Egzamino medžiaga (trumpas konspektas)

– 27 –Visos branduolinės reakcijos į atskirus tipus skirstomos pagal tokius požymius:a) pagal jose dalyvaujančių dalelių prigimtį ( sukeltos protonų, neutronų, α dalelių);b) pagal jose dalyvaujančių dalelių energijas ( mažos energijos, t.y. eV eilės, vidutinių energijų, t.y. keleto MeV eilės,didelių energijų, t.y. šimtų ir tūkstančių MeV.);c) pagal jose dalyvaujančių branduolių prigimtį (lengvųjų branduolių, vidutinės masės, sunkiųjų branduolių);d) pagal radioaktyviųjų virsmų charakterį (reakcijos produktas - neutronai, elektringosios dalelės).Pirmąją branduolinę reakciją 1919 m. įvykdė E.Rezerfordas:14 4 18 17 17N 2He9F8O1p. (14.5)Vieną šios reakcijos produktą, gana sunkią ir teigiamąjį krūvį turinčią dalelę Rezerfordas pavadino protonu.1930 m. atrastas neutronas. Vokiečių fizikai V.Botė ir H.Bekeris aptiko spinduliuotę, kuri prasiskverbdavo net pro 20 ÷30 cm švino sluoksnį. Po poros metų paaiškėjo, kad tai ne γ kvantų, o neutralių dalelių srautas:9 4 12 14Be 2He6C0n. (14.6)Neutrono atradimas buvo svarbus įvykis branduolio fizikoje. Kadangi neutronai neturi krūvio, jie nesunkiaiprasiskverbia į atomų branduolius ir inicijuoja jų virsmus Pavyzdžiui, vyksta kad ir tokia reakcija:27 1 24 413Al 0n11Na2He. (14.7)Tos pačios energingos dalelės skirtingose medžiagose sukelia nevienodą branduolių dalijimųsi skaičių. Tai reiškia, kadskirtingų branduolių reakcijų tikimybės nėra vienodos. Jos labai priklauso nuo bombarduojančių dalelių energijos,bombarduojamųjų (taikinio) branduolių rūšies ir kitų faktorių. Branduolinės reakcijos tikimybę nusako jos efektyvusisskerspjūvis σ. Jeigu į taikinio vienetinį plotą, kuriame yra n branduolių, krenta N 0 dalelių ir sukelia N branduolių skilimų,tuomet santykis N/N 0 išreikš tikimybę branduolinę reakciją sukelti vienai dalelei. Ši tikimybė proporcinga dydžiui n:N n, (14.8)N0čia ploto dimensiją turintis proporcingumo koeficientas σ vadinamas branduolinės reakcijos efektyviuoju skerspjūviu.Matuojamas barnais (b): 1b = 10 -24 cm 2 = 10 -28 m 2 . Žinant σ, galima apskaičiuoti, kiek reikės dalelių vienam branduoliuisuskaldyti. Priklausomai nuo taikinio cheminio elemento ir bombarduojančių dalelių rūšies vieno branduolio skilimui sukeltireikia nuo 10 5 iki 10 9 dalelių.14.2. Spontaninės ir valdomos branduolinės reakcijos. Branduolinė energetikaItalų fizikas E.Fermis bene pirmasis pradėjo tyrinėti neutronų sukeliamas branduolines reakcijas. 1934 m. jis nustatė,kad, bombarduojant gamtinį uraną neutronais, urano branduoliai skyla į dvi apylygės masės skeveldras. Skylant atskiriemsurano branduoliams, susidaro dešimtys kitų, paprastai radioaktyvių, elementų - La, Ba, Sr ir kt. Sunkiųjų branduolių (A>100)skilimas aiškinamas panaudojant lašelinį branduolio modelį. Įsiskverbęs į branduolį, neutronas jį sužadina. Sužadintamebranduolyje kyla masės virpesiai, rutulio formos branduolys ištįsta ir pasidalija į dvi skeveldras. Skylant urano branduoliui,išlekia 2 ÷ 3 neutronai. Branduoliui padalinti reikalinga tam tikra energija, vadinama dalijimosi aktyvacijos energija arbadalijimosi slenksčiu. Ji yra keleto MeV dydžio. Jei branduoliui suteikiama mažesnė energija, jis tik susižadina ir, grįždamas įnormalią būseną, išspinduliuoja γ kvantą. Tipinė urano branduolio dalijimosi schema yra tokia:11U 0n X Y k0nW,(14.9)čia X ir Y - branduolio skeveldros, k - antrinių neutronų skaičius, W - išsiskyrusios energijos kiekis. Antriniai neutronai, pataikęį kitus branduolius, gali inicijuoti jų skilimus. Dėl to skylančių branduolių skaičius sparčiai didėja, t.y. vyksta grandininėreakcija (grandinine branduoline reakcija vadinama tokia reakcija, kurią sukeliantys neutronai yra jos pačios produktai).Gamtiniame uranas daugiausia yra dviejų izotopų:23592U ir 23892U . Tačiau izotopo 23592U yra apie 140 kartų mažiau, neiizotopo23892U . 23592U branduoliai dalijasi paveikti tiek greitųjų, tiek ir lėtųjų neutronų, o 23892U – tik greitųjų, kurių energija viršija1 MeV. Tokią energiją turi vidutiniškai 3 iš penkių neutronų, atsiradusių skylant urano branduoliams. Dėl to, naudojant izotopą23892U , grandininės reakcijos sukelti neįmanoma.Grandininė reakcija vyks, kai neutronų daugėjimo koeficientas K bus ne mažesnis už vienetą. Koeficientas K lyguskurios nors n-tosios kartos neutronų skaičiaus ir prieš tai buvusios kartos (n–1)-sios kartos neutronų skaičiaus santykiui:NnK . (14.10)Nn1Jei K=1, dalijimosi reakcija vyksta vienoda sparta. Toks branduolinės reakcijos būvis vadinamas kriziniu. Jei K1 - spartėja (virškrizinis būvis).Jeigu visi antriniai neutronai sukeltų naujų branduolių skilimus, K būtų lygus 2,5, tačiau realiomis sąlygomis naujųbranduolių dalijimąsi sukelia ne visi neutronai. Vieni jų, taip ir nepataikę į branduolius, išlekia iš urano gabalo, kitus pagaunanesidalijantys reakcijos produktai. Grandininei reakcijai vykti reikia, kad23592U koncentracija būtų 5 ÷ 20% ( priklauso nuobranduolinio reaktoriaus konstrukcijos). Be to, daliosios medžiagos kiekis turi būti ne mažesnis už vadinamąją krizinę masę(urano – 50 kg, tai tik 20 cm skersmens rutulys, plutonio – 10 kg). Panaudojus neutronų lėtiklį ir iš berilio pagamintą neutronusatspindintį apvalkalą, krizinę urano masę galima sumažinti iki 250 g.