Цепные ядерные реакции

Рассмотрим механизм цепной реакции деления. При делении тяжелых ядер под действием нейтронов возникают новые нейтроны. Например, при каждом делении ядра урана в среднем возникает 2,4 нейтрона. Часть этих нейтронов снова может вызвать деление ядер. Допустим, что в новую реакцию деления вступают в среднем 2 нейтрона. Тогда в k-м «поколении» из одного нейтрона в среде образуются 2^k новых. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Цепная реакция деления идет в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной средой. Важнейшей физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент размножения нейтронов . Коэффициент размножения равен отношению количества нейтронов в одном поколении к их количеству в предыдущем поколении. Индекс указывает, что речь идет об идеальной среде бесконечных размеров. Аналогично величине определяется коэффициент k размножения нейтро-нов в физической системе конечных размеров. Коэффициент k является характеристикой конкретной установки.

В делящейся среде конечных размеров часть нейтронов будет уходить из активной зоны наружу. Поэтому коэффициент k зависит от вероятности Р для нейтрона не уйти из активной зоны.Т.е. k= P

Величина Р зависит от состава активной зоны, ее размеров, формы, а также от того, в какой степени вещество, окружающее активную зону, отражает нейтроны.

С возможностью ухода нейтронов за пределы активной зоны связаны важные понятия критической массы и критических размеров. Критическим размером называется размер активной зоны, при котором k =1. Критической массой называется масса активной зоны критических размеров. При массе ниже критической размножение нейтронов не происходит, даже если k>1. Наоборот, заметное превышение критической массы ведет к неуправляемой реакции - взрыву.

Если в первом поколении имеется N нейтронов, то в n-м поколении их будет Nkⁿ. Поэтому при k = 1 цепная реакция идет стационарно, при k< 1 реакция гаснет, а при k>1 интенсивность реакции нарастает. При k=1 режим реакции называется критическим, при k>1 - надкритическим и при к < 1 -подкритическим.

Время жизни нейтронов τ одного поколения сильно зависит от свойств среды и имеет порядок от 10^-4 до 10^-8 с. Из-за малости этого времени для осуществления управляемой цепной реакции надо с большой точностью поддерживать равенство k= 1, так как, скажем, при k= 1,01 система почти мгновенно взорвется. Посмотрим, какими факторами определяются коэффициенты и k.

Первой величиной, определяющей (или k), является среднее число v нейтронов, испускаемых в одном акте деления. Число v зависит от вида горючего и от энергии нейтрона, вызывающего деление. При столкновении нейтрона с тяжелым ядром всегда возможен радиационный захват нейтрона (n, γ). Этот процесс будет конкурировать с делением (реакцией (n, f)) и тем самым уменьшать коэффициент размножения. Отсюда вытекает, что второй физической величиной, влияющей на коэффициенты и k, является вероятность деления при захвате нейтрона ядром делящегося изотопа. Эта вероятность для моноэнергетических нейтронов, очевидно, равна

где σ_nf, σ_nγ- соответственно сечения реакций деления и радиационного захвата. Для одновременного учета как числа нейтронов на акт деления, так и вероятности радиационного захвата вводится коэффициент μ, равный среднему числу вторичных нейтронов на один захват нейтрона делящимся ядром:

Величина μ зависит от вида горючего и от энергии нейтронов.Величина μ является важнейшей характеристикой ядер горючего. Цепная реакция может идти только при μ> 1.

Сравним цепные реакции деления на тепловых и быстрых нейтронах. Для тепловых нейтронов сечения захвата велики и сильно изменяются при переходе от одного ядра к другому. На ядрах некоторых элементов (например, на кадмии) эти сечения в сотни и более раз превосходят сечения захвата нейтронов на ²³⁵₉₂U. Поэтому к активной зоне установок на тепловых нейтронах предъявляются требования высокой чистоты по отношению к некоторым примесям. Для быстрых нейтронов все сечения захвата малы и не сильно отличаются друг от друга, так что проблемы высокой чистоты материалов не возникает.

Важное отличительное свойство реакций на тепловых нейтронах состоит в том, что в активной зоне реакции топливо разбавлено значительно сильнее, т. е. на одно ядро топлива приходится значительно больше не участвующих в делении ядер, чем в реакции на быстрых нейтронах.

Время жизни нейтронов одного поколения для быстрой реакции на несколько порядков меньше, чем для тепловой. Поэтому скорость протекания быстрой реакции может заметно измениться через очень короткое время после изменения физических условий в активной зоне. При нормальной работе реактора этот эффект несуществен, поскольку в этом случае режим работы определяется временами жизни запаздывающих, а не мгновенных нейтронов.

В однородной среде, состоящей только из делящихся изотопов, коэффициент размножения был бы равен μ. Однако в реальных ситуациях, кроме делящихся ядер, всегда присутствуют другие, неделящиеся. Эти посторонние ядра будут захватывать нейтроны и тем самым влиять на коэффициент размножения. Отсюда следует, что третьей величиной, определяющей коэффициенты , k, является вероятность того, что нейтрон не будет захвачен одним из неделящихся ядер. В реальных установках «посторонний» захват идет на ядрах замедлителя, на ядрах различных элементов конструкции, а также на ядрах продуктов деления.

Эти две реакции открывают реальную возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции. В идеальном случае, т.е. при отсутствии ненужных потерь нейтронов, на воспроизводство может идти в среднем μ-1 нейтронов на каждый акт поглощения нейтрона ядром горючего.

Поиск по сайту: