Metody i Technologie Jądrowe



Pobieranie 129.02 Kb.
Strona4/7
Data06.05.2016
Rozmiar129.02 Kb.
1   2   3   4   5   6   7

Mnożenie neutronów


Dwa lub trzy neutrony powstałe podczas każdej reakcji rozszczepienia przechodzą wiele zderzeń rozproszeniowych z jądrami zanim zakończą swój żywot w zderzeniu absorpcyjnym, co w wielu przypadkach powoduje, że jądro staje się radioaktywne. Jeśli neutron zostanie pochłonięty przez jądro rozszczepialne zazwyczaj powoduje to rozszczepienie jądra i powstanie kolejnego pokolenia neutronów. W ten sposób można doprowadzić do reakcji łańcuchowej. Opisujemy ten proces definiując współczynnik mnożenia neutronów k jako stosunek nowopowstałych neutronów do neutronów, które brały udział w reakcjach rozszczepienia. Określany jest także czas życia neutronu od jego wyemitowania podczas reakcji rozszczepienia do jego absorpcji.

W czasie t0=0 mamy n0 neutronów wygenerowanych podczas reakcji rozszczepienia, po pierwszym pokoleniu będzie kn0 neutronów, po drugim k2n0. Po i-tym pokoleniu będzie kin0 neutronów. Czas po której nastąpi i-te pokolenie można zdefiniować jako , gdzie l to czas życia neutronu. Po wyrugowaniu i otrzymujemy zależność:




Produkty rozszczepienia


Fragmenty pojawiają się w różnorakich parach. Zazwyczaj jeden jest znacznie większy od drugiego. Na przykład typową reakcją rozszczepienia jest:

Fragmenty są niestabilne ponieważ mają zbyt duży stosunek neutronów do protonów. Bardzo rzadko jądra przechodzą w stabilne poprzez wyemitowanie neutronu (poniżej 1% wszystkich niestabilnych jąder). Najczęściej dzieje się to na drodze emitowania promieniowania beta. Dla powyższego przykładu zachodzi tu:



oraz


Każdy z powyższych rozpadów ma swój półokres. Zazwyczaj im wyżej w łańcuchu rozpadów Tm ten okres jest krótszy. Wszystkie fragmenty wzięte razem są klasyfikowane jako produkty rozszczepienia.

Podana wyżej reakcja rozszczepienia jest tylko przykładem z ponad 40 różnych par fragmentów będących wynikiem rozszczepienia.

Mniej więcej 8% z 200MeV energii produkowanej podczas rozszczepienia przypada na rozpady beta i emitowanie promieniowania gamma powiązanego z promieniowaniem beta. Nawet przerwa w reakcji łańcuchowej nie zatrzymuje reaktora od produkcji znaczących ilości ciepła. Z tego powodu chłodzenie reaktora musi zachodzić nawet już po jego wyłączeniu. Jest ot tak zwane ciepło powyłączeniowe.





Rysunek 7 Moc ciepła powyłączeniowego w zależności od czasu po wyłączeniu reaktora [2].

Właściwości paliwa


Fizyka reaktorów jądrowych w dużej mierze wynika z energii uzależnionej przekroju materiałów rozszczepialnych i paliworodnych. Materiały rozszczepialne to takie, które przechodzą rozszczepienie wzbudzone uderzeniem neutronu. Takim metalem jest uran U-235. Materiały paliworodne to takie, które wychwytują neutron i przechodzą rozpad promieniotwórczy do postaci materiału rozszczepialnego. Przykładem jest tu uran U-238. Materiały paliworodne mogą być poddane rozszczepieniu bez pierwiastka przejściowego, gdy zostaną uderzone przez neutron o odpowiednio dużej energii.

Rozszczepialny uran U-235 występuje w przyrodzie jako jedyny naturalny izotop rozszczepialny. Dodatkowo występuje go 0,7% w uranie naturalnym. Pomijając śladowe ilości pozostałych izotopów 99,3% uranu to uran U-238. Poprzez wychwyt neutronu U-238 wzbudza się i rozpada się poprzez dwa rozpady β do plutonu Pu-239. Pluton ten jest już materiałem rozszczepialnym. Może jednak dojść do sytuacji gdy Pu-239 wychwyci neutron i powstanie paliworodny izotop Pu-240. Taki szereg z paliworodnymi izotopami o parzystej liczbie masowej i rozszczepialnymi o nieparzystej liczbie masowej następuje aż do Pu-241. Wynika to z faktu, że jądra o parzystej liczbie nukleonów bardziej przypominają kulę, a co za tym idzie ich wiązania wewnętrzne są silniejsze i izotop jest bardziej stabilny.

Innym powszechnym materiałem paliwo rodnym jest tor Th-232, który po wychwycie neutronu rozpada się poprzez dwukrotną emisję elektronu (promieniowanie β) do uranu U-233. Ta reakcja jest bardzo istotna dla energetyki jądrowej ze względu na fakt, że toru naturalnego jest znacznie więcej niż uranu.

Materiały rozszczepialne mogą być produkowane w rdzeniu reaktora poprzez umieszczenie w nim materiału dla niego paliworodnego. Podczas rozszczepienia uranu U-235 emitowane jest statystycznie około 2,4 neutronu. Jeden z nich wykorzystywany jest do podtrzymania reakcji łańcuchowej, a pozostałe ponad jeden może być wykorzystane do przemiany materiału paliworodnego w paliwo. Jeśli taki proces produkuje więcej paliwa niż go wykorzystuje reaktor jest nazywany powielającym.

Jako, że większość reaktorów energetycznych jest zasilanych uranem naturalnym lub częściowo wzbogaconym jest wystarczający zapas uranu U-238 do konwersji go w reaktorze do plutonu. Jednak problemem staje się pochłanianie neutronów przez materiały nierozszczepiane: konstrukcyjne, trucizny, chłodziwo. Dlatego większość reaktorów wypala więcej paliwa aniżeli go produkuje.

Neutrony potrzebne do zapoczątkowania reakcji rozszczepienia emitowane są sztucznie. Najbardziej popularną metodą jest źródło radowo-berylowe. Źródło radu Ra-226 emituje promieniowanie α, które reaguje z berylem Be-9 na skutek czego emitowane są neutrony.


Gospodarka neutronami w rdzeniu


Zachowanie neutronów wyemitowanych podczas rozszczepienia, gdy reagują z otaczającą materią określa naturę reakcji łańcuchowych. Aby ją podtrzymać średnio jeden z dwóch lub więcej neutronów wyemitowanych podczas rozszczepienia musi spowodować kolejne rozszczepienie. Energia kinetyczna neutronów a także sposób w jaki przemieszczają się w przestrzeni i reagują z jądrami atomowymi leży u podstaw ich zachowania w reaktorze energetycznym. W rdzeniu reaktora oddziaływanie jest związane z przekrojem czynnym – czyli powierzchnią przekroju jądra jaka wydaje się istnieć dla zbliżającego się neutronu. Takie przekroje, ich zależność od energii kinetycznej neutronów i względne prawdopodobieństwo na rozpraszanie, wychwytywanie lub rozszczepianie budują podstawowe dane fizyczne na których opierają się właściwości reakcji łańcuchowych

Neutron jest cząstką obojętną także żadne pole elektryczne nie wpływa na jego ruch. Dlatego neutrony poruszają się po liniach prostych zmieniając swój kierunek tylko w momentach, gdy ulegną zderzeniu z jądrem atomowym, przez które może zostać rozproszony w innym kierunku lub pochłonięty. Życie neutronu trwa tyle co kilka zderzeń, po których następuje absorpcja i neutron przestaje być samodzielną cząstką. Neutronowi poruszającemu się przez ciało stałe przestrzeń wydaje się być pusta. Biorąc pod uwagę promień atomu wynoszący 10-8cm i promień jądra 10-12cm ułamek przekroju na drodze neutronu zajęty przez jądro atomowe wynosi 10-8, co jest ułamkiem bardzo małym. Dlatego średnio neutrony przebiegają miliony warstw atomów pomiędzy dwoma zderzeniami. W przypadku cienkiego materiału (np. kartki papieru) prawie żaden neutron przez nią przechodzący nie zderzy się z jądrem.

Definiowana jest podstawowa wielkość opisująca ruch neutronów w reaktorze. Jest to przekrój czynny. Ścisła definicja tej wielkości jest następująca: wyobraźmy sobie płaszczyznę umieszczoną w bardzo dużej odległości od tarczy. Z różnych punktów tej płaszczyzny wystrzeliwujemy, prostopadle do niej, cząstki, wszystkie z tą samą prędkością początkową. Przekrojem czynnym nazywamy pole powierzchni tej części płaszczyzny, z której wystrzelone cząstki zderzyły się z tarczą. Dla zderzeń obiektów makroskopowych, nie oddziaływujących ze sobą poza momentem zderzenia, tak zdefiniowany przekrój czynny jest polem powierzchni rzutu tarczy na płaszczyznę prostopadłą do kierunku ruchu pocisków. Jako, że wartości przekroju czynnego są bardzo małe podaje się tę wielkość nie w cm2 a w barnach. 1barn=10-24cm2.




1   2   3   4   5   6   7


©absta.pl 2019
wyślij wiadomość

    Strona główna