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., 239 Рu) 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:

5136-12.jpg

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 = n0 е(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. 238U(99,29%) и 235U (0,71%).Ядро 238U делится только под действием быстрых нейтронов с энергией 5136-13.jpg> 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 5136-14.jpg. 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. замедление нейтронов при их столкновении с лёгкими ядрами (2 Н, 12 С и др.). Сечение деления 235U на тепловых нейтронах s д235 = 582 барна, сечение радиац. захвата в 235U (с образованием 236U) sp235 = 100 барн, а sp238 = 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

5136-15.jpg

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. 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

5136-16.jpg

в гетерогенной системе

5136-17.jpg

Здесь rU, r З -концентрации урана и замедлителя, sU п, s З п - соответствующие сечения поглощения, Ф -потоки нейтронов. В результате на 1 тепловой нейтрон первого поколения, вызывающий деление, приходится 5136-18.jpg= ehjq нейтронов след. поколения, к-рые могут вызвать деление; 5136-19.jpg - коэф. размножения нейтронов в бесконечной гетерогенной системе. Если 5136-20.jpg> 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=5136-21.jpg 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. 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 5136-22.jpg14,4 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

5136-23.jpg

т. е. запаздывающие нейтроны не участвуют в развитии Я. ц. р. Практически важен др. предельный случай: К эф- 1<

5136-24.jpg

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- 239 Рu, 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 241 Рu и изотопах Cm и Cf с нечётными массовыми числами.

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

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия..1988.



Физическая энциклопедия 

ЯДЕРНЫЕ МОДЕЛИ →← ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО

T: 0.125324277 M: 3 D: 3