Со времени открытия деления атомных ядер (1938) уже прошло более 60 лет, и, несмотря на интенсивные исследования, до сих пор нет теории, которая с единых позиций описывала бы весь процесс деления ядер. Имеется лишь ряд моделей, объясняющих различные стороны этого процесса. Причина этого лежит в большой сложности явления. В процессе деления сильно изменяется форма ядра (от сферической к гантелеобразной), при этом энергия возбуждения ядра неоднократно перераспределяется между её различными видами и коренным образом перестраиваются его нуклонные конфигурации. Очевидно, создание такой теории потребует дальнейших экспериментальных исследований и теоретических расчётов.
Поскольку осколки являются основными конечными продуктами реакции деления ядер, все исследования этой реакции связанны с регистрацией и спектроскопией либо самих осколков, либо испускаемого из них ионизирующего излучения. Для полного понимания процесса деления и создания теории необходимо одновременно в каждом акте деления регистрировать все характеристики данного процесса (массы, заряды, кинетические энергии, множественности нейтронов и у-квантов, длиннопробежные частицы при тройном делении).
В силу того, что распределения множественности нейтронов, испущенных каждым из осколков деления, несут непосредственную информацию о распределении энергии возбуждения между осколками, одним из наиболее эффективных способов исследования движения делящейся системы вблизи точки разрыва является изучение энергетических и массовых распределений осколков для фиксированного числа нейтронов.
При этом особый интерес представляет информация о событиях деления с близкой к нулю внутренней энергией возбуждения, когда проявляются эффекты, определяющие особенности поверхности потенциальной энергии в точке разрыва". К таким эффектам относятся холодное истинное и компактное деления [1−8], холодное деформированное деление [9−11], холодное форм-асимметричное деление [12]. Смысл терминов холодного истинного и компактного деления заключается в наблюдении при делении событий, не сопровождающихся эмиссией мгновенных нейтронов (v, ot = 0), так как кинетическая энергия осколков исчерпывала всю (холодное истинное деление) или практически всю энергию реакции Q (холодное компактное деление), а сами осколки рождались при деформации основного состояния без внутреннего возбуждения. При низкой суммарной кинетической энергии осколков реализуются холодное деформированное (v, ot > 6) и форм-асимметричное деления {vH /vL>3, где Vl и vH — число нейтронов, испущенное лёгким и тяжёлым осколком, соответственно). Для холодных конфигураций, упомянутых выше, температура ядра в точке разрыва оказывается такой низкой, что выход зарядово-чётных осколков превалирует и в массовом распределении осколков проявляется тонкая структура с периодичностью 5 массовых единиц.
Помимо того, что данная установка позволяет получать сведения о механизме деления ядер, она представляет ещё и практический интерес, поскольку имеющиеся данные о распределении нейтронной множественности известны с большой неопределенностью и для ограниченного набора ядер (252Cf[13−18] и U [19,20]). Эти данные необходимы не только при конструировании реакторов, но и при решении задачи дожигания актинидов в рамках проблемы трансмутации, т.к. известно, что нейтроны спонтанного деленияСм дают основной вклад в нейтронное излучение отработанного топлива (например [21]). По тем же причинам эти данные необходимы для развития методов недеструктивного контроля [22,23] используемых на атомных электростанциях в бассейнах выдержки и на заводах по переработке топлива.
Основной целью экспериментальных исследований, выполненных в рамках данной диссертационной работы, являлось изучение двумерных распределений множественности нейтронов, испущенных из осколков определённой массы и кинетической энергии, Р (vb уи), при спонтанном делении 252Cf и 244,248Сш. Для выполнения этой задачи необходимо было модернизировать счётчик нейтронов, изготовленный ранее в Радиевом институте [24] и в течение десяти лет не эксплуатировавшийся. Также необходимо было создать систему регистрации и предварительной обработки данных, провести измерения множественности нейтронов деления посредством больших жидких сцинтилляционных счётчиков нейтронов с введённым гадолинием и выполнить анализ полученных данных с целью определения, как самих распределений множественности нейтронов, так и его основных характеристик (средних, дисперсий и ковариаций).
В первой главе диссертации основное внимание уделено некоторым аспектам процесса формирования массовых и энергетических распределений осколков в бинарном делении. При этом рассматриваются только те экспериментальные и теоретические данные, которые имеют непосредственное отношение к предмету настоящей работы. Во второй главе представлены описание экспериментальной установки, электронной аппаратуры и предварительной обработки экспериментальных данных. Там же изложены методики измерений полного числа нейтронов на акт деления (4л—геометрия, полная эффективность регистрации -70%) и нейтронов испущенных из каждого конкретного осколка (2×2тс-геометрия, эффективность регистрации -55%). Третья глава посвящена обработке экспериментальных данных. В четвёртой главе приведены данные измерений распределений множественности нейтронов деления, а также результаты сравнительного анализа всей совокупности опубликованных и полученных автором экспериментальных данных. В результате делается вывод о том, что проведённые измерения и способ восстановления исходных нейтронных распределений реализованный в данной работе дают возможность достаточно корректно воссоздавать распределения нейтронов деления из осколков определённой массы и энергии.
Пятая глава посвящена анализу результатов обработки экспериментальных данных. В заключении кратко сформулированы основные итоги данной диссертационной работы и выделены результаты, полученные впервые.
На защиту выносятся следующие основные положения и результаты работы:
1. Модернизированная экспериментальная установка и усовершенствованная методика экспериментальных исследований множественности нейтронов, испускаемых из отдельных осколков с фиксированной массой и кинетической энергией, при спонтанном делении.
2. Впервые полученные распределения осколков по массам и кинетическим энергиям для фиксированных пар чисел нейтронов, испущенных при.
244 248 252 спонтанном делении ' Сш в сравнении с Cf.
3. Основные результаты анализа экспериментальных данных, в том числе:
— Подтверждение существования антикорреляции между числом нейтронов испущенных парными осколками.
— Впервые обнаруженный в массовых распределениях осколков «холодного компактного» деления (vto, = 0) 248 Cm и 244 Cm повышенный выход в областях масс соответствующих положению нейтронных оболочек ЛГ=64-г68О0~О, 55), N= 82-г84 09−0,1) и N= 86-г90 0,65). Вывод об определяющей роли нейтронных оболочек в формировании осколков по массам при средней внутренней энергия возбуждения осколков для случаев без нейтронной эмиссии не менее 5 -е- 7 МэВ.
— Впервые обнаруженная в массовых распределениях сильнодеформированных осколков деления (vtot > 6)Cm и Cm тонкая структура с периодом около 5 а.е.м., проявление которой усиливается с ростом асимметрии деформации осколков {vH/vL > 3).
— Обнаруженная антикорреляция между числом испущенных нейтронов vlot и полной энергией уносимой у — квантами деления из осколков.
Основные результаты работы докладывались на 6-м, 7-м, 8-м и 9-м Международных семинарах по взаимодействию нейтронов с ядрами (Дубна, 1998, 1999, 2000 и 2001 гг.), на XIV, XV и XVI Международных совещаниях по физике деления ядер (Обнинск, 1998, 2000 и 2003 гг.), на II и III Международных конференциях «Деление и свойства нейтронноизбыточных ядер» (Шотландия, Сент-Андрюс, 1999 г. и США, Флорида, 2002 г.), на IV и V Семинарах по делению (Бельгия, Понт Де’Уа, 1999 и 2003 гг.), на V Международной конференции «Динамические аспекты деления ядер» (Словакия, Паперничка, 2001 г.), а также были представлены на Международной конференции по ядерным данным для науки и техники (Япония, Цукуба, 2001 г.).
Включенные в диссертацию материалы опубликованы в 12 печатных работах [68−71, 78−80, 115, 119].
Основные результаты диссертационной работы:
1. С использованием единой методики впервые выполнены сравнительные измерения множественности нейтронов, испущенных осколками спонтанного деления 244Сш, 248Сш и 252Cf с известными массами и кинетическими энергиями.
2. Из измеренных распределений восстановлены истинные двумерные распределения множественности нейтронов деления. В результате для фиксированных пар числа испущенных нейтронов были получены распределения осколков по массам и кинетическим энергиям при спонтанном.
244,248.", «252/~f делении Cm и (л.
3. В результате анализа восстановленных распределений множественности нейтронов обнаружена антикорреляция между числом нейтронов, испущенных парными осколками, для всех исследованных ядер, которая, по-видимому, связана с преобладанием ассиметричных флуктуаций деформации осколков в «точке разрыва» и характеризует внутреннюю энергию возбуждения делящегося ядра.
4. В массовых распределениях осколков «холодного компактного» деления (vtot = 0) для трёх исследуемых изотопов обнаружен повышенный выход в областях масс соответствующих нейтронным оболочкам N = 64-Н38 (/б = 0,55), 7V=82-f-84 Off-0,1) и N = 86-f90 (/? ~ 0,65). При этом средняя полная энергия возбуждения осколков составляет величину порядка 10 МэВ при энергии деформации основного состояния около 3 -г 5 МэВ. Исходя из этого сделан вывод об определяющей роли нейтронных оболочек в формировании осколков по массам при средней внутренней энергии возбуждения (для случаев vto, = 0) не менее 5 7 МэВ.
5. В массовых распределениях сильнодеформированных осколков деления.
Mf П AJQ, а yto, > 6) для Cf и впервые для Cm и Cm обнаружена тонкая структура с периодом около 5 а.е.м, проявление которой усиливается с ростом асимметрии деформации осколков (vH lvL > 3) и вероятно является свидетельством существования сильнодеформированных «холодных» конфигураций делящейся системы в «точке разрыва» .
6. Анализ восстановленных распределений множественности нейтронов обнаружил антикорреляцию между числом испущенных нейтронов vto, и полной энергией уносимой у — квантами деления < Егш>. С увеличением числа испущенных нейтронов vtot на единицу < Е Ytot > уменьшается в среднем на 0,27 ±0,05 МэВ, 0,35 ±0,05 МэВ и 0,26 ±0,07 МэВ для 252Cf,Cm и 244 Cm соответственно. Обнаруженная антикорреляция по-видимому является проявлением п — у конкуренции обусловленной наличием у осколков углового момента ~ 6-г8 h.
В заключение хочу выразить свою признательность и благодарность моему научному руководителю Г. А. Петрову, а также моему старшему коллеге и наставнику О. А. Щербакову.
Хотелось бы поблагодарить безвременно ушедшего от нас сотрудника Радиевого института В. А. Шпакова, который являлся инициатором многопараметрических экспериментальных исследований множественности нейтронов деления, а также сотрудников этого института В. А. Калинина, В. Н. Душина и Б. Ф. Петрова, являющихся активными участниками данной работы.
Я глубоко признателен за многолетнее плодотворное сотрудничество: Д. В. Николаеву, В. И. Петровой, Т. А. Заварухиной — выполнившим большую работу по созданию и обеспечению нормального функционирования электронной аппаратуры экспериментальной установки, сотрудникам Радиевого института Н. В. Сковородкину, Т. Е. Кузьминой и С. В. Давыдовой — за изготовление мишеней.
Считаю своим приятным долгом поблагодарить А. Б. Лаптева, Ю. С. Плева, В. Е. Соколова, в разное время принимавших активное участие в выполнении отдельных этапов данной работы.
ЗАКЛЮЧЕНИЕ
.
