Нейтронные ядерные реакции

 

Запись ядерной реакции может быть развернутой, например:

 

+  →  + ,

 

или сокращенной (свернутой):

 

      (n, α) .

 

В этом примере приведена реакция поглощения нейтрона изотопом бор-10, которая происходит в поглощающих стержнях реакторов на тепловых нейтронах и представляет собой один из типов нейтронных ядерных реакций или по-другому - ядерных реакций на нейтронах, т.е. реакций взаимодействия нейтронов с ядрами.

Нейтрон не имеет электрического заряда и, в отличие от заряженных частиц, не вступает в кулоновское взаимодействие с электронными оболочками атомов и с ядрами. Следовательно, нейтрону не надо преодолевать определенный потенциальный барьер, который препятствует взаимодействию, например, альфа-частицы с ядром. Отсюда вытекает, что любая заряженная частица для проникновения в ядро должна иметь более высокую кинетическую энергию, чем нейтрон. Минимальную энергию налетающей на ядро частицы, которая требуется для осуществления какой-либо ядерной реакции, называют пороговой энергией этой реакции.

Очевидно, что ядерные реакции на нейтронах занимают особое место среди различных взаимодействий частиц с ядрами. В связи с этим целесообразно рассмотреть их подробнее, тем более что именно они определяют работу ядерных реакторов АЭС.

Прежде всего, назовем возможные виды взаимодействия нейтронов с ядрами при их столкновении.

При попадании нейтрона в ядро может произойти одно из двух событий – рассеяние (отражение) нейтрона или его поглощение (захват).

Рассеяние может происходить и с образованием составного ядра (так называемого компаунд-ядра), и без него, а вот поглощение нейтрона обязательно приводит к появлению промежуточного компаунд-ядра.

В зависимости от характера и последствий столкновения нейтрона с ядром рассеяние нейтрона может быть упругим и неупругим.

Теперь более подробно рассмотрим все эти виды взаимодействия нейтронов с атомными ядрами.

Упругое рассеяние. При таком столкновении нейтрона с ядром происходит только перераспределение кинетической энергии между этими двумя частицами без какого-либо изменения внутреннего состояния ядра. После отражения от ядра нейтрон теряет часть своей кинетической энергии и  изменяет направление своего движения. Суммарная кинетическая энергия системы нейтрон-ядро до и после столкновения совпадает. Следовательно, упругое рассеяние по своему характеру и последствиям аналогично столкновению двух бильярдных шаров, подчиняющемуся законам обычной кинематики.

При упругом рассеянии нейтроны в ходе своих последовательных столкновений с ядрами постепенно теряют свою первоначальную энергию до уровня, определяемого температурой среды. Этот процесс называется термализацией нейтронов. По аналогии с примерами из классической механики можно ожидать, что необходимое для термализации нейтрона количество его столкновений с ядрами приблизительно равно отношению массы ядра к массе нейтрона.

Если упругое рассеяние происходит без стадии образования составного ядра, то оно называется потенциальным упругим рассеянием и относится к прямым ядерным реакциям. Такой тип рассеяния представляет собой отражение (отклонение) падающего на ядро нейтрона в результате его взаимодействия со всеми нуклонами ядра. При потенциальном упругом рассеянии нейтрон отражается от поверхности ядра подобно волне, т.е. в этом процессе проявляются в большей степени волновые свойства нейтрона как квантово-механической частицы.

В том случае, когда, во-первых, энергии нейтрона достаточно для образования составного ядра, и, во-вторых, величина этой кинетической энергии в сумме с энергией связи нейтрона в будущем компаунд-ядре окажется соответствующей одному из энергетических уровней возбужденного ядра, наблюдается так называемое резонансное упругое рассеяние. Здесь «резонанс» как раз и означает совпадение энергии нейтрона (а значит, его длины волны и частоты) с одним из строго определенных значений энергии, «разрешенных» для принятия нейтрона ядром. Наличие резонансов отражает внутреннее строение ядра. При попадании энергии нейтрона в какую-либо из резонансных областей энергии вероятность его взаимодействия с ядром значительно возрастает.

Резонансное упругое рассеяние можно также назвать упругим рассеянием через составное ядро.  

В заключение еще раз подчеркнем, что при столкновении нейтрона с ядром потенциальное упругое рассеяние может быть всегда. В отличие от этого, резонансное упругое рассеяние заметно только в отдельных диапазонах энергий нейтронов, и здесь его вероятность существенно превышает вероятность потенциального упругого рассеяния.

Неупругое рассеяние. Если при образовании составного ядра какая-то часть кинетической энергии нейтрона расходуется на переход ядра в возбужденное состояние, то такое рассеяние является неупругим. В этом случае распад составного ядра приводит к вылету нейтрона (с меньшей кинетической энергией, чем она была у налетающего на ядро нейтрона) с последующим испусканием γ-квантов.

Гамма-излучение, возникающее при неупругом рассеянии нейтронов, считается «быстрым», поскольку оно испускается почти одновременно с выбросом нейтрона.

В отличие от упругого рассеяния, при неупругом рассеянии внутреннее состояние ядра изменяется в связи с его переходом на один из возбужденных энергетических уровней. Не остается постоянной и кинетическая энергия всей системы нейтрон-ядро – она уменьшается на величину энергии гамма-излучения, испускаемого возбужденным ядром.

Очевидно, что неупругое рассеяние возможно только при наличии у бомбардирующего нейтрона минимально необходимой кинетической энергии, достаточной для перевода ядра хотя бы на первый (самый низкий) возбужденный уровень. В таких случаях говорят, что ядерная реакция является пороговой.

Расстояние между основным и первым возбужденным энергетическим уровнем для легких ядер составляет, как правило, более 1 МэВ, в то время как для тяжелых ядер этот интервал на порядок меньше. Вследствие этого неупругое резонансное рассеяние характерно в основном для ядер с большими массовыми числами при бомбардировке их нейтронами достаточно высоких энергий (не менее 0,1 МэВ). 

Поглощение нейтронов. Значительно реже, чем рассеяние, случается поглощение нейтронов ядрами. Весьма невысокая вероятность поглощения объясняется тем, что для захвата нейтрона требуется точное выполнение квантово-механических условий, в частности, энергетических соотношений, о чем уже было сказано выше. Применительно к нейтронным реакциям незначительная вероятность поглощения нейтрона ядром обусловлена малой шириной энергетических уровней возбужденного ядра по сравнению с расстояниями между этими уровнями. Такое соотношение делает маловероятным попадание энергии налетающего нейтрона в один из энергетических диапазонов, необходимых для его принятия ядром.

Несмотря на это, промежуток времени от рождения нейтрона в активной зоне реактора до его поглощения, т.е. период существования нейтрона как свободной частицы, пренебрежимо мал по сравнению с периодом полураспада нейтрона. 

Поглощение нейтрона ядром может привести, как правило, к одному из следующих последствий:

- ядро принимает нейтрон в свой состав, а внесенная при этом дополнительная энергия сбрасывается путем испускания γ-квантов, т.е. жесткого электромагнитного излучения; такой тип реакции поглощения нейтрона встречается чаще всего и называется радиационным захватом или (n, γ)-реакцией;

- образовавшееся в результате поглощения нейтрона составное ядро распадается с испусканием каких-либо заряженных частиц, например, α-, β-частиц или протонов; для реализации этого канала реакции необходима гораздо бόльшая энергия возбуждения ядра и, следовательно, высокая кинетическая энергия налетающего на ядро нейтрона;

- деление составного ядра с вылетом новых ядер-осколков деления, нескольких   новых   нейтронов,   а  также  других  материальных  частиц  и γ-квантов; такой исход возможен только для некоторых очень тяжелых ядер.

Другие каналы распада составного ядра, образовавшегося в результате поглощения нейтрона (например, распады с испусканием двух вторичных нейтронов или двух разных нуклонов), крайне маловероятны при тех начальных энергиях нейтрона, которые могут иметь место в активной зоне ядерного реактора.

При энергиях нейтронов до 5 МэВ преобладает радиационный захват, а испускание, например, двух нуклонов становится возможным только при энергии налетающего нейтрона более 8-10 МэВ, достаточной для преодоления энергии связи двух внутриядерных частиц.

Несколько подробнее остановимся на реакции радиационного захвата. Поглощение нейтрона ядром приводит к появлению нового нуклида, являющегося изотопом исходного. Образовавшееся составное ядро находится в возбужденном состоянии и за время порядка 10 ^{- 15} с возвращается в основное энергетическое состояние путем сброса энергии возбуждения испусканием гамма-кванта.

Новое ядро, образующееся в результате реакции радиационного захвата нейтрона, склонно к β-распаду по причине изменения соотношения в таком ядре количества протонов и нейтронов в сторону увеличения доли последних. Например, радиационный захват нейтрона ядрами тория-232 и урана-238 приводит к образованию неустойчивых изотопов торий-233 и уран-239, с последующим двойным бета-распадом и возникновением    урана-233 и плутония-239 соответственно. Как будет показано ниже, эти превращения играют важную роль в эффективном использовании ядерного топлива.