27. Цепные ядерные реакции.

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) . 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,γ) 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 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.

; Ni- число текущего i-го поколения; Ni-1 – число предыдущего i-го поколения.

Если N1, то Количество нейтронов в единицу времени : - 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. æ <1 определяется от факторов(5,6 множителей)

- 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. β=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 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 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.