Ядерные технологии — совокупность инженерных решений, позволяющих использовать ядерные реакции или ионизирующее излучение. Наиболее известные сферы применения ядерных технологий — ядерное оружие, ядерная энергетика, ядерная медицина.
Ядерные технологии включают в себя несколько разнородных направлений: технологии, основанные на способности ядер некоторых химических элементов к делению или слиянию с выделением энергии. технологии, основанные на получении и использовании ионизирующих излучений. специфические для отрасли технологии получения веществ с требуемыми свойствами также зачастую относят к ядерным.
Физика
Атомные ядра состоят из двух типов нуклонов — протонов и нейтронов. Их удерживает вместе так называемое сильное взаимодействие. При этом энергия связи каждого нуклона с другими зависит от общего количества нуклонов в ядре, как показано на графике справа. Из графика видно, что у лёгких ядер с увеличением количества нуклонов энергия связи растет, а у тяжелых падает. Если добавлять нуклоны в лёгкие ядра или удалять нуклоны из тяжелых атомов, то эта разница в энергии связи будет выделяться в виде кинетической энергии частиц, высвобождающихся в результате этих действий. Кинетическая энергия (энергия движения) частиц переходит в тепловое движение атомов после соударения частиц с атомами. Таким образом ядерная энергия проявляется в виде нагрева.
Изменение состава ядра называется ядерным превращением или ядерной реакцией. Ядерная реакция с увеличением количества нуклонов в ядре называется термоядерной реакцией или ядерным синтезом. Ядерная реакция с уменьшением количества нуклонов в ядре именуют ядерным распадом или делением ядра.
Деление ядра
Деление ядра может быть самопроизвольным (спонтанным) и вызванным внешним воздействием (индуцированным).
Спонтанное деление
Современная наука считает что все химические элементы тяжелее водорода были синтезированы в результате термоядерных реакций внутри звезд. В зависимости от количества протонов и нейтронов ядро может быть стабильно или проявлять склонность к самопроизвольному делению на несколько частей. После окончания жизни звезд стабильные атомы образовали известный нам мир, а нестабильные постепенно распадались до образования стабильных. На Земле до наших дней в промышленных количествах сохранилось только два таких нестабильных (радиоактивных) химических элемента — уран и торий. Другие нестабильные элементы получают искусственно в ускорителях или реакторах.
Спонтанное деление часто используется для получения ионизирующих излучений или в качестве источника тепла, например в радиоизотопных генераторах.
Цепная реакция
Некоторые тяжелые ядра легко присоединяют внешний свободный нейтрон, становятся при этом нестабильными и распадаются, выбрасывая несколько новых свободных нейтронов. В свою очередь эти освободившиеся нейтроны могут попасть в соседние ядра и также вызвать их распад с выходом очередных свободных нейтронов. Такой процесс именуется цепной реакцией. Чтобы цепная реакция произошла, нужно создать специфические условия: сконцентрировать в одном месте достаточно много вещества, способного к цепной реакции. Плотность и объём этого вещества должны быть достаточны чтобы свободные нейтроны не успевали покинуть вещество, взаимодействуя с ядрами с высокой вероятностью. Эту вероятность характеризует коэффициент размножения нейтронов. Когда объём, плотность и конфигурация вещества позволят коэффициенту размножения нейтронов достичь единицы, то начнется самоподдерживающаяся цепная реакция, а массу делящегося вещества назовут критическая масса. Естественно, каждый распад в этой цепочке приводит к выделению энергии.
Люди научились осуществлять цепную реакцию в специальных конструкциях. В зависимости от требуемых темпов цепной реакции и её тепловыделения эти конструкции называются ядерным оружием или ядерными реакторами. В ядерном оружии осуществляется лавинообразная неуправляемая цепная реакция с максимально достижимым коэффициентом размножения нейтронов чтобы достичь максимального энерговыделения прежде чем наступит тепловое разрушение конструкции. В ядерных реакторах стараются достичь стабильного нейтронного потока и тепловыделения, чтобы реактор выполнял свои задачи и не разрушился от избыточных тепловых нагрузок. Такой процесс называют управляемой цепной реакцией.
Управляемая цепная реакция В ядерных реакторах создают условия для управляемой цепной реакции. Как понятно из смысла цепной реакции, её темпом можно управлять меняя коэффициент размножения нейтронов. Для этого можно менять разнообразные параметры конструкции: плотность делящегося вещества, энергетический спектр нейтронов, вводить вещества-поглотители нейтронов, добавлять нейтроны от внешних источников и т. п.
Однако цепная реакция очень быстрый лавинообразный процесс, надежно управлять им напрямую практически невозможно. Поэтому для управления цепной реакцией огромное значение имеют запаздывающие нейтроны — нейтроны, образующиеся при спонтанном распаде нестабильных изотопов, образовавшихся в результате первичных распадов делящегося материала. Время от первичного распада до запаздывающих нейтронов варьируется от миллисекунд до минут, а доля запаздывающих нейтронов в нейтронном балансе реактора достигает единиц процентов. Такие значения времени уже позволяют регулировать процесс механическими методами. Коэффициент размножения нейтронов с учётом запаздывающих нейтронов называют эффективным коэффициентом размножения нейтронов, а вместо критической массы ввели понятие реактивность ядерного реактора.
На динамику управляемой цепной реакции также влияют другие продукты деления, некоторые из которых могут эффективно поглощать нейтроны (так называемые нейтронные яды). После начала цепной реакции они накапливаются в реакторе, уменьшая эффективный коэффициент размножения нейтронов и реактивность реактора. Через некоторое время наступает баланс накопления и распада таких изотопов и реактор входит в стабильный режим. Если заглушить реактор то нейтронные яды ещё долгое время сохраняются в реакторе, усложняя его повторный запуск. Характерное время жизни нейтронных ядов в цепочке распада урана до полусуток. Нейтронные яды мешают ядерным реакторам быстро изменять мощность.
Ядерный синтез
Протоны в ядре имеют электрический заряд, а значит, испытывают кулоновское отталкивание. В ядре это отталкивание компенсируется сильным взаимодействием, удерживающим нуклоны вместе. Но сильное взаимодействие имеет радиус действия гораздо меньше кулоновского отталкивания. Поэтому для слияния нуклонов двух ядер в одно требуется сначала их сблизить, преодолевая кулоновское отталкивание. Известно несколько таких способов. В недрах звезд это гравитационные силы. В ускорителях - кинетическая энергия разогнанных ядер или элементарных частиц. В термоядерных реакторах и термоядерном оружии - энергия теплового движения.
Ионизирующие излучения Потоки разогнанных атомных ядер, элементарных частиц или высокоэнергетичных фотонов называются ионизирующим излучением. Чаще всего ионизирующее излучение является следствием ядерных реакций или получается в ускорителях заряженных частиц. Различают много видов ионизирующего излучения в зависимости от вида частиц и их энергии.
Чаще всего встречается рентгеновское или гамма-излучение - потоки высокоэнергетичных фотонов. Рентгеновское излучение получают в небольших специальных ускорителях электронов, именуемых рентгеновскими трубками. Широко известно применение рентгеновского излучения в медицинских диагностических целях и для поиска дефектов металлических конструкций. Гамма излучение состоит из более энергичных фотонов и получается при спонтанном распаде некоторых искусственных изотопов. Наиболее известное применение гамма излучения - стерилизация медицинских инструментов и пищевых консервов.
Нейтронное излучение является характерным признаком цепной реакции и значимо при ядерных взрывах и в ядерных реакторах. Нейтроны легко присоединяются атомными ядрами, делая их нестабильными (радиоактивными).
Нейтронная физика
Свободные нейтроны являются движущей силой цепной реакции, поэтому физика их взаимодействия с ядрами атомов хорошо изучена, а принципы работы с нейтронными потоками один из краеугольных камней ядерных технологий.
Сечение взаимодействия Нейтрон может взаимодействовать с веществом по нескольким сценариям: Упругое рассеяние, при котором ядро сохраняет целостность. Нейтрон и ядро изменяют свою кинетическую энергию в соответствии с законами механики. Неупругое рассеяние, при которой ядро разваливается под ударом нейтрона. Ядерная реакция, при которой ядро поглощает нейтрон (нейтронный захват). Схема конкретного взаимодействия носит вероятностный характер, каждому из возможных сценариев соответствует своя вероятность, характеризуемая сечением взаимодействия. Сечение взаимодействия зависит от нуклонного состава ядра и кинетической энергии нейтрона. На графике приведен пример зависимости вероятности ядерной реакции с нейтроном от его энергии для изотопов 235U и 239Pu. На данном графике показано полное сечение взаимодействия (то есть вероятность того что ядерная реакция произойдет) и сечение деления (то есть вероятность что ядерная реакция закончится распадом ядра).
Поскольку возможно множество разнообразных сценариев развития ядерной реакции, то для каждого изотопа накоплен огромный массив экспериментальных данных с вероятностями (сечениями) каждого из сценариев. Существуют публичные базы экспериментальных данных взаимодействия нейтрона с различными изотопами. Также доступны онлайн инструменты просмотра данных из некоторых баз.
Нейтронный спектр Распределение энергий нейтронов в нейтронном потоке принято называть спектром нейтронов. Энергия нейтрона определяет схему взаимодействия нейтрона с ядром. Принято выделять несколько диапазонов энергий нейтронов, из которых для ядерных технологий значимыми являются: Тепловые нейтроны. Названы так поскольку находятся в энергетическом равновесии с тепловыми колебаниями атомов и не передают им свою энергию при упругих взаимодействиях. Резонансные нейтроны. Названы так поскольку сечение взаимодействия некоторых изотопов с нейтронами этих энергий имеет ярко выраженные неравномерности. Быстрые нейтроны. Нейтроны этих энергий обычно получаются в результате ядерных реакций.
Мгновенные и запаздывающие нейтроны Цепная реакция очень быстрый процесс. Время жизни одного поколения нейтронов (то есть среднее время от возникновения свободного нейтрона до его поглощения следующим атомом и рождения следующих свободных нейтронов) много менее микросекунды. Такие нейтроны называют мгновенными. При цепной реакции с коэффициентом размножения 1,1 через 6 мкс количество мгновенных нейтронов и выделяемая энергия вырастут в 1026 раз. Надежно управлять таким быстрым процессом невозможно. Поэтому для управляемой цепной реакции огромное значение имеют запаздывающие нейтроны. Запаздывающие нейтроны возникают при самопроизвольном распаде осколков деления, оставшихся после первичных ядерных реакций.
Материаловедение
Изотопы В окружающей природе люди обычно сталкиваются со свойствами веществ, обусловленными структурой электронных оболочек атомов. Например, именно электронные оболочки целиком отвечают за химические свойства атома. Поэтому до ядерной эры наука не разделяла вещества по массе ядра, а только по его электрическому заряду. Однако с появлением ядерных технологий выяснилось что все хорошо известные простые химические элементы имеют множество — иной раз десятки — разновидностей с разным количеством нейтронов в ядре и, соответственно, совершенно различными ядерными свойствами. Эти разновидности стали называть изотопами химических элементов. Большинство встречающихся в природе химических элементов является смесями нескольких разных изотопов.