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 основе 
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 180-
летию 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 совре-
менный 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 Свято-
Тихоновского 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 физико-
математическому 
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: фунда-
ментальное — ядерная физика и прикладное — ядерные реакторы.  
Физика ядерных реакторов представлена как приложение бо-
лее фундаментального научного направления — ядерной физики.  
Автор стремился оптимизировать структуру пособия, пропор-
ционально изложить оба направления в форме, максимально до-
ступной 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 инженеров-
физиков, 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 обеспечива-
ет последовательный переход от общей физики, включая ядер-
ную, к прикладной ядерной физике низких энергий — физике 
реакторов.  

Учебное пособие разделено на три части. В первой части из-
ложена современная физическая картина мира, вторая часть  
посвящена ядерной физике низких энергий, третья — физике реак-
торов. В главах, где представлены основы ядерной физики, содер-
жится достаточно обширный материал, необходимый для понима-
ния физики ядерных реакторов. Связующим звеном ядерной физи-
ки 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 по-
стоянное внимание, всестороннюю помощь и поддержку при 
подготовке настоящего издания.  
Глубокую признательность автор выражает научным редак-
торам серии «Физика в техническом университете» — заведую-
щему кафедрой физики МГТУ им. Н.Э. Баумана профессору 
А.Н. Морозову и профессору Л.К. Мартинсону за ряд ценных за-
мечаний, поддержку и помощь в издании пособия. Автор благода-
рен 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, техно-
логиях, физических теориях и принципах. Технологии и инженер-
ные решения могут различаться при изменении целей и задач, сто-
ящих перед ядерной энергетикой на данном этапе развития. Они 
неодинаковы для реакторных установок разного назначения. Неиз-
менны лишь физические законы и принципы, на которых основана 
работа реакторов. Главные из них — выделение колоссальной энер-
гии при делении тяжелых ядер (или синтезе легких) и принципи-
альная возможность самоподдерживающейся цепной реакции деле-
ния. Инженерные решения позволили осуществить управляемую, 
т. е. контролируемую во времени, самоподдерживающуюся реак-
цию деления в определенном (ограниченном) пространстве, называ-
емом активной зоной. Развитие технологий способствует решению 
стоящих перед человечеством проблем (в первую очередь пробле-
мы обеспечения энергией) с наибольшей эффективностью, т. е. с 
наименьшими экономическими затратами. И физические принципы, 
и технологии позволяют решать поставленные задачи при мини-
мальном негативном воздействии на здоровье людей и окружаю-
щую 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, разрабатывав-
шихся 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 со-
ответствия, предполагающем, что теория, созданная на основе ка-
ких-либо гипотез, может в скором времени оказаться лишь частным 
случаем более общей теории. 
Работа ядерного реактора связана с трансмутацией (превраще-
нием) ядер: с изменением баланса окружающих нас химических 
элементов и радиационного баланса, т. е. с воздействием на окру-
жающую 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), со-
держащим высокоактивные нуклиды и долгоживущие отходы 
относительно низкой активности, как исключить тяжелые аварии 
на АЭС, защитить топливный цикл ядерной энергетики от воз-
можного хищения материалов, которые могут быть использованы 
в военных целях, что делать с огромными запасами урана и плу-
тония — далеко не полный перечень проблем, возникших на ру-
беже 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 инже-
нерным системам и устройствам, а так называемым внутренне 
присущим реактору естественным свойствам, основанным на за-
конах природы. Природный ядерный реактор, работавший около 
двух миллиардов лет назад в Африке в режиме саморегулирова-
ния, — яркий пример возможности исключения инженерных си-
стем безопасности. 
Физика ядерных реакторов базируется на современных зна-
ниях о фундаментальной структуре материи, физических теориях 
взаимодействия излучения с веществом, корпускулярно-волно-
вом дуализме. Квантово-механические факторы в процессе взаи-
модействия 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 тепло-
вых нейтронах), и являются определяющими для нейтронов низ-
ких 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 фи-
зики. Да и существование стабильных атомов невозможно обос-
новать с этих позиций. (В планетарной модели атома, предло-
женной Э. Резерфордом, электроны должны упасть на ядро за 
время t ~ 10–8 с.) Поэтому автор счел целесообразным рассмот-
реть основные физические теории, на базе которых создавалась 
физика реакторов, необходимые для понимания нейтронно-
физических процессов, протекающих в ядерном реакторе, тем 
более, что некоторые из этих теорий входят в стандарт специаль-
ности «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 подразумевает-
ся именно нейтронно-физический аспект проблемы, поскольку от-
крытие и доказательство возможности осуществления самоподдер-
живающейся 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 неве-
лико и которые взаимодействуют между собой силами четырех ви-
дов. От частицы к частице силы передаются специальными носите-
лями взаимодействия — калибровочными полями. Каждая из четы-
рех разновидностей сил (фундаментальных взаимодействий) имеет 
свои особые свойства. ‹…› В последнее время все настойчивее вы-
сказывается предположение, что поля, передающие взаимодействие 
между частицами, принадлежат одному и тому же семейству. Идея 
о близком родстве калибровочных полей лежит в основе разрабаты-
ваемой сейчас теории объединения взаимодействий. Такова совре-
менная физическая картина мира» (Р. Утияма). 
Согласно Стандартной модели физики элементарных частиц (да-
лее — стандартная модель), сформулированной в 1970-е годы и под-
твержденной опытным путем в начале 1980-х — середине 1990-х го-
дов, все великолепие окружающего мира построено из фундамен-
тальных 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 фи-
зики элементарных частиц как выяснение структуры вещества и 
формулировку законов, управляющих его поведением. 
К концу XX в. кардинально изменилось представление об устрой-
стве Вселенной. Согласно современным знаниям о фундаментальных 
свойствах материи Вселенная на 25 % состоит из вещества (4 % — 
барионная материя, 21 % — темная материя) и на 75 % — из излуче-
ния. Существование темной материи требует расширения рамок 
стандартной модели.  
Развитие физики в начале XX в. привело к полному пересмот-
ру 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.