Неутронна и реакторна физика

Неутронна и реакторна физика
(от лат: neutrum — нито
едното, нито другото,
reaktor — реактор, и
физика).

Протонът е частица, равна по
маса на ядрото на водорода и
1836 пъти по-тежка от
електрона.

Първият ядрен реактор в
България е пуснат в действие
под ръководството на Дмитрий
Блохинцев по това време
директор на ОИЯИ (СССР),
записал в дневника на
операторите: „На 18.IX.1961 г.
в 20 ч. и 15 мин. бе
осъществена първата верижна
реакция в НРБ.“

Неутронната физика е наука за свойствата на неутрона и неговите взаимодействия с ядрата и веществата. През 1932 г. съпрузите Ирен и Фредерик Жолио-Кюри облъчват берилиеви пластинки с α-частици (протони) и откриват, че в резултат на това се отделят някакви неизвестни частици. По същото време в Кавендишката лаборатория Джеймс Чадуик изследва такива частици, получени при „бомбардиране“ на ядра на леки елементи с α-частици, и открива, че те са електрично неутрални. Събитията след това заприличват на състезание; на 18 януари същата година семейство Кюри описват опита си, на 19 януари излиза статия на Чадуик, посветена на същия въпрос, като и в двете публикации характерът на излъчванията от неизвестните частици се описва като фотонен. На 17 февруари Чадуик дава новото тълкуване на тези лъчения — като поток от електрично неутрални частици — и по този начин става откривател на неутрона. С това събитията не свършват — през април 1932 г. Дмитрий Иваненко обяснява за първи път ролята на неутрона в строежа на атомното ядро, а два месеца по-късно Вернер Хайзенберг предлага протонно-неутронния модел на атомното ядро.

Неутронът е електрично неутрален (изследванията показват, че ако неутронът има товар, той ще бъде не по-голям от 10^-17 от товара на електрона по абсолютна стойност. Масата му е 1,008982, ако масата на протона се приеме за единица. Най-важното свойство на неутрона е участието му в явления, свързани с радиоактивността. През 1934 г. Енрико Ферми за първи път наблюдава изкуствена радиоактивност, предизвикана от неутрони. Внимателното изучаване на реакциите на взаимодействие между протони и неутрони довежда учените до мисълта, че тези реакции са много чувствителни към присъствието на водородосъдържащи вещества близо до тях. Така е открит процесът на забавяне на неутроните. Като някои следствия от този процес се появяват и теоретични разработки, които се опитват да обяснят структурата на ядрото.

Като изследват възбудената от неутроните изкуствена радиоактивност и се опитват да получат нови елементи, Ото Хан, както и Ирен Кюри със сътрудниците им откриват ядра, два пъти по-леки от ядрото на урана: на барий, лантан и др. Така е открито деленето на урана на две приблизително еднакви части като резултат от взаимодействието на неутроните.

През 1940 г. Георги Николаевич Фльоров открива самопроизволното делене на ядрата на урана, което протича с излъчване на неутрони (около 2,5). Този процес позволява да бъде осъществена верижна реакция на делене на урановите ядра, тъй като може да бъдат създадени условия, при които някой от новосъздадените вторични неутрони ще съдейства за продължаване на реакцията на делене. Необходимо е да бъде спазено следното условие за реализирането на верижната реакция: броят на неутроните след първото делене (I размножителен цикъл) да бъде приблизително равен на броя на началните неутрони, т. е. коефициентът на размножаване на неутроните да бъде по-голям или равен на единица. Скоростта на верижния процес може да се управлява с помощта на регулиращи пръти — абсорбери (поглъщатели) на неутрони, които се въвеждат в областта на осъществяване на реакцията. За съжаление верижният процес намира и военно приложение — използва се при атомната бомба.

Откриването на деленето на урана е стимул за създаване на първите атомни реактори (1942), които работят с естествен уран и графитови пръти като забавители. Така се създава реакторната физика, която изследва физичните процеси, осъществявани в реакторите. Независимо от големите трудности на военното време през 1946 г. в СССР също е създаден урано-графитов реактор под ръководството на Игор Василевич Курчатов, а през 1954 г. заработва първата в света атомна електроцентрала край Обнинск, СССР, с електрична мощност 5000 kW. Откриването на неутрона през 1932 г. само след 20 години довежда до нов, високоефективен източник на енергия — създава нова епоха в енергетиката. В много страни ядрената енергетика става един от основните производители на енергия. През 1980 г. общата инсталирана мощност на АЕЦ в света е 125 млн. kW — около 8% от мощността на световните електроцентрали. Очаква се, че към края на XX в. тя ще стане 1 млрд. kW.

В България първият изследователски ядрен реактор ИРТ-2000 е построен с помощта на СССР и е пуснат в експлоатация през 1961 г. През 1974 г. е пуснат в действие първият ядрен реактор на АЕЦ „Козлодуй“. Той и останалите три реактора от същия тип (ВВЕР-440) имат мощност 440 MW. Сега в АЕЦ „Козлодуй“ работят пети и шести реактор (2х1000 MW).

Днес с проблемите на неутронната и реакторната физика се занимават учени и специалисти от ИЯИЯЕ при БАН, както и от ВУЗ-ове и ведомствени институти.