Основы прикладной ядерной физики и введение в физику ядерных реакторов

В.С. Окунев 

Основы прикладной 
ядерной физики 
и введение в физику 
ядерных реакторов 

Рекомендовано Учебно-методическим объединением 
«Ядерные физика и технологии» 
в качестве учебного пособия 
для студентов высших учебных заведений 

2-е издание, исправленное и дополненное 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

 
 

УДК 539.1 + 621.039(075.8) 
ББК  31.46 

О-52 

Рецензенты:  

кафедра теоретической и экспериментальной физики 

ядерных реактров МИФИ, д-р физ.-мат. наук,  

профессор Н.В. Щукин; 

д-р техн. наук, профессор И.Х. Ганев;  
канд. физ.-мат. наук И.Б. Лукасевич;  

д-р техн. наук А.В. Лопаткин;  

д-р техн. наук, профессор В.В. Перевезенцев 

Окунев, В. С.  

О-52 
Основы прикладной ядерной физики и введение в физику  

ядерных реакторов : учебное пособие / В. С. Окунев. — 2-е изд., 
испр. и доп. — Москва : Издательство МГТУ им. Н. Э. Баумана, 
2015. — 534 [2], с. : ил. — (Физика в техническом университете / 
науч. ред. Л. К. Мартинсон, А. Н. Морозов). 

 

ISBN 978-5-7038-3967-6 

 

Приведен краткий обзор основных физических теорий, на осно
ве которых строится теория ядерных реакторов. Физика ядерных реакторов изложена как прикладная ядерная физика низких энергий. 
Рассмотрены также ядерные силы и ядерные взаимодействия, свойства атомных ядер, основные виды радиоактивности, характеристики 
взаимодействия излучения с веществом. На понятийном уровне изложены физические принципы работы ядерных реакторов деления, 
ядерных реакторов синтеза, подкритических систем, управляемых 
ускорителями. Содержание учебного пособия соответствует курсам лекций, 

которые автор читает в МГТУ им. Н.Э. Баумана.  

Для студентов технических вузов, приступающих к изучению 

курса физики ядерных реакторов, а также обучающихся по специальности «Ядерные реакторы и энергетические установки» и смежным специальностям. 

УДК 539.1 + 621.039(075.8)  

                                                  ББК 31.46 

 
 
 Окунев В. С., 2010 

 
 Окунев В. С., 2015с изменениями 

 
 Оформление. Издательство  

ISBN 978-5-7038-3967-6 
   МГТУ им. Н. Э. Баумана, 2015 

 

 

ПРЕДИСЛОВИЕ КО ВТОРОМУ ИЗДАНИЮ 

Выход первого издания учебного пособия, посвященного 180летию МГТУ им. Н.Э. Баумана и увидевшего свет в 2010 г., полностью оправдал надежды автора. Книга оказалась полезной для студентов, аспирантов и специалистов, работающих в области ядерных 
технологий. Относительно небольшой тираж пособия не удовлетворил спрос на него не только в МГТУ им. Н.Э. Баумана, но и в других вузах. Автор получил несколько доброжелательных отзывов, в 
том числе от преподавателей НИЯУ МИФИ, студентов других 
технических вузов. В октябре 2010 г. пособие вошло в состав экспозиции Издательства МГТУ им. Н.Э. Баумана на 62-й Международной книжной ярмарке во Франкфурте-на-Майне.  
Во втором издании пособия полностью сохранена структура 
первого издания, исправлены неточности. Учитывая пожелания 
читателей, а также факт недавно произошедшей аварии сразу на 
четырех энергоблоках АЭС «Фукусима-1», автор счел необходимым дополнить книгу главой, посвященной физическим принципам реакторов естественной безопасности и отражающей современный взгляд на развитие ядерных источников энергии ближайшего будущего. Эта глава, содержащая исследования автора по 
обоснованию безопасности ядерных реакторов нового поколения, 
является логическим заключением книги и представляет собой материал части лекций по физико-математическому моделированию, 
которые автор читает студентам 6-го курса кафедры ядерных реакторов и установок МГТУ им. Н.Э. Баумана. С материалом этой 
главы автор в течение нескольких лет знакомил аспирантов МГТУ 
им. Н.Э. Баумана, ОАО «НИКИЭТ им. Н.А. Доллежаля», ОАО 
«ОКБ Гидропресс».  
Содержание учебного пособия отвечает программам курсов по 
физике ядерных реакторов (гл. 1–9) и физико-математическому моделированию ядерных энергетических установок (гл. 10–16), разработанных в рамках образовательных стандартов нового поколения. 

Выход в свет второго издания автор посвящает знаменательному для коллектива кафедры физики и всего МГТУ им. Н.Э. Баумана событию – открытию современного учебно-лабораторного 
комплекса – Дома Физики. Работа над книгой не была бы успешной без поддержки заведующего кафедрой физики МГТУ им. 
Н.Э. Баумана профессора А.Н. Морозова. Особую признательность автор выражает преподавателю Православного СвятоТихоновского гуманитарного университета и Коломенской православной духовной семинарии священнику Петропавловского 
храма в Лыткарине А.С. Ионову, по благословлению которого 
велась работа над вторым изданием книги, за его духовную поддержку и полезные наставления. 

ПРЕДИСЛОВИЕ К ПЕРВОМУ ИЗДАНИЮ 

Основу настоящего учебного пособия составляет часть курса 
лекций по физике ядерных реакторов, читаемого в МГТУ  
им. Н.Э. Баумана. Для полноты понимания материала в него 
включены небольшие разделы лекционных курсов по физикоматематическому 
моделированию 
ядерных 
энергетических  
установок и установок ядерного топливного цикла, непосредственно связанных с физическими аспектами их работы и проблемой обеспечения топливом энергопроизводящих систем будущего, работа которых основана на трансмутации атомных 
ядер.  
Пособие призвано с учетом специфики технического университета, связанной с углубленной конструкторско-технологической 
подготовкой студентов на базе общей и ядерной физики, а также 
физики реакторов, объединить два научных направления: фундаментальное — ядерная физика и прикладное — ядерные реакторы.  
Физика ядерных реакторов представлена как приложение более фундаментального научного направления — ядерной физики.  
Автор стремился оптимизировать структуру пособия, пропорционально изложить оба направления в форме, максимально доступной для студентов именно технического университета, где 
наряду с фундаментальными основами физики, востребованы и ее 
приложения к различным областям науки и техники, в данном 
случае — ядерным энергетическим установкам. Такой подход к 
изложению материала актуален при подготовке инженеровфизиков, ориентированных на решение прикладных технических 
задач.  
В учебном пособии автор осветил вопросы, которые обычно 
задают студенты на лекциях и консультациях.  
Вводная часть курса физики ядерных реакторов обеспечивает последовательный переход от общей физики, включая ядерную, к прикладной ядерной физике низких энергий — физике 
реакторов.  

Учебное пособие разделено на три части. В первой части изложена современная физическая картина мира, вторая часть  
посвящена ядерной физике низких энергий, третья — физике реакторов. В главах, где представлены основы ядерной физики, содержится достаточно обширный материал, необходимый для понимания физики ядерных реакторов. Связующим звеном ядерной физики и физики реакторов служит нейтронная физика, которой  
посвящена отдельная глава.  
Автор благодарен В.И. Солонину, заведующему кафедрой 
ядерных реакторов и установок МГТУ им. Н.Э. Баумана, за постоянное внимание, всестороннюю помощь и поддержку при 
подготовке настоящего издания.  
Глубокую признательность автор выражает научным редакторам серии «Физика в техническом университете» — заведующему кафедрой физики МГТУ им. Н.Э. Баумана профессору 
А.Н. Морозову и профессору Л.К. Мартинсону за ряд ценных замечаний, поддержку и помощь в издании пособия. Автор благодарен рецензентам Н.В. Щукину, И.Б. Лукасевичу, И.Х. Ганеву, 
А.В. Лопаткину, В.В. Перевезенцеву.  

ВВЕДЕНИЕ 

Ядерный реактор — сложное техническое сооружение, работа 
которого основана на определенных технических решениях, технологиях, физических теориях и принципах. Технологии и инженерные решения могут различаться при изменении целей и задач, стоящих перед ядерной энергетикой на данном этапе развития. Они 
неодинаковы для реакторных установок разного назначения. Неизменны лишь физические законы и принципы, на которых основана 
работа реакторов. Главные из них — выделение колоссальной энергии при делении тяжелых ядер (или синтезе легких) и принципиальная возможность самоподдерживающейся цепной реакции деления. Инженерные решения позволили осуществить управляемую, 
т. е. контролируемую во времени, самоподдерживающуюся реакцию деления в определенном (ограниченном) пространстве, называемом активной зоной. Развитие технологий способствует решению 
стоящих перед человечеством проблем (в первую очередь проблемы обеспечения энергией) с наибольшей эффективностью, т. е. с 
наименьшими экономическими затратами. И физические принципы, 
и технологии позволяют решать поставленные задачи при минимальном негативном воздействии на здоровье людей и окружающую среду. Прогресс в развитии ядерной энергетики и освоении 
новых практически неисчерпаемых источников энергии, в первую 
очередь управляемого термоядерного синтеза, основан на знаниях о 
фундаментальной структуре материи, на теориях, разрабатывавшихся в первой половине XX столетия, многие из которых все еще 
не завершены. 
Физические теории строятся на определенных постулатах. Они 
не являются безусловной истиной, но базируются на принципе соответствия, предполагающем, что теория, созданная на основе каких-либо гипотез, может в скором времени оказаться лишь частным 
случаем более общей теории. 
Работа ядерного реактора связана с трансмутацией (превращением) ядер: с изменением баланса окружающих нас химических 
элементов и радиационного баланса, т. е. с воздействием на окружающую среду и необратимым преобразованием ее. Подобное 
воздействие далеко не всегда позитивно.  

Как минимизировать негативное воздействие на окружающую 
среду, что делать с отработанным ядерным топливом (ОЯТ), содержащим высокоактивные нуклиды и долгоживущие отходы 
относительно низкой активности, как исключить тяжелые аварии 
на АЭС, защитить топливный цикл ядерной энергетики от возможного хищения материалов, которые могут быть использованы 
в военных целях, что делать с огромными запасами урана и плутония — далеко не полный перечень проблем, возникших на рубеже XX и XXI вв. Уникальность ядерной энергетики заключается 
в том, что, создавая проблемы, она может их решать на основе тех 
знаний, 
которые 
накоплены 
человеческой 
цивилизацией. 
Наибольших успехов можно достичь, отдавая приоритет не инженерным системам и устройствам, а так называемым внутренне 
присущим реактору естественным свойствам, основанным на законах природы. Природный ядерный реактор, работавший около 
двух миллиардов лет назад в Африке в режиме саморегулирования, — яркий пример возможности исключения инженерных систем безопасности. 
Физика ядерных реакторов базируется на современных знаниях о фундаментальной структуре материи, физических теориях 
взаимодействия излучения с веществом, корпускулярно-волновом дуализме. Квантово-механические факторы в процессе взаимодействия нейтронов с ядрами играют существенную роль при 
энергиях нейтронов до 0,2 МэВ, т. е. в энергетическом диапазоне, 
характерном для ядерных реакторов деления (особенно на тепловых нейтронах), и являются определяющими для нейтронов низких энергий. Как правило, расчет реактора всегда проводится в 
предположении, что нейтрон — точечная частица. Однако вся 
теоретическая основа расчета нейтронных эффективных сечений 
является, по сути, приложением квантовой (волновой) механики. 
Процессы взаимодействия излучения с веществом, деления ядра, 
α-распад практически необъяснимы с позиций классической физики. Да и существование стабильных атомов невозможно обосновать с этих позиций. (В планетарной модели атома, предложенной Э. Резерфордом, электроны должны упасть на ядро за 
время t ~ 10–8 с.) Поэтому автор счел целесообразным рассмотреть основные физические теории, на базе которых создавалась 
физика реакторов, необходимые для понимания нейтроннофизических процессов, протекающих в ядерном реакторе, тем 
более, что некоторые из этих теорий входят в стандарт специальности «Ядерные реакторы и энергетические установки». 

Физические процессы, протекающие в ядерном реакторе, — это 
не только нейтронная и ядерная физика, но и теплофизика, химия, 
гидродинамика, физика прочности и многое другое. Однако, когда 
речь идет о физике реакторов, традиционно под этим подразумевается именно нейтронно-физический аспект проблемы, поскольку открытие и доказательство возможности осуществления самоподдерживающейся цепной реакции деления тяжелых ядер нейтронами дали 
право на жизнь и ядерным реакторам, и ядерной энергетике в целом. 
Все остальное — вопросы инженерно-технического характера. Они 
не менее важны, но вторичны. (Природный реактор в Окло обходился 
без них более полумиллиона лет — пока не выгорел 235U.) 

ЧАСТЬ I 

СОВРЕМЕННАЯ ФИЗИЧЕСКАЯ КАРТИНА МИРА  

«По современным представлениям вещество нашей Вселенной 
построено из фундаментальных частиц, число типов которых невелико и которые взаимодействуют между собой силами четырех видов. От частицы к частице силы передаются специальными носителями взаимодействия — калибровочными полями. Каждая из четырех разновидностей сил (фундаментальных взаимодействий) имеет 
свои особые свойства. ‹…› В последнее время все настойчивее высказывается предположение, что поля, передающие взаимодействие 
между частицами, принадлежат одному и тому же семейству. Идея 
о близком родстве калибровочных полей лежит в основе разрабатываемой сейчас теории объединения взаимодействий. Такова современная физическая картина мира» (Р. Утияма). 
Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц (далее — стандартная модель), сформулированной в 1970-е годы и подтвержденной опытным путем в начале 1980-х — середине 1990-х годов, все великолепие окружающего мира построено из фундаментальных частиц шести видов: электронов, u- и d-кварков, глюонов, 
фотонов и бозонов Хиггса. (Фундаментальными называют частицы, 
которые на современном уровне знаний являются неделимыми, т. е. 
не состоят из других частиц.) Ё. Намбу определил конечную цель физики элементарных частиц как выяснение структуры вещества и 
формулировку законов, управляющих его поведением. 
К концу XX в. кардинально изменилось представление об устройстве Вселенной. Согласно современным знаниям о фундаментальных 
свойствах материи Вселенная на 25 % состоит из вещества (4 % — 
барионная материя, 21 % — темная материя) и на 75 % — из излучения. Существование темной материи требует расширения рамок 
стандартной модели.  
Развитие физики в начале XX в. привело к полному пересмотру классических представлений о строении материи. В основе 
«новой физики» лежат две фундаментальные теории: специальная 
теория относительности и квантовая теория, на которых построено 
описание явлений микромира.