Цепная реакция

Перспектива использования ядерной энергии резко изменилось в связи с открытием деления ядер U. Тепловой нейтрон с энергией 0.03 эв освобождает энергию порядка 200 Мэв и выделивщаяся энергия в несколько миллиардов раз превышает затраченную энергию. При этом существенно, что освобождаются нейтроны, способные вызвать деление других ядер U. Начальный нейтрон играет роль спички, зажигающей горючий материал. Горение представляет собой тепловой цепной процесс. Можно подсчитать энергию деления. Оказалось, что при делении 1 гр-ат U выделяется 5٠10⁶кВт/час, т.е. столько, сколько можно получить при сжигании более з-х тонн угля. Время для деления мало 10^-8сек., т.е. равно времени захвата нейтронов.

Что происходит в естественной смеси изотопов U в результате 1 акта деления?

В 1 акте деления испускаются 2-3 нейтрона с энергией 1 Мэв, эта энергия меньше порога деления U²³⁸, поэтому будет делиться U²³⁵, которого в естественной смеси содержится только 0.7%. В результате столкновения вылетающих нейтронов с ядрами первые будут замедляться и могут быть поглощены U^{235 или} U²³⁸. при этом U²³⁵ будет делиться, а U²³⁸ будет только выводить n из цепной реакции. Кроме того при энергии нейтрона E_n=7 – 200 эв возникает резонансное поглощение их U²³⁸. Так как U²³⁸ в 140 раз больше, чем U²³⁵ то в естественной смеси изотопов U вероятность обрыва цепи преобладает над вероятностью разветвления и цепная реакция не в состоянии развиваться ни на медленных ни на быстрых нейтронах. Эту трудную задачу можно преодолеть 2 путями.

1. Уменьшить содержание U²³⁸, т.е. обогащать смесь изотопом U²³⁵.

2. Замедлять n легких водородосодержащих веществ, чтобы они теряли энергию большими порциямии проскакивали через опасную зону резонанса. Однако обычный водород захватывает n, что увеличивает вероятность обрыва цепи. Поэтому для замедления n выгодно использовать углерод (графит), дейтерий (тяжелую воду), или бериллий, который слабее поглощает нейтроны.

Для поддержания цепной реакции вполне достаточно, чтобы при делении ядра производился, по крайней мере 1 нейтрон.

Минимальные условия возникновения цепной реакции удобно выразить, введя коэффициент размножения, опредляемый, как отношения числа n какого либо одного поколения к числу n в предществующем поколении.

Если =1, то цепная реакция идет с постоянной скоростью: 100 n дают 100 n.

Если >1, то система называется надкритической, в ней осуществляется цепная реакция с растущей интенсивностью.

Если <, то ситема называется подкритической, в ней цепная реакция затухает.

Впервые вопросами коэфициента размножения занимался Ферми, Вигнер и др.

Не занимаясь этим вопросом, отметим следующее. Когда все физические свойства системы заданы, остается величина, которая определяет утечку из системы – χ. Естественно, что деление происходит во всем объеме, тогда как утечка идет только из поверхностного слоя. Число рожденных n ~ объему, а число уходящих с поверхности n ~ площади внешней поверхности. Следовательно, чтобы свести к минимуму потери n из-за утечки, надо уменьшить отношение поверхности реактора к его обему. Известно, что наименьшее значение это отношение имеет у шара. Принято называть критическими размерами системы, при которых число n потерянных веществ захвата и утечки уравновешивается числом n, полученных в процессе деления. У сферы можно говорить о критическом радиусе – R_крит. Критический размер не является постоянной величиной, он зависит от изотопического состояния U, формы и расположения материала относительного количества замедлителя и других примесей. Можно уменьшить R_крит., окружив реактор специальным отражателем n. Обычно используют тот же метериал, что и для замедлителей.

В зависимости от расположения U и замедлителя различают гомогенные и гетерогенные системы. Когда графит и замедлитель представляют собой однородную смесь, то говорят о гомогенной системе. В ней может идти реакция только при обогащении руды U²³⁵. Практически широко используется другая, т.н. гетерогенная система, состоящая из довольно крупных блоков U, вставляемых в графитовую массу. Нейтроны замедляются в графите до энергий, меньших резонансных и за счет этого большую часть времени проводят вне U и в большой степени захватываюся замедлителем.

Реактором называют устройство, в котором поддерживается управление цепной реакцией. Существует много разновидностей реакторов, важным вопросом их работы является управление интенсивности реакции, такое управление нужно, чтобы реактор можно было привести в нормальное состояние, остановить его и не дать цепной реакции принять бурный характер. Обычно работа реактора регулируется при помощи стержней из CdS или из стали с некоторым содержанием B, которые эффективно поглощают медленные нейтроны.

Однако есть реакторы, работающие и на быстрых нейтронах в частности, атомная бомба – это неуправляемый реактор на быстрых нейтронах.

Недостатком всех реакторов является большое число радиоактивных отходов. Обычно их обмазывают глиной и зарывают в землю, где нет грунтовых вод. Но в перспективе использование ядерной энергии деления неминуемо должно привести к загрязнению радиоактивными отходами недра Земли. Это заставляет заниматься поисками способов получения энергии за счет других процессов, в частности синтеза легких ядер.