Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 77
Текст из файла (страница 77)
Важней!цсй физической величиной, характеризуюшей интенсивность размножения нейтронов, нвляется коэффициент размножения нейтронов Й Коэффициент размножения равен отношению количества нейтронов в одном поколении к их количеству в прелыдушем поколении. Индекс оо указывает, что речь илет об илеальной срсле бесконечных размеров. Аналогично величине !г„определяется коэффициент !г размно:кения нейтронов в физической системе конечных размеров.
Коэффициент Е является характеристикой конкретной установки. В деляшейся среде конечных размеров часть нейтронов будет уходить из активной зоны наружу, Поэтому коэффициент !с зависит от вероятности Р лля нейтрона не уйти из активной зоны. По опрелелению (8.17) Величина Р зависит от состава активной зоны, ее размеров, Формы. а также от того, в какой степени вешество, окружаюшее активную зону, отражает нейтроны. С возможностью ухода нейтронов за пределы активной зоны связаны важные понятия критической массы и критических размеров.
Критическилг размером называется размер активной зоны, при котороч Е = 1. Критической массой называется масса активной зоны критических размеров. При массе ниже критической размножение нейтронов не происходит, даже если й > !. Наоборот, заметное превышение критической массы ведет к неуправляемой реакции — взрыву. Если в первом поколении имеется 2л! нейтронов. то в и-м поколении их будет 1х!м. Поэтому при Е = 1 цепнан реакция идет стационарно, при Й < ! реакция гаснет, а при 2е > 1 интенсивность реакции нарастает.
При й = ! режим реакции называется критическим, при !г > 1 — надкритическим и при Е < 1 — подкритическим. Время жизни нейтронов г одного поколения сильно зависит от свойств среды и имеет порядок от 10 4 по!О ' с. Из-за малости этого времени для осушествления управляемой цепной реакции надо с болыцой точностью поддерживать равенство Е = 1, так как, скажем, при Е = 1,01 система почти мгновенно взорвется. Посмотрим, какими факторами определяются коэффициенты Й и Й.
392 Глава 8. Деленое атомных ядер таблица 8.2 Значения и, гз дяя леляшихся изотопоа Первой величиной, опрелеляюшей Й~ (илн Ге), является срелнее число и нейтронов, испускаемых в олпом акте деления. Число и зависит от вида горючего и от энергии нейтрона, вызываюшеголеление. В табл, 8.2 приведены значения и основных изотопов ялерной энергетики как лля тепловых, так и лля быстрых (Е > 1 МэВ) нейтронов. При столкновении нейтрона с тяжелым ядром всегла возможен ралиационный захват нейтрона (и, у). Этот процесс будет конкурировать с делением (реакцией (п,у)) н тем самым уменьшать коэффициент размножения. Отсюда вытекает, что второй физической величиной.
влияющей на коэффициенты й и к, является вероятность деления при захвате нейтрона ядром делящегося изотопа. Эта вероятность для моно- энергетических нейтронов, очевидно, равна (8.!8) О„1 + о'н где о„у, о„т — соответственно сечения реакций деления и радиационного захвата. Для одновременного учета как числа нейтронов на акт леления, так и вероятности радиационного захвата вводится коэффициент г1, равный среднему числу вторичных нейтронов на один захват нейтрона деляшнмся ядром г(= и (8.19) о„г + пот Величина г1 зависит от вида горючего и от энергии нейтронов.
Значения г1 для изотопов зз'Б, ззз~С. з,",Рц для тепловых и быстрых нейтронов приведены в той же табл. 8.2. Величина з1 является важнейшей характеристикой ядер горючего. 12епная реакция может идти только при г1 > 1. Качество ядерного горючего тем выше. чем больше значение г1. Качество ядерного горючего определяется также его лоступностью. В природе встречаются только три изотопа, которые могут служить ядерным топливом или сырьем лля его получения. Это изотоп тория '~~~ТЬ н изотопы урана ~эз~~Ь и ~~м~0. Из них в первых ляух изотопах цепная реакция не происходит, но они могут быть переработаны в изотопы, на которых можно осушествить цепную реакциюлеления. На изотопе ~~з~~С 393 З 2.
1(епная реакция деления возможна цепная реакция деления. В земной коре тория в несколько раз больше, чем урана. Природный торий практически состоит только из одного изотопа 23е2ТЬ. Природный уран в основном содержит изотоп 23'13 и только 0,7% изотопа 253~~13. На практике крайне важен вопрос об осуществимости цепной реакции на естественной смеси изотопов урана, в которой на одно ялро '"11 приходится примерно 140 ядер '~~213.
Покажем, что в естественной смеси изотопов на тепловых нейтронах реакция возможна, а на быстрых — нет. Для рассмотрения цепной реакции на тепловых нейтронах в естественной смеси удобно ввести величину а: а = а«1 + а«7 + !400«3, (8.20) где верхний индекс указывает массовое число соответствующего изотопа урана. Вероятность того, что нейтрон, поглотившись в естественной смеси, вызовет леление, равна 235 235 а„а„- т г'"+а'"+ !40а23"' «1 «, «7 Умножив эту вероятность на число и нейтронов, образующихся в среднем при делении одного ядра, мы получим по анатогии с (8.19) коэффициент 77' для естественной смеси: 235 «ст «1 235 + 235 ! 1,01 235 ' «1 «7 «7 (8.2!) гй«««! 32 ~ (8.22) Это означает, что 100 тепловых нейтронов, поглотившись в естественной смеси, создадут 132 новых нейтрона. Отсюда прямо следует, что цепная реакция на тепловых нейтронах на естественном уране в принципе возможна.
Но только в принципе, потому что для реального осуществления цепной реакции надо уметь с малыми потерями замедлять образующиеся при делении нейтроны с энергией от нескольких МэВ до тепловых. Для быстрых нейтронов и = 2,65, а2315 —— 1,2-1,3 бари, а'35 а23"— 0,1 бари. Если учитывать деление только изотопа ~5~~~13, получим 275,~ ш 0,03.
(8.23) Но надо еще учесть, что быстрые нейтроны с энергиями больше 1,4 МэВ могут с заметной относительной интенсивностью лелить и ядра изотопа 2532!3, которого в естественной смеси гораздо больше. При делении 2'~~С коэффициент и равен примерно 2,5. В спектре деления примерно 60% аа з««за Для тепловых нейтронов и = 2,47, а2315 — — 580 бари, а«2~5 = !12 бари, а„"" = 2,8 бари (обратите внимание на мазую величину послелнего сечения). Подставив эти цифры в (8.2 !), получим, что для тепловых нейтронов в естественной смеси 394 Глава 8. деление анзомньех ядер нейтронов имеют энергии выше эффективного порога 1,4 МэВ деления ~7213. Но из этих 60% нейтронов только один нейтрон из 5 успевает вызвать деление ~~5~~13, не замедлившись ло энергии ниже пороговой за счет упругого и особенно неупругого рассеяния.
Отсюда, учитывая, что для быстрых нейтронов сг?3?н = 0,6 бари, для коэффициента з?б",,н „получается оценка ?ЗН 140 зто;~ 2ЗН 1 з?быс ж2зз «,~гзз+ 140(п?зы + п?зы) 0,6 ° — 0,3. (8.24) «У «7 «Г «7 Полный коэффициент зз",'ы,р для реакции леления на быстрых нейтронах в естественной смеси изот«ойов урана равен сумме: сст ?35 2ЗН з)быстр г)быстр + ззгтыстр (8.25) Таким образом, на быстрых нейтронах цепная реакция в естественной смеси изотопов 'Д13 и ~з?13 идти не может. Экспериментально установлено, что для чистого метачлического урана коэффициент размножения может достигать значения единицы при обогащении изотопом 2735213 выше 5,56%. Практически оказывается, что реакцию на быстрых нейтронах можно поллерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не меньше 15% изотопа 'ф3.
Итак, для осуществления цепной реакции деления урана быстрыми нейтронами естественную смесь изотопов урана нужно обогащать изотопом ~«3~~1). Это обогащение является сложным и дорогим процессом из-за того, что химические свойства обоих изотопов почти одинаковы. Приходится использовать небольшие различия а скоростях химических реакций, диффузии и т.д., возникающие вследствие различия масс изотопов.
Цепную реакцию на ~й?13 практически всегда осуществляют в среде с большим содержанием ',3,'13. Часто используется естественная смесь изотопов урана, для которой 22 = 1,32 в области тепловых нейтронов, так как и в этом случае 27~~/ оказывается полезным. дело в том, что изотоп "н13 делится нейтронами с энергией выше 1 МэВ и это деление приводит к небольшому дополнительному размножению нейтронов. Сравним цепные реакции деления на тепловых и быстрых нейтронах. Для тепловых нейтронов сечения захвата велики и сильно изменяются при переходе от одного ядра к другому. На ядрах некоторых элементов (например, на калмии) эти сечения в сотни и более раз превосходят сечения захвата нейтронов на ",'13. Поэтому к активной зоне установок на тепловых нейтронах предъявляются требования высокой чистоты по отношению к некоторым примесям.
Для быстрых нейтронов все сечения захвата малы и не сильно отличаются друг от друга, так что проблемы высокой чистоты материалов не возникает. Важное отличительное свойство реакций на тепловых нейтронах состоит в том, что в активной зоне реакции топливо разбавлено значительно сильнее, т.е.
на одно ядро топлива приходится значительно больше не участвующих в делении ядер, чем в реакции на быстрых нейтронах. э 2. Пенная реакция деления и ра«а — Ъп, и „„ (3.26) где а „, е„„, — усредненные по энергиям сечения соответственно упругого рассеяния и захвата, а и — число столкновений нейтрона с ядрами замедлителя, необходимое для достижения тепловой энергии. При упругом рассеянии нейтрона на ядре с массовым числом А средняя потеря энергии Е при одном столкновении определяется соотношением Например, в реакции на тепловых нейтронах на природном уране на олно ядро топлива ~з~~Б приходится!40 ядер сырья ~" Б, а в «быстрой реакции» на олно ядро 'ф3 может прихолиться не более пяти-шести ядер 'фl.
Разбавленность топлива в «тепловой реакции» приводит к тому, что одна и та же энергия в «тепловой реакции» выделяется в значительно большем объеме вещества, чем в «быстрой», Тем самым из активной зоны тепловой реакции легче отводить тепло, что позволяет осуществлять эту реакцию с большей интенсивностью, чем быструю. Время жизни нейтронов одного поколения для быстрой реакции на несколько порядков меньше, чем для тепловой. Поэтому скорость протекания быстрой реакции может заметно измениться через очень короткое время после изменения физических условий в активной зоне.
При нормальной работе реактора этот эффект несуществен, поскольку в этом случае режим работы опрелеляется временами жизни залаздыеающих, а не мгновенных нейтронов. В однородной среде, состоящей только из делящихся изотопов, коэффициент размножения был бы равен «з. Олнако в реальных ситуациях, кроме делящихся ядер, всегда присутствуют другие, неделяшиеся. Зги посторонние ядра будут захватывать нейтроны и тем самым влиять на коэффициент размножения. Отсюда следует, что третьей величиной, определяющей коэффициенты $„, к, является вероятность того, что нейтрон не будет захвачен одним из неделяшихся ядер. В реальных установках «посторонний» захват идет на ядрах замеллителя, на ядрах различных элементов конструкции, а также на ядрах продуктов деления.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
