Баранник Лекции по курсу Теория переноса нейтронов 2012
.pdfМИНИСТЕРСТВО ОБРАЗОВАНИЯ И НАУКИ РОССИЙСКОЙ ФЕДЕРАЦИИ
НАЦИОНАЛЬНЫЙ ИССЛЕДОВАТЕЛЬСКИЙ ЯДЕРНЫЙ УНИВЕРСИТЕТ «МИФИ»
Волгодонский инженерно-технический институт
А. А. Баранник
Лекции по курсу «Теория переноса нейтронов»
Рекомендовано УМО «Ядерные физика итехнологии» в качестве учебного пособия
для студентов высших учебных заведений
Москва 2012
УДК 539.125 5 (075.8) ББК 22.3:31.4 Б24
Баранник А.А. Лекции по курсу «Теория переноса нейтронов»:
Учебное пособие. – М.: НИЯУ МИФИ, 2012. – 164 с.
Пособие составлено на основе материала лекций по курсу «Теория переноса нейтронов», читаемых автором в ВИТИ НИЯУ МИФИ.
Пособие предназначено для студентов направлений 140400 «Техническая физика» и 140700 «Ядерная энергетика и теплофизика», специальностей 140404.65 «Атомные электрические станции и установки» и 141403.65 «Атомные станции: проектирование, эксплуатация и инжиниринг».
Пособие подготовлено в рамках Программы создания и развития НИЯУ МИФИ.
Рецензенты: Э.Ф. Крючков, канд. техн. наук, доц., И.А. Якубенко, канд. техн. наук, доц.
ISBN 978-5-7262-1726-0 © Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ», 2012
Редактор Е.Н. Кочубей
Подписано в печать 15.11.2012. Формат 60х84 1/16.
Уч.-изд. л. 10,25. Печ. л. 10,25. Тираж 80 экз.
Изд. № 49/1. Заказ № 62.
Национальный исследовательский ядерный университет «МИФИ». 115409, Москва, Каширское ш., 31.
ООО «Полиграфический комплекс «Курчатовский». 144000, Московская область, г. Электросталь, ул. Красная, д. 42.
СОДЕРЖАНИЕ |
|
ПРЕДИСЛОВИЕ .............................................................................................. |
5 |
1. ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ ................................................................. |
6 |
1.1. Атом. Ядро. Понятие «элемент», «нуклид». Свойства |
|
ядерных сил. Общая классификация элементарных частиц ........... |
6 |
1.2. Дефект массы и энергия связи. Зависимость удельной |
|
энергии связи от массового числа ................................................... |
11 |
1.3. Модели ядра. Эффект парности. Энергетический спектр |
|
ядер. Изомеры .................................................................................. |
12 |
1.4. Радиоактивность и ее виды. Закон радиоактивного распада. |
|
Альфа-, бета- и гамма-распад и их особенности. Эффект |
|
Мёссбауэра ........................................................................................ |
16 |
1.5. Воздействие ионизирующего излучения на организм. |
|
Дозы излучения ................................................................................. |
23 |
2. ЦЕПНАЯ РЕАКЦИЯ ДЕЛЕНИЯ ЯДЕР И НЕЙТРОННОЕ ПОЛЕ |
|
В ЯДЕРНОМ РЕАКТОРЕ ............................................................................ |
29 |
2.1. Ядерные реакции. Виды нейтронных реакций .............................. |
29 |
2.2. Цепная реакция деления и ядерные реакторы ............................... |
38 |
2.3. Характеристики нейтронного поля. Макроскопическое |
|
сечение и его обратная величина .................................................... |
47 |
3. ДИФФУЗИЯ НЕЙТРОНОВ ...................................................................... |
53 |
3.1. Диффузия и диффузионное приближение. Вычисление |
|
одностороннего тока нейтронов. Закон Фика для нейтронов. |
|
Уравнение диффузии ........................................................................ |
53 |
3.2. Граничные и прочие условия для нахождения решения |
|
уравнения диффузии для элементарных геометрий ...................... |
61 |
3.3. Характерные задачи стационарной теории диффузии |
|
моноэнергетических нейтронов ...................................................... |
70 |
3.4. Интегральное уравнение для потока моноэнергетических |
|
нейтронов .......................................................................................... |
75 |
3.5. Влияние отражателя ......................................................................... |
77 |
3.6. Одногрупповое (односкоростное) диффузионное приближение . 80 |
|
3.7. Температура нейтронного газа ........................................................ |
85 |
4. ЗАМЕДЛЕНИЕ НЕЙТРОНОВ ................................................................. |
93 |
4.1. Упругое рассеяние (замедление) нейтронов на ядрах среды ....... |
93 |
4.2. Распределение рассеянного нейтрона в пределах ступеньки |
|
замедления. Среднелогарифмическая потеря энергии при одном |
|
столкновении. Летаргия .................................................................. |
101 |
4.3. Уравнение замедления нейтронов в бесконечной среде ............. |
109 |
3
4.4. Энергетическое распределение замедляющихся нейтронов |
|
в бесконечной гомогенной непоглощающей среде ..................... |
112 |
4.5. Энергетическое распределение замедляющихся нейтронов |
|
в бесконечной гомогенной поглощающей среде ......................... |
114 |
4.6. Эффективный резонансный интеграл поглощений |
|
и резонансный интеграл поглощений ........................................... |
122 |
5. ТЕОРИЯ ЗАМЕДЛЕНИЯ НЕЙТРОНОВ |
|
В ДИФФУЗИОННО-ВОЗРАСТНОМ ПРИБЛИЖЕНИИ......................... |
126 |
5.1. Уравнение замедления в диффузионном приближении |
|
и диффузионно-возрастном приближении ................................... |
126 |
5.2. Возраст нейтронов. Уравнение возраста, граничные и прочие |
|
условия для нахождения решения уравнения возраста ............... |
129 |
6. НЕЙТРОННО-ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ РАСЧЕТА ЯДЕРНЫХ |
|
РЕАКТОРОВ ................................................................................................ |
139 |
6.1. Нейтронный цикл в ядерном реакторе ......................................... |
139 |
6.2. Нейтронно-физические основы теории критических |
|
размеров голых реакторов ............................................................. |
144 |
6.3. Решение уравнения Ферми. Условия критичности ..................... |
153 |
6.4. Многогрупповое приближение ..................................................... |
160 |
СПИСОК ИСПОЛЬЗОВАННОЙ И РЕКОМЕНДУЕМОЙ |
|
ЛИТЕРАТУРЫ ............................................................................................. |
164 |
4
ПРЕДИСЛОВИЕ
Курс «Теория переноса нейтронов» служит теоретической основой для изучения целого ряда специальных дисциплин, таких как «Физика ядерных реакторов», «Кинетика ядерных реакторов», «Ядерные энергетические реакторы» и других, элементы курса могут также использоваться при дипломном проектировании. Пособие написано на основе материала лекций, читаемых автором в ВИТИ НИЯУ МИФИ.
Особое внимание в пособии уделено изложению на доступном уровне традиционно сложных для усвоения понятий, идей и теорий, которые затем широко используются в других специальных дисциплинах.
Пособие может быть использовано студентами всех форм обучения для самостоятельного изучения курса и преподавателем для организации самостоятельной работы студентов под его контролем. Кроме того, пособие должно помочь студенту и в тех случаях, когда он что-то не успел записать на лекции, какие-то лекции были пропущены, в чем-то трудно разобраться по другой литературе. Именно для этого приводятся подробные математические выводы, которые в литературе и в ходе лекций, как правило, опускаются.
Автор признателен главному специалисту РоАЭС, канд.физ.-мат. наук Юрию Павловичу Кормушкину за большую помощь при работе над рукописью, консультации, полезные критические замечания.
5
1.ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
1.1.Атом. Ядро. Понятие «элемент», «нуклид». Свойства ядерных сил. Общая классификация элементарных частиц
Наименьшей полной структурной частицей сложного, в общем случае, вещества, сохраняющей все его физико-химические свойства является молекула. В молекуле составляющие ее частицы элементов – атомы – образуют пространственную структуру, которая наряду с составом определяет свойства вещества. Одинаковые по составу, но различные по строению молекулы образуют изомеры – вещества с отличающимися свойствами.
Наименьшей частицей, сохраняющей все свойства химического элемента, является атом. Атом состоит из положительно заряженного ядра, которое фактически определяет физические свойства элемента, и электронных оболочек, внешняя – валентная – из которых, во многом, определяет химические свойства элемента.
Электрон − квазистабильная (время жизни τ → ∞) в свободном состоянии отрицательно заряженная элементарная частица с массой mе = 9,1094 10-28 г≈ 4,485 10-4 а.е.м. и условным отрицательным единичным зарядом qe = 1,6022 .10-19 Кл.
В ядерной физике и в физике элементарных частиц массы часто выражают в единицах энергии, умножая массу частиц (кг в системе СИ) на квадрат скорости света в вакууме с2 (с = 2,997924 108 м/с) в соответствии с релятивистской формулой W = mс2. Так, масса частицы, равная 1 МэВ (точнее – 1 МэВ/с2), в системе СИ будет равна 1 МэВ/с2 ≈ 106Дж/(3 108 м/с)2 ≈ 1,78 10–30 кг. Выраженная в МэВ масса электрона mе = 9,11 10–31 кг = 0,511 МэВ.
Экспериментально установлено, что любое атомное ядроZA X состоит из нейтронов и протонов, называемых нуклонами.
Протон − квазистабильная (время жизни τ ~ 1010 лет) в свободном состоянии (вне ядра) положительно заряженная элементарная частица с массой покоя mp = 1,672614 10–24 г = 938,28 МэВ ≈ 1836me ≈
≈1 а.е.м. и зарядом, равным по величине заряду электрона. Протон
−это ядро атома водорода 11 Н.
6
Нейтрон − нейтральная нестабильная свободном состоянии (вне ядра) элементарная частица с массой покоя mn = 1,67439 10-24 г = = 939,57 МэВ ≈ 1838,6me ≈ 1 а.е.м. (mn > mp примерно на 2,5mе). Вне ядра нейтрон превращается в протон с испусканием электрона и антинейтрино (β−-распад)
01n → 11 p + 0−1e + ν
с периодом полураспада 600–1000 с. В стабильном ядре нейтрон стабилен. По современным представлениям нейтроны и протоны в ядре с огромной быстротой обмениваются виртуальными частицами с массой 200–300 me, называемых π-мезонами (или пионами).
Число протонов, равное зарядовому числу Z, определяет положение элемента в Периодической таблице Менделеева, т.е. его название, символ (можно сказать – элемент с Z = 92, а можно просто
– уран (U)). Заряд ядра целочисленно кратен наименьшему электрическому заряду одной из немногих стабильных частиц – заряду электрона е = 1,6021892 10–19 Кл: Z = Ne. Заряд неионизированного атома равен нулю, так как заряд протонов ядра и заряд электронов атома равны. Неионизованный атом – нейтральная частица.
Массовое число А определяет выраженную в атомных единицах массы массу элемента, а также число нейтронов (А – Z) в ядре.
1 а.е.м. = 1,660566 10-24 г – 1/12 массы изотопа (ядра) углерода12 (12С).
Атом с конкретными значениями Z и А ядра называют нуклидом данного элемента. Различают изотопы, изотоны и изобары.
Изотопы – ядра атомов с одинаковым числом протонов Z, но разным числом нейтронов (А–Z), по своим химическим свойствам изотопы одинаковы. Например, у самого тяжелого естественного (встречающегося в природе) элемента – урана много изотопов:
234 U , 235 U , 236 U , 238 U , 239 U , у водорода три изотопа: обычный водород (или протий) 11 H , тяжелый водород (или дейтерий) 21 H = 21 D и тритий 31 H = 31T . Обычный водород и дейтерий
стабильны, тритий – нестабилен, радиоактивен, его период полураспада около Т1/2 = 12,35 года.
Химическим элементом называется множество изотопов с одинаковым зарядом ядра.
7
Изотоны – ядра с одинаковым числом нейтронов (А–Z), но разным числом протонов Z, например, 25 He и 63 Cr .
Изобары – ядра с одинаковым массовым числом А, но разным
зарядовым числом Z, например, |
50 V |
и |
50 Cr , 11 B и 11C , 135 J , 135 Xe |
||||
|
23 |
|
24 |
5 |
4 |
53 |
54 |
и 13555 Сs .
Зеркальные ядра – это ядра, имеющие одинаковое число А. Зеркальные ядра переходили бы друг в друга при гипотетической за-
мене нейтронов протонами, а протонов нейтронами ( 73 Li и 74 Be ).
Так как нуклоны (протоны и нейтроны) отличаются изотопическим спином, а сильные взаимодействия – свойством изоспиновой инвариантности, то свойства зеркальных ядер близки: они имеют похожие спектры возбуждения и практически одинаковые энергии возбуждения, одинаковые значения спина и т.п.
Экспериментальный размер атома ~10-8 см, радиус ядра ~10-13 см оценивается по формуле
Ra ≈ 1,21 10−13 (A)1/3 ,
где А – масса атома (а.е.м.), величина Rn ≈1,21 10−13 см – оценоч-
ный эффективный радиус нуклона.
Заряженное ядро с заключенными в нем более 99,95 % массы атома занимает лишь малую часть объема атома и характеризуется огромной плотностью ядерного вещества – оценочно 224 Мт/см3.
Кулоновские силы отталкивания протонов в ядре компенсиру-
ются короткодействующими ядерными силами, которые на рас-
стояниях их эффективного радиуса ~10-13 см превалируют над всеми остальными взаимодействиями. На расстояниях больше 0,5·10–13 см притяжение сменяется быстро растущим кулоновским отталкиванием. Ядерные силы обладают свойствами насыщения и равно-
действия.
Насыщение проявляется в том, что каждый нуклон ядра взаимодействует только с ограниченным числом своих ближайших соседей, а равнодействие – нуклоны одного и разных видов взаимодействуют одинаково (n-n, n-p, p-p) – ядерные силы не зависят от заряда нуклона.
Ядерные силы зависят от взаимной ориентации спинов. Так, в
ядре дейтерия – дейтроне – нейтрон и протон имеют спины, на-
8
правленные в одну сторону. При противоположных спинах нейтрон с протоном отталкиваются. Ядерные силы не являются центральными. В частности, это следует из их зависимости от ориентации спинов.
В настоящее время все известные элементарные частицы де-
лятся на два больших класса и особую группу (рис. 1): два класса – сильно взаимодействующих частиц (адроны) и слабо взаимодействующих частиц (лептоны); особая группа – фотоны с характерным для них электромагнитным взаимодействием.
Рис. 1. Общая классификация элементарных частиц
В 1964 г. М. Гелл-Манн и Дж. Цвейг предложили гипотезу, согласно которой все адроны построены из простейших частиц, получивших название кварки, существование которых следует из уравнений физики.
Слово «кварк» взято американским физиком М. Гелл-Манном (Нобелевская премия по физике 1969 г.) из фантастического романа ирландского писателя Дж. Джойса «Поминки по Финнегану»: герою снился сон, в котором чайки кричали тогда еще бессмысленные слова: «Три кварка для мистера Марка».
Согласно этой гипотезе, барионы состоят из трех кварков: u (up
– вверх), d (down – вниз), s (strange – странный), антибарионы – из
9
трех антикварков (например, протон имеет кварковую структуру uud, а нейтрон – udd). Эти кварки должны иметь полуцелый спин, их электрический заряд должен быть равным 1/3 или 2/3 заряда электрона (дробный заряд!). В дальнейшем было предположено существование еще трех кварков: с (charmed – очарованный), b (beauty – красивый), t (truth – истинный) с соответствующими антикварками. Комбинации кварков и антикварков дали все известные мезоны. По современным представлениям, кварки лишены внутренней структуры, в этом смысле их можно считать истинно элементарными частицами. Хотя гипотеза кварков оказалась удачной, ибо позволяла с единых позиций объяснить свойства большинства элементарных частиц, кварки в свободном состоянии не были обнаружены, несмотря на многочисленные их поиски на ускорителях высоких энергий, в космических лучах и окружающей среде. Сейчас трудно судить о том, сохранится ли эта гипотеза или ей на смену придет другая.
Особенностью элементарных частиц является их взаимопре-
вращаемость друг в друга. Взаимопревращению элементарных частиц, по современным данным, соответствуют четыре типа физических взаимодействий (перечислены в порядке роста их относительной силы): гравитационное, слабое, электромагнитное, сильное (ядерное). Каждому типу взаимодействий соответствуют свое поле и кванты этого поля, т.е. взаимодействия являются обменными. Говоря иначе, частицы в процессе взаимодействия обмениваются между собой квантами соответствующих полей. Это качество легло в основу объяснения различных видов взаимодействия элементарных частиц как различных проявлений единого взаимодействия. В настоящее время создана единая теория слабых и электромагнитных взаимодействий (электрослабое взаимодействие).
Предпринимается попытка создать единую теорию трех видов взаимодействий в микромире: слабое, сильное, электромагнитное («Великое объединение»). Более смелые мечты ученых связаны с поисками возможного суперобъединения, которое включало бы и гравитационное. В этом случае в единую теорию структуры материи наряду с кварками, лептонами и другими элементарными частицами вошли бы и гравитоны.
10