Большая Советская Энциклопедия (ЯД)

Текст добавлен: 7 октября 2016, 02:11

Текст книги "Большая Советская Энциклопедия (ЯД)"

Автор книги: Большая Советская Энциклопедия

Жанр:

Энциклопедии

сообщить о нарушении

Текущая страница: 6 (всего у книги 10 страниц)

Назад к карточке книги

Ядерный заряд

Я'дерный заря'д, устройство, содержащее запас ядерной энергии, заключённой в определённых веществах, и приспособления, которые обеспечивают быстрое освобождение энергии для осуществления ядерного взрыва. Я. з. бывают двух типов, один из которых по традиции называется атомным, другой – водородным. Действие Я. з. 1-го типа (атомной бомбы) основано на освобождении ядерной энергии при делении некоторых тяжёлых ядер (урана ²³⁵ U, плутония ²³⁹ Pu, см. Ядерный взрыв ); действие Я. з. 2-го типа (водородной бомбы) – на термоядерной реакции синтеза ядер гелия из более лёгких ядер (дейтерия, трития или их смеси с ⁶ Li), при которой выделяется примерно в 4 раза больше энергии, чем при распаде одинакового по массе количества делящегося вещества. Испытывались Я. з. мощностью от нескольких кт до нескольких десятков Мт тротилового эквивалента . Мощность Я. з. определяется как количеством содержащегося в заряде делящегося вещества или изотопов водорода, так и его конструкционными особенностями, создающими условия для вступления в ядерную реакцию максимального количества вещества. Важным элементом конструкции Я. з. является инициирующий заряд, создающий сверхкритические условия для делящегося вещества в атомном заряде и необходимую температуру в водородном заряде (в последнем случае в качестве инициирующего заряда применяется атомный заряд). При конструктивном оформлении Я. з. помещают в стальную оболочку, так что общая его масса вместе с инициирующими устройствами составляет обычно от нескольких сотен кг до нескольких т. При употреблении Я. з. в качестве ядерного оружия его для доставки к месту назначения помещают в авиационную бомбу, боевую головку ракеты, в торпеду и т. п.

Я. з. применялись в мирных целях для различных крупномасштабных взрывных работ, при добыче полезных ископаемых и т. д.

Лит. см. при ст. Ядерный взрыв .

Ядерный квадрупольный резонанс

Я'дерный квадрупо'льный резона'нс (ЯКР), резонансное поглощение электромагнитной энергии в кристаллах, обусловленное переходами между энергетическими уровнями, образующимися в результате взаимодействия ядер, обладающих электрическим квадрупольным моментом, с электрическим кристаллическим полем . ЯКР является частным случаем ядерного магнитного резонанса (ЯМР) в кристаллах. Так называемый «чистый» ЯКР наблюдается в отсутствии постоянного магнитного поля.

Взаимодействие квадрупольного момента ядра с неоднородным внутренним электрическим полем Е кристалла приводит к появлению энергетических состояний, соответствующих различным ориентациям ядерного спина S относительно кристаллографических осей. Радиочастотное магнитное поле, так же как и в случае ЯМР, вызывает вынужденные магнитные дипольные переходы между этими состояниями, что обнаруживается как резонансное поглощение электромагнитной энергии. Т. к. энергия квадрупольного взаимодействия изменяется в широких пределах в зависимости от свойств ядра и структуры кристалла, то частоты ЯКР лежат в диапазоне от сотен кгц до тысяч Мгц. Положение энергетических уровней не зависит от ориентации осей кристалла относительно прибора, что позволяет пользоваться поликристаллическими образцами. Аппаратура, применяемая для исследования ЯКР, принципиально не отличается от спектрометров ЯМР.

При исследовании ЯКР измерения в отсутствии постоянного магнитного поля H дополняются измерениями в поле H В зависимости от соотношения между энергией квадрупольного взаимодействия ядра с полем Е и энергией магнитного взаимодействия с полем H говорят о квадрупольном расщеплении линий ЯМР или о зеемановском расщеплении в ЯКР.

Метод ЯКР применяется в ядерной физике для определения квадрупольных моментов ядер. Методом ЯКР исследуются также симметрия и строение кристаллов, степень упорядоченности макромолекул и характер химической связи. Исследования кристаллов основанных на связи между структурой кристаллов и значениями градиентов поля Е. Если в случае ЯМР структура кристаллов определяет только возмущения зеемановских уровней, приводящие к уширению и расщеплению линий, то в случае ЯКР структура кристалла определяет сами резонансные частоты. Для ЯКР характерна сильная зависимость ширины линий от наличия дефектов в кристалле. Измерение ширины линий позволяет исследовать внутренние напряжения, присутствие примесей и явления упорядочения в кристаллах.

Лит.: Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер, с англ., М., 1963; Гречишкин В. С., Ядерные квадрупольные взаимодействия в твердых телах, М., 1973; Семин Г. К., Бабушкина Т. А., Якобсон Г. Г., Применение ядерного квадрупольного резонанса в химии, Л., 1972.

Ядерный магнетон

Я'дерный магнето'н , см. Магнетон .

Ядерный магнитный резонанс

Я'дерный магни'тный резона'нс (ЯМР), резонансное поглощение электромагнитной энергии веществом, обусловленное переориентацией магнитных моментов атомных ядер. ЯМР – один из методов радиоспектроскопии . Наблюдается в сильном постоянном магнитном поле H_{, на которое накладывается слабое радиочастотное магнитное поле H ^ H_{. Резонансный характер явления определяется свойствами ядер, обладающих моментом количества движения и магнитным моментом:}}

m = g I. (1)

Здесь I — спин ядра, g – гиромагнитное отношение (величина, характерная для данного вида ядер), – Планка постоянная . Частота, на которой наблюдается ЯМР:

w_{= g H_{. (2)}}

Для протонов в поле H = 10⁴ э w/2p = 42,57 Мгц; для большинства ядер эти значения лежат в диапазоне 1—10 Мгц. Порядок величины резонансного поглощения определяется равновесной ядерной намагниченностью вещества (ядерным парамагнетизмом ): m_{= c_{H , где c_{– статическая ядерная восприимчивость.}}}

ЯМР, как и другие виды магнитного резонанса , можно описать классической моделью гироскопа. В постоянном магнитном поле H пара сил, обусловленная магнитным моментом m, вызывает прецессию магнитного и механического моментов, аналогичную прецессии волчка под действием силы тяжести. Магнитный момент m прецессирует вокруг направления H_{с частотой w_{= gH_{, угол прецессии d остаётся неизменным (рис. 1 ). В результате воздействия радиочастотного поля H₁ резонансной частоты w_{угол d изменяется со скоростью gН₁рад/сек , что приводит к значительным изменениям проекции m на направление поля H даже в слабом поле H₁ .}}}}

С квантовой точки зрения ЯМР обусловлен переходами между уровнями энергии взаимодействия магнитных дипольных моментов ядра с полем H_{. В простейшем случае изолированных, свободных от других воздействий ядерных спинов, условие (m = I , I — 1,..., ..., – I ) определяет систему (2I + 1) эквидистантных уровней энергии ядра в поле H_{. Частота w_{соответствует переходу между двумя соседними уровнями.}}}

Представление об изолированных ядерных спинах является идеализацией; в действительности ядерные спины взаимодействуют между собой и с окружением, например кристаллической решёткой. Это приводит к установлению теплового равновесия (к релаксации ). Релаксационные процессы характеризуются постоянными T₁ и T₂ , которые описывают изменения продольной и поперечной составляющих ядерной намагниченности. Изменение первой связано с изменением энергии системы ядерных спинов в поле H_{(спин-решёточная релаксация). Изменения поперечной составляющей определяются в основном внутренними взаимодействиями в самой системе спинов (спин-спиновая релаксация). Значения Ti лежат в пределах от 10-⁴ сек для растворов парамагнитных солей до нескольких ч для очень чистых диамагнитных кристаллов. Значения Ti изменяются от 10-⁴¹ сек для кристаллов до нескольких сек для диамагнитных жидкостей. Ti и Ti связаны со структурой и характером теплового движения молекул вещества. Для жидкостей T₁ и T₂ , как правило, близки, но становятся резко различными при кристаллизации, сопровождающейся всегда значительным уменьшением T₁ . Большие T₁ в очень чистых диамагнитных кристаллах объясняются малостью внутренних магнитных полей. В кристаллах, содержащих парамагнитные примеси, тепловой контакт с решёткой осуществляется немногими ядрами, находящимися вблизи от атомов примеси, где локальное поле значительно сильнее. Равновесное распределение, образовавшееся возле атома примеси, распространяется по всему кристаллу за счёт обмена состояниями соседних ядерных спинов в результате магнитного дипольного взаимодействия (спиновая теплопроводность). В металлах и сплавах основной механизм релаксации – взаимодействие электронов проводимости с ядерными моментами. Оно приводит также к сдвигу резонансных частот (см. Найтовский сдвиг ).}

Резонансная линия имеет ширину Dw = 2/T₂ (рис. 2 ). В сильных полях H₁ наступает «насыщение» – увеличение ширины и уменьшение амплитуды линии при ½g½H₁ > (T₁ T₂ )^-1^/2 . Насыщение сопровождается уменьшением ядерной намагниченности. Этому соответствует выравнивание населённостей уровней в результате переходов, вызванных полем H₁ . Ширина линий в кристаллах определяется магнитным полем соседних ядер. Для многих кристаллов спин-спиновое взаимодействие ядер настолько велико, что приводит к расщеплению резонансной линии.

Большое влияние на времена релаксации, ширину и форму линий ЯМР оказывает взаимодействие электрического квадрупольного момента ядер Q с локальным электрическим полем в веществе. В жидкостях ЯМР для ядер с большим Q удаётся наблюдать только на веществах с симметричным строением молекул, исключающим появление квадрупольного взаимодействия (например, ⁷³ Ge в тетраэдрической молекуле GeCl₄ ). В кристаллах квадрупольное взаимодействие часто даёт расщепление уровней ЯМР»mН_{. В этом случае поглощение энергии определяется ядерным квадрупольным резонансом .}

Спектры ЯМР в подвижных жидкостях для ядер со спином I =¹ /₂ и Q = 0 отличаются узкими линиями (ЯМР высокого разрешения). Спектры высокого разрешения получаются для протонов, ядер ¹⁹ F, ¹³ C, ³¹ P и некоторых других ядер. Одиночные линии в этом случае получаются только если наблюдается ЯМР ядер, занимающих химически эквивалентные положения (например, линии водорода в спектрах воды, бензола, циклогексана). Все соединения более сложного строения дают спектры из многих линий (рис. 3 ), что связано с двумя эффектами. Первый, так называемый химический сдвиг, – результат взаимодействия окружающих ядро электронов с полем H_.

Возмущение состояний электронов вызывает уменьшение постоянной составляющей поля, действующего на ядра, пропорциональное H_{. Величина химического сдвига зависит от структуры электронных оболочек и, т. о., от характера химических связей, что позволяет судить о структуре молекул по спектру ЯМР. Вторым эффектом является непрямое спин-спиновое взаимодействие. Непосредственное магнитное взаимодействие ядер в подвижных жидкостях затруднено из-за броуновского движения молекул; непрямое спин-спиновое взаимодействие обусловлено поляризацией электронных оболочек полем ядерных моментов. Величина расщеплений в этом случае не зависит от H_.}

Наблюдение спектров ЯМР осуществляется путём медленного изменения частоты со поля H₁ или напряжённости поля H_{. Часто применяется модуляция поля Но полем звуковой частоты. При исследованиях кристаллов лучшую чувствительность даёт метод «быстрой модуляции»: поле H_{модулируется звуковой частотой так, что процессы, определяемые временем релаксации T₁ , не успевают завершиться за период модуляции, и состояние системы спинов нестационарно. Применяются также импульсные методы (воздействие поля H₁ ограничено во времени короткими импульсами). Важнейшие из них – метод спинового эха и фурье-спектроскопия .}}

Эдс индукции пропорциональна H²_. Поэтому обычно эксперименты выполняют в сильном магнитном поле. Основным элементом радиочастотной аппаратуры, применяемой для наблюдения ЯМР, является настроенный на частоту прецессии контур, в катушку индуктивности которого помещается исследуемое вещество. Катушка выполняет 2 функции: создаёт действующее на исследуемое вещество радиочастотное магнитное поле H₁ и воспринимает эдс, наведённые прецессией ядерных моментов. Контур включается в радиочастотный мост или в генератор, работающий на пороге генерации.

Методом ЯМР были измерены моменты атомных ядер, впервые исследованы состояния с инверсной заселённостью уровней. Исследования релаксационных процессов, ширины и тонкой структуры линий ЯМР дали много сведений о структуре жидкостей и твёрдых тел. ЯМР высокого разрешения представляет собой наряду с инфракрасной спектроскопией стандартный метод определения строения органических молекул. Тесная связь формы сигналов с внутренним движением в веществе позволяет использовать ЯМР для исследования заторможенных вращений в молекулах и кристаллах. ЯМР используется также для изучения механизма и кинетики химических реакций. На ЯМР основаны приборы для прецизионного измерения и стабилизации магнитного поля (см. Квантовый магнитометр ). За открытие и объяснение ЯМР (1946) Ф. Блоху и Э. Пёрселлу была присуждена Нобелевская премия по физике за 1952.

Лит.: Вloch F., «Physical Review», 1946, v. 70, № 7—8, p. 460; Bioembergen N., Purcell E.M., Pound R. V., там же, 1948, v. 73, № 7, p. 679; Абрагам А., Ядерный магнетизм, пер. с англ., М., 1963; Александров И. В., Теория магнитной релаксации. Релаксация в жидкостях и твердых неметаллических парамагнетиках, М., 1975; Сликтер Ч., Основы теории магнитного резонанса с примерами из физики твердого тела, [пер.], М., 1967; Попл Д., Шнейдер В., Бернстейн Г., Спектры ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., М., 1962; Эмели Дж., Финей Дж., Сатклиф Л., Спектроскопия ядерного магнитного резонанса высокого разрешения, пер. с англ., т. 1—2, М., 1968—69; Фаррар Т., Беккер Э., Импульсная и фурье-спектроскопия ЯМР, пер. с англ., М., 1973.

К. В. Владимирский.

Рис. 3. Спектр ЯМР протонов в чистом этиловом спирте. Расщепление резонансных линий групп OH, CH₂ и CH₃ обусловлено непрямым спин-спиновым взаимодействием.

Рис. 2. Спектральная линия ЯМР.

Рис. 1. Прецессия магнитного момента m ядра в поле H_{; J – угол прецессии.}

Ядерный парамагнетизм

Я'дерный парамагнети'зм , магнетизм веществ, обусловленный магнитными моментами атомных ядер. В постоянном магнитном поле H_{существование магнитных моментов ядер приводит к слабому парамагнетизму в виде небольшой добавочной ядерной намагниченности M_{= cH_{, где c — магнитная ядерная восприимчивость. Намагниченность M_{в 10⁶ – 10⁸ раз меньше, чем в случае электронного парамагнетизма . Я. п. впервые обнаружен в 1937 Л. В. Шубниковым и Б. Г. Лазаревым (СССР) в твёрдом водороде. Изучается методом ядерного магнитного резонанса .}}}}

Ядерный ракетный двигатель

Я'дерный раке'тный дви'гатель (ЯРД), ракетный двигатель, в котором тяга создаётся за счёт энергии, выделяющейся при радиоактивном распаде или ядерной реакции. Соответственно типу происходящей в ЯРД ядерной реакции выделяют радиоизотопный ракетный двигатель ,термоядерный ракетный двигатель и собственно ЯРД (используется энергия деления ядер). ЯРД состоит из реактора, реактивного сопла, турбонасосного агрегата (ТНА) для подачи рабочего тела в реактор из бака двигательной установки (где оно хранится в жидком состоянии), управляющих агрегатов и других элементов. В ядерном реакторе рабочее тело превращается в высокотемпературный газ, при истечении которого создаётся тяга. Газ для привода ТНА можно получить нагревом основного рабочего тела в реакторе. Сопло ТНА и многие другие агрегаты ЯРД аналогичны соответствующим элементам жидкостных ракетных двигателей (ЖРД). Принципиальное отличие ЯРД от ЖРД – в наличии ядерного реактора вместо камеры сгорания (разложения). Достоинство ЯРД – в их высоком удельном импульсе благодаря большой скорости истечения рабочего тела, достигающей 50 км/сек и более. По удельному импульсу ЯРД значительно превосходят химические ракетные двигатели , у которых скорость истечения рабочего тела не превышает 4,5 км/сек. В стадии технической разработки (1977) экспериментальный американский ЯРД «Нерва-I» («Nerva-1»); при массе 11 т развивает тягу свыше 300 кн при удельном импульсе 8,1 км/сек. К 1978 созданы экспериментальные образцы радиоизотопных ЯРД с тягой до нескольких н. Использование всех типов ЯРД предусматривается только в космосе.

Лит.: Бассард Р. В., Де-Лауэр Р. Д., Ракета с атомным двигателем, пер. с англ., М., 1960; их же. Ядерные двигатели для самолётов и ракет, пер. с англ., М., 1967.

Ядерный реактор

Я'дерный реа'ктор , устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная цепная реакция , сопровождающаяся выделением энергии. Первый Я. р. построен в декабре 1942 в США под руководством Э. Ферми . В Европе первый Я. р. пущен в декабре 1946 в Москве под руководством И. В. Курчатова . К 1978 в мире работало уже около тысячи Я. р. различных типов. Составными частями любого Я. р. являются: активная зона с ядерным топливом , обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель , система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления (рис. 1 ). Основной характеристикой Я. р. является его мощность. Мощность в 1 Мет соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·10¹⁶ актов деления в 1 сек.

В активной зоне Я. р. находится ядерное топливо, протекает цепная реакция ядерного деления и выделяется энергия. Состояние Я. р. характеризуется эффективным коэффициентом Кэф размножения нейтронов или реактивностью r:

r = (К_¥ – 1)/К_эф . (1)

Если К_эф > 1, то цепная реакция нарастает во времени, Я. р. находится в надкритичном состоянии и его реактивность r > 0; если К_эф < 1 , то реакция затухает, реактор – подкритичен, r < 0; при К_¥= 1, r = 0 реактор находится в критическом состоянии, идёт стационарный процесс и число делений постоянно во времени. Для инициирования цепной реакции при пуске Я. р. в активную зону обычно вносят источник нейтронов (смесь Ra и Be, ²⁵² Cf и др.), хотя это и не обязательно, т. к. спонтанное деление ядер урана и космические лучи дают достаточное число начальных нейтронов для развития цепной реакции при К_эф > 1.

В качестве делящегося вещества в большинстве Я. р. применяют ²³⁵ U. Если активная зона, кроме ядерного топлива (природный или обогащенный уран), содержит замедлитель нейтронов (графит, вода и другие вещества, содержащие лёгкие ядра, см. Замедление нейтронов ), то основная часть делений происходит под действием тепловых нейтронов (тепловой реактор ). В Я. р. на тепловых нейтронах может быть использован природный уран, не обогащенный ²³⁵ U (такими были первые Я. р.). Если замедлителя в активной зоне нет, то основная часть делений вызывается быстрыми нейтронами с энергией x_n > 10 кэв (быстрый реактор ). Возможны также реакторы на промежуточных нейтронах с энергией 1—1000 эв.

По конструкции Я. р. делятся на гетерогенные реакторы , в которых ядерное топливо распределено в активной зоне дискретно в виде блоков, между которыми находится замедлитель нейтронов (рис. 2 ), и гомогенные реакторы , в которых ядерное топливо и замедлитель представляют однородную смесь (раствор или суспензия). Блоки с ядерным топливом в гетерогенном Я. р., называются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛ'ами), образуют правильную решётку; объём, приходящийся на один ТВЭЛ, называется ячейкой. По характеру использования Я. р. делятся на энергетические реакторы и исследовательские реакторы . Часто один Я. р. выполняет несколько функций (см. Двухцелевой реактор ).

Условие критичности Я. р. имеет вид:

К_эф = К_¥ × Р = 1 , (1)

где 1 – Р – вероятность выхода (утечки) нейтронов из активной зоны Я. р., К_¥– коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров, определяемый для тепловых Я. р. так называемой «формулой 4 сомножителей»:

К_¥ = neju. (2)

Здесь n – среднее число вторичных (быстрых) нейтронов, возникающих при делении ядра ²³⁵ U тепловыми нейтронами, e – коэффициент размножения на быстрых нейтронах (увеличение числа нейтронов за счёт деления ядер, главным образом ядер ²³⁸ U, быстрыми нейтронами); j – вероятность того, что нейтрон не захватится ядром ²³⁸ U в процессе замедления, u – вероятность того, что тепловой нейтрон вызовет деление. Часто пользуются величиной h = n/(l + a), где a – отношение сечения радиационного захвата s_р к сечению деления s_д .

Условие (1) определяет размеры Я. р. Например, для Я. р. из естественного урана и графита n = 2,4. e » 1,03, eju » 0,44, откуда К_¥ =1,08. Это означает, что для К_¥> 1 необходимо Р<0,93, что соответствует (как показывает теория Я. р.) размерам активной зоны Я. р. ~ 5—10 м. Объём современного энергетического Я. р. достигает сотен м³ и определяется главным образом возможностями теплосъёма, а не условиями критичности. Объём активной зоны Я. р. в критическом состоянии называется критическим объёмом Я. р., а масса делящегося вещества – критической массой. Наименьшей критической массой обладают Я. р. с топливом в виде растворов солей чистых делящихся изотопов в воде и с водяным отражателем нейтронов. Для ²³⁵ U эта масса равна 0,8 кг , для ²³⁹^Pu — 0,5 кг. Наименьшей критической массой обладает ²⁵¹ Cf (теоретически 10 г). Критические параметры графитового Я. р. с естественным ураном: масса урана 45 т , объём графита 450 м³ . Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму, например цилиндр с высотой порядка диаметра или куб (наименьшее отношение поверхности к объёму).

Величина n известна для тепловых нейтронов с точностью 0,3% (табл. 1). При увеличении энергии x_n нейтрона, вызвавшего деление, n растет по закону: n = n_t + 0,15x_n (x_n в Мэв ), где n_t соответствует делению тепловыми нейтронами.

Табл. 1. – Величины n и h) для тепловых нейтронов (по данным на 1977)

²³³ U	²³⁵ U	²³⁹ Pu	²⁴¹ Pu
n 2,479	2,416	2,862	2,924
h 2,283	2,071	2,106	2,155

Величина (e—1) обычно составляет лишь несколько %, тем не менее роль размножения на быстрых нейтронах существенна, поскольку для больших Я. р. (К_¥— 1) << 1 (графитовые Я. р. с естественным ураном, в которых впервые была осуществлена цепная реакция, невозможно было бы создать, если бы не существовало деления на быстрых нейтронах).

Максимально возможное значение J достигается в Я. р., который содержит только делящиеся ядра. Энергетические Я. р. используют слабо обогащенный уран (концентрация ²³⁵ U ~ 3—5%), и ядра ²³⁸ U поглощают заметную часть нейтронов. Так, для естественной смеси изотопов урана максимальное значение nJ = 1,32. Поглощение нейтронов в замедлителе и конструкционных материалах обычно не превосходит 5—20% от поглощения всеми изотопами ядерного топлива. Из замедлителей наименьшим поглощением нейтронов обладает тяжёлая вода, из конструкционных материалов – Al и Zr.

Вероятность резонансного захвата нейтронов ядрами ²³⁸ U в процессе замедления (1—j) существенно снижается в гетерогенных Я. р. Уменьшение (1 – j) связано с тем, что число нейтронов с энергией, близкой к резонансной, резко уменьшается внутри блока топлива и в резонансном поглощении участвует только внешний слой блока. Гетерогенная структура Я. р. позволяет осуществить цепной процесс на естественном уране. Она уменьшает величину О, однако этот проигрыш в реактивности существенно меньше, чем выигрыш из-за уменьшения резонансного поглощения.

Для расчёта тепловых Я. р. необходимо определить спектр тепловых нейтронов. Если поглощение нейтронов очень слабое и нейтрон успевает много раз столкнуться с ядрами замедлителя до поглощения, то между замедляющей средой и нейтронным газом устанавливается термодинамическое равновесие (термализация нейтронов), и спектр тепловых нейтронов описывается Максвелла распределением . В действительности поглощение нейтронов в активной зоне Я. р. достаточно велико. Это приводит к отклонению от распределения Максвелла – средняя энергия нейтронов больше средней энергии молекул среды. На процесс термализации влияют движения ядер, химические связи атомов и др.

Выгорание и воспроизводство ядерного топлива . В процессе работы Я. р. происходит изменение состава топлива, связанное с накоплением в нём осколков деления (см. Ядра атомного деление ) и с образованием трансурановых элементов , главным образом изотопов Pu. Влияние осколков деления на реактивность Я. р. называется отравлением (для радиоактивных осколков) и зашлаковыванием (для стабильных). Отравление обусловлено главным образом ¹³⁵ Xe который обладает наибольшим сечением поглощения нейтронов (2,6·10⁶барн ). Период его полураспада T_1/2 = 9,2 ч, выход при делении составляет 6—7%. Основная часть ¹³⁵ Xe образуется в результате распада ¹³⁵ ] (Тц = 6,8 ч ). При отравлении Кэф изменяется на 1—3%. Большое сечение поглощения ¹³⁵ Xe и наличие промежуточного изотопа ¹³⁵ I приводят к двум важным явлениям: 1) к увеличению концентрации ¹³⁵ Xe и, следовательно, к уменьшению реактивности Я. р. после его остановки или снижения мощности («йодная яма»). Это вынуждает иметь дополнительный запас реактивности в органах регулирования либо делает невозможным кратковременные остановки и колебания мощности. Глубина и продолжительность йодной ямы зависят от потока нейтронов Ф: при Ф = 5·10¹³ нейтрон/см² × сек продолжительность йодной ямы ~ 30 ч , а глубина в 2 раза превосходит стационарное изменение К_эф , вызванное отравлением ¹³⁵ Xe. 2) Из-за отравления могут происходить пространственно-временные колебания нейтронного потока Ф, а значит – и мощности Я. р. Эти колебания возникают при Ф> 10¹³ нейтронов/см² × сек и больших размерах Я. р. Периоды колебаний ~ 10 ч.

Число различных стабильных осколков, возникающих при делении ядер, велико. Различают осколки с большими и малыми сечениями поглощения по сравнению с сечением поглощения делящегося изотопа. Концентрация первых достигает насыщения в течение нескольких первых суток работы Я. р. (главным образом ¹⁴⁹ Sm, изменяющий К_эф на 1%). Концентрация вторых и вносимая ими отрицательная реактивность возрастают линейно во времени.

Образование трансурановых элементов в Я. р. происходит по схемам:

Здесь з означает захват нейтрона, число под стрелкой – период полураспада.

Накопление ²³⁹ Pu (ядерного горючего) в начале работы Я. р. происходит линейно во времени, причём тем быстрее (при фиксированном выгорании ²³⁵ U), чем меньше обогащение урана. Затем концентрация ²³⁹^Pu стремится к постоянной величине, которая не зависит от степени обогащения, а определяется отношением сечений захвата нейтронов ²³⁸ U и ²³⁹ Pu. Характерное время установления равновесной концентрации ²³⁹^Pu ~ 3/ Ф лет (Ф в ед. 10¹³ нейтронов/см² ×сек). Изотопы ²⁴⁰ Pu, ²⁴¹ Pu достигают равновесной концентрации только при повторном сжигании горючего в Я. р. после регенерации ядерного топлива.

Выгорание ядерного топлива характеризуют суммарной энергией, выделившейся в Я. р. на 1 т топлива. Для Я. р., работающих на естественном уране, максимальное выгорание ~ 10 Гвт ×сут/т (тяжело-водные Я. р.). В Я. р. со слабо обогащенным ураном (2—3% ²³⁵ U ) достигается выгорание ~ 20—30 Гвт-сут/т. В Я. р. на быстрых нейтронах – до 100 Гвт-сут/т. Выгорание 1 Гвт-сут/т соответствует сгоранию 0,1% ядерного топлива.

При выгорании ядерного топлива реактивность Я. р. уменьшается (в Я. р. на естественном уране при малых выгораниях происходит некоторый рост реактивности). Замена выгоревшего топлива может производиться сразу из всей активной зоны или постепенно по ТВЭЛ'ам так, чтобы в активной зоне находились ТВЭЛ'ы всех возрастов – режим непрерывной перегрузки (возможны промежуточные варианты). В первом случае Я. р. со свежим топливом имеет избыточную реактивность, которую необходимо компенсировать. Во втором случае такая компенсация нужна только при первоначально с запуске, до выхода в режим непрерывной перегрузки. Непрерывная перегрузка позволяет увеличить глубину выгорания, поскольку реактивность Я. р. определяется средними концентрациями делящихся нуклидов (выгружаются ТВЭЛ'ы с минимальной концентрацией делящихся нуклидов). В табл. 2 приведён состав извлекаемого ядерного топлива (в кг ) в водо-водяном реакторе мощностью 3 Гвт. Выгружается одновременно вся активная зона после работы Я. р. в течение 3 лет и «выдержки» 3 лет (Ф = 3×10¹³ нейтрон/см² ×сек). Начальный состав: ²³⁸ U – 77350, ²³⁵ U – 2630, ²³⁴ U – 20.

Табл. 2. – Состав выгружаемого топлива, кг

²³⁸ U 75400	²³⁵ U 640	²³⁹ Tu 420	²³⁶ U 360	²⁴⁰ Pu 170
²⁴¹ Pu 70	²³⁷ Np 39	²¹² Pu 30	²³⁸ Pu 14	²⁴¹ Am 13
²³¹ U 10	²⁴³ Am 8	²⁴⁴ Cm 2	Более тяжёлые изотопы 0,2	Осколки 2821 (в т. ч. отделения ²³⁵ U—1585)

Общая масса загруженного топлива на 3 кг превосходит массу выгруженного (выделившаяся энергия «весит» 3 кг ). После остановки Я. р. в топливе продолжается выделение энергии сначала главным образом за счёт деления запаздывающими нейтронами, а затем, через 1—2 мин , главным образом за счёт b– и g-излучении осколков деления и трансурановых элементов. Если до остановки Я. р. работал достаточно долго, то через 2 мин после остановки выделение энергии (в долях энерговыделения до остановки) 3%, через 1 ч – 1%, через сутки – 0,4%, через год – 0,05%.

Коэффициентом конверсии K_k называется отношение количества делящихся изотопов Pu, образовавшихся в Я. р., к количеству выгоревшего ²³⁵ U. Табл. 2 даёт K_K = 0,25. Величина K_K увеличивается при уменьшении обогащения и выгорания. Так, для тяжеловодного Я. р. на естественном уране, при выгорании 10 Гвт × сут/т K_K = 0.55, а при совсем малых выгораниях (в этом случае K_K называется начальным плутониевым коэффициентом) K_K= 0,8. Если Я. р. сжигает и производит одни и те же изотопы (реактор-размножитель), то отношение скорости воспроизводства к скорости выгорания называется коэффициентом воспроизводства К_в . В Я. р. на тепловых нейтронах Кв < 1 , а для Я. р. на быстрых нейтронах К_в может достигать 1,4—1,5. Рост К_в для Я. р. на быстрых нейтронах объясняется главным образом тем, что для быстрых нейтронов g растет, a а падает (особенно для ²³⁹ Pu, см. Реактор-размножитель ).

Управление Я. р. Для регулирования Я. р. важно, что часть нейтронов при делении вылетает из осколков с запаздыванием. Доля таких запаздывающих нейтронов невелика (0,68% для ²³⁵ U, 0,22% для ²³⁹ Pu; в табл. 1 n – сумма числа мгновенных нейтронов n_{и запаздывающих n₃ нейтронов). Время запаздывания Т_зап от 0,2 до 55 сек. Если (К_эф — 1) £ n₃ /n_{, то число делений в Я. р. растет (К_эф > 1) или падает (К_эф < 1), с характерным временем ~Т₃ . Без запаздывающих нейтронов эти времена были бы на несколько порядков меньше, что сильно усложнило бы управление Я. р.}}