Замедление нейтронов

Сначала заметим, что нейтроны при столкновениях с ядрами многих элементов (в том числе и урана) далеко не всегда захватываются ядрами или вызывают какие-то еще ядерные реакции. Гораздо чаще нейтроны ведут себя как упругие шарики, т.е. столкновения с ядрами очень часто происходят по законам абсолютно упругого удара.

Будем считать ядро неподвижным шариком с массой М. Пусть на него налетает нейтрон массой т со скоростью υ₀, удар центральный. Определим, какой будет скорость нейтрона υ после удара (рис. 27.8).

Рис. 27.8

Запишем законы сохранения энергии и импульса:

1) тυ₀ = Ми – тυ;

2) .

Решение этой системы (см. учебник «Физика-11», ч. 3,§ 24) дает следующее значение для скорости нейтрона υ:

. (27.1)

Ясно, что если т = М, то нейтрон может остановиться даже после первой «встречи» с ядром. А если M >> m, то υ » υ₀, т.е. потери скорости при соударении с тяжелым ядром практически не произойдет.

Отсюда вытекает следующая идея: нейтронам, рожденным в акте деления, надо сначала дать возможность немножко «погулять» в веществе с легкими ядрами, а только потом «направить» их на новое взаимодействие с ядром урана-235. Ведь после пары–тройки столкновений с легкими ядрами энергия нейтрона сильно уменьшится и его «эффективность» резко возрастет.

Рис. 27.9

Вещество для замедления нейтронов называют замедлителем. Чисто практически замедление реализуется так: тонкие стержни из слабообогащенного урана (т.е. с концентрацией урана-235 3–5 %) помещают в виде редкой решетки в замедлитель (рис. 27.9). К числу замедлителей, широко используемых в ядерной физике и ядерной технике для превращения быстрых нейтронов в тепловые, относятся вода, тяжёлая вода, графит, реже – бериллий. (Напомним, что в тяжёлой воде вместо обычного атома водорода ₁Н¹ стоит изотоп ₁Н² –дейтерий.)

Пусть в одном из стержней произошло деление ядра урана (рис. 27.10). Так как стержень сравнительно тонкий, то быстрые вторичные нейтроны вылетят почти все в замедлитель. Стержни расположены в решетке довольно редко. Быстрый нейтрон, вылетев из тонкого стержня, до попадания в новый стержень испытывает много соударений с ядрами замедлителя и замедляется до скорости теплового движения. Попав затем в другой урановый стрежень, нейтрон поглотится, скорее всего, в уране-235, в результате чего или вызовет новое деление (два светлых кружка на рис. 27.10), продолжая тем самым цепную реакцию или поглотится, не вызывая деления (черный кружок на рис. 27.10). Таким образом, урановые стержни будут нагреваться за счет той энергии, которая выделяется при делении ядер урана. «Снять» со стержней тепло, а затем за счет этого тепла создать пар под высоким давлением и «заставить» этот пар вращать турбину электрогенератора – это уже дело техники.

Рис. 27.10

Принципиальная схема атомной электростанции показана на рис. 27.11.

СТОП! Решите самостоятельно: А1, В1–В3, С1.

Рис. 27.11

Задача 27.1. В одном акте деления выделяется 200 МэВ тепла. Какова электрическая мощность электростанции, расходующей в сутки 220 г изотопа U и имеющей КПД 25 %?

t = 1 сут e = 200 МэВ т = 220 г h = 25 % = 0,25 m = 235 г/моль	Решение. Выясним, сколько атомов урана содержится в т = 220 г изотопа U. Если m – молярная масса, NA – число Авогадро, то . Пусть разделилось N ядер. В одном акте деления выделяется e = 200 МэВ тепла.
Р = ?

Следовательно, всего в N актах деления выделилось энергии:

.

Так как КПД станции h = 0,25, то только четверть энергии Е преобразуется в электрическую энергию. Поэтому за время t = 1 сут будет произведено электроэнергии:

.

Если Р – искомая электрическая мощность станции, то

Ответ: 52 МВт.

СТОП! Решите самостоятельно: А2, А3, В4–В6.