Цепная реакция деления и ядерные реакторы

Цепная ядерная реакция (ЦР)– это реакция деления ядер урана и плутония нейтронами, рождающимися при делении. Необходимое условие протекания самоподдерживающейся ЦР – рождение в каждом очередном акте деления не менее одного нейтрона. Достаточность этого условия зависит от исхода конкуренции четырех процессов, имеющих место в размножающей среде (среде содержащей нуклиды ядерного топлива):

- деление ядер топлива;

- радиационный захват в топливе;

- радиационный захват нейтронов конструкционными материалами активной зоны и неделящимися компонентами топлива;

- утечка (вылет) нейтронов за пределы размножающей среды.

При бомбардировке нейтронами может происходить деление ядер топливных изотопов на несколько ядер-осколков с испусканием a-, b- и g-излучения, а также n мгновенных и запаздывающих нейтронов деления. Мгновенные нейтроны образуются сразу же при делении, запаздывающие нейтроны – в результате b-распада нестабильных ядер-осколков деления.

.

Атомные массы ядер-осколков (рис. 1.3.) лежат в пределах А = 70–164. Удельный выход более лёгких и более тяжёлых ядер-осколков мал <10^-4 %. Удельный выход реакций (каналов) с двумя осколками >98 %. Наиболее вероятное отношение масс осколков 3:2. Кинетическая энергия осколков изменяется обратно пропорционально их массе: Е₁/Е₂ = m₂/m₁. Энергия осколков ≈0,8 от энергии реакции деления.

Согласно расчетным и экспериментальным данным при распаде одного ядра урана-235 выделяется около 200 МэВ. Часть энергии утекает из ЯР. Основная теплоотдача идет при торможении ядер-осколков в топливной матрице при их среднем пробеге 8–10 мкм, из-за чего топливо разогревается, а сами осколки остаются внутри топливных таблеток.

Рис. 1.3. Зависимость удельного выхода от массового числа

ядер-осколков для урана-235

Ясно, что для осуществления контролируемой ЦР в ЯР необходимо поддерживать баланс нейтронов: скорость генерации нейтронов должна быть равна сумме скоростей их поглощения и утечки.

Реактивностью ЯРназывается величина

ρ=(k_эф-1) / k_эф.

Так как при нормальной эксплуатации k_э » 1, то r » dk_э. Реактивность ЯР – это изменение числа нейтронов, рожденных в двух последовательных поколениях.

Реактивность – безразмерная величина и измеряется в следующих единицах:

· десятичных долях δk_эф/k_эф;

· процентах (δk_эф/k_эф) 100%;

· долях запаздывающих нейтронов β.

Кроме указанных единиц, для измерения реактивности используют такие единицы, как доллар и цент. Реактивность величиной в одну β равна реактивности один доллар.

Реактивность r = 0,006 (0,6 %) означает, что на тысячу нейтронов предыдущего поколения в новом поколении их будет на шесть больше. Казалось бы, это мало. Однако если учесть что время жизни поколения 10^-3–10^-5 с и при каждом делении нейтроном ядра урана-235 рождается, в среднем, 2,5 быстрых нейтрона, рост числа нейтронов даже с учетом их частичного поглощения и утечки за 1 с будет просто впечатляющим.