ядерные цепные реакции

ЯДЕРНЫЕ ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ -ядерные реакции, в к-рых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Пока единственная известная Я. ц. р.- реакция деления урана и нек-рых трансурановых элементов (напр., ²³⁹Рu) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена Э. Ферми (Е. Fermi) в 1942. После открытия деления ядер У. Зинн (W. Zinn) и Л. Силард (L. Szilard) (США) и Г. Н. Флёров показали, что при делении ядра U вылетает больше 1 нейтрона:

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 K=vf нейтронов след. поколения, к-рые вызовут деление (К наз. коэф. размножения нейтронов). При К> 1 число нейтронов будет возрастать со временем t по закону n = n₀е^{(K-1) t/t}, где t - время жизни поколения нейтронов. Если К-1=0, то число делений в единицу времени постоянно и может быть осуществлена самоподдерживающаяся Я. ц. р. 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, эфф. сечение деления мало (s_д = 0,3 барна). Напротив, ядро ²³⁵U делится под действием нейтронов любых энергий, причём s_д резко возрастает с уменьшением . При делении ядра ²³⁸U или ²³⁵U под действием быстрого нейтрона вылетает в ср. v = 2,5 нейтрона с энергией от 0,1 МэВ до 14 МэВ. Это означает, что при отсутствии потерь энергии Я. ц. р. могла бы развиться в природном уране. Однако потери есть: ядра ²³⁸U могут захватывать нейтроны с образованием ядра ²³⁹U (см. Радиационный захват ).Кроме того, при столкновении нейтронов с ядром происходит также 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.). Сечение деления ²³⁵U на тепловых нейтронах s_д²³⁵ = 582 барна, сечение радиац. захвата в ²³⁵U (с образованием ²³⁶U) s_p²³⁵ = 100 барн, а s_p²³⁸ = 2,73 барна. При делении тепловыми нейтронами v = 2,44. Отсюда следует, что число нейтронов h, к-рые могут вызвать деление, приходящееся на 1 поглощённый тепловой нейтрон предыдущего поколения, равно

Здесь r²³⁸/r²³⁵ - отношение концентраций ²³⁸U и ²³⁵U. Соотношение (2) 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 захвата нейтрона ²³⁸U имеет резонансный характер, т.е. достигает очень больших значений в определ. узких интервалах энергии (см. Нейтронная спектроскопия ).В однородной (г ом о г е н н о й) 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 ядер 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 v 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- коэф. размножения на быстрых нейтронах; если j - вероятность избежать резонансного поглощения, то только ehj нейтронов замедлятся до тепловой энергии. Часть тепловых нейтронов поглотится в замедлителе. Пусть q - вероятность того, что тепловой нейтрон поглотится в уране (коэф. теплового использования нейтронов). В гомогенной системе

в гетерогенной системе

Здесь r_U, r_З-концентрации урана и замедлителя, s^U_п, s^З_п - соответствующие сечения поглощения, Ф-потоки нейтронов. В результате на 1 тепловой нейтрон первого поколения, вызывающий деление, приходится = ehjq нейтронов след. поколения, к-рые могут вызвать деление; - коэф. размножения нейтронов в бесконечной гетерогенной системе. Если > 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 К_эф=Р нейтронов, и если К_эф>1, то число делений растёт экспоненциально и реакция является 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 радиусом 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. К_эф-1=0, то такую систему наз. к р и т и ч е с к о й (и её радиус - критическим).

Для осуществления Я. ц. р. в природном уране на тепловых нейтронах используют в качестве замедлителя вещества 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^-3 с). Однако наряду с нейтронами, вылетающими из ядра практически мгновенно (за время 10^-16 с), существует небольшая доля m т. н. з а п а з д ы в аю щ и х н е й т р о н о в, 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 К_эф> 1 + m, то в р е м я р а з г о н а Я. ц. р. Т (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: К_эф- 1<<m, тогда

т. е. мгновенные нейтроны не играют роли в развитии реакции. Т. о., если К_эф< 1 + m, то Я. ц. р. будет развиваться только при участии запаздывающих нейтронов за время порядка минут и будет хорошо регулируемой (см. Ядерный реактор).

Я. ц. р. осуществляется также на уране, обогащённом ²³⁵U, и в чистом ²³⁵U. В этих случаях она идёт и на быстрых нейтронах. При поглощении нейтронов в ²³⁸U образуется ²³⁹U, а из него после двух b-распадов- ²³⁹Рu, к-рый делится под действием тепловых нейтронов с v = 2,9. При облучении нейтронами ²³²Th образуется делящийся на тепловых нейтронах ²³³U (см. Ядерное горючее ).Кроме того, Я. ц. р. возможна в ²⁴¹Рu и изотопах Cm и Cf с нечётными массовыми числами.

Лит. см. при ст. Ядерный реактор. П. Э. Немировский.

   <<      Предметный указатель      >>