Ланцюгова реакція поділу - студопедія

Ланцюговий процес. В основі ланцюгового процесу завжди лежить екзоенергетіческая реакція, що володіє тим властивістю, що вона збуджується частинкою і породжує вторинні частки. Поява в середовищі необхідної частки викликає ланцюг наступних одна за одною реакцій, яка триває до обриву внаслідок втрати частки-носія процесу. Основних причин втрат - дві: поглинання частинки без випускання вторинної та догляд частки за межі обсягу речовини, в якому протікає ланцюгової процес. Якщо в кожному акті реакції з'являється тільки одна частинка-носій, то ланцюгова реакція називається неразветвленной. Неразветвленная ланцюгова реакція не може стати самоподдерживающейся.

Якщо в кожному акті реакції з'являється більше однієї частинки, то виникає розгалужена ланцюгова реакція, бо одна з вторинних частинок продовжує розпочату ланцюг, а інші дають нові ланцюги, які знову розгалужуються. Правда з процесом розгалуження конкурують процеси, що призводять до обривів ланцюгів, і складається ситуація породжує специфічні для розгалужених ланцюгових реакцій граничні або критичні явища. Якщо число обривів ланцюгів більше, ніж число з'являються нових ланцюгів, то ланцюгова самопідтримується реакція виявляється неможливою. Якщо ж число утворюваних нових ланцюгів перевершує число обривів, ланцюгова реакція швидко поширюється по всьому об'єму речовини при появі хоча б однієї початкової частки. Критичний стан характеризується рівністю між числом нових ланцюгів і числом обривів.

Ланцюгова реакція поділу. Розподіл важкого ядра порушується одним нейтроном, а в результаті поділу з'являється більше одного нейтрона. Отже, реакція поділу може породити самопідтримується ланцюгову реакцію, носіями будуть служити нейтрони.

Коефіцієнт розмноження. Оскільки кожна нова ланцюг починається однією часткою, то розмноження ланцюгів є розмноження частинок. Тому для опису розвиваються в розгалужених ланцюгових реакціях явищ користуються поняттям коефіцієнта розмноження частинок, під якими в подальшому завжди будуть матися на увазі нейтрони. Кожен нейтрон, який бере участь в ланцюговому процесі, проходить цикл звернення: народжується в реакції поділу, деякий час існує у вільному стані, потім або втрачається, або породжує новий акт поділу і дає нейтрони наступного покоління. Коефіцієнтом розмноження нейтронів k називається відношення числа нейтронів наступного покоління до їх числа в попередньому поколінні в усьому обсязі розмножуються нейтрони середовища. Покоління нейтронів при безперервному їх зверненні розділені середнім часом нейтронного циклу.

Критичний стан характеризується умовою k = 1. при k<1 состояние вещества называется подкритическим и цепная реакция затухает, если в начальный момент в среде существовало какое-то число нейтронов, а если в начальный момент нейтронов не было, то цепная реакция вообще невозможна. В надкритическом состоянии k>1 і ланцюгова реакція лавиноподібно наростає до тих пір, поки в силу будь-яких причин не стане k<1. Поскольку тяжелые ядра могут делиться самопроизвольно, то какое-то малое число нейтронов всегда присутствует в среде, включающей тяжелые нуклиды, а значит, всегда находится первый нейтрон, начинающий цепной процесс. Кроме того, свободные нейтроны появляются повсюду как продукты ядерных реакций, возбуждаемых космическими частицами, так что при достижении состояния с k>1 ланцюгова реакція поділу починається сама по собі і негайно.

Ядерний реактор. Досягнення критичного стану становить найбільший інтерес з точки зору отримання контрольованого джерела енергії. У критичному стані число нейтронів не змінюється в часі. Отже, число поділок в одиницю часу, а значить енерговиділення, постійні.

Введення в розмножуються середу додаткової кількості ділиться матеріалу призводить до надмірного розмноження ланцюгів реакцій, тобто супроводжується підвищенням k. Навпаки, введення поглинача нейтронів збільшує число обривів ланцюгів і знижує k. Крім того, можливе застосування речовин-відбивачів нейтронів, переміщення яких поблизу роазмножающей середовища зменшує або збільшує втрати нейтронів через витік, що також змінює число обривів ланцюгів. Маніпуляції зазначеними елементами управління дозволяють починати ланцюгову реакцію, досягати будь-якого рівня потужності, підтримувати стаціонарний режим в критичному стані і припиняти ланцюгової процес. Установка з контрольованою ланцюговою реакцією поділу і являє собою ядерний реактор. Та частина реактора, яка містить матеріал, що ділиться і в якій протікає ланцюгова самопідтримується реакція поділу, називається активною зоною реактора.

Критичні параметри. Звернення коефіцієнта розмноження в одиницю досягається збалансуванням розмноження нейтронів з їх втратами. Причин втрат фактично дві: захоплення нейтрона без поділу і витік нейтронів за межі розмножуються середовища. Внесок в втрати процесу бета-розпаду нейтрона дуже малий через дуже великої різниці між часом життя нейтрона в реакторі (10 -3 с) і часом життя вільного нейтрона (

10 3 с). Конкуренція між процесами поділу і радіаційного захоплення насамперед визначається співвідношенням кількостей ділиться і інших матеріалів в обсязі активної зони реактора. Витік нейтронів з активної зони залежить від її розмірів і геометричної форми.

Завдання визначення умов, при яких k = 1 зазвичай розбивається на дві частини: спочатку визначається коефіцієнт розмноження в середовищі без витоку, тобто в нескінченному середовищі. Відповідний коефіцієнт розмноження називається коефіцієнтом розмноження в нескінченному середовищі ko. Очевидно, що k

Якщо ko> 1, то завжди існує обсяг кінцевих розмірів, в якому може бути досягнута умова:

де # 969; є частка повного числа утворюються в реакторі нейтронів, поглинених в активній зоні реактора, або ймовірність для нейтрона уникнути витоку з кінцевого обсягу активної зони. Частка втрачених внаслідок витоку нейтронів при цьому дорівнює 1 # 969 ;. число # 969; залежить від геометричних розмірів і може бути як завгодно мало при зменшенні обсягу активної зони.Геометріческіе розміри активної зони, яким відповідає k = 1. називаються критичними розмірами. а маса подільного матеріалу в критичному обсязі - критична маса.

Діляться матеріали. У чистому що діляться матеріалі, наприклад в 235 U. ланцюгова реакція легко здійсненна. Якщо знехтувати уповільненням нейтронів при неупругом розсіянні, можна вважати, що нейтрони викликають поділ, маючи енергію 2 МеВ. Число вторинних нейтронів при цій енергії нейтронів одно 2,68. Радіаційний захват на 235 U знижує коефіцієнт розмноження:

Якщо використовувати дані таблиці 4.56, то отримаємо ko = 2,58. Велике значення ko призводить до відносно малої критичної маси. У таблиці 4.7 наведені критичні маси кульових тіл з матеріалів, що діляться і відповідні радіуси критичних куль.

Таблиця 4.6. Перетини 238 U і 235 U при Е = 2 МеВ.

Слід зазначити, що при застосуванні відбивачів нейтронів критичні маси знижуються і можуть бути в 2-3 рази менше наведених у таблиці. Вартість чистих матеріалів, що діляться дуже висока і їх застосування обмежується головним чином військовими цілями. Для отримання енергії в ядерних реакторах використовується природний або низькозбагачений ізотопом 235 U уран.

Природний уран. Зустрічається в природі уран має наступний ізотопний склад:

Через дуже малій концентрації 235 U отримання ланцюгової реакції безпосередньо в металевому природному урані неможливо. Так як перетину 238 U і 235 U при високих енергіях нейтронів відрізняються незначно, а концентрація 235 U в природному урані мала, то 235 U не відіграє суттєвої ролі в розмноженні нейтронів, а 238 U підтримувати ланцюгову реакцію поділу не може з наступних причин. Хоча при енергії 2 МеВ перетин ділення 238 U становить помітну величину, воно швидко знижується при зменшенні енергії, практично звертаючись в нуль при енергії 1 МеВ. Тільки половина нейтронів в спектрі має енергію понад 2 МеВ, однак і ці нейтрони в зіткненнях з ядрами 238 U головним чином відчувають неупругие розсіювання, а не викликають поділу, оскільки # 963; n 'багато більше # 963; f. В результаті, тільки 10% нейтронів встигнуть поставити під поділу ядра 238 U. перш, ніж енергії нейтронів знизяться до величин нижче порога поділу. В металевому урані ko досягає одиниці тільки при збагаченні ізотопом 235 U до 5%.

Разом з тим ланцюгова реакція може бути отримана в сумішах природного або низькозбагаченого урану з речовинами-сповільнювачами нейтронів. При досить великій кількості ядер сповільнювача нейтрони швидше сповільнюються до теплової енергії, ніж поглинаються в 238 U. Перетин поглинання в тепловій області для 235 U в 250 разів більше, ніж у 238 U. Тому навіть для природної суміші поглинання ядрами 235 U ймовірніше. У сумішах з слабопоглощающімі властивостями - важкою водою, берилієм і графітом може бути досягнуто критичний стан при використанні природного урану.

Гомогенний і гетерогенний реактор. Якщо сповільнювач і уран складають рівномірну суміш, наприклад розчин солі урану в воді, реактор називається гомогенним. Якщо ж уран розміщений в сповільнювачі у вигляді окремих блоків, то реактор називається гетерогенним. Зазвичай паливо в гетерогенному реакторі знаходиться в твелах, які для зручності перевантаження збираються в паливні збірки або ТВС (тепловиділяючих збірок).