phisics_gak/adddd/69.tex

\subsection*{Деление и синтез ядер}
\index{Ядерные реакции|(textbf}
\bf Радиоактивность\н (от лат. radio~--- <<излучаю>>, radius~---
<<луч>> и activus~--- <<действенный>>)~--- явление спонтанного превращения неустойчивого
изотопа химического элемента в другой изотоп (обычно другого элемента) (радиоактивный
распад), или (реже)~--- явление спонтанного испускания $\gamma$-частиц без превращения.
\it Естественная радиоактивность\н~--- самопроизвольный распад ядер элементов,
встречающихся в природе.\к Искусственная радиоактивность\н~--- самопроизвольный
распад ядер элементов, полученных искусственным путем через соответствующие
ядерные реакции.

Э.~Резерфорд экспериментально установил, что соли урана испускают лучи трех типов,
которые по-разному отклоняются в магнитном поле:
\begin{itemize}
	\item лучи первого типа отклоняются так же, как поток положительно заряженных
		 частиц, их назвали $\alpha$-лучами;
	\item  лучи второго типа отклоняются в магнитном поле так же, как поток
		отрицательно заряженных частиц (в противоположную сторону), их назвали
		$\beta$-лучами;
	\item лучи третьего типа, которые не отклоняются магнитным полем, назвали
	$\gamma$-излучением.
\end{itemize}
Энергетические спектры $\alpha$-частиц и $\gamma$-квантов, излучаемых радиоактивными
ядрами, дискретные, а спектр $\beta$-частиц~--- непрерывный.

\bf Ядерная реакция\н~--- процесс превращения атомных ядер, происходящий при их
взаимодействии с элементарными частицами, $\gamma$-квантами и друг с другом, часто
приводящий к выделению колоссального количества энергии. Ядерные реакции могут
происходить как с выделением, так и с поглощением энергии. Реакции первого типа,
экзотермические, служат основой ядерной энергетики и являются источником энергии
звезд. Реакции, идущие с поглощением энергии (эндотермические), могут происходить
только при условии, что кинетическая энергия сталкивающихся частиц (в системе центра
масс) выше определенной величины (порога реакции).

\paragraph*{Запись ядерных реакций.}
Ядерные реакции записываются в виде специальных формул, в которых встречаются
обозначения атомных ядер и элементарных частиц.\ж Первый способ\н написания формул
ядерных реакций аналогичен записи формул реакций химических: слева записывается
сумма исходных частиц, справа~--- сумма получившихся частиц (продуктов реакции),
а между ними ставится стрелка.
Так, реакция радиационного захвата нейтрона ядром кадмия-113 записывается так:
${}^{113}_{48}\textrm{Cd} + n \rightarrow {}^{114}_{48}\textrm{Cd} + \gamma$.

Мы видим, что число протонов и нейтронов справа и слева остается одинаковым
(барионное число сохраняется). Это же относится к электрическим зарядам, лептонным
числам и другим сохраняющимся величинам (энергия, импульс, момент импульса, и~т.п.).
В некоторых реакциях, где участвует слабое взаимодействие, протоны могут
превращаться в нейтроны и наоборот, однако их суммарное число не меняется.

\bf Второй способ\н записи, более удобный для ядерной физики, имеет вид
$ A (a, b\ldots) B$, где $A$~-- ядро мишени, $a$~-- бомбардирующая частица
(в том числе ядро), $b\ldots$~-- испускаемые частицы (в том числе ядра),
$B$~-- остаточное ядро. В скобках записываются более легкие продукты реакции,
вне~--- более тяжелые. Так, вышеприведенная реакция захвата нейтрона может быть
записана в таком виде:
${}^{113}_{48}\textrm{Cd}(n, \gamma) {}^{114}_{48}\textrm{Cd}$.

Первое принудительное ядерное превращение азота в кислород, которое провел
Резерфорд, обстреливая азот $\alpha$-частицами, записывается в виде формулы
${}^{14}_{7}\textrm{N} (\alpha, p) {}^{17}_{8}\textrm{O}$,
где $p = {}^{1}_{1}\textrm{H}$~-- протон.
В <<химической>> записи эта реакция выглядит, как
${}^{14}_{7}\textrm{N} + \alpha \rightarrow p + {}^{17}_{8}\textrm{O}$.

\paragraph*{Каналы и сечение реакций.}
\index{Канал реакции}
Типы и квантовое состояние частиц (ядер) до начала реакции определяют\ж входной
канал реакции\н. После завершения реакции совокупность образовавшихся продуктов
реакции и их квантовых состояний определяет\ж выходной канал реакции\н. Реакция
полностью характеризуется входным и выходным каналами. Вероятность реакции
определяется\ж поперечным сечением\н реакции. В лабораторной системе отсчета (где
ядро-мишень покоится) вероятность взаимодействия в единицу времени равна
произведению сечения (выраженного в единицах площади) на поток падающих частиц
(выраженный в количестве частиц, пересекающих за единицу времени единичную площадку).
Если для одного входного канала могут осуществляться несколько выходных каналов, то
отношения вероятностей выходных каналов реакции равно отношению их сечений. В
ядерной физике сечения реакций обычно выражаются в специальной единице~---\ж
барнах\н\index{Барн}, равных $10^{-24}\,\text{см}^2$.
\index{Ядерные реакции|)textbf}

\subsection*{Ядерный реактор}
\index{Ядерный реактор|(textbf}
\bf Ядерный реактор\н~--- устройство, в котором осуществляется управляемая цепная
ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии.

Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае,
если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы
вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном,
переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует\к
энергетический барьер\н, для преодоления которого микрочастица должна получить
извне какое-то количество энергии~---\ж энергии
возбуждения\н\index{Энергия!возбуждения}. Существуют два способа преодоления
энергетического барьера: либо за счет кинетической энергии сталкивающихся частиц,
либо за счет энергии связи присоединяющейся частицы.

Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для
возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая
доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины,
при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога,
ограничивающего течение процесса ($\sim10^7$\,К).

Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:
\begin{itemize}
	\item активная зона с ядерным топливом и замедлителем;
    \item отражатель нейтронов, окружающий активную зону;
    \item теплоноситель;
    \item система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;
    \item радиационная защита;
    \item система дистанционного управления.
\end{itemize}

Основная характеристика реактора~--- его\ж выходная мощность\н. Мощность в 1~МВт
соответствует цепной реакции, при которой происходит $3\cdot10^{16}$ делений в
секунду.

Текущее состояние ядерного реактора можно охарактеризовать\ж эффективным
коэффициентом размножения нейтронов\н\index{Коэффициент!размножения}, $k$, или\ж
реактивностью\н\index{Реактивность}~$\rho$, которые связаны следующим соотношением:
$\rho = {{k-1} \over k}$.

Для этих величин характерны следующие значения:
\begin{itemize}
	\item $k > 1$~--- цепная реакция нарастает во времени, реактор находится в
		надкритичном состоянии, его реактивность $\rho > 0$;
    \item $k < 1$~--- реакция затухает, реактор подкритичен, $\rho < 0$;
    \item $k = 1$, $\rho = 0$~--- число делений ядер постоянно, реактор находится
    	в стабильном критическом состоянии.
\end{itemize}

\bf Критический объем ядерного реактора\н~--- объем активной зоны реактора в
критическом состоянии.\ж Критическая масса\н~--- масса делящегося вещества реактора,
находящегося в критическом состоянии.
С целью уменьшения утечки нейтронов, активной зоне придают сферическую или близкую к
сферической форму.

Ядерный реактор может работать с заданной мощностью в течение длительного времени
только в том случае, если в начале работы имеет запас реактивности. Протекающие в
реакторе процессы вызывают ухудшение размножающих свойств среды, и без механизма
восстановления реактивности реактор не смог бы работать даже малое время.
Первоначальный запас реактивности создается путем постройки активной зоны с
размерами, значительно превосходящими критические. Чтобы реактор не становился
надкритичным, в активную зону вводятся вещества-поглотители нейтронов.
Управление ядерным реактором упрощает тот факт, что часть нейтронов при делении
вылетает из осколков с запаздыванием, которое может составить от~$0.2$ до~$55$\,с.
Благодаря этому, нейтронный поток и, соответственно, мощность изменяются достаточно
плавно, давая время на принятие решения и изменение состояния реактора извне.

На случай непредвиденного катастрофического развития цепной реакции, в каждом реакторе
предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в
активную зону специальных аварийных стержней или стержней безопасности~--- система
аварийной защиты.
\index{Ядерный реактор|)textbf}