8.6.2. Цепная ядерная реакция
При делении ядра урана высвобождаются 2–3 нейтрона, которые, в свою очередь, могут вызывать деление других ядер.
Цепная ядерная реакция – реакция деления ядер, продукты которой вызывают её продолжение.
При делении одного ядра выделяется около 200 МэВ энергии, при полном делении 1 г урана выделяется 2,3104 кВтч энергии, что эквивалентно сгоранию 3 т угля или 2,5 т нефти.
Естественный уран состоит на
часть из
,
остальное –
.
Ядро
делится под влиянием как быстрых, так
и медленных нейтронов,
– только под действием быстрых нейтронов
с энергией более
1 МэВ (их не более
60% от общего числа), причём только 20% из
них делят
,
остальные – захватываются им, поэтому
цепная реакция с чистым
невозможна.
Цепная реакция происходит «поколениями» – одна группа (поколение) нейтронов расщепляет ядра, образуя следующее «поколение».
Коэффициент размножения нейтронов (k) – отношение числа нейтронов в каком-либо «поколении» к числу нейтронов в предыдущем «поколении».
Цепная реакция возможна только при k 1.
Для стационарного течения цепной реакции необходимо поддерживать k = 1 (уже при k = 1,01 произойдёт взрыв).
В случае, когда захват нейтрона атомом
деления не вызывает, образуется
с Т
23 мин.,
который распадается с испусканием
электрона и возникновением первого
трансуранового («послеуранового»,
т. е. Z
93) элемента – нептуния:
.
Нептуний -радиоактивен
с Т 48 час. При
его распаде образуется второй трансурановый
элемент – плутоний:
.
Плутоний относительно стабилен (Т 24000 лет). Важнейшая особенность плутония – он, подобно 235U, делится под влиянием медленных нейтронов и с его помощью можно осуществлять управляемые ядерные реакции с выделением огромного количества энергии.
8.6.3. Ядерный реактор
Впервые цепная ядерная реакция деления урана была осуществлена в США в 1942 г. коллективом учёных под руководством Ферми (в СССР – в 1946 г. под руководством Игоря Васильевича Курчатова (1903–1960)).
Ядерный реактор – устройство, в котором протекает управляемая ядерная реакция.
Ядра наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны, поэтому в реакторах используют замедлители.
Схема
процесса управляемой ядерной
реакции: 1 – медленный нейтрон; 2 – 235U;
3 – осколок ядра; 4 – быстрый нейтрон; 5
– замедлитель; 6 – 238U;
7 – 239U; 8 – 239Np;
9 – 239Pu.
Основные элементы реактора: ядерное
горючее (
,
,
),
замедлитель нейтронов (вода, графит и
др.), теплоноситель для отвода тепловой
энергии (вода, жидкий Na и
др.), регулятор скорости реакции (стержни,
содержащие кадмий или бор, которые при
введении (большем или меньшем) в рабочее
пространство поглощают нейтроны (больше
или меньше), изменяя скорость реакции.
Реактор заключён в оболочку (из бетона
с железом) для удержания -излучения
и нейтронов. Коэффициент размножения
k
1 только при условии, что масса горючего
и размеры реактора превышают некоторое
критическое значение.
Критическая масса (mкр) – минимальная масса делящегося вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция.
Для чистого mкр = 50 кг (в объёме шара с радиусом 9 см, так как уран – очень плотное вещество).
Применением отражающей оболочки из бериллия удалось снизить утечку нейтронов и mкр до 0,25 кг.
При полностью выведенных из зоны реакции управляющих стержнях k > 1, при полностью введённых – k < 1. Управление осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.
В настоящее время построены реакторы на быстрых нейтронах (без замедлителя).