Поиск в словарях
Искать во всех

Физическая энциклопедия - ядерные цепные реакции

 

Ядерные цепные реакции

ядерные реакции, в к-рых ч-цы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций. Пока единств. известная Я. ц. р.реакция деления урана и нек-рых трансурановых элементов (напр., 239Pu) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена итал. физиком Э. Ферми (1942). После открытия деления атомных ядер Ферми, У. Зинн и Л. Силард (США), Г. Н. Флёров показали, что при делении ядра вылетает больше 1 нейтрона: n+UВ®A+B+n. (1) Здесь А и В осколки деления с массовыми числами А от 90 до 150, v число вторичных нейтронов. Если только часть f общего числа вторичных нейтронов может быть использована для продолжения реакции деления," то на 1 нейтрон первого поколения, вызвавший деление, придётся К=vf нейтронов след. поколения, к-рые вызовут деление, и при K>l (коэфф. размножения нейтронов) число нейтронов n будет возрастать во времени t по закону: n=n0e(K-1)t/t, где т время жизни поколения нейтронов. Если К-1=0, то число делений в ед. времени постоянно и может быть осуществлена самоподдерживающаяся Я.

ц. р. (см. ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР). При достаточно больших значениях (К-1) реакция перестаёт быть регулируемой и может привести к ядерному взрыву. Рассмотрим Я. ц. р. на природном уране, содержащем практически 2 изотопа: 238U (99,29%) и 235U (0,71%). Ядро 238U делится только под действием быстрых нейтронов с энергией ?>1 МэВ и малым эффективным сечением sд=0,3 барна.

Напротив, ядро 235U делится под действием нейтронов любых энергий, причём с уменьшением ? sд резко возрастает. При делении 238U или 235U быстрым нейтроном вылетает n=2,5 нейтрона с энергией от 0,1 МэВ до 14 МэВ. Это означает, что при отсутствии потерь энергия Я. ц. р. могла бы развиться в природном уране.

Однако потери есть: ядра 238U могут захватывать нейтроны (см. РАДИАЦИОННЫЙ ЗАХВАТ) с образованием 239U. Кроме того, при столкновении нейтронов с ядром происходит неупругое рассеяние, при к-ром энергия нейтронов становится ниже 1 МэВ, и они уже не могут вызвать деление 238U. Большая часть таких нейтронов испытывает радиац. захват или вылетает наружу.

В результате Я. ц. р. не может развиться. Для возбуждения Я. ц. р. в естеств. уране используется замедление нейтронов при их столкновении с лёгкими ядрами (2Н, 12С и др.). Оказалось, что сечение деления 235U на тепловых нейтронах s(5)д =582 барна, сечение радиац. захвата в 235U (с образованием 236U) sр(5) = 100 барн, а в 238U sр(8) = 2,73 барна. При делении тепловыми нейтронами n=2,44. Отсюда следует, что число нейтронов т), к-рые могут вызвать деление, приходящееся на 1 поглощённый тепловой нейтрон предыдущего поколения, равно: . Здесь r8/r5 отношение концентраций 238U и 235U, что означает возможность развития Я. ц. р. в смеси природного урана с замедлителем.

Однако при делении на тепловых нейтронах рождаются быстрые нейтроны, к-рые, прежде чем замедлиться до тепловой энергии, могут поглотиться. Сечение радиац. захвата 238U имеет резонансный характер, т. е. достигает очень больших значений в определённых узких интервалах энергии. В однородной (гомогенной) смеси вероятность резонансного поглощения слишком велика, чтобы Я.

ц. р. на тепловых нейтронах могла осуществиться. Эту трудность обходят, располагая уран в замедлителе дискретно, в виде блоков, образующих правильную решётку. Резонансное поглощение нейтронов в такой гетерогенной системе резко уменьшается по двум причинам: 1) сечение резонансного поглощения столь велико, что нейтроны, попадая в блок, поглощаются в поверхностном слое, поэтому часть атомов урана не участвует в резонансном поглощении; 2) нейтроны резонансной энергии, образовавшиеся в замедлителе, могут не попасть в уран, а, замедляясь при рассеянии на ядрах замедлителя, «уйти» из опасного интервала энергии.

При поглощении теплового нейтрона в блоке рождается т) вторичных быстрых нейтронов, каждый из к-рых до выхода из блока вызовет небольшое кол-во делений ядер 238U. В результате число быстрых нейтронов, вылетающих из блока в замедлитель, равно eh, где e коэфф. размножения на быстрых нейтронах; если j вероятность избежать резонансного поглощения, то только ?hj нейтронов замедлятся до тепловой энергии.

Часть тепловых нейтронов поглотится в замедлителе. Пусть 9 -вероятность того, что тепловой нейтрон поглотится в уране (коэфф. теплового использования нейтронов). В гомогенной системе: . Здесь rU, rзконцентрации урана и замедлителя, sUп ,sзпсоответствующие сечения поглощения, Ф потоки нейтронов. В результате на 1 тепловой нейтрон первого поколения, совершающий деление, приходится К?=ehjq нейтронов след.

поколения, к-рые могут вызвать деление. К? коэфф. размножения нейтронов в бесконечной гетерогенной системе. Если K?>1, то реакция деления в бесконечной решётке будет нарастать экспоненциально. В системе, имеющей огранич. размеры, часть нейтронов может покинуть среду. Обозначим долю нейтронов, вылетающих наружу, через(1-Р), тогда для продолжения реакции деления остаётся Кэф=К?P нейтронов, и если Kэф>1, то число делений растёт экспоненциально и реакция явл.

саморазвивающейся. Т. к. число делений и, следовательно, число вторичных нейтронов в размножающей среде пропорц. её объёму, а их вылет пропорц. поверхности окружающей среды, то Я. ц. р. возможна только в среде достаточно больших размеров. Напр., для шара радиуса R отношение объёма к поверхности равно R/3, и, следовательно, чем больше R, тем меньше утечка нейтронов.

Если радиус размножающей среды становится достаточно большим, чтобы в системе протекала стационарная Я. ц. р., т. е. Kэф-1=0, то такую систему наз. критической, а её радиус критическим. Для осуществления Я. ц. р. в природном уране на тепловых нейтронах используют в качестве замедлителя в-ва с малым сечением радиац. захвата (графит или тяжёлую воду D2O).

В замедлителе из обыкновенной воды Я. ц. р. на природном уране невозможна из-за большого поглощения нейтронов водородом. Чтобы интенсивность Я. ц. р. можно было регулировать, время жизни одного поколения нейтронов должно быть достаточно велико. Время жизни t0 тепловых нейтронов мало (t0=10-3с). Однако наряду с нейтронами, вылетающими из ядра мгновенно (за время 10-16 с), существует небольшая доля m т.

н. запаздывающих нейтронов, вылетающих после b-распада осколков деления со ср. временем жизни =14,4 с. Для запаздывающих нейтронов при делении 235U m»0,7•10-2. Если Kэф>1+m, то время Т «разгона» Я. ц. р. (время, за к-рое число делений увеличивается в е раз) определяется соотношением: . т. е. запаздывающие нейтроны не участвуют в развитии Я. ц. р.

Практически важен др. предельный случай: Kэф-1 .
Рейтинг статьи:
Комментарии:

Вопрос-ответ:

Что такое ядерные цепные реакции
Значение слова ядерные цепные реакции
Что означает ядерные цепные реакции
Толкование слова ядерные цепные реакции
Определение термина ядерные цепные реакции
yadernye cepnye reakcii это
Ссылка для сайта или блога:
Ссылка для форума (bb-код):