Поглощения полупроводника

С ростом объема активной зоны утечки нейтронов уменьшаются и при достижении определенного объема будет обеспечен требуемый баланс нейтронов, сопровождаемый самоподдерживающейся цепной реакцией деления ядер 92 U. Этот объем называют критическим, а соответствующую ему массу — критической массой. Однако реактор с загрузкой, равной критической, длительно работать не может, так как в процессе его эксплуатации топливо выгорает, т. е. уменьшается количество делящегося sisPu. Поэтому загрузка реактора должна в несколько раз превышать критическую. Для обеспечения требуемых потоков нейтронов и, следовательно, поддержания тепловыделения (мощности) реактора на заданном уровне в его активной зоне предусмотрены специальные устройства, которые также осуществляют пуск, останов и защиту реактора при различных аварийных ситуациях. Эти устройства называют системой управления и защиты (СУЗ). Рабочими органами СУЗ являются подвижные управляющие стержни /, проходящие через активную зону и приводимые в движение специальными приводами. Стержни, изготовляемые из материала, который сильно поглощает нейтроны (карбида бора или другого борсодержащего материала), компенсируют дополнительную загрузку ядерного топлива, т. е. избыточную реактивность реактора. По мере выгорания ядерного топлива управляющие стержни постепенно выводятся из активной зоны. В аварийных ситуациях они быстро опускаются (падают) в активную зону, прекращая цепную реакцию деления за счет поглощения нейтронов.

Кассета АРК, являющаяся рабочим органом СУЗ, состоит из двух частей — верхней и нижней. В нижней части расположены ТВЭЛы, аналогично рабочей кассете, а в верхней (надставке) — поглотитель из бористой стали. При перемещении кассеты вверх поглотитель выводится из активной зоны, а его место занимает тепловыделяющая часть, что приводит к увеличению реактивности из-за увеличения количества топлива в активной зоне и уменьшения поглощения нейтронов. При перемещении кассеты АРК вниз реактивность уменьшается, так как в активную зону вводится надставка с поглотителем. Положение подвижных кассет регулируется автоматически. В аварий-18. Продольный разрез реакто- ных ситуациях при необходимости

Кроме стержневых поглотителей нейтронов для реакторов ВВЭР-440 и ВВЭР-1000 дополнительно используется жидкий поглотитель— раствор борной кислоты Н3ВО3, вводимый в воду реактора. (Атом бора имеет большое сечение поглощения нейтронов.) Борная кислота хорошо растворяется в воде, обладает низкой коррозионной способностью и достаточно легко выделяется из воды реактора на фильтрах спецводоочистки. При большой реактивности (начало работы реактора) концентрация борной кислоты в теплоносителе 8—13,5 г/кг, а по мере выгорания топлива она снижается за счет сорбции борной кислоты на очистной уста-

Наряду с разработкой и освоением рациональной технологии производства ядерного топлива большое значение для развития атомной техники имеют конструкционные материалы, применяемые в производстве специального промышленного и исследовательского оборудования. Помимо обычных требований механической прочности, теплопроводности, жаростойкости, коррозионной, эрозионной стойкости и т. д. к ним предъявляются специфические, определяемые особенностями атомной техники требования радиационной стойкости, необходимой степени поглощения нейтронов в зависимости от производственного назначения материала и пр. С учетом этих требований выбирались и изучались различные марки стали для элементов конструкции атомных реакторов, искусственного графита для элементов систем замедления и отражения нейтронов.в активной зоне реакторов, алюминия для защитных оболочек твэлов, предотвращающих возникновение химической реакции между химически несовместимыми урановыми сердечниками твэлов и теплоносителем (например, водой), бетона для нужд противорадиационной защиты и т. д. Применительно к этим же требованиям отечественной промышленностью освоены в производстве новые конструкционные материалы, ранее получавшиеся лишь в крайне ограниченных количествах на лабораторных установках — «тяжелая» вода, бериллий, цирконий и его сплавы и др.

За время службы активной зоны реактор потребляет приблизительно половину ядерного топлива. За это время он, конечно же, должен оставаться в критическом состоянии. И, как следствие, с самого начала он должен содержать значительно больше ядерного топлива, чем требуется для поддержания критичности. Поэтому, чтобы обеспечить стабильную работу реактора в начальный период, должны использоваться регулирующие механизмы, с помощью которых из активной зоны можно выводить нейтроны без производства теплоты. С этой целью среди твэлов размещаются регулирующие стержни из материалов, имеющих большие сечения поглощения нейтронов, которые постоянно выводятся из активной зоны в течение всей работы реактора. Выше приведены сечения поглощения разных материалов, в том числе материалов стержней регулирования и других материалов, обычно применяющихся в реакторе. В реакторах некоторых типов в дополнение к регулирующим стержням для обеспечения дополнительного регулирования непосредственно в воду-замедлитель добавляют растворы соединений бора.

Другая проблема состоит в том, что реакторы начинают работу со значительным запасом реактивности. Это связано с продуктами деления, которые тоже имеют большие сечения поглощения нейтронов, так называемыми реакторными шлаками (отравляющими продуктами деления). Из приведенных выше данных видно, что ксенон и самарий являются основными продуктами деления, которые захватывают нейтроны; отметим, что их сечения поглощения больше, чем сечения топлива. Отравление ксеноном на работающем реакторе достаточно легко преодолимо; проблема состоит в повторном пуске реактора, так как после работы в течение некоторого времени он должен быть остановлен на несколько часов.

Сечение поглощения нейтронов для этой реакции составляет приблизительно от 0,001 до 0,002 значения сечения деления 235U, что представляет малое число для тепловых нейтронов и большое —для быстрых нейтронов. Период полураспада 24Na составляет 15 ч. Ввиду этой радиоактивности необходимо использовать • промежуточный контур охлаждения с натрием в качестве теплоносителя, который, не будучи радиоактивным, используется для передачи теплоты от первого контура к парогенератору и перегревателю ( 7.14). Так как натрий бурно вступает в реакцию с водой, конструкция парогенератора и перегревателя должна исключить возможность контакта между ними Как на английском, так и на-французском

Поток нейтронов должен быть тщательно сформирован, чтобы обеспечить необходимый для воспроизводства избыток нейтронов. В дополнение к обычным для всех реакторов проблемам, связанным с утечкой нейтронов и отравлением продуктами деления реакторы-размножители с расплавленной солью имеют также еще одну проблему: поглощение нейтронов ядрами изотопа протактиния (233Ра), который является промежуточным звеном в цепи воспроизводства. Эти ядра имеют сечение поглощения нейтронов, определенное для района резонанса энергии, приблизительно 850 барн, а сечение 233U равно приблизительно 525 барн. Может даже оказаться, что воспроизводство окажется невозможным до тех пор, пока 233Ра содержится в области высокого нейтронного потока.

12. Если образен материала поместить в реактор, то ядра этого образца будут поглощать нейтроны с образованием новых ядер, как правило, радиоактивных. Если n(v) — поток нейтронов, ca(v) — сечение поглощения нейтронов ядрами, N — число ядер поглощающего материала, то скорость получения новых ядер определяется следующим образом:

16. Сечение поглощения нейтронов с энергией 0,06 эЬ в 835U равно 582 барн. Каково будет сечение поглощения при температуре топлива 2200 °С?

В результате неупругого рассеяния нейтронов на ядрах может возникать гамма-излучение. Доля энергии этих процессов может составлять до 20 % всей передаваемой энергии. Тепловые нейтроны в отличие от быстрых не могут образовывать вторичные заряженные частицы с высокими значениями LA. Энергия тепловых нейтронов часто не превышает энергии связи атомов в молекулах водородсодер-жащих соединений. Однако эти нейтроны могут вызывать возбуждение атома, а также возбуждать колебательные переходы в молекулах, что приводит к разогреву вещества. Кроме того, тепловые нейтроны могут поглощаться некоторыми ядрами с образованием радиоактивных продуктов. Однако ядра атомов, которые в основном составляют живую ткань, имеют небольшие сечения поглощения нейтронов.

Среди полупроводниковых диодов особняком стоят диодные элементы оптоэлектроники: фотодиод и светодиод. Фотодиодом называется фотоэлектрический прибор с одним р-л-переходом. В фотодиоде используется явление фотогенерации, т. е. генерации подвижных носителей заряда под действием света. Интенсивность фотогенерации определяется энергией квантов падающего на полупроводник излучения, их потоком и спектром поглощения полупроводника.

*' Актиничным является такое излучение, длина волны которого меньше длины волны, соответствующей краю полосы фундаментального поглощения полупроводника.

Зависимость показателя поглощения от энергии фотонов называют спектром поглощения полупроводника ( 1.19). При больших энергиях фотонов происходит собственное поглощение с образованием пар носителей электрон — дырка. Показатель поглощения при этом велик. При малой энергии фото-

Экситон характеризуется набором собственных значений энергии, образующих водородоподобный энергетический спектр, лежащий в пределах запрещенной зоны полупроводника. Спектр экситонного поглощения полупроводника содержит, таким образом, ряд экстремумов, отвечающих образованию экситона с энергией, соответствующей одному из возможных состояний.

чения или длины волны излучения называется спектром поглощения полупроводника или спектральной характеристикой поглощения ( 5.37). Следует подчеркнуть, что глубина поглощения хо большинства материалов, применяемых в фотоприемниках, очень резко изменяется вблизи длинноволновой границы Кгр. Исключение составляет кремний, у которого изменение от прозрачного состояния (%0-*-оо, излучение проходит без поглощения) до непрозрачного (Хо->-0, излучение вообще не проходит, оно полностью поглощается у поверхности) происходит при изменении К примерно в 2 раза.

Зависимость коэффициента поглощения от длины волны излучения (частоты, энергии кванта) называют спектром поглощения. Типовой спектр поглощения полупроводника аф = у(К) показан на 7.2 (сплошная и штрих-пунктирная линии). Отдельные области спектра с локальными максимумами коэффициента поглощения соответствуют различным механизмам поглощения энергии излучения в полупроводниках. Механизмы поглощения энергии будут рассмотрены ниже.

Пассивные потери поглощения возрастают с увеличением длины волны в спектре излучения. При КЖтр коэффициент поглощения полупроводника резко снижается (см. 7.2), электронно-дырочные пары не генерируются, солнечное излучение поглощается в глубине р-области кристалла вне действия электрического поля перехода и преобразуется в тепловую энергию. Для уменьшения этих потерь в полупроводник внедряют примеси, образующие в его запрещенной зоне Д?3 уровни ловушек, или заменяют р-п-переход гетеропереходом между полупроводниками с разной шириной запрещенной зоны (см. § 2.10). В том и другом случае процесс генерации неравновесных носителей в преобразователе имеет свои особенности.

На 7.10 сплошной линией изображена характеристика /кз = /(?ф) типового кремниевого преобразователя. С ростом энергии фотонов и укорочением длины волны увеличивается роль поверхностной рекомбинации свободных носителей в «-области кристалла, где поглощается основная часть энергии (сравните с кривой 0ф на 7.2). Ток /кз уменьшается с ростом энергии фотонов. Снижение концентрации примесей на фронтальной поверхности кристалла сокращает число дефектов в поверхностном слое, уменьшает глубину залегания р-д-перехода и выравнивает спектральную характеристику преобразователя в области коротких волн солнечного спектра (штриховая линия). Если ?'ф<Д?'з, то генерация электронно-дырочных пар отсутствует, коэффициент поглощения полупроводника и соответственно ток /кз преобразователя резко уменьшаются.

Экситон характеризуется набором собственных значений энергии, образующих водородоподобный энергетический спектр, лежащий в пределах запрещенной зоны полупроводника. Спектр экситонного поглощения полупроводника содержит, таким образом, ряд экстремумов, отвечающих образованию экситона с энергией, соответствующей одному из возможных состояний.

В простейшем случае для полупроводника, у которого валентная зона и зона проводимости параболические ( 2.1,а), для разрешенных прямых переходов при к=0 коэффициент поглощения a(ftv) у края собственного поглощения полупроводника имеет вид

Примесное поглощение. При наличии в запрещенной зоне полупроводника энергетических уровней примесей обмен носителями заряда между этими уровнями и соответствующими разрешенными зонами осуществляется при участии фотонов, энергия которых меньше ширины запрещенной зоны. Полосы примесного поглощения располагаются за длинноволновым краем собственного поглощения полупроводника. Примесные атомы с малыми энергиями ионизации при комнатных температурах почти все ионизованы в результате термического возбуждения. Поэтому такие явления, как селективное поглощение и фотопроводимость для таких примесей, можно наблюдать лишь при достаточно низких температурах.

Экситонное и решеточное поглощения. В некоторых полупроводниках (например, CdS и СицО) возможен такой вид поглощения,, когда возникшие при поглощении фотона электрон и дырка не являются независимыми квазичастицами, а образуют между собой связанную систему — экситон. Упрощенно экситон может быть представлен как электрон и дырка, связанные кулоновским взаимодействием. Энергия возбуждения экситона меньше ширины .запрещенной, зоны, и его поглощение проявляется в спектре поглощения полупроводника в виде тонкой структуры вблизи края фундаментального^ поглощения. Экситонное поглощение не дает вклада в фотопроводимость, поэтому оно является процессом, в некоторых случаях снижающим эффективность фотоэлектрических устройств.