Цепная реакция деления Практическое осуществление самоподдерживающейся цепной реакции деления

Возможность цепной реакции деления состоит в том, что нейтроны деления каждого следующего поколения сами способны вызвать реакцию деления других делящихся ядер. Если в результате деления испускаются ν нейтронов на один акт деления, и все они вступят в реакцию деления, то вновь возникнет ν² новых нейтронов, которые дадут ν³ нейтронов и т.д.

Вывод 1. Необходимое (но не достаточное) условие самоподдерживающейся цепной реакции деления – возникновение в результате деления ядра одного (или более) нейтронов.

В качестве ядерного топлива естественно выбрать природный уран. Он состоит в основном из двух изотопов:

99,28 % - U; 0,71 % -U.

U делится быстрыми нейтронами (с энергиями более 1,1 МэВ), значит, и нейтронами деления (их средняя энергия 2 МэВ). Но кроме реакции деления (n, f) при взаимодействии нейтрона с ядром возможны процессы радиационного захвата (n, ) и упругого (n, n) и неупругого (n, n) рассеяния (главным образом, неупругого, т.к. энергия нейтронов велика). При этом сечение реакции деления²³⁸U быстрыми нейтронами (с энергиями от 2 до 6 МэВ) равно , а полное сечение взаимодействий быстрого нейтрона с ядром²³⁸U барн. То есть:

Вывод 2. Вероятность реакций (n, ) и (n, n) для ²³⁸U на быстрых нейтронах (Е = 26 МэВ) примерно в 4 раза больше, чем вероятность деления.

Радиационный захват нейтронов приводит к бесполезной их потере для реакции деления. Неупругое рассеяние приводит к потере большей части энергии нейтрона, т.е. энергия становится ниже порога деления ²³⁸U.

Пусть в результате деления образовалось в среднем приблизительно 2,5 нейтронов на одно деление.

Из них 4/5, то есть 2 нейтрона, будут потеряны для реакции деления на ²³⁸U из-за реакции рассеяния (n, n) и радиационного захвата (n,). Остается приблизительно 0,5 нейтрона. Этого мало для поддержания цепной реакции деления (см. вывод 1).

Вывод 3. Самоподдерживающаяся цепная реакция деления на ядрах ²³⁸U не может быть осуществлена.

Нейтроны, испытавшие неупругое рассеяние, потеряны для деления ²³⁸U, но совершенно не потеряны для деления ²³⁵U, т.к. ²³⁵U делится как быстрыми, так и тепловыми нейтронами. Поэтому можно попытаться организовать цепную реакцию деления с участием чистого ²³⁵U как на быстрых, так и на тепловых нейтронах.

Сечение деления ²³⁵U тепловыми нейтронами (с E = 0,025 эВ) _f = =582,3 барна, сечение поглощения - _a = 680,9 барн. Таким образом, вероятность деления ²³⁵U тепловыми нейтронами соизмерима с вероятностью их поглощения, хотя ядер-поглотителей в природном уране больше, чем ядер, способных к делению на тепловых нейтронах.

Вывод 4. Имеется принципиальная возможность провести самоподдерживающуюся цепную реакцию деления на ²³⁵U.

Нейтрон деления имеет очень большую вероятность быть захваченным без деления ядром ²³⁸U. На рис. 8.10 показан характер зависимости сечения поглощения ²³⁸U от энергии нейтрона.

Рис. 8.10. Зависимость величин полных сечений (1),

сечений деления (4) и радиационного захвата (3)

для ²³⁸U и величин сечения деления ²³⁵U (2)

от энергии нейтронов

Из графика видно, что при энергии от 6 до 600 эВ сечение радиационного захвата ²³⁸U очень велико, и захват нейтронов в этом диапазоне энергий имеет резонансный характер. Следует отметить, что резонансная область энергий приходится на период нахождения нейтрона в процессе медленного снижения энергии. Поэтому при замедлении на тяжелых ядрах время пребывания нейтрона при энергиях резонансного интервала велико, что еще больше увеличивает вероятность резонансного захвата нейтронов данных энергий ядрами ²³⁸U.

Вывод 5. Создание благоприятных условий для самоподдерживающейся цепной реакции деления возможно: 1)путем увеличения доли ядер ²³⁵U в уране, т.е. обогащения природного урана; 2)путем применения замедлителя.

С повышением обогащения вероятность резонансного поглощения в ²³⁸U уменьшается, а вероятность поглощения нейтрона ядрами ²³⁵U с последующим делением - увеличивается.

Применение замедлителя является радикальным средством уменьшения вероятности резонансного поглощения в ²³⁸U, так как замедляющийся нейтрон, мигрирующий в смеси топлива и замедлителя, может пройти область резонансных энергий, взаимодействуя с замедлителем, а не с ураном.

Применение замедлителя дает и другой положительный эффект: сечение деления изотопов ²³⁵U, ²³³U, ²³⁹Pu растет с уменьшением энергии нейтронов в большей степени, чем их сечение захвата (рис. 8.10).

При использовании обогащенного топлива легче создать условия для самоподдерживающейся цепной реакции деления на тепловых нейтронах, чем на быстрых. В качестве замедлителя применяют легкие вещества, обладающие в интервале энергий замедления малым сечением поглощения, но большим сечением рассеяния. Например, вода, графит, тяжелая вода, бериллий и др.

На современном уровне развития реакторов-размножителей, в которых получают ²³³U и ²³⁹Pu, уже созданы реакторы на быстрых нейтронах, работающие без замедлителя. Топливной композицией в них является UO₂ с 2025-процентным обогащением по²³⁵U.

Для того чтобы процесс взаимодействия с замедлителем был более вероятным, чем с ²³⁸U, реактор на тепловых нейтронах имеет особое расположение топлива относительно замедлителя. В таком гетерогенном реакторе область замедления отделена от места концентрации топлива, где нейтрон может с большой вероятностью поглотиться. Выйдя из блока с топливом, быстрый нейтрон проходит довольно большой путь в замедлителе, и только после этого снова попадает в блок с топливом (рис. 8.11).

Неуправляемая цепная реакция деления реализуется в атомной бомбе, созданной впервые в 1945 году. Трудности реализации этого процесса были связаны на первых этапах с необходимостью получения достаточного количества чистого ²³⁵U или другого делящегося нуклида - ²³⁹Pu.

Управляемая цепная реакция деления впервые была осуществлена в 1942 г. под руководством Э. Ферми в Чикаго.

Рис. 8.11. Принципиальная схема гетерогенного реактора

Коэффициент размножения в бесконечной

размножающей среде

Для оценки условий поддержания цепной реакции деления вводят коэффициент размножения k, определяемый как отношение средних по объёму активной зоны плотностей тепловых нейтронов данного и непосредственно предшествующего ему поколений.

Если размножающая среда будет иметь бесконечно большие размеры, то утечки нейтронов не будет. Для бесконечной среды:

При k_ = 1 плотность нейтронов в каждом последующем поколении остается неизменной, реакция в такой среде идет с постоянной скоростью. Если k_ > 1, плотность нейтронов в среде, а, следовательно, и скорость (удельная частота) деления в каждом ее см³ монотонно растет.

При k_ < 1 реакция с течением времени будет затухать. Коэффициент размножения нейтронов в бесконечной среде определяет возможность получения цепной самоподдерживающейся реакции деления в «активной зоне» бесконечных размеров. Коэффициент размножения такой системы всегда больше, чем в ограниченной по размерам, но такой же по составу. Значение k_ может быть использовано для качественной оценки осуществимости самоподдерживающейся ресамоподдерживающейся реакции деления в размножающей среде конечных размеров. Критическое состояние в размножающей среде конечных размеров достижимо только при k_ > 1. Во всех остальных случаях дальнейшие работы по проектированию реактора не имеют смысла, т.к. не могут дать положительного результата. Поэтому физический расчёт реактора начинают с вычисления k_, чтобы сразу отбросить те варианты компоновки и состава активной зоны, в которых k_  1.