ՋՋԷՌ-440 ՌԵԱԿՏՈՐՆԵՐՈՎ

ԷՆԵՐԳԱԲԼՈԿԻ

ՍԱՐՔԱՎՈՐՈՒՄՆԵՐԸ ԵՎ

ՇԱՀԱԳՈՐԾՄԱՆ ՌԵԺԻՄՆԵՐԸ

Դասագիրք

 

 

 

Երևան 2016

Հաստատված է ՀՀ Կրթության և գիտության նախարարության կողմից որպես դասագիրք բուհերի ուսանողների համար (ՀՀ Կ և Գ նախարարի հրաման թիվ ________2016թ.)

ՀՏԴ                                              

ԳԴՄ                                            

Պ                                                  

                                                        

Հեղինակներ՝                             

Սահակյան Ա.Պ., տ.գ.թ., դոցենտ, Մարուխյան Ո.Զ., տ.գ.թ., պրոֆեսոր, Պետրոսյան Վ.Գ., տ.գ.դ., պրոֆեսոր

Պ.505 ՋՋԷՌ-440 ռեակտորներով էներգաբլոկի սարքավորումները և շահագործման ռեժիմները: Դասագիրք / Ա.Պ. Սահակյան, Ո.Զ. Մարուխյան, Վ.Գ. Պետրոսյան: ՀԱՊՀ.- Եր., Ճարտարագետ, 2016.- 322 էջ:

 

Դասագրքում նկարագրված են ՋՋԷՌ-440 էներգաբլոկի հիմնական սարքավորումները և աշխա­տան­քային ռեժիմները: Մանրամասն ներկայացված են էներգաբլոկի կառավարման սկզբունքները, նրանում ընթա­ցող տեխնոլոգիական պրոցեսները: Դիտարկված են էներգաբլոկի շահագործման ռեժիմները, որոնք վեր­լուծ­վել են Հայկական ատոմային էլեկտրակայանի ան­վտանգ շահագործման ապահովման տեսանկյունից:

Դասագիրքը նախատեսված է «Ատոմային էլեկտրական կայաններ և տեղակայանքներ», «Տեխնո­լոգիա­կան պրոցեսների կառավարում (ատոմային էներգետիկայի բնագավառում)» և «Միջուկային ռեակտորների ֆի­զիկա» մասնագիտություններով սովորող ուսանողների համար:

Այն կարող է օգտակար լինել նաև ատոմային էլեկտրակայաններ շահագործող, միջուկային անվտան­գու­թյունը կարգավորող և գիտահետազոտական կազմակերպությունների մասնագետների համար:

 

                        Գրախոսներ՝       Ս. ՄԻՆԱՍՅԱՆ

                                                      ՀԱՊՀ Էներգետիկայի ոլորտի տնտեսագիտություն և կառավարում ամբիոնի վարիչ, տ.գ.դ., պրոֆեսոր, ՀՃ ակադեմիայի նախագահ

 

                                                      Ա. ՄԿՐՏՉՅԱՆ

                                                      ՀԱԷԿ-ի հերթափոխի պետ

 

                                                      Ա. ԳԵՎՈՐԳՅԱՆ

                                                      ՀԱՊՀ ԷԷԻ տնօրենի տեղակալ, ՋԷ և ՇՄՊ ամբիոնի

                                                      դոցենտ, տ.գ.թ.

                                                     

                        Խմբագիր՝                             բ.գ.թ., դոց.  Հ.Ց. ՊԵՏՐՈՍՅԱՆ

This study guide has been published with the support of the US Department of Energy and Argonne National Laboratory.

Դասագիրքը հրատարակվել է ԱՄՆ էներգետի­կա­յի դեպարտամենտի և Ար­գո­նի ազգային լաբո­րա­տորիայի աջակցությամբ:

                                                                                              

 

 

                                                                                              

 

 

                                                                                               ՀՏԴ

                                                                                               ԳՄԴ

 

SBN                                                                                      

©ՃԱՐՏԱՐԱԳԵՏ 2016

© ՍԱՀԱԿՅԱՆ Ա.Պ. 2016

©ՄԱՐՈՒԽՅԱՆ Ո.Զ. 2016

© ՊԵՏՐՈՍՅԱՆ Վ.Գ. 2016

 

ԲՈՎԱՆԴԱԿՈՒԹՅՈՒՆ

 

ՆԱԽԱԲԱՆ

ՕԳՏԱԳՈՐԾՎԱԾ ՀԱՊԱՎՈՒՄՆԵՐԻ ՌՈՒՍԵՐԵՆ-ՀԱՅԵՐԵՆ ՑԱՆԿ

ԳԼՈՒԽ 1. ՄԻՋՈՒԿԱՅԻՆ ՖԻԶԻԿԱՅԻ ՀԻՄՆԱՐԱՐ ՍԿԶԲՈՒՆՔՆԵՐԸ

1.1. Ատոմի կառուցվածքը

1.2. Ռադիոակտիվություն

1.2.1. Ակտիվություն

1.3. Զանգվածի և էներգիայի փոխկապակցվածությունը

1.4. Միջուկային ուժեր և միջուկի կապի էներգիան

1.5. Զանգվածի թերությունը (արատը)

1.6. Միջուկային ռեակցիաներ

1.7. Նեյտրոնների դանդաղեցումը և դիֆուզիան

1.8. Բաժանման բեկորներ

1.9. Շղթայական ռեակցիա: Միջուկային ռեակտոր

ԳԼՈՒԽ 2. ՋՋԷՌ-440 ԷՆԵՐԳԱԲԼՈԿԻ ԱՌԱՋԻՆ ԿՈՆՏՈՒՐԻ ՀԻՄՆԱԿԱՆ

 ՍԱՐՔԱՎՈՐՈՒՄՆԵՐԸ ԵՎ ՏԵԽՆԻԿԱԿԱՆ ԲՆՈՒԹԱԳՐԵՐԸ

2.1. Ռեկտորի կառուցվածքային և աշխատանքային բնութագրերը

2.1.1. Ռեակտորի հզորությունը, աշխատաշրջանը, էներգապաշարը

2.1.2. Ջերմանջատումը ակտիվ գոտում

2.1.3. Ռեակտորի աշխատանքային ջերմային ռեժիմները

2.1.4. Միջուկային վառելիքի այրումը, խարամումը և վերարտադրությունը

2.1.5. Ռեակտորի թունավորումը

2.1.6. Ռեակտորի թունավորումը -ով հաստատուն աշխատանքային ռոժիմում

2.1.7. Ռեակտորի ոչ ստացիոնար թունավորումը -ով: Յոդային փոս

2.1.8. Ռեակտորի թունավորումը սամարիումով

2.1.9. Ռեակտիվության ջերմաստիճանային էֆեկտը

2.1.10. Ռեակտորի կառավարման սկզբունքը

2.1.11. Նեյտրոնային կինետիկայի պարզագույն հավասարումը

2.1.12. Ռեակտորի պարբերությունը

2.1.13. Ուշացող նեյտրոնների հաշվառումը

2.1.14. Նեյտրոնային կինետիկայի հավասարումները ուշացող նեյտրոնների մեկ միջինացված խմբի դեպքում

2.1.15. Կառավարման և պաշտպանության համակարգի ֆիզիկական բնութագրերը

2.1.16. Բորաթթվի կոնցենտրացիայի հաշվարկը ռեակտորի փոփոխական աշխատանքային ռեժիմների դեպքում

2.1.17. Ռեակտորի ջերմային հզորության հաշվարկը

2.1.18. Ռեակտորի մնացորդային ջերմանջատման հաշվարկը

2.2. Շոգեգեներատորի կառուցվածքը և աշխատանքային բնութագիրը

2.3. Ճնշման փոխհատուցման համակարգը և սարքավորումների կառուցվածքը

2.4. Գլխավոր շրջանառության պոմպերի կառուցվածքը և բնութագրերը

2.5. Արմատուր և գլխավոր շրջանառության խողովակագծեր

2.6. Ռեակտորային տեղակայանքի հիմնական սարքավորումների հարմարադասավորումը

ԳԼՈԽ 3. ՋՋԷՌ-440 ԷՆԵՐԳԱԲԼՈԿԻ ԵՐԿՐՈՐԴ ԿՈՆՏՈՒՐԻ ՀԻՄՆԱԿԱՆ

ՍԱՐՔԱՎՈՐՈՒՄՆԵՐԸ ԵՎ ԱՇԽԱՏԱՆՔԱՅԻՆ ԲՆՈՒԹԱԳՐԵՐԸ

3.1. Տուրբինային տեղակայանքի կառուցվածքային սխեման և բնութագրերը

3.2. Տուրբինային տեղակայանքի թերմոդինամիկական ցիկլը T-S դիագրամում

3.3 ՋՋԷՌ-440 ռեակտորով կահավորված ԱԷԿ-ում շոգու սկզբնական և վերջնական ջերմաստիճանների ընտրությունը

3.4. Զատիչ-շոգեգերտաքացուցչի կառուցվածքը և տեխնիկական բնութագրերը

3.5. Կոնդենսացիոն տեղակայանքի աշխատանքի սկզբունքը և կոնդենսատորի կառուցվածքը

3.6. Ռեգեներատիվ տաքացուցիչների կառուցվածքը և տեխնոլոգիական սխեմաները Սնող ջրի գազազրկման տեղակայանքներ

3.7. Սնող ջրի գազազրկման տեղակայանքներ

3.7.1. Գազազրկիչի նշանակությունը և կառուցվածքը

3.7.2. Սնող էլեկտրապոմպերի բնութագիրը և կառուցվածքը

ԳԼՈՒԽ 4. ՋՋԷՌ-440 ԷՆԵՐԳԱԲԼՈԿԻ ՇԱՀԱԳՈՐԾՄԱՆ ԲՆԱԿԱՆՈՆ ՌԵԺԻՄՆԵՐԸ

4.1. Էներգաբլոկի անվանական ռեժիմը

4.1.1. Ակտիվ գոտու ջերմակրի ծախսը

4.1.2. Ճնշումը առաջին և երկրորդ կոնտուրներում

4.1.3. Էներգաանջատման հավասարեցումը՝ ըստ ակտիվ գոտու շառավղի

4.1.4. Էներգաանջատման հավասարեցումը՝ ըստ ակտիվ գոտու բարձրության

4.2. Փաստացի և նախագծային անվանական ռեժիմների տարբերությունը և դրա պատճառները

4.3. Ոչ անվանական ռեժիմներ

4.3.1. Էներգաբլոկի ցածր հզորությամբ աշխատանքի պատճառները

4.3.2. Էներգաբլոկի թույլատրելի հզորությունների միջակայքը

4.3.3. Էներգաբլոկի հզորության բարձրացման հնարավորությունները

4.4. Էներգաբլոկի ստատիկ բնութագրերը և կարգավորման ծրագրերը

4.4.1. Կարգավորման ծրագրերը

4.4.2. Էներգաբլոկի անցողիկ ռեժիմները՝ առանց կարգավորիչների

4.5. Էներգաբլոկի հզորության կարգավորման սխեմաները և հիմնական կարգավորիչները

4.5.1. Կարգավորման սխեմաները

4.5.2. Ռեակտորի հզորության հիմնական կարգավորիչները: Ավտոմատ կարգավորիչը

4.5.3. Էներգաբլոկի անցողիկ ռեժիմները կարգավորիչներով

4.6. Էներգաբլոկի գործարկման և կանգի ռեժիմները

4.6.1. Էներգաբլոկի գործարկումը պլանային-նախազգուշական վերանորոգումից հետո

4.6.2. Էներգաբլոկի բնականոն կանգի ռեժիմը

ԳԼՈՒԽ 5. ՋՋԷՌ-440 ԷՆԵՐԳԱԲԼՈԿԻ ՌԵԺԻՄՆԵՐԸ՝ ԲՆԱԿԱՆՈՆ

ՇԱՀԱԳՈՐԾՄԱՆ ՊԱՅՄԱՆՆԵՐԻ ԽԱԽՏՄԱՄԲ

5.1. Վթարային իրավիճակներ և վթարային ռեժիմներ

5.2. Վթարների և վթարային իրավիճակների պատճառները

5.3. Վթարների և վթարային իրավիճակների վերլուծություն

5.4. Նախագծային վթարներ

5.4.1 Վթարներ՝ պայմանավորված դրական ռեակտիվության ներմուծմամբ

5.4.2. Վթարներ՝ ակտիվ գոտուց ջերմահեռացման խախտմամբ

5.4.3. Էներգաբլոկի լրիվ հոսանքազրկումը

5.4.4. Էներգաբլոկի երկրորդ կոնտուրի սնող ջրի պոմպերի անջատումը

5.4.5. Տուրբոգեներատորների վթարային անջատումը

5.4.6. Վթարներ՝ առաջին և երկրորդ կոնտուրների հերմետիկության խախտմամբ

5.5. Արտանախագծային վթարներ

5.5.1. Առաջին կոնտուրի Dպ=32մմ տրամագծով հոսաթողում՝ վթարային լրասնման համակարգի լրիվ խափանմամբ

5.5.2. Վթար՝ ճնշման փոխհատուցչի ապահովիչ փականը բացվելու և չփակվելու (վթարային լրասնման համակարգի խափանման) հետևանքով

5.5.3. Առաջին կոնտուրի գլխավոր խողովակագծի պատռումը

ԳԼՈՒԽ 6. ԵՐԿԿՈՆՏՈՒՐ ԱԷԿ-Ի ՋՐԱՔԻՄԻԱԿԱՆ ՌԵԺԻՄԸ

6.1. ԱԷԿ-ում ջրաքիմիական ռեժիմի հսկման հիմնախնդիրները

6.2. ԱԷԿ-ում ջրաքիմիական ռեժիմի հիմնական բնութագրերը

6.3. Երկկոնտուր ԱԷԿ-ի առաջին կոնտուրի ջրաքիմիական ռեժիմի առանձնահատկությունները

6.4. Ջրային միջավայրում մետաղների կոռոզիայի թերմոդինամիկայի հիմունքները

6.5. Անոդային պրոցեսների կինետիկան

6.6. Ջերմատարի ռադիոլիզը միջուկային ռեակտորներում

6.7. Տարբեր գործոնների ազդեցությունը կոռոզիոն պրոցեսների վրա

6.8. Ճառագայթման ազդեցությունը ռեակտորային նյութերի կոռոզիայի վրա

6.9. ՋՋԷՌ տիպի ռեակտորներով ԱԷԿ-ի առաջին կոնտուրի ջրաքիմիական ռեժիմը

6.10.  ՋՋԷՌ տիպի ռեակտորներով ԱԷԿ-ի երկրորդ կոնտուրի ջրաքիմիական ռեժիմը

ՕԳՏԱԳՈՐԾՎԱԾ ԳՐԱԿԱՆՈՒԹՅՈՒՆ

ՀԱՎԵԼՎԱԾ 1

ՀԱՎԵԼՎԱԾ 2

ՀԱՎԵԼՎԱԾ 3

ՀԱՎԵԼՎԱԾ 4

 

 

ՆԱԽԱԲԱՆ

 

Դասագրքում ներկայացվում են ՋՋԷՌ-440 էներգաբլոկի հիմնական սարքա­վորում­ները, դրանց կառուցվածքային առանձնահատկությունները, տեխնոլոգիական պրոցես­նե­րի հաջորդականությունը, կառավարման և կարգավորման համակարգերի դերն ու նշա­նակությունը: Մանրամասն դիտարկվում են էներգաբլոկի գործարկման, կանգառման և շա­հագործման տարաբնույթ աշխատանքային ռեժիմները, որոնք վերլուծվել են Հայկական ատոմային էլեկտրակայանի (ՀԱԷԿ) օրինակի վրա՝ հատկապես վերջինիս անվտանգ շա­հա­գործումը ապահովելու տեսանկյունից:

Շարադրված նյութի առավել մատչելի յուրացմանը նպաստելու նպատակով համա­ռոտ անդրադարձ է կատարված նաև միջուկային ֆիզիկայի հիմնարար սկզբունքներին:

Դասագիրքը կազմելիս հեղինակները առավելագույնս օգտագործել են ՀԱԷԿ-ում կի­րառ­վող տեխնիկական հրահանգները, կանոնակարգերը և սարքավորումների շահա­գործ­մանն առնչվող այլ փաստաթղթային փաթեթները:

Շահագործման բնականոն և վթարային բոլոր ռեժիմները դիտարկվել և համա­կող­մա­նիորեն վերլուծվել են ՀԱԷԿ-ի ուսումնավարժական կենտրոնի բազմաֆունկցիոնալ և լայնամասշտաբ վարժասարքի կտրվածքով: Հեղինակները նպատակահարմար են գտել ՀԱԷԿ-ի ռեակտորային արտադրամասի սարքավորումների հարմարադասավորման սխե­մա­ները ներկայացնել բնագիր լեզվով՝ ռուսերենով, որը, ինչ խոսք, որոշակի դժվարու­թյուն­ներ կարող էր առաջացնել, որոնք և մասամբ հաղթահարվել են: Դասագիրքը, բնա­կա­նա­բար, ստեղծվել է առաջին հերթին Հայաստանի ազգային պոլիտեխնիկական համալ­սա­րանի Էներգետիկայի և էլեկտրատեխնիկայի ինստիտուտի «Ատոմային էլեկտրական կա­յան­ներ և տեղակայանքներ» և «Տեխնոլոգիական պրոցեսների կառավարում (ատոմային է­ներ­գետիկայի բնագավառում)» մասնագիտությունների գծով ուսումնառություն անցնող ու­սանողների համար, սակայն այն հաջողությամբ կարող են օգտագործել հարակից, ինչ­պես նաև Երևանի պետական համալսարանի Ֆիզիկայի ֆակուլտետի համապատասխան մասնագիտություների ուսանողները: Այն միանշանակ կարող է նաև ծառայել ՀԱԷԿ-ի սկսն օպերատիվ անձնակազմին՝ մասնագիտական որակավորման բարձրացման գոր­ծա­ռույթներում, միաժամանակ որպես ուղեցույց օգտակար կլինի ՀԱԷԿ-ի և միջուկային ան­վտանգության կարգավորող մարմնի մասնագետների լայն շրջանակներին իրենց ամեն­օրյա գործունեության ընթացքում:

Դասագրքի ստեղծման գործընթացում ցուցաբերած աջակցության, օգտակար խոր­հուրդ­ների և մասնագիտական շտկումների ու լրացումների համար հեղինակները խորին շնոր­հակալություն են հայտնում ՀԱԷԿ-ի ուսումնավարժանքային կենտրոնի պետի տե­ղա­կալ Ա. Մանուկյանին, ռեակտորային արտադրամասի հերթափոխի պետ Ա. Սարգսյանին, ՀՀ Միջուկային անվտանգության կարգավորման պետական կոմիտեի աշխատակից Ս. Բզնունուն, գրախոսներ Ս. Մինասյանին, Ա. Մկրտչյանին, Ա. Գևորգ­յա­նին, ինչպես նաև խմբագիր դոցենտ Հ. Պետրոսյանին, Ռ. Սահակ­յա­նին գրքի համարգչային ձևավորման հա­մար, «Հայատոմ» ԳՀԻ աշխատակցուհի Ա. Մար­տի­րոսյանին և ՀԱՊՀ ՄԱՏՈՒԿ-ի աշխա­տակցուհի Լ. Ավետիսյանին դասագրքի համա­կարգչային շարվածքի իրականացման հա­մար:

Հասկանալի է, որ մայրենի լեզվով նման բնույթի առաջին անգամ հրատարակվող և բավականաչափ տարողունակ հրատարակությունը չի կարող զերծ լինել որոշակի բացթո­ղումներից ու թերություններից: Հեղինակները շնորհակալությամբ կընդու­նեն բոլոր դի­տողություններն ու առաջարկությունները:

 

>>

ԳԼՈՒԽ 1. ՄԻՋՈՒԿԱՅԻՆ ՖԻԶԻԿԱՅԻ ՀԻՄՆԱՐԱՐ ՍԿԶԲՈՒՆՔՆԵՐԸ

1.1.   ԱՏՈՄԻ ԿԱՌՈՒՑՎԱԾՔԸ

        

Հայտնի է, որ ատոմը բաղկացած է միջուկից և նրա շուրջը պտտվող բացասական լից­­քավորված էլեկտրոններից: Միջուկի շուրջը պտտվող էլեկտրոնների ամբողջականու­թյու­նը կոչվում է ատոմի էլեկտրոնային թաղանթ:

Նկ. 1.1-ում ներկայացված են ջրածնի, հելիումի և ածխածնի ատոմների կառուց­ված­քային պարզագույն մոդելները:

Յուրաքանչյուր էլեկտրոնի էլեկտրական լիցքը թվապես հավասար է՝

Եթե ատոմը պարունակում է Z թվով էլեկտրոններ, ապա դրանց գումարային լիցքը կկազմի Z·e:

Միջուկը կազմված է պրոտոններից և նեյտրոններից, որոնց ընդհանուր անվանումն է նուկլոններ: Յուրաքանչյուր պրոտոնի լիցքը դրական է և բացարձակ արժեքով հավասար էլեկտրոնի լիցքին: Նեյտրոնն օժտված չէ էլեկտրական լիցքով (էլեկտրաչեզոք է): Նկ. 1.2-ում ներկայացված են հելիումի, ածխածնի և ուրանի միջուկների կառուցվածքային պար­զա­գույն մոդելները:

 

Պրոտոնի և նեյտրոնի զանգվածները գրեթե հավասար են, թեև նեյտրոնի զանգվածը մի փոքր՝ 1.002 անգամ գերազանցում է պրոտոնի զանգվածը (նեյտրոնի զանգվածը՝ 1,675x10^-24գ, պրոտոնի զանգվածը՝ 1,672x10^-24գ): Պրոտոնի և նեյտրոնի զանգվածները  անգամ մեծ են էլեկտրոնի զանգվածից, այսինքն՝ ատոմի զանգվածը կենտրոնացած է նրա միջուկում: Նշվածը ցայտուն կերպով երևում է նկ. 1.3-ում, որտեղ ատոմը ներկայացված է 10¹² անգամ մեծացված: Այդ դեպքում թաղանթն ունի 100 մ տրամագիծ, իսկ միջուկը` ընդամենը 1սմ, ընդ որում, ատոմի չափը շատ անգամ գերա­զան­ցում է միջուկի չափը:

Միջուկային ֆիզիկայում որպես զանգվածի ատոմական միավոր (զ.ա.մ) ընդունված է ածխածնի ատոմի զանգվածի 1/12-ը, որը հավասար է 1,66·10^-24գ:

Որպես ատոմական միավորների նշանակում ընդունված է   որտեղ X-ը քիմիա­կան տարրի պայմանանշանն է, A-ն՝ զանգվածային թիվը (միջուկում նուկլոնների քա­նա­կը), Z-ը՝ միջուկում պրոտոնների քանակը, որը հավասար է Մենդելեևի աղյուսակում տվյալ քիմիական տարրի կարգաթվին, համընկնում է ատոմի էլեկտրոնների թվին և որո­շում տարրի հիմնական քիմիական հատկությունները: Օրինակ` ուրանի զանգվածային թիվն է՝ A=235, իսկ կարգաթիվը՝ Z=92, հետևաբար՝ նշանակումն է

Միևնույն քանակով պրոտոններ, բայց տարբեր թվով նեյտրոններ ունեցող միջուկները կոչվում են իզոտոպներ:

Քանի որ իզոտոպներն օժտված են միևնույն քիմիական հատկություններով, ուստի դրանք նշագրվում են միևնույն պայմանանշանով: Այսպես, ջրածինն ունի երեք իզոտոպ. սովորական ջրածինը՝   (միջուկը կազմված է մեկ պրոտոնից), դեյտրիումը՝   (միջուկը կազմված է պրոտոնից և նեյտրոնից), տրիցիումը՝   (միջուկը կազմված է պրոտոնից և երկու նեյտրոնից):

Բնության մեջ հանդիպում են ուրանի երեք իզոտոպներ`  Բոլորը պա­րունակում են հավասար քանակով պրոտոններ (ինչպես նաև էլեկտրոններ)՝ -92: Բայց դրանց նեյտրոնների քանակները տարբեր են.

Ինչպես նշվեց վերևում, միջուկի չափերը խիստ փոքր են, ~10^-13¸10^-12 սմ, հետևաբար՝ միջուկային նյութի խտությունը (միջուկում նուկլոնների կոնցենտրացիան) շատ մեծ է, օրինակ` ուրանի դեպքում հավասար է 1,16·10¹⁴ գ/սմ ³ : Բոլոր միջուկներն օժտված են միևնույն խտությամբ, որը վկայում է միջուկային նյութի անսեղմելիությունը: Վերջին հանգամանքով պայմանավորված՝ միջուկային նյութը կարող է համեմատվել հե­ղուկ­ների հետ:

>>

 

1.2.    ՌԱԴԻՈԱԿՏԻՎՈՒԹՅՈՒՆ

Քիմիական տարրերի ոչ բոլոր իզոտոպներն են կայուն: Դրանց որոշակի մասը ռադիո­ակ­տիվ են, այսինքն՝ ատոմների ինքնին տրոհման արդյունքում արձակվում են նեյտ­րոն­ներ,

Այդպիսի իզոտոպները, ռադիոակտիվ տրոհման շնորհիվ, փոխարկվում են այլ տար­րերի իզոտոպների: Օրինակ`   տրոհման շնորհիվ փոխարկվում է թորիումի՝  այսինքն՝ արձակելով  մասնիկ, որը ներկայացնում է հելիումի միջուկը՝  (2 պրոտոն + 2 նեյտրոն), վերափոխվում է նոր տարրի: Կամ` լիթիումը՝  արձակելով  մասնիկ (էլեկտ­րոն), փոխարկվում է բերիլիումի՝ , այսինքն՝ լիթիումի միջուկում ինչ-որ մի նեյտրոն վե­րա­փոխվում է պրոտոնի և էլեկտրոնի, էլեկտրոնն արձակվում է միջուկից:

 ճառագայթման ժամանակ փոխվում է միայն միջուկի ներքին էներգիան, իսկ պրոտոնների և նեյտրոնների քանակը մնում է հաստատուն:

 կամ  անցումներից հետո մնացորդային միջուկը, գերակշիռ դեպքերում, գտնվում է գրգռված վիճակում: Եթե գրգռման էներգիան չի բավարարում միջուկից նուկլոնի ար­ձակ­­վե­լու համար, ապա միջուկի հիմնական վիճակին անցնումն ուղեկցվում է  քվանտի ար­ձակմամբ:

ճառագայթման դեպքում պրոտոնների և նեյտրոնների քանակը միջու­կում չի փոխվում, պարզապես միջուկը էներգետիկ ավելի բարձր գրգռված մակարդակից անց­նում է ավելի ցածր մակարդակի:

Շատ կարևոր է նշել, որ  ճառագայթումը, ինչպես լույսը, արձակում է դիսկրետ, ա­ռան­ձին «չափաբաժիններով» քվանտներ՝ ֆոտոններ, որոնց հաճախականությունը գտնվում է    միջակայքում: Քվանտները շարժվում են հաստատուն 299792,5 կմ/վ արագությամբ: Քվանտի էներգիան   տիրույթում է, իսկ ալիքի երկարությունը՝     տիրույթում:

Տարբերակվում են երկու տիպի ռադիոակտիվ նյութեր` բնական և արհեստական: Բնական ռադիոակտիվ նյութերը հանդիպում են բնության մեջ, օրինակ` ռադիումը՝ :

Արհեստական ռադիոակտիվ նյութերը ստացվում են արագացուցիչներում, միջուկա­յին ռեակտորներում՝ կայուն նյութերը նեյտրոններով կամ պրոտոններով ճառագայթելով:

Այսպիսով, որոշակի բնական կամ արհեստական քիմիական նյութերի անընդհատ ինքնին փոխարկումների ընթացքում այդ նյութերի՝ նեյտրոններ, - քվանտ և ,  մաս­նիկ­ներ արձակելու երևույթը կոչվում է ռադիոակտիվություն:

Ռադիոակտիվ տրոհման ժամանակ առաջանում են նոր ատոմներ, որոնք հաճախ անկայուն են, և իրենք ևս տրոհվում են: Հետևաբար, մեկ տիպի միջուկի ռադիոակտիվ տրոհումը հաճախ հանգեցնում է նոր տիպի ռադիոակտիվ միջուկի առաջացմանը:

Ռադիոակտիվ տրոհումը բնութագրվում է հետևյալ օրենքով.

որտեղ N_o-ը նյութում ռադիոակտիվ միջուկների կամ ատոմների թիվն է սկզբնական t_o=0 պահին, N-ը՝ նյութում ռադիոակտիվ միջուկների կամ ատոմների թիվը t պահին,   տվյալ ռադիոակտիվ իզոտոպի համար բնութագրական մեծություն է, որը կոչվում է տրոհման հաստատուն: Այն ցույց է տալիս միավոր ժամանակում տրոհվող միջուկների չափա­բա­ժինը, այսինքն՝ միջուկների որ մասն է 1վ – ում տրոհվում: Ունի միավոր ժամանակում տրոհման հավանականություն և չափողականություն՝ վ ^-1, օրինակ, կոբալտի ( դեպքում՝

е-ի ցուցչի մինուս նշանը նշանակում է, որ N-ը միշտ նվազում է: Այսինքն՝  որո­շում է տրոհման արագությունը. որքան այն մեծ է, այնքան արագ տեղի կունենա տրո­հումը:

>>

 

1.2.1.              Ակտիվություն

Ռադիոակտիվ նյութերով աշխատելիս ավելի կարևոր է իմանալ ատոմների (միջուկ­նե­րի) ոչ թե քանակը, այլ ակտիվությունը: Ակտիվությունը մեկ վայրկյանում նյութի ամ­բողջ ծավալում միջուկների տրոհվող ակտերի թիվն է:

Այս սահմանումից հետևում է, որ՝

Ըստ չափողականությունների միջազգային համակարգի (ՄՀ)՝ ակտիվության միա­վորն է բեքերելը (Բք)՝ 1Բք = 1տրոհում/վ: Սակայն հաճախ որպես ռադիոակտիվության միավոր օգտագործում են նաև կյուրին, որը հավասար է 3,7·10¹⁰ տրոհում/վ: Այս տրո­հում­ների թիվը մոտավորապես համապատասխանում է 1գ ռադիումի՝  1 վայր­կյանում ար­ձակած մասնիկների թվին: Գործնականում օգտագործում են ռադիոակտիվ տրոհման մեկ այլ ժամանակային բնութագիր՝ կիսատրոհման պարբերությունը՝ T_1/2 : Դա այն ժա­մանակն է, որի ընթացքում տրոհվում է տվյալ իզոտոպի բոլոր միջուկների կեսը՝    

Տեղադրելով N(T_1/2)-ի արժեքը (1.1)-ի մեջ, կստանանք      որտեղից ստացվում է -ի և T_1/2-ի կապը՝

որտեղ  ռադիոակտիվ իզոտոպի կյանքի միջին տևողությունն է, այսինքն՝ այն ժամանակը, որի ընթացքում ռադիոակտիվ միջուկների քանակը տրոհման հետևանքով փոքրանում է e անգամ:

Տարբեր տարրերի իզոտոպների կիսատրոհման պարբերություններն ունեն ամենա­տար­բեր արժեքներ՝ սկսած վայրկյանի չնչին մասերից մինչև մի քանի միլիարդ տարի,  

>>

 

1.3.    ԶԱՆԳՎԱԾԻ ԵՎ ԷՆԵՐԳԻԱՅԻ ՓՈԽԿԱՊԱԿՑՎԱԾՈՒԹՅՈՒՆԸ

Հայտնի է, որ մարմնի զանգվածը փոքր արագությունների դեպքում կախված չէ նրա արագությունից, սակայն ըստ հարաբերականության տեսության, որը հաստատվել է փորձով, ապացուցվում է, որ եթե մարմինը շարժվում է մեծ (լույսի արագությանը մոտ) արագությամբ, ապա նրա զանգվածը փոխվում է: Զանգվածի և արագության առնչությունն արտահայտվում է հետևյալ բանաձևով.

որտեղ m_o -ն մարմնի զանգվածն է դադարի վիճակում, կգ, m-ը՝ մարմնի զանգվածը, երբ այն շարժվում է V արագությամբ, մ/վ, C-ն՝ լույսի արագությունը վակուումում՝ 3·10⁸ մ/վ:

Օրինակ, եթե էլեկտրոնը շարժվում է 10⁸ մ/վ արագությամբ, ապա նրա զանգվածը հավասար է՝

այսինքն՝ դադարի զանգվածի համեմատությամբ աճը կազմում է  

Հարաբերականության տեսությունից հետևում է նաև զանգվածի և էներգիայի կապը: Մարմնին էներգիա հաղորդելիս մեծանում է նրա զանգվածը: Էներգիայի և զանգվածի կապն արտահայտվում է Էյնշտեյնի հայտնի բանաձևով՝

որտեղ E-ն մարմնի լրիվ էներգիան է: Բանաձևից հետևում է, որ մարմնի էներգիայի փոփոխությունն ուղեկցվում է այդ մարմնի զանգվածի փոփոխությամբ: Կամ՝ դադարի վի­ճա­կում գտնվող մարմինն օժտված է էերգիայով: Կամ՝ m զանգված ունեցող մարմինը միա­ժամանակ օժտված է E  էներգիայով: Օրինակ` 1 կգ զանգված ունեցող նյութն օժտված է էներ­գիայով, որը հավասար է՝

         

          որը համարժեք է    նավթի այրման էներգիային:

Այսպիսով, կարելի է ասել, որ նյութի ատոմների միջուկում առկա է հսկայական քա­նակով էներգիայի պաշար: Հասկանալի է, որ ներկայացված հաշվարկը տեսական է, և օգտագործել այդ ամբողջ պարփակված էներգիան գործնականում հնարավոր չէ: Դա կապված է բազմաթիվ անիրագործելի կիրառական խնդիրների հետ: Առայժմ գիտության առաջընթացը թույլ է տալիս օգտագործել այդ էներգիայի միայն չնչին մասը ՝ միջուկային ռեակցիաների միջոցով:

Միջուկի բաժանման ռեակցիաների ժամանակ անջատվում է նյութի լրիվ էներգիայի      իսկ ջերմամիջուկային ռեակցիաների ժամանակ, երբ սինթեզվում են թեթև միջուկներ, լրիվ էներգիայի  այսինքն՝ զգալիորեն ավելի շատ:

Սակայն պետք է նկատի ունենալ, որ նյութի սովորական փոխարկումների ժամա­նակ, երբ դրանք ուղեկցվում են էներգիայի համեմատաբար ոչ մեծ փոփոխությամբ, զանգվածի փոփոխությունն այնքան չնչին է, որ կարելի է անտեսել: Օրինակ` 1կգ սառույցը հալեց­նե­լու համար պետք է ծախսել 80 Կկալ ջերմություն: Էներգիայի այդքան մեծացմանը հա­մա­պատասխանում է զանգվածի   որը, բնականաբար, սովո­րա­կան պայ­ման­ներում հնարավոր չէ հայտնաբերել:

Միջուկային փոխարկումների դեպքում, որոնք կդիտարկվեն հաջորդ ենթաբաժնում, տեղի է ունենում հսկայական քանակով էներգիայի անջատում կամ կլանում, որի պատ­ճա­ռով միջուկների զանգվածը զգալիորեն փոխվում է:

Միջուկային ֆիզիկայում էներգիան չափվում է էլեկտրոնվոլտերով՝ ԷՎ: Մեկ էլեկ­տրոն­­վոլտը համապատասխանում է այն կինետիկ էներգիային, որ ձեռք է բերում մեկ էլեկտ­րոնի լիցք ունեցող մասնիկը, որն անցել է մի կետից մյուսը 1Վ պոտենցիալների տար­­բերությամբ էլեկտրական դաշտում.

 

Հաճախ օգտագործում են ավելի մեծ միավոր` մեգաէլեկտրոնվոլտը (1ՄԷՎ=10⁶ ԷՎ):

>>

 

1.4.    ՄԻՋՈՒԿԱՅԻՆ ՈՒԺԵՐ ԵՎ ՄԻՋՈՒԿԻ ԿԱՊԻ ԷՆԵՐԳԻԱՆ

Միջուկային ռեակցիաները դիտարկելիս անհրաժեշտ է պարզաբանել, թե միջու­կա­յին մասնիկներն ինչպիսի ուժերով են միմյանց փոխկապակցված:

Ցանկացած նյութի ատոմի միջուկի մեջ գործում են երկու հիմնական ուժեր. առա­ջի­նը էլեկտրական վանողական կուլոնյան հայտնի ուժերն են, որոնք պայմանավորված են դրա­կան լիցքավորված պրոտոններով, երկրորդը՝ միջուկային ձգողական ուժերը, որոնք զգա­լիորեն գերազանցում են վանողական ուժերին:

Միջուկային ուժերն առանձնահատուկ բնույթի են, և միջուկային ռեակցիաները պայ­մա­նավորված են այդ առանձնահատկություններով: Միջուկային ուժերի գլխավոր առանձ­նահատկությունն այն է, որ դրանց ազդեցության շառավիղը շատ փոքր է՝    Մի­ջու­կի սահմաններից դուրս դրանց ազդեցությունը դադարում է, և գործում են միայն էլեկտ­րա­կան ուժերը: Նկ. 1.4-ում սխեմատիկորեն ցույց են տրված երկու պրոտոնների միջև գործող ու­ժե­րը: Էլեկտրական ուժերի ազդեցությունը, կախված նրանց միջև եղած հեռա­վո­րու­թյունից (r), փոխվում է  

 

Միջուկային ուժերը գործում են, երբ նուկլոններն իրար նկատմամբ խիտ են դասա­վոր­ված (նման են իրար կպած կոնֆետների գնդիկների): Այսինքն՝ միջուկում յուրաքանչյուր նուկլոն պահվում է միայն հարևան նուկլոններով, իսկ մնացած նուկլոնները, որոնք գտնվում են ավելի հեռու, միմյանց վրա չեն ազդում: Ի տարբերություն միջուկային ուժերի, կուլոնյան ուժերը գործում են բոլոր` թե մոտակա, թե հեռու գտնվող պրոտոնների մեջև (նկ. 1.5):

Միջուկային ուժերը զգալիորեն (մի քանի տասնյակ անգամ) մեծ են կուլոնյան ուժե­րից և    անգամ՝ գրավիտացիոն ուժերից: Եթե միջուկային ուժերը թույլ լինեին կուլոնյան ու­ժե­րից, ապա արդեն իսկ երկու պրոտոններ (ուրանի միջուկում դրանք 92-ն են) չէին կարող գտնվել այնպիսի փոքր հեռավորության վրա, ինչպիսին միջուկի չափն է, առավել ևս՝ մնալ միջուկում, և միջուկն ինքնին կտրոհվեր:

Միջուկային ուժերը գործում են 1 ֆերմի (10^-13սմ) հեռավորության վրա, և դրանց բնույ­թը խիստ փոփոխական է՝ կախված հեռավորությունից: Օրինակ` 0,7 ֆերմիից փոքր հեռա­վորության վրա դրանք գործում են որպես վանողական ուժեր: Երկու ֆերմի հեռա­վո­րու­թյան վրա դրանց ազդեցությունը վերանում է: Միջուկային ուժերն օժտված են, այսպես կոչ­ված, «հագեցման» հատկությամբ, այսինքն՝ միջուկային մասնիկների միջև փոխազդե­ցու­­թյունը սահմանափակվում է հիմնականում հարևան միջուկների տիրույթով (նկ. 1.5). եթե սինթեզվում են մի քանի մասնիկներ, ապա մյուս մասնիկների ձգողական ուժերը թուլանում են, և իրարից հեռու պրոտոնների միջև կարող են գործել միայն կուլոն­յան վա­նողական ուժերը: Հենց դրանով է բացատրվում միջուկների համեմատաբար հեշ­տու­թյամբ տրոհումը՝ դրանց զանգվածային թվի մեծացմանը զուգընթաց: Ակնհայտ է, որ ամենա­կա­յուն միացությունը ստացվում է որոշակի քանակով մասնիկների փոխկապակցվածության դեպքում: Օրինակ` շատ կայուն համակարգ է երկու պրոտոնների և երկու նեյտրոնների միացությունը (հելիումի միջուկը,   մասնիկը):

Կապի էներգիա: Նուկլոնների փոխազդեցության գումարային էներգիան պայմանա­վոր­ված է բոլոր նուկլոնների միջուկային ձգողության և պրոտոնների էլեկտրական վա­նողության ուժերով և կոչվում է միջուկի կապի էներգիա: Կապի էներգիան հավասար է այն էներգիային, որն անջատվում է միջուկը նուկլոններով կազմավորելիս:

>>

 

 

1.5.   ԶԱՆԳՎԱԾԻ ԹԵՐՈՒԹՅՈՒՆԸ (ԱՐԱՏԸ)

Միջուկի կապի էներգիան գնահատելու համար անհրաժեշտ է իմանալ միջուկում նուկլոնների զանգվածների հաշվեկշիռը՝ արտահայտված զանգվածի ատոմային միա­վոր­ներով: Միջուկը կազմող ազատ նուկլոնների գումարային զանգվածը մի փոքր մեծ է մի­ջուկի դադարի վիճակի զանգվածից, քանի որ միջուկում նուկլոնները գտնվում են կապված վիճակում: Այսինքն, եթե որևէ ատոմի միջուկի լրիվ զանգվածը որոշենք և այն համե­մա­տենք միջուկը կազմող առանձին նուկլոնների գումարային զանգվածի հետ, ապա կպար­զենք, որ նուկլոնների գումարային զանգվածն ավելի մեծ է միջուկի դադարի վիճակի զանգ­վածից:

Դասական ֆիզիկայի տեսանկյունից դա տարիմաստություն է («պարադոքս»), այս­ինքն՝ զանգվածը կազմող առանձին տարրերի զանգվածների գումարը չի կարող ավելի մեծ լինել, քան ինքը զանգվածը: Դրանք պետք է իրար հավասար լինեն: Միջուկային ֆիզիկան այդ հարցի պատասխանը տալիս է, և այն կդիտարկվի հաջորդիվ: Այստեղ նշենք, որ զանգ­վածների այդ տարբերությունը   կոչվում է զանգվածի թերություն, իսկ դրան համա­պա­տասխանող էներգիան` կապի էներգիա:

Վերը շարադրած միտքը պարզելու համար նկ. 1.6-ում ցույց է տրված կշեռք, որի մի նժարին դրված են հելիումի միջուկը կազմող ազատ նուկլոնները, իսկ մյուսին՝ մի­ջուկի զանգվածը (նուկլոնները կապակցված վիճակում են): Նկարից երևում է զանգ­ված­ների տարբերությունը, որը կոչեցինք զանգվածի թերություն. այն հավասար է՝  

 

Հաշվենք հելիումի միջուկի զանգվածի թերությունը և կապի էներգիան:

Հայտնի է, որ միջուկում պրոտոնի և նեյտրոնի զանգվածները հավասար են համապա­տասխանաբար 1,00727 և 1,00866 զանգվածի ատոմական միավորին (զ.ա.մ): Հելիումի միջուկի զանգվածը հավասար է 4,0026 զ.ա.մ: Զանգվածի թերությունը հավասար կլինի`

          Տեղադրելով    արժեքը (1.3) բանաձևի մեջ, կստանանք He-ի միջուկի կապի էներ­գիան.

Քանի որ հելիումի 1գ ատոմը պարունակում է 6,022·10²³ հելիումի միջուկ (Ավո­գա­դ­րոյի թիվ) և կշռում է 4 գ, ապա 1 գ հելիումից անջատված էներգիան, որը կառա­ջանա պրո­տոն­ները և նեյտրոները սինթեզելու դեպքում, կլինի՝

Այդքան էներգիա ժամանակին անջատվել է բնության մեջ հելիումի առաջացման պա­հին, որը համարժեք    բարձրորակ քարածխի կամ     բենզինի այրման էներ­գիային:

Նշենք, որ արևի էներգիան պայմանավորված է հենց այդպիսի ջերմամիջուկային ռեակ­ցիաներով, որոնք կարող են ընթանալ միայն շատ բարձր՝ մի քանի միլիոն ջեր­մաստի­ճանի պայմաններում, երբ տեղի է ունենում նուկլոնների սինթեզում:

Այսպիսով, զանգվածի թերությունը    ուղիղ համեմատական է կապի էներգիային.

 

Այս արտահայտությունը կարելի է պարզեցնել, եթե E = m·c² բանաձևով կապի էներ­գիան որոշենք 1 զ.ա.մ.-ին համապատասխան: E = m·c² բանաձևի մեջ զանգվածի չափողա­կանությունը տեղադրենք զ.ա.մ-ով (1զ.ա.մ.=1,66x10^-27կգ), կստանանք՝

Ստացվում է, որ  

(1.5) բանաձևի փոխարեն կարող ենք գրել՝

 

(1.6) բանաձևով հաշվենք միջուկային ռեակցիայից առաջացած կապի էներգիան, երբ միջուկը բաժանվում է բեկորների: Հաշվարկները կատարենք  -ի օրինակով, երբ միջուկը, կլանելով նեյտրոն, բաժանվում է երկու բեկորների` լանթանի՝  և մոլիբդենի՝ : (1.6) բանաձևում տեղադրելով զանգվածային թվերի ճշգրիտ արժեքները (Մենդելեևի աղյուսակից և [1] գրքից), կստանանք.

Հաշվի առնելով, որ 1գ -ի մեջ կա  ատոմ, կստացվի՝

Այսինքն՝ 1գ  ուրանից ստացված էներգիան բավարար է մոտավորապես 1000 բնա­կիչ ունեցող որևէ գյուղաքաղաքի էլեկտրական էներգիայի օրական սպառումն ապա­հո­վելու համար:

Համեմատելով 1գ ուրանի  բաժանումից առաջացած էներգիան դեյտրիումի  ( ) սինթեզից առաջացած 1գ-ի էներգիայի հետ, կարող ենք ասել, որ վերջինս  անգամ ավելի մեծ է: Այսինքն՝ ջերմամիջուկային ռեակցիայից առաջացած էներգիան շատ անգամ ավելի մեծ է միջուկային ռեակցիայից առաջացած էներգիայից:

Միջուկային ֆիզիկայում միջուկի կարևոր բնութագրերից է մեկ նուկլոնին բաժին ընկնող կապի էներգիան՝ տեսակարար կապի էներգիան, այսինքն՝ այն աշխատանքը, որը կատարվում է մեկ նուկլոնի՝ միջուկից արձակվելու (դուրս թռչելու) դեպքում:

Տեսակարար կապի էներգիան նշանակվում է -ով և հավասար է՝  Նկ. 1.7-ում ցույց է տրված տեսակարար կապի էներգիայի և միջուկների զանգվածային թվի առնչու­­թյունը:

Կորից երևում է, որ գրեթե բոլոր կայուն միջուկների համար, որոնք ունեն միջին զանգվածային թիվ՝   բարիում՝ (մոլիբդեն՝  լանթան՝ . սրանք գրաֆիկում չեն երևում), տեսակարար կապի էներգիան մոտավորապես հաստատուն է և ունի    արժեք: -ի մեծությունը հասնում է առավելագույն արժեքին   տիրույթում (կրիպտոն՝ ):

Միայն թեթև (10-ից փոքր զանգվածային թվով) տարրերի դեպքում է դիտվում տեսակարար կապի էներգիայի կտրուկ տարբերություն:

Գերծանր տարրերի   միջուկների բաժանման դեպքում, երբ գոյանում են ավելի թեթևները, նույնպես դիտվում է տեսակարար կապի էներգիաների տարբերություն    զանգվածային թվով տարրերն ամենակայունն են, և դրանք տրոհելու համար կպահանջվի առավելագույն քանակությամբ էներգիա:

Միջուկային էներգիա ստանալու տեսանկյունից ուշագրավ են կորի սկզբում և վեր­ջում գտնվող տարրերը, քանի որ միայն այս տիրույթներում է դիտվում տեսակարար կա­պի էներ­գիաների՝ զանգվածային թվից կախված զգալի փոփոխություն: Էներգիայի պահ­պան­ման օրենքի համաձայն՝ անջատված էներգիան պետք է հավասար լինի սկզբնական և վերջնական միջուկների կապի էներգիաների տարբերությանը:

Այսպիսով, կորի վերլուծությունը ցույց է տալիս, որ միջուկային էներգիա ստանալու համար կա երկու հնարավոր ուղղություն:

Առաջինը թեթև տարրերից ավելի ծանր տարրի սինթեզումն է, օրինակ՝ դեյտրիումից հե­լիում ստանալը:

Երկրորդը ծանր տարրերի միջուկների բաժանումն է, երբ գոյանում են զանգվածի միջին թիվ ունեցող տարրեր (օրինակ`  -ի բաժանումը լանթանի և մոլիբդենի ):

   զանգված ունեցող տարրերից միջուկային էներգիա ստանալը շահավետ չէ, այսինքն՝ որքան էլ այդ միջուկները վերակառուցենք (բաժանենք, սինթեզենք), արդյունք չենք ստանա, քանի որ դրանց զանգվածային թիվն ունի տեսակարար կապի էներգիայի առավելագույն արժեքը՝   :  Կրկին նշենք, որ սինթեզելու պարագայում շատ անգամ ավելի մեծ էներգիա է անջատվում, քան միջուկի բաժանման դեպքում, քանի որ միջուկ­նե­րի տեսակարար կապի էներգիաների տարբերությունն այդ տիրույթում ավելի մեծ է:

Որպես օրինակ օգտագործելով կորի տվյալները՝ մի անգամ ևս հաշվենք 1գ-ի բաժանումից անջատված միջուկային էներգիան: Եթե ընդունենք, որ -ը բաժանվում է երկու հավասար մասերի, ապա յուրաքանչյուր բեկորի զանգվածային թիվը կլինի՝

Գրաֆիկից երևում է, որ 117,5 զանգվածային թիվ ունեցող միջուկի տեսակարար կապի էներգիան հավասար է    հետևաբար՝ յուրաքանչյուր բեկորի լրիվ էներգիան կլինի.

-ի լրիվ կապի էներգիան հավասար կլինի տեսակարար կապի էներգիայի (7,5ՄԷՎ) և նրա զանգվածի արտադրյալին.

-ի մեկ միջուկից անջատված միջուկային էներգիան հավասար կլինի բեկորների կապի էներգիաների գումարի և միջուկի կապի էներգիայի տարբերությանը.

 

Քանի որ 1գ -ի մեջ կա ատոմ, ապա նրանից անջատված լրիվ էներ­գիան կլինի՝

 

Ստացվեց մոտավորապես նույն թիվը, ինչ որ հաշվել էինք (1.6) բանաձևով: Նշենք, որ (1.6) բանաձևով հաշվարկները կատարվում են ավելի ճշգրիտ, իսկ կորից օգտվելիս դրանք մոտավոր են:

Հատկանշական է, որ այդքան էներգիան համարժեք է    բենզինի այրման էներգիային:

>>

 

 

1.6.    ՄԻՋՈՒԿԱՅԻՆ ՌԵԱԿՑԻԱՆԵՐ

Միջուկային ռեակցիան միջուկների կամ մասնիկների բախման հետևանքով այն­պի­սի փոխազդեցությունն է, որը հանգեցնում է դրանց փոխադարձ փոխակերպմանը: Միջու­կա­յին ռեակցիայի ժամանակ կարող են տեղի ունենալ միջուկների բաժանում, միաձուլում, մի միջուկի փոխարկումը մեկ այլ միջուկի և այլն:

Միջուկային ռեակցիաների հիմնական առանձնահատկություններից մեկն այն է, որ ռեակցիայի ժամանակ անջատվում կամ կլանվում է հսկայական քանակով էներգիա, մո­տա­վորապես միլիոն անգամ ավելի շատ, քան քիմիական ռեակցիաների դեպքում: Միջու­կա­յին ռեակցիաների կարևորագույն չափանիշներից մեկը ռեակցիայի հավանա­կա­նու­թյունն է:

Ժամանակակից միջուկային էներգետիկայի տեսանկյունից առավել էականը նեյտ­րոն­­ների՝ տարբեր նյութերի միջուկների հետ փոխազդեցության երևույթն է: Այն բնու­թա­գրվում է արդյունավետ կտրվածքով    չափողականությամբ՝սմ ² : Որպես արդյունավետ կտրված­քի միավոր ընդունված է 10^-24 սմ ² -ը, որը կոչվում է բարն    ոչ միայն փոխազդող մասնիկի և միջուկի լայնական կտրվածքի մակերեսն է, այլև իրակա­նում բո­վանդակում է պրոցեսի ֆիզիկաքիմիական բնույթի վերաբերյալ ամբողջ տեղե­կույ­թը (մե­խանիզմը, կախումը էներգիայից և այլն):

Միջուկային ռեակցիայի տեսակից կախված՝ տարբերակում են ցրման (դանդա­ղեց­ման)՝ σ_s, ռադիացիոն զավթման՝ σ_a և բաժանման՝ σ_R կտրվածք հասկացությունները: Ցրու­մը բնորոշվում է առաձգական և ոչ առաձգական ցրման կտրվածքներով: Թեթև մի­ջուկ­ների վրա առաձգական ցրումը հատկապես մեծ կարևորություն ունի ջերմային նեյ­տ­րոն­ներով ռեակտորներում, քանի որ այն արագ նեյտրոնների դանդաղեցման գլխավոր մե­խա­նիզմն է: Ծանր միջուկների վրա ոչ առաձգական ցրումը խիստ կարևոր է արագ նեյտ­րոն­ներով ռեակտորներում, քանի որ այն նեյտրոնների՝ ²³⁸U-ի բաժանման շեմից ցածր էներգիաների տեղափոխման գլխավոր մեխանիզմն է:

Միջուկային էներգետիկայում մեկ միջուկին բաժին ընկնող լայնական (արդյու­նավետ կամ միկրոսկոպիկ) կտրվածքի` σ մեծության փոխարեն հաճախ օգտագործվում է այլ մե­ծու­թյուն.

որտեղ N-ը միջուկների թիվն է, սմ  ³:    մեծությունը ներկայացնում է նյութի 1 սմ  ³ -ում բոլոր միջուկների գումարային լայնական կտրվածքը: Այս մեծությունը կոչվում է մակ­րոս­կո­պիկ լայնական կտրվածք և ունի չափողականություն՝ սմ  ^-1:

Ընդունված է միջուկային ռեակցիաները գրել հավասարումների տեսքով, ինչպես քի­միայում: Ձախ կողմում գրվում են ռեակցիայի մեջ մտնող մասնիկները, աջում` ռեակցիայի արգասիքները: Օրինակ` ջրածնի՝ նեյտրոնով ռմբակոծման ռեակցիան, երբ մի­ջուկի պրո­տոնը զավթում է նեյտրոնը, և առաջանում է դեյտրիում՝  արձակմամբ, գրվում է այսպես.

Միջուկային ռեակցիաներն ընթանում են երկու փուլով: Առաջին փուլը սկսվում է միջուկ-թիրախի (մասնիկի) և նեյտրոնի անմիջապես բախումից հետո, երբ առաջանում է, այսպես կոչված, միջանկյալ նոր՝ բաղադրյալ միջուկ, որը գտնվում է գրգռված վիճակում և օժտված է ավելցուկային էներգիայով: Գրգռված վիճակում միջուկը գոյատևում է շատ կարճ ժամանակահատված՝    և տեղի է ունենում նուկլոնների միջև ավելցուկային էներգիայի վերաբաշխում: Այնուհետև սկսվում է երկրորդ՝ ավելի երկար փուլը: Գրգռված վիճակում, նուկլոնների բախման հետևանքով, մեկ կամ մի քանի նուկլոն ձեռք են բերում այնքան էներգիա, որ բավականացնում է նրանց` միջուկից արձակվելու համար: Կամ, հնարավոր է, որ գրգռված միջուկը, արձակելով    վերադառնա կայուն վիճակի: Եվ վերջապես, հնարավոր է, որ գրգռված միջուկն այնքան անկայուն լինի, որ բաժանվի երկու և ավելի թեթև տարրերի միջուկների: Այսինքն՝ տեղի ունենա բաժանման ռեակցիա:

Այսպիսով, գրգռման էներգիան շատ կարևոր է միջուկային ռեակցիայի պրոցեսում, և նրա չափաքանակով է պայմանավորված նաև միջուկի բաժանումը:

Միջուկային ռեակցիաներում գործում են էներգիայի և իմպուլսի պահպանման օրենք­ները: Այդ օրենքներից ելնելով՝ կարելի է ստանալ միջանկյալ միջուկի գրգռման էներգիան՝    Օրինակ` վերը նշված միջուկային ռեակցիայի համար E*-ն արտահայտ­վում է հե­տևյալ բանաձևով [1].

որտեղ A-ն և m-ը միջուկի և ռմբակոծող նեյտրոնի դադարի զանգվածներն են,  նեյտրոնի կինետիկ էներգիան մինչև բախում –ն՝ նեյտրոնի արագությունը,-ն՝ նեյտ­րոնի կապի էներգիան միջանկյալ միջուկում:

Բանաձևից երևում է, որ միջուկում գրգռման էներգիան հավասար է բաղադրյալ միջուկում նեյտրոնի կապի էներգիայի և նեյտրոնի կինետիկ էներգիայի գումարի մի մա­սին՝ որը փոխանցվել է բաղադրյալ միջուկի դադարի էներգիային: Այսինքն` գրգռման էներգիայի մեջ մտնում է նեյտրոնի ոչ թե լրիվ կինետիկ էներգիան, այլ նրա մի մասը (հիմնական մասը): Մնացած մասը՝   փոխանցվում է բաղադրյալ միջուկի կի­նե­տիկ էներգիային և չի ազդում միջուկային ռեակցիայի վրա: Եթե m<<A, ապա՝

 Այսինքն՝ ելակետային նեյտրոնի միևնույն էներգիայի դեպքում որքան մեծ լինի բաղադրյալ միջուկում նեյտրոնի կապի էներգիան, այնքան ավելի մեծ կլինի բաղադրյալ միջուկի գրգռման էներգիան: Քանի որ կապի էներգիան առավելագույն արժեքին է հաս­նում զույգ-զույգ միջուկների պարագայում, ուստի կենտ զանգվածային թիվ ունեցող մի­ջուկները (²³⁵U, ²³⁹Pu) բաժանվում են ելակետային նեյտրոնի ցանկացած, այդ թվում՝ նաև ջերմային էներգիայի դեպքում: Մինչդեռ զույգ զանգվածային թիվ ունեցող միջուկները (²³⁸U, ²³²Th), որոնց հետ նեյտրոնի փոխազդեցության արդյունքում առաջանում է կենտ-զույգ բաղադրյալ միջուկ, ունեն բաժանման շեմ, քանի որ այս դեպքում նեյտրոնի կապի էներգիան ունի նվազագույն արժեք:

>>

 

 

1.7.    ՆԵՅՏՐՈՆՆԵՐԻ ԴԱՆԴԱՂԵՑՈՒՄԸ ԵՎ ԴԻՖՈՒԶԻԱՆ

Միջուկային ֆիզիկայում նեյտրոնների դանդաղեցման պրոցեսի ուսումնա­սիրու­թյունն ունի կարևոր նշանակություն: Բանն այն է, որ միջուկի բաժանման ռեակցիայի ժամանակ, որը տեղի է ունենում միջուկային ռեակտորներում, ջերմային նեյտրոնները, որոնք ունեն  էներգիա (արագությունը՝  ավելի մեծ հավանա­կա­նու­­թյամբ են առաջացնում միջուկի բաժանում, քան արագ նեյտրոնները, որոնք ունեն     էներգիա:

Միջուկի բաժանման ժամանակ ի սկզբանե առաջանում են արագ նեյտրոններ՝ 2ՄԷՎ միջին էներգիայով, և դրանց դանդաղեցման համար կիրառվում են հատուկ նյութեր` դանդաղարարներ (ջուր, գրաֆիտ և այլն): Արագ նեյտրոնների բախումը տարբեր նյութերի միջուկների հետ ընթանում է հիմնականում դանդաղեցման պրոցեսով: Նեյտրոնները, բախ­վելով դանդաղարարի միջուկներին, առաձգականորեն ցրվում և կորցնում են իրենց էներգիայի մի մասը: Բազմաթիվ բախումներից հետո նեյտրոններն աստիճանաբար կորցնում են իրենց էներգիան և դառնում ջերմային նեյտրոններ, որոնք ավելի մեծ հա­վա­նականությամբ են կլանվում միջուկից, քանի որ կլանման կտրվածքը հակադարձ համե­մա­տական է ջերմային նեյտրոնների արագությանը:

Նեյտրոնների դանդաղեցումը շարունակվում է այնքան ժամանակ, մինչև որ առա­ջա­նա ջերմային հավասարակշռություն նրանց և դանդաղարարի ատոմների միջև: Այսինքն՝ ջերմային նեյտրոնների կինետիկ էներգիան համաչափելի է միջավայրի (դան­դա­ղարարի) ատոմների ջերմային էներգիային:

Գոյություն ունի երկու տիպի դանդաղեցում` ոչ առաձգական և առաձգական: Գրա­կա­նության մեջ դրանք անվանվում են ոչ առաձգական և առաձգական ցրում:

Ոչ առաձգական ցրման դեպքում միջուկ-թիրախը կլանում է իրեն հարվածող նեյտ­րոնը: Ընդ որում, այս դեպքում առաջացած բաղադրյալ միջուկի գրգռման էներգիան գե­րա­զանցում է նրանում նեյտրոնի կապի էներգիային, ուստի բաղադրյալ միջուկից արձակվում է նեյտրոն: Ոչ առաձգական ցրումը տեղի է ունենում հիմնականում արագ նեյտրոնների տիրույթում:

Ջերմային նեյտրոններով ռեակտորներում առավել կարևոր է առաձգական դանդա­ղե­ցումը, քանզի այդ ժամանակ ստացվում են փոքր էներգիայով նեյտրոններ, որոնք ունեն ծանր միջուկների բաժանման ավելի մեծ կտրվածք: Առաձգական դանդաղեցման դեպքում հարվածող և դուրս թռչող նեյտրոնների կինետիկ էներգիաների գումարը մնում է հաս­տա­տուն, այսինքն՝ միջուկ-նեյտրոն համակարգի գումարային էներգիան չի փոխվում: Տեղի է ունենում միայն կինետիկ էներգիայի վերաբաշխում մասնիկների միջև: Այդպիսի պրոցեսի ցայտուն նմանակն են բիլիարդի գնդիկների բախումները:

Առաձգական ցրման դեպքում նեյտրոնների էներգիայի կորուստը հաշվելու համար օգտվում են կինետիկ էներգիայի և իմպուլսի պահպանման օրենքներից   Եթե տեղի է ու­նե­նում նեյտրոնի և միջուկի ճակատային բախում, ապա նեյտրոնի կինետիկ էներգիաների (բախումից հետո՝ E և առաջ՝ Eo) հարաբերությունը մաթեմատիկորեն արտահայտվում է հետևյալ տեսքով

          որտեղ A-ն և m-ը համապատասխանաբար միջուկի և նեյտրոնի զանգվածներն են (տե՛ս էջ18):

(1.7) բանաձևից հետևում է, որ որքան մոտ են A-ի և m-ի արժեքները, այնքան դանդա­ղեցումն ավելի արդյունավետ է կատարվում: Այսինքն՝ որքան միջավայրի ատոմները, որոնցում տեղի է ունենում դանդաղեցումը, թեթև են, այնքան դանդաղեցման պրոցեսն ավելի արդյունավետ է: Օրինակ` ջրածնի ատոմի ճակատային բախման ժամանակ (A= m) նեյտրոնն ամբողջապես կորցնում է իր կինետիկ էներգիան բախման մեկ ակտից հետո: Ուստի ջրածինը նեյտրոնների ամենալավ դանդաղարարներից մեկն է:

Ճակատային հարվածի մասնավոր դեպքերից մեկը բախումն է անկյան տակ: Գրա­կա­նու­թյան մեջ առկա են բանաձևեր, որոնք թույլ են տալիս հաշվել այն բախումների այն թիվը, որից հետո արագ նեյտրոնը դառնում է ջերմային: Օրինակ, որպեսզի ջրածնի՝ 1,75 ՄԷՎ էներգիա ունեցող նեյտրոնը դանդաղի և դառնա 0,025 ՄԷՎ էներգիայով նեյտրոն, անհրա­ժեշտ է 18 բախում: Ածխածնի  բախումների թիվը կազմում է 114 (այս դեպ­քում բախումները միշտ չէ, որ ճակատային են):

Բախումների թվից բացի, կարևոր բնութագիր է, այսպես կոչված, «դանդաղեցման եր­կա­րությունը», որը ներկայացնում է այն միջին երկարությունը, որն անցնելով նեյտրոնը դան­­դաղում է: Իմանալով դանդաղեցման երկարությունը՝ կարելի է ընտրել դանդա­ղա­րա­րի շերտի հաստությունը: Օրինակ` սովորական ջրի դեպքում, եթե նեյտրոնի սկզբնական է­ներգիան    ապա դանդաղեցման երկարությունը հավասար է 3,8 սմ, իսկ 0,1 ՄԷՎ-ի դեպքում՝ 2,4 սմ: Ջրածնի դեպքում, եթե
   ապա դանդաղեցման երկարու­թյունը հավասար է   

Նեյտրոնների դիֆուզիան: Երբ դանդաղեցման պրոցեսում նեյտրոնները դառնում են ջերմային, դադարում է դրանց էներգիայի հետագա փոքրացումը, և դրանք շարունակում են շարժվել դանդաղարարում՝ պահպանելով միջին ջերմային էներգիան: Այդ պրոցեսը կոչվում է դիֆուզիա, որը տևում է այնքան ժամանակ, քանի դեռ նեյտրոնը չի կլանվել միջավայրում կամ դուրս եկել նրա սահմաններից: Դիֆուզիայի երկարությունը հաշվում են ջերմային նեյտրոնների ստացման պահից մինչև նրա կլանվելը:

Ռեակտորի աշխատանքի ռեժիմի վրա շատ մեծ ազդեցություն ունի ռեակտորում նեյտ­րոնի կյանքի միջին տևողությունը՝ L-ը, որը նրա առաջանալուց մինչև կլանվելն ան­ցած միջին ժամանակահատվածն է: Այդ ժամանակը հավասար է նեյտրոնի դանդաղեցման երկարության և դիֆուզիայի երկարության ժամանակահատվածների գումարին՝ t_դիֆ.

Ջերմային ռեակտորներում    հետևա­բար՝

Նկ. 1.8-ում ներկայացված է արագ նեյտրոնների դանդաղեցման սխեման (պրոցեսը) սովորական ջրում: Ցույց են տրված միջուկի բաժանումը երկու բեկորների, արագ նեյտ­րոն­ների առաջացումը, դրանց դանդաղեցման պրոցեսը ջրում: Նեյտրոնի հետագծի (սև գիծը) հաստության փոքրացումը համապատասխանում է նեյտրոնի էներգիայի նվազմանը: Դանդաղումն ընթանում է նեյտրոնի՝ ջրի ատոմների հետ բախվելու հետևանքով:

 

Նեյտրոնների ազդեցությամբ ուրանի միջուկների հարկադրական բաժանումը հայտ­նա­բերվել է 1939թ. գերմանացի գիտնականներ Հանի և Շտրասմանի կողմից: Փորձնա­կա­նորեն հաստատվել է, որ բաժանման ժամանակ արձակվում են նեյտրոններ, ինչը կարևոր հանգամանք է շղթայական ռեակցիաներ իրականացնելիս: Արձակված նախնական նեյտ­րոն­ները, միջուկների բաժանում առաջացնելով, ծնում են ավելի մեծ քանակով նեյտ­րոններ, որոնք էլ իրենց հերթին առաջացնում են նոր բաժանումներ, և այսպես շարունակ:

Հաստատված է, որ բաժանման պրոցեսը հիմնականում պայմանավորված է  իզո­տոպով, և այդ պրոցեսի հավանականությունն աճում է բախվող նեյտրոնի էներգիայի փոք­րացմանը զուգընթաց:- ի միջուկի բաժանման յուրաքանչյուր գործողության ժա­մա­