каналам, в каждом из которых появляются различные осколки деления. Осколков, как правило, два – легкий с массой около 85–105 а.е.м. (As, Se, Br, Kr, Rb, St, Y, Zr, Nb, Mo и др.) и тяжелый с массой около 130–150 а.е.м. (Sn, Sb, Te, I, Xe, Cs, Ba, La, Ce, Pr, Nd, Pm, Sm и др.). Приблизительно на 1000 делений на два осколка происходит деление ядра на три осколка, при котором появляются легкие ядра с массами 1–20 а.е.м. (H, He, Li, Be, B, C, N и др.). Каждый изотоп, который может появиться в результате деления конкретного тяжелого ядра, характеризуется двумя числами: независимым (прямым) выходом осколка в процессе деления и кумулятивным (итоговым) выходом.

Прямой выход i-го осколка равен вероятности его появления непосредственно в процессе деления, в дальнейшем его будем обозначать – yi. Итоговый выход i-го осколка равен вероятности его появления как непосредственно в процессе деления, так и в процессе бета-распадов других осколков, в дальнейшем его будем обозначать – yΣi. Значения обоих выходов конкретного изотопа зависят от делящегося ядра и энергии налетающего нейтрона. Цепочка последовательных бета-распадов осколков и продуктов деления состоит из изотопов с одинаковым массовым числом – А, поэтому ее часто называют изобарной цепочкой. Для каждого массового числа А можно вычислить суммарный выход по цепочке – yА. Распределение суммарных выходов по изобарным цепочкам представлено на рис. 5.1. В качестве иллюстрации к вышесказанному прямые и итоговые выходы конкретных изотопов при делении 235U тепловыми нейтронами для изобарных цепочек с А = 135 и А = 137 представлены в табл. 5.1 и 5.2. Как видно из данных таблиц изобарная цепочка состоит из 5–7 звеньев и заканчивается долгоживущим или стабильным изотопом. ξn – доля распада с появлением нейтрона.

Рис.5.1. Распределение выходов по изобарным цепочкам при делении 235U

тепловыми нейтронами

Таблица 5.1.

Изобарная цепочка осколков и продуктов деления с А = 135

без запаздывающих нейтронов

50Sn

51Sb

52Te

53I

54Xe

55Cs

yi

9,3-6

1,1-3

0,036

0,026

0,003

4,4-6

yΣi

9,3-6

1,1-3

0,037

0,063

0,066

0,066

T1/2

0,85 с

1,7 с

19 с

6,61 ч

9,09 ч

2,3+6 лет

Таблица 5.2.

Изобарная цепочка осколков и продуктов деления с А=137

с запаздывающими нейтронами

51Sb

52Te

53I

54Xe

55Cs

56Ba

yi

2,2–5

5,0–3

0,031

0,028

9,0–4

6,3–7

yΣi

2,2–5

5,0–3

0,035

0,061

0,062

0,062

T1/2

0,36 с

2,5 с

24,5 с

3,8 мин

30 лет

ξn

4,0–3

0,03

0,07

В табл. 5.3 приведены суммарные выходы наиболее значимых изобарных цепочек и  характеристики изотопов, которые являются последними звеньями данных цепочек. В редких случаях бета-распада продукты деления испускают запаздывающие нейтроны. Данные нейтроны в отличие от мгновенных нейтронов появляются через некоторое время после реакции деления. Это время пропорционально времени жизни ядра-предшественника, при распаде которого они появляются. Примеры таких распадов представлены в табл. 5.2. Изотоп йода 137I в семи случаях из 100 испытывает (β + n) распад, при котором возбуждение ядра 137Xe снимается путем испускания нейтрона, а не гамма-квантов как в остальных 93 случаях. Запаздывающие нейтроны играют существенную роль при управлении цепной реакцией деления в ядерных реакторах. Характеристики наиболее важных предшественников запаздывающих нейтронов приведены в табл. 5.4.

Таблица 5.3.

Концы изобарных цепочек с выходами более 1 % при делении 235U

тепловыми нейтронами

A

yА, %

Эл-т

Т1/2

Эл-т

Т1/2

Эл-т

Т1/2

85

1,3

Kr

10,7 лет

Rb

86

2,0

Kr

87

2,5

Rb

88

3,5

Sr

89

4,8

Sr

50 сут

Y

90

5,9

Sr

28,8 лет

Zr

91

5,9

Y

58 сут

Zr

92

5,9

Zr

93

6,3

Zr

1,5·106 лет

94

6,5

Zr

95

6,6

Zr

64 сут

Nb

35 сут

Mo

96

6,3

Zr

97

6,0

Mo

98

5,8

Mo

99

6,2

Tc

2,1·105 лет

Ru

100

6,2

Mo

101

5,2

Ru

102

4,3

Ru

103

3,0

Ru

39 сут

Rh

104

1,9

Ru

105

1,0

Pd

106

0,4

Pd

127

0,12

Te

0,3

I

128

0,33

Te

129

0,79

Te*

34 сут

I

1,6·107 лет

130

1,82

Te

131

2,89

I

8 сут

Xe

132

4,27

Xe

133

6,61

Cs

134

7,75

Xe

135

6,6

Cs

2,3·106 лет

136

6,3

Xe

137

6,3

Cs

30 лет

Ba

138

6,76

Ba

139

6,47

La

140

6,3

Ba

12,7 сут

La

1,7 сут

Ce

141

5,85

Ce

32,5 сут

Pr

142

5,8

Ce

143

5,95

Ce

1,38 сут

Pr

13,6 сут

Nd

144

5,5

Ce

285 сут

Pr

17 мин

Nd

145

3,9

Nd

146

3,0

Nd

147

2,27

Nd

11 сут

Pm

2,62 лет

Sm

1011 лет

148

1,67

Nd

149

1,05

Pm

2,2 сут

Sm

150

0,65

Nd

Таблица 5.4

Параметры некоторых предшественников запаздывающих нейтронов

при делении 235U тепловыми нейтронами

Изотоп

Выход изотопа на деление yΣ

Период полураспада, с

Доля распада с запаздывающим нейтроном p

Число на акт деления

βf = yΣ·p

85As

0,0016

2,03

0,59

0,0009

86As

0,0005

0,9

0,33

0,0002

87Br

0,021

55,7

0,025

0,0005

88Br

0,018

16,5

0,066

0,0012

89Br

0,0138

4,4

0,14

0,0019

90Br

0,0054

1,7

0,25

0,0014

93Rb

0,035

5,7

0,014

0,0005

94Rb

0,016

2,7

0,10

0,0016

99Y

0,020

1,5

0,019

0,0004

135Sb

0,0018

1,7

0,17

0,0003

136Te

0,019

17,5

0,013

0,0003

137I

0,03

24,5

0,071

0,0021

138I

0,015

6,4

0,055

0,0008

139I

0,0063

24,5

0,1

0,0006

143Cs

0,016

1,8

0,016

0,0003

Значения всех выходов осколков деления, рассмотренные выше, зависят от делящегося ядра и энергии нейтрона, вызвавшего деление. Выходы более 600 осколков измерены для различных делящихся изотопов. Однако на сегодняшний день точность этих данных для большинства осколков не высокая (10–30 %).

Как уже отмечалось, в процессе деления тяжелых атомов могут образовываться более 600 различных продуктов деления. При этом большинство из них – короткоживущие, и их влияние на работу реактора и параметры ОЯТ после некоторого времени выдержки пренебрежимо мало. Однако такие изотопы вносят основной вклад активность ОЯТ сразу после остановки реактора, и поэтому их концентрации необходимо оценивать, так же как и концентрации долгоживущих изотопов. Список наиболее значимых долгоживущих продуктов деления приведен в табл. 5.5. В таблице также приведены средние энергии электронов и гамма-квантов выделяющиеся на 1 распад с учетом последующих звеньев изобарной цепочки. Рассмотрим, в качестве примера, изотоп цезия 137Cs. При его распаде в 94,6 случаев из 100 появляется метастабильный изотоп бария 137mBa, а в 5,4 случаях – стабильный изотоп бария 137Ba. При этом электрон уносит в среднем 0,19 МэВ энергии, а гамма-квантов практически не появляется. Метастабильный изотоп бария может перейти в основное состояние (стабильный изотоп бария 137Ba) либо испуская гамма-квант с энергией 0,661 МэВ, либо передавая энергию электронам атома, выбивая их с орбит. Вероятность испускания гамма-кванта около 90 %, поэтому энергия, которую уносят гамма-кванты при распаде 137Cs, составляет приблизительно 0,946 · 0,9 · 0,661 = 0,56 МэВ. Вероятность передачи энергии электронам около 10 %, поэтому при распаде 137mBa электроны получают приблизительно 0,946 · 0,1 · 0,661 = 0,06 МэВ. Полная энергия электронов, появляющихся в распаде 137Cs, составит 0,19 + 0,06 = 0,25 МэВ.

Таблица 5.5.

Долгоживущие продукты деления

Изотоп

T1/2

yΣi*, %

Qe**, МэВ

Qγ**, МэВ

Se-79

6,5·104 лет

0,05

0,05

0,05

Kr-85

10,7 лет

0,29

0,25

0,002

Sr-90

29,1 лет

5,85

1,13

Zr-93

1,53 года

6,32

0,05

0,02

Tc-99

2,1·105 года

6,18

0,09

Ru-106

1,01 года

0,41

1,42

0,20

Pd-107

6,5·106 лет

0,14

0,01

Sn-126

1,0·105 лет

0,06

0,70

1,80

Sb-125

2,73 года

0,03

0,10

0,43

I-129

1,6·107 лет

0,78

0,06

0,02

Cs-134

2,06 года

0***

0,16

1,55

Cs-135

2,3·106 лет

6,58

0,06

Cs-137

30,0 лет

6,24

0,25

0,56

Ce-144

285 суток

5,46

1,30

0,05

Pm-147

2,62 года

2,27

0,06

Sm-151

88,73 года

0,42

0,03

Eu-154

8,6 года

0***

0,28

1,23

Eu-155

4,96 года

0,03

0,06

0,06

* Полные выходы при делении 235U тепловым нейтроном.

** Энергия, с учетом последующих звеньев изобарной цепочки.

*** Накапливается в результате поглощения нейтронов более легким изотопом данного элемента.

5.3. Мгновенные и запаздывающие нейтроны. 

Отношение числа нейтронов к числу протонов в ядре 235U равно 1.55, в то время как у стабильных элементов, имеющих массу, близкую к массе осколков деления, это отношение 1.25-1.45 (см. рис.5.2). Следовательно, осколки деления сильно перегружены нейтронами и должны быть неустойчивы к минус бета-распаду как было отмечено в предыдущем разделе.

Рис.5.2. Отношение числа нейтронов N к числу протонов Z в зависимости от массового числа A для ядер долины стабильности

Нарушение характерного для стабильных ядер соотношения числа протонов и нейтронов, приводит к вылету мгновенных нейтронов деления. Эти нейтроны испускаются возбужденными движущимися осколками за время, меньшее, чем 4·10-14 с. В таблице 5.6 показаны результаты измерения среднего количества мгновенных нейтронов νf, образующихся в одном акте деления. В среднем в каждом акте деления испускается 2-3 мгновенных нейтрона.

Таблица 5.6.

Среднее количество мгновенных нейтронов νf, образующихся  в одном акте деления

Вынужденное деление

Спонтанное деление

Ядро

233U + n

235U + n

239Pu + n

238Pu

240Pu

242Pu

242Cm

244Cm

252Cf

νf

2.58

2.47

3.05

2.33

2.26

2.18

2.65

2.80

3.87

Энергетический спектр мгновенных нейтронов непрерывный с максимумом около 1 МэВ. Средняя энергия мгновенного нейтрона близка к 2 МэВ. Энергетический спектр нейтронов, апроксимируется соотношением

N(Т) ~ ()1/2ехр(-/k),

где - кинетическая энергия нейтронов в Мэв (рис.5.3).

Это соотношение получено в предположении, что нейтроны испускаются движущимися осколками. Хорошее описание экспериментальных данных, показывает , что нейтроны испускаются после того, как ядро разделилось. Значения параметра k для некоторых ядер приведены в таблице 5.7.

Таблица 5.7.

Ядро

233U

235U

239Pu

k

131

129

133

 

Рис.5.3. Энергетический спектр нейтронов, испущенных при делении тепловыми нейтронами ядра 235U

Оказалось, что небольшая доля (~1%) нейтронов, испускающихся в процессе деления, появляется с некоторым запаздыванием относительно момента деления (так называемые запаздывающие нейтроны). Время запаздывания достигает 1 мин. Было установлено, что запаздывающие нейтроны испускаются остановившимися осколками после предварительного бета-распада. Причины испускания запаздывающих нейтронов легко понять из рис. 5.4. Бета-распад осколков приводит к образованию дочерних ядер не только в основном, но и в возбужденных состояниях. Если энергия возбуждения превышает энергию отделения нейтрона B(n), то происходит испускание запаздывающих нейтронов.

 

Рис. 5.4. Схема образования запаздывающих нейтронов: Е* - энергия возбуждения ядра (А, Z+1); В(n) - энергия отделения нейтрона в ядре (А, Z+1); Еn - кинетическая энергия запаздывающего нейтрона

5.4. Распределение энергии между продуктами деления. 

Таблица 5.8.

Примерное распределение энергии между продуктами деления

Составляющие

Энергия, МэВ

Мгновенное энерговыделение

Осколки деления

166–168

Мгновенные нейтроны

5

Мгновенные гамма-кванты

6–7

Запаздывающее энерговыделение

Электроны бета-распада

6–7

Гамма-кванты бета-распада

6–7

Антинейтрино бета-распада

10–11

В одной реакции деления должно выделиться около 200 МэВ энергии. При этом около 88 % энергии выделится непосредственно в процессе деления, а оставшиеся 12 % выделятся только через некоторое время. Эта задержка энерговыделения связана с тем, что часть энергии деления будет выделяться в процессах бета-распадов осколков и продуктов деления.

5.5. Спонтанное деление.

Через два года после открытия реакции деления, в 1940 году, Г.Н. Флеров и К.А. Петржак обнаружили, что ядра урана могут делиться самопроизвольно (спонтанно). Период полураспада спонтанного деления 238U оказался равным 8*1015 лет. Это означает, что в 1 кг урана за одну секунду происходит около 7 спонтанных делений и появляется приблизительно 20 нейтронов.

Практически все актиноиды имеют некоторую вероятность спонтанного деления. Однако, наибольший интерес представляют изотопы, приведенные в таблице 5.9.

Таблица 5.9.

Изотоп

Т1/2, лет

Выход распадов с делением

Количество делений в 1 г

Примечание

238U

4,47·109

5,4·10-7

7·10-3

Источник нейтронов в урановом топливе

240Pu

6,56·103

5,7·10-8

460

Мешает мощному ядерному взрыву

244Cm

18,1

1,35·10-6

4·106

Основной вклад в источник нейтронов в ОЯТ

252Cf

2,65

3,1·10-2

6,3·1011

Портативные источники нейтронов

5.6. Особенности сечений деления основных делящихся изотопов.

Микроскопические сечения деления тяжелых ядер зависят от энергии нейтрона. Ряд изотопов эффективно делятся нейтронами всех энергий. Такие изотопы называются делящимися. К делящимся изотопам относятся изотопы урана – 235 и 233, а также изотопы плутония 239 и 240. Изотопы, которые эффективно делятся нейтронами быстрых энергий и практически не делятся тепловыми нейтронами называются делимыми или сырьевыми. Такими изотопами, которые есть в природе, являются изотоп тория 232 и изотоп урана 238. На рис.5.5 изображены зависимости делящихся изотопов 233U, 235U и 239Pu от энергии налетающего нейтрона. Из рисунка 5.5 видно, что сечение деления всех делящихся изотопов в тепловой области возрастает по закону 1/v и достигает в тепловой точке значений нескольких сотен барн. При этом значение сечения радиационного захвата для этих изотопов также изменяется по закону 1/v, но имеет меньшие абсолютные значения. Поэтому в тепловой области часто используется одно число - α, характеризующее соотношение между сечениями радиационного захвата и деления:

Сечения делящихся изотопов в тепловой области различаются между собой не только значением параметра α, но и другими параметрами: значением сечения деления в тепловой точке (E=0,0253 эВ)- ; числом вторичных нейтронов при делении тепловым нейтроном - ; числом вторичных нейтронов при захвате теплового нейтрона - . Параметры делящих изотопов в тепловой области приведены в таблице 5.10.

Рис. 5.5. Зависимость сечения деления делящихся изотопов от энергии нейтрона

Таблица 5.10.

Параметры делящихся изотопов в тепловой области (ENDF/B-6.8)

α

233U

529

0,086

2,48

2,28

235U

585

0,167

2,42

2,07

239Pu

748

0,359

2,86

2,11


 

А также другие работы, которые могут Вас заинтересовать

7253. Цифровое вещание. Основные параметры систем спутникового телевизионного вещания 270 KB
  Цифровое вещание 1. Основные параметры систем спутникового телевизионного вещания. Существуют два вида спутниковой связи, используемых для ТВ-вещания: фиксированная спутниковая служба и радиовещательная спутниковая служба. Фиксированная спутниковая ...
7254. Детали машин. Конспект лекций. Основные требования к конструкции деталей машин 2.83 MB
  Настоящий конспект лекций по курсу Детали машин следует рассматривать как краткое изложение программных вопросов курса, облегчающее усвоение учебного материала и подготовку к экзаменам. Конспект изложен на базе основных учебников Д.Н....
7255. Генератор прямоугольных импульсов 287.87 KB
  Задание на расчет Построить генератор прямоугольных импульсов (ГПИ) с видом характеристики типа меандр. Амплитуда сигнала стандартная для транзисторно-транзисторной логики (ТТЛ). Установленная частота ступенями: 100Гц 1...
7256. Конструирование мехатронных модулей главного движения металлорежущих станков 281 KB
  Рассмотрены вопросы разработки структур, кинематических схем и конструкций мехатронных модулей главного движения станков с компьютерным управлением, даны рекомендации по выполнению отдельных этапов проектирования. Предназначены для студентов, обучаю...
7257. Связь науки и техники на примере развития вычислительных средств 178.61 KB
  Введение. Наука играет огромную роль в развитии человеческого общества. Она пронизывает все сферы нашей деятельности как материальной, так и духовной и по праву является неотъемлемым звеном социально-политического развития страны. В литературе им...
7258. Расчет цифрового радиоприёмника по исходным данным: 786 KB
  1. Задание. Произвести расчёт цифрового радиоприёмника по следующим исходным данным: Приёмник работает с ФМ сигналом на частоте F0=22 МГц. Необходимо обеспечить перестройку по 19 каналам. Скорость цифрового потока в последовательном коде V: 7000 бит...
7259. Книга. Сто великих сокровищ 1.84 MB
  Сто великих сокровищ. История человечества столь удивительна и разнообразна, что всякая ее достопримечательность потрясает наше сознание. Любой драгоценный предмет имеет очень интересную судьбу, порой таинственную и загадочную. История каж...
7260. Гидравлика. Учебное пособие 3.04 MB
  Гидравлика Учебное пособие подготовлено в соответствии с Государственным образовательным стандартом высшего профессионального образования по дисциплине Гидравлика. Рассматриваются основные теоретические положения гидростатики, кинематики и динамик...
7261. Економіка підприємства. Опорний конспект лекцій 3.95 MB
  Зміст Вступ до економіки підприємства Підприємство як субєкт господарювання Поняття, цілі та напрямки діяльності підприємства Правові основи функціонування підприємства Класифікація підприємств Добровільні та інституціон...