Ядерная и углеводородная энергетики
4,021,319
11,926
|
Внимательный ( Слушатель ) |
| 10 янв 2019 17:21:51 |
Цирконий оказался исключительным поглотителем нейтронов
новая дискуссия Новость 517
Американские ученые выяснили, что изотоп циркония с атомной массой 88 обладает удивительно высокой эффективностью захвата нейтронов. Она в тысячи раз превышает рассчитанное значение, благодаря чему этот изотоп потенциально может использоваться для контроля протекания ядерных реакций. Результаты опубликованы в журнале Nature.
Ядерные реакторы работают за счет поддержания цепной реакции распада радиоактивных атомов. При каждом распаде образуется несколько нейтронов высокой энергии, которые необходимо замедлить, после чего они могут продолжить цепную реакцию. Если темп реакции становится слишком высоким, то в активную зону реакторов вводятся вещества-поглотители, замедляющие ее протекание за счет поглощения нейтронов.
Разные ядра и изотопы значительно отличаются друг от друга по поглощательной способности. В новой работе физиков под руководством Дженнифер Шустерман из Городского университета Нью-Йорка (США) описываются результаты экспериментов с радиоактивным цирконием-88. Основным природным изотопом данного элемента является цирконий-90, в ядре которого находится 50 нейтронов. Если же уменьшить массу этого атома на две единицы, он обретет удивительные свойства. Так, ученые показали, что эффективность захвата нейтронов циркония-88 оказалась примерно в 850 тысяч раз больше, чем предсказывает теория.
Цирконий-88 стал самым эффективным поглотителем нейтронов, найденным за последние 70 лет. Лишь одно ядро, ксенон-135, превосходит его по поглощательной способности. Благодаря таким свойствам этот изотоп может найти применение в ядерной энергетике, но об этом говорить пока рано. В любом случае эта ситуация интересна как минимум с точки зрения теории, так как ученые пока не могут объяснить, почему этот параметр настолько отличается у разных атомов.
https://indicator.ru…yandex.com
Ядерные реакторы работают за счет поддержания цепной реакции распада радиоактивных атомов. При каждом распаде образуется несколько нейтронов высокой энергии, которые необходимо замедлить, после чего они могут продолжить цепную реакцию. Если темп реакции становится слишком высоким, то в активную зону реакторов вводятся вещества-поглотители, замедляющие ее протекание за счет поглощения нейтронов.
Разные ядра и изотопы значительно отличаются друг от друга по поглощательной способности. В новой работе физиков под руководством Дженнифер Шустерман из Городского университета Нью-Йорка (США) описываются результаты экспериментов с радиоактивным цирконием-88. Основным природным изотопом данного элемента является цирконий-90, в ядре которого находится 50 нейтронов. Если же уменьшить массу этого атома на две единицы, он обретет удивительные свойства. Так, ученые показали, что эффективность захвата нейтронов циркония-88 оказалась примерно в 850 тысяч раз больше, чем предсказывает теория.
Цирконий-88 стал самым эффективным поглотителем нейтронов, найденным за последние 70 лет. Лишь одно ядро, ксенон-135, превосходит его по поглощательной способности. Благодаря таким свойствам этот изотоп может найти применение в ядерной энергетике, но об этом говорить пока рано. В любом случае эта ситуация интересна как минимум с точки зрения теории, так как ученые пока не могут объяснить, почему этот параметр настолько отличается у разных атомов.
https://indicator.ru…yandex.com
ОТВЕТЫ (4)
|
NetGhost ( Слушатель ) |
| 10 янв 2019 19:49:49 |
Что-то не то с теорией, стал быть.
Совсем не то, иначе не могло быть ошибки в 5 порядков.
|
Dobryаk ( Практикант ) |
| 11 янв 2019 09:07:13 |
Баланс между числом нейтронов и протонов в ядрах — хитрая штука. Стабильных изотопов циркония четыре с массовыми числами 90 , 91 , 92 и 94. Во всех сидит 40 протонов.
Четно-четные ядра стабильнее, чем четно-нечетные, по каковой причине цирконий-93 живет миллион лет и испытывает бета минус распад: в нем нейтронов многовато и один при бета-распаде превращается а протон и из циркония получается ниобий. В цирконии-89 уже нехватка нейтронов и один протон бета-плюс распадом превращется в нейтрон с испусканием позитрона за 4 минуты. Цирконий-88 тоже превращается в иттрий, но уже за счет захвата атомного электрона с временем около 3 месяцев — испускание позитрона и поглощение электрона эквивалентны, античастица это как бы идущая вспять по времени частица и наоборот.
Это открытие не столь драматическое, как им торгуют авторы. Да, бывают ядра с неожиданными резонансами с энергией возбуждения в электронвольты и даже доли электронвольта. Теория ядра не в состоянии положение таких резонансов вычислять.
Но это открытие иллюстрирует главную головную боль реакторщиков. Все слышали/читали про ксеноновое отравление, оно же йодная яма — это все о хорошо изученном случае поглощения нейтронов нестабильными осколками деления ядра урана. Но в топливе живут и жрут нейтроны ядра, выделить которые и измерить сечения поглощения нейтронов которыми просто абсолютно невозможно.
В случае ксенона, рекордсмена среди пожирателей нейтронов, тоже теория не была в состоянии предсказать сечение поглощения. Эмпирическое правило простое: есть табличное значение радиуса ядра и есть Пи R-квадрат, что для циркония порядка 60 барн. Все, что заметно, в десятки-сотни-тысячи раз превышает это сечение, говорит однозначно, что есть резонансный уровень. Положение его можно измерить экспериментально. Теория способна связать сечение поглощения с энергией возбуждения резонанса, а положение резонанса вычислить от печки не может.
Именно поэтому во всем мире уже 70 лет с гаком работают т.н. подкритические сборки и до сих пор вымеряют разные параметры, которые нужны для расчета реакторов. Эти расчеты врут и будут врать всегда, границы ошибок постепенно сужают, и процесс запуска любого нового реактора состоит в изучении его индивидуального отклика на разные режимы работы в стадии т.н. физического пуска. И песня эта будет вечной. Удивляться же с благоговением следует тому, что несмотря на эти проблемы нейтроника таки достаточно точная инженерная наука.
В случае циркония-88 просто удалось его наработать в реакторе в специальной мишени и за три месяца его жизни измерить сечение поглощения нейтронов. В этой короткой фразе нет ничего о трудностях работы с радиоактивными мишенями и выделения поглощения именно цирконием-88... — экспериментаторы с этим справились.
Вдогонку:
В том, что я написал выше впопыхах утром, есть один ляп, я его выделил коричневым цветом. Все по-Лескову: "написано пуговица, читай богородица". Облучают именно специальную мишень, но на циклотроне. См. комментарий по поводу на Атоминфо.ру, и сравните также выделенное выше фиолетовым у меня и у Рычина на Атоминфо
ЦитатаЦирконий-88 - второй после ксенонаВЛАДИМИР РЫЧИН, ATOMINFO.RU, ОПУБЛИКОВАНО 10.01.2019
В целом ряде СМИ появились новости о том, что цирконий оказался "исключительным поглотителем нейтронов".
Означает ли это, что от выбора циркония в качестве материала для оболочек твэлов необходимо срочно отказаться? Конечно же нет!
Цирконий-88
Поводом для новостей стала опубликованная 7 января 2019 года в журнале "Nature" статья, посвящённая результатам измерений сечения захвата в тепловой точке для изотопа цирконий-88. Полный текст статьи доступен только по платной подписке.
Статью для журнала написал коллектив авторов из национальной лаборатории "Лоуренс Ливермор" и американских университетов. Первый автор - Дженнифер Шустерман, одновременно имеющая отношение и к нацлаборатории, и к университету Нью-Йорка.
Цирконий-88 - что это за изотоп? Обратимся к заключению, подготовленному в ГНЦ РФ - ФЭИ. Автор заключения - Марк Николаевич Николаев, текст заключения доступен на сайте ФЭИ.
Изотоп цирконий-88 радиоактивен, его период полураспада составляет 83,4 дня. Распадается путём захвата орбитального электрона в иттрий-88, который, в свою очередь, с периодом 106,6 дней распадается в стабильный стронций-88.
Очевидно, что в природном цирконии изотоп с атомной массой 88 отсутствует. В реакторе для его образования Марк Николаев видит всего два пути, и оба более чем экзотические - либо реакция (n,3n) на изотопе 90Zr, либо две подряд реакции (n,2n) - 90Zr(n,2n)89Zr(n,2n)88Zr.
Легко убедиться, что в ядерных реакторах производство циркония-88 будет крайне мало - особенно если вспомнить, что реакция (n,2n) пороговая. В быстрых реакторах шанс увидеть 88Zr может быть выше, чем в тепловых, но так как американская работа касается только тепловой точки, то и нам останавливаться на быстром спектре нет смысла.
Ради интереса можно добавить, что в Окриджской национальной лаборатории, где по спецзаказам можно приобретать небольшие активности 88Zr на уровне милликюри, о реакторном пути наработки даже не думают. Там цирконий-88 получают путём скалывания протонами молибденовых мишеней.
Новые сечения
В виду практического отсутствия в реакторах нейтронными данными для циркония-88 до сих пор интересовались мало.
В заключении М.Н.Николаева, в частности, говорится: "Полные наборы оценённых нейтронных данных для этого изотопа отсутствуют... Оценка выполнена на основе теоретических расчётов и полуэмпирических систематик. Экспериментальные данные отсутствуют".
До появления статьи американских исследователей считалось, что сечения захвата на 88Zr в тепловой области малы.
Так, в заключении М.Н.Николаева приводится значение сечения захвата в тепловой точке, взятое из европейского файла активационных данных EAF-2003 и равное 8,44 барн.
Конечно, год от года библиотеки нейтронных данных обновляются и уточняются. Но конкретно по цирконию-88 каких-то серьёзных подвижек не было. Например, американские авторы ссылаются на работу 2012 года, в которой значение интересующего нас сечения принималось равным 10 барн.
Что же сделал коллектив американских авторов? Для них в университете Алабамы на циклотроне была изготовлена мишень из циркония-88. Эту мишень облучили на исследовательском реакторе MURR в университете Миссури, что позволило получить первые экспериментальные данные по сечениям захвата 88Zr. Вся работа проводилась по контракту с нацлабораторией "Лоуренс Ливермор".
Результаты измерения сечений авторы охарактеризовали как "неожиданные", потому что сечение захвата в тепловой точке оказалось просто огромным, а именно 861000±69000 барн на одной сигме. Иными словами, сечение оказалось почти в сто тысяч раз больше ожидаемого.
Возможно второй в мире
Если результаты американских измерений получат признание, то изотоп цирконий-88 займёт второе место в списке наиболее сильных поглотителей в тепловой области, уступив только ксенону-135.
Нужно ли из-за этого волноваться нейтронщикам? Нет, потому что концентарии 88Zr в активной зоне работающего реактора очень малы (см. экзотические пути его получения в реакторе).
Кстати говоря, а что получится в результате реакции захвата нейтрона на цирконии-88? Образуется изотоп цирконий-89, который также быстро распадается. Его период полураспада 78,4 часа, дочернее ядро - стабильный иттрий-89.
Можно задаться и таким вопросом, почему вдруг в Ливерморской нацлаборатории заинтересовались сечениями циркония-88.
Дело в том, что малоизученные реакции на изотопах циркония уже давно привлекают её внимание, но не с точки зрения атомной энергетики, а с точки зрения детектирования нейтронных потоков в интересах безопасности. Достаточно напомнить, что про эту тему периодически вспоминают в таком американском управлении как NNSA.
А там, действительно, ещё измерять и измерять. На схемах ниже, взятых из одной из презентаций NNSA по национальному комплексу лазерных термоядерных реакций (NIF) от 2007 года, можно видеть, какими сечениями интересовались американские атомщики и какие из них были на тот момент измерены (вторая схема).
Заметим, что захватом на цирконии-88 в своих рассуждениях авторы презентации пренебрегали. Теперь им, возможно, придётся принимать во внимание ешё и эту реакцию.Интересующие сечения на изотопах циркония.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.Cечения, для которых имелись экспериментальные данные на 2007 год.
Щёлкните левой клавишей мыши для просмотра.
И последнее, что хотелось бы сказать в связи с работой Шустерман и её коллег. Если результаты их измерений подтвердятся, то они должны привлечь внимание физиков-теоретиков. В конце концов, пора уже разобраться с природой резонансов в нейтронных сечениях.
Но главное даже не это. Американский эксперимент лишний раз напоминает нам - говорить о том, что в нейтронике и нейтронных данных всё сделано и известно, рано. Работы по этому важнейшему направлению атомной отрасли по-прежнему непочатый край.
