Деление тяжелых ядер происходит при захвате нейтронов. При этом испускаются новые частицы и освобождается энергия связи ядра, передаваемая осколкам деления. Это фундаментальное явление было открыто в конце 30-ых годов немецкими учеными Ганом и Штрасманом, что заложило основу для практического использования ядерной энергии. | Кликните мышкой в картину, чтобы посмотреть анимированную версию. |
Ядра тяжелых элементов - урана, плутония и некоторых других интенсивно поглощают тепловые нейтроны. После акта захвата нейтрона, тяжелое ядро с вероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называемые осколками или продуктами деления. При этом испускаются - быстрые нейтроны/ (в среднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательно заряженные бета-частиц и нейтральные гамма-кванты, а энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на тепловое возбуждение составляющих вещество атомов и молекул, т.е. на разогревание окружающего вещества.
После акта деления ядер рожденные при делении осколки ядер, будучи нестабильными, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают "запаздывающие" нейтроны, большое число альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны некоторые осколки обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны.
Дифференциальное уравнение превращений осколков деления можно записать в виде:
где Ai - число ядер изотопа i в единице объема,
Q(t) - число актов деления в единице объема в единицу времени в момент t,
- выход изотопов Ai в акте деления,
- константа радиоактивного распада изотопа Ai,
- плотность потока нейтронов,
- сечение поглощения нейтронов ядрами изотопа Ai,
- константа перехода к-того изотопа в i-тый.
Для решения этой системы уравнений нужно задать начальные условия, знать схемы и константы всех радиоактивных переходов. Суммируя по группам изотопов, имеющих тот или иной тип радиоактивности, можно определить интенсивность радиоактивного распада в функции времени. В [3] представлены детали и результаты таких расчетов.
Наиболее значимые осколки деления - Kr, Cs, I, Xe, Ce, Zr и др.
В Таблице 1 [ ] даны некоторые характеристики осколков деления
Таблица 1. Характеристики некоторых радионуклидов и продуктов деления урана-235
Имя нуклида | Период полураспада Е, дни | Выход при делении, % | Количество радиоактивности в реакторе мощностью 3412 МВт, работавшего три года, млн. кюри |
Изотопы иода | |||
иод-131 | 8,04 | 2,88 | |
иод-132 | 0,095 | 4,30 | |
иод-133 | 0,866 | 6,70 | |
иод-135 | 0,276 | 6,55 | |
Благородные газы | |||
криптон-85 | 3,95 | 1,30 | 0,66 |
криптон-85м | 0,187 | 1,30 | |
криптон-87 | 0,053 | 2,56 | |
криптон-88 | 0,119 | 3,64 | |
ксенон-133 | 5,25 | 6,7 | |
ксенон-135 | 0,378 | 6,55 | |
Изотопы цезия | |||
цезий-134 | 7,81 | ||
цезий-137 | 6,23 | 6,5 | |
Другие осколки деления | |||
стронций-90 | 5,94 |
Для многих задач определенный интерес представляют данные об активности топливных элементов после некоторой выдержки их вне реактора.
Для нас важно отметить сейчас, что осколки деления обладают значительной радиационной способностью. Так 1 грамм осколков деления обладает активностью ~0,3 кюри. Эта активность медленно уменьшается по закону
E=2,66*t-1,2 MeV/дел.сек, где t - время в сек.