27. Цепные ЯР

Механизм ЦЯР.

При делении урана -> 2-3 нейтрона. Происходит лавинообразный процесс деления АЯ. Эти 2 нейтрона можно разделить еще на 2 ядра => 4 нейтрона на 4 ядра => На каждом поколении число нейтронов удваивается.   2г урана 238U делится за 72 поколения. При  этом выделяется энергия   ~ энергии сгорания 4 тонны бензина. Время жизни 1 поколения нейтронов   2г  238U разделить за   

Это может быть взрыв колоссальной мощности. Результат деления урановой руды:

99,3%  238U,235U ->2n      0,7%  Этот процесс образования нейтронов и деления ядер называется цепная ЯР. 1)Что нужно сделать, чтобы осуществить управл. ЦЯР?

2) Почему природный уран не делится(под землей)? Для этого нужно рассмотреть судьбу нейтрона, возникающего в ЯР. Пороговая энергия деления 238U Ef(238U)=1,6МэВ

Ef(235U)<=-0,3МэВ Это говорит что при каждой энергии он может делиться. Сечение деления 235U 1) = 600 мб – под действием тепловых нейтронов; 2) 1,5 мб под действием быстрых нейтронов. В результате деления атома образуются быстрые нейтроны, но с вероятностью в 400 раз меньше под действием тепловых, чем под действием быстрых.

Рассмотрим урановую среду бесконечно больших размеров и судьбу нейтронов в урановой среде.

Судьба нейтрона.

1)  Tn>Ef – может вызвать деление 238U и 235U. Этот процесс благопрепятствует возникшей ЦЯР. Но вероятность деления не велика: только 60% нейтронов имеют энергию. Распределение носит максвеловский характер.

2) (n,n’)- упругие соударения. Быстрые нейтроны с большой вероятностью испытывают неупругие соударения и превращаются в n’. Tn’<100кЭВ. Разделить 238U не может, а 235U с малой вероятностью. В естественных условиях деление урана идти не может.

3) Наиболее вероятностный  процесс быстрых нейтронов это упругое рассеяние на ядрах урана. Он теряет энергию по очень малым порциям. (n,n) m_n<<m_x . Упругое рассеяние на приместных элементах. Этот процесс нейтрален, но он переходит в резонансную область.

4) В резонансной области от 0,5 МэВ до 1 Мэв нейтроны очень сильно поглощаются без деления ядрами урана. (n,гамма) Ядро возбуждается и выделяется γ, но деление ядер не происходит. Это  самая опасная область , то есть нейтроны выпадают из ЦЯР.

5) На каждых этапах нейтроны захватываются примесными атомами.

6) Имеется еще один фактор: вылет нейтрона за пределы U-источника (образца). На самом деле для урановой руды < бесконечности, тогда имеется вероятность, что n покидает поверхность урана. Чем больше поверхность урановой руды тем больше n покидает урановую среду.

7) Нейтроны, миновавшие этапы 1)-6)  можно вызвать деление 235U, но этих нейтронов осталось ничтожно мало, да и 235U тоже мало, тогда образовавшаяся доля тепловых нейтронов в урановой среде не может обеспечивать ЦЯР.

Условия, необходимые для осуществления ЦЯР.

Считаем урановую среду бесконечно большой.

1) Во всех случаях необходима тщательная очистка примесей(урановых) и продуктов ЯР, которые поглощаются интенсивно нейтронами.

2) Для осуществления ЦЯР на быстрых нейтронах урановую среду необходимо обогащать 235U изотопом. Экспериментально установлено, если 235U в урановой руде ->5,56 %-> ЦЯР (по теории) пойдет. Экспериментально установлено до 15%,  нужно обогатить.

3) Для осуществления ЦЯР  с тепловыми нейтронами наибольшую опасность составляет процесс радиационного захвата. Нужно уменьшить вероятность  или обогащением руды или создать условия, при которых нейтроны очень быстро теряют энергию. В результате упругого соударения теряемая энергия определяется как delta_E=4*A1*A2*T_n/(A1+A2)^2 =>4*A2*T_(n-1)/(A1+A2),   А1-массовое число налетающей частицы.

А2- мишень. Если А2=1 => дельта Е=1 ; Тогда желательно, чтобы n рассеивались на легких ядрах. Для этого используется замедление. В качестве замедлителя может служить вода. Атом водорода очень сильно поглощают нейтроны и образуют дейтроны. Идеальной является тяжелая вода, но p+n->d простая вода удаляет нейтроны. Тяжелую воду трудно получить, она находится на дне океана. 4Не и 3Не – газообразные вещества, их не удержать в урановой среде. Наиболее хорошим замедлителем является графит. В первом построенном реакторе, в котором была осуществлена управляемая ЦЯР.

4) Дальнейшее понижение вероятности радиационного захвата  нейтрона в резонансной области. Объяснение гетерогенными средами.  Урановая руда смешивалась  с водой и графитом. Реакция более интенсивно протекает, если среда неоднородна(гетерогенна).  Урановая среда расчленена прослойками графита. Быстрые нейтроны,  родившиеся в урановой среде попадают в графитный замедлитель С и очень быстро теряют энергию до тепловых нейтронов и затем за счет диффузии тепловые нейтроны попадают в урановую среду и там можно вызвать ЦЯР.

5) Связь с конечными размерами необходимо чтобы поверхность была минимальна для благоприятного процесса ЦЯР. Минимальная плотность у сферы.  Чем больше поверхность , тем больше нейтронов покидают. первые реакторы имели форму близкую к сферической.

6) ЦЯР может идти успешно, если ядерного горючего много.  Минимальная масса ядерного топлива, при которой в данной физической системе может протекать ЦЯР деления, называется критической массой. Критическая масса 235U будет равна 315кг. Соответствующие минимальные размеры соот-щие критической массе носят название критических размеров.  Первый американский реактор имеет размер 1,94(м)х1,55(м). значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением.

7) Критические размеры и массу можно уменьшить, окружая физическую среду, отражательным нейтроном. В качестве отражательного нейтрона – Ве.  ЦЯР может идти в том случае когда масса среды превышает критической.

Коэффициент размножения нейтрона.

Для количественной характеристики вводят этот коэффициент.

K=N_i/N_(i-1);  Ni- число текущего i-го поколения; Ni-1 – число предыдущего i-го  поколения.

Если N1, то N_m=N_1*K^(n-1)  Количество нейтронов в единицу времени  :dN/dt=N(K)/тау. Где N=K*N_(i-1); N(t)=N0*exp(t(K-1)/тау) - относительное изменение. Если К =1, то для стационарного режима работы реактора – критический режим работы реактора; Если К<1, то реактор затухает, ЦЯР идти не может, режим подкритический; Если К>1, то ЦЯР ускоряется , режим работы надкритический. К=1,005, обычно К представляют в виде произведения 2-х сомножителей.  K=каппа*K_беск. Каппа <1 определяется от факторов(5,6 множителей)

К_беск - коэффициент размножения нейтрона бесконечной средой. (характеризует скорость нарастания реакции в бесконечно большой среде)

Роль запаздывающих нейтронов.

В результате деления АЯ образуются запаздывающие нейтроны  примерно через 50-50 секунд. бетта=0,0075(0,75%) – доля запаздывающих нейтронов. Несмотря на бесконечность, что их очень мало, они играют колоссальную роль в УЦЯР. Если реакция с таким К будет идти на мгновенных нейтронах,  со среднем временем жизни  тау=10^(-3)c  за 1с число нейтроны увеличиваются в 150 раз. Чтобы заглушить реактор, необходимо уменьшить К, для этого поглощаются нейтронные стержни. Рассмотрим когда среди нейтронов имеются запаздывающие нейтроны и К=1,005. K=Kмгн+Кзап. Кмгн=(1-бетта)*К=прибл=0,9975.  За счет только мгновенных нейтронов ЦЯР идти не может , но она идет так как общий К>1. Среднее время жизни одного поколения запаздывающих нейтронов равно 0,1с , за 1с количество нейтронов увеличивается в полтора раза. Таким образом запаздывающие нейтроны позволяют управлять работой ядерного реактора, поддерживать  его в критическом и подкритическом состоянии. Реактор – установка, в которой протекает ЦЯР.