Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 78
Текст из файла (страница 78)
Для осуществления цепной реакции на медленных нейтронах в активную зону вводят специальные вещества — замедлители, которые превращают быстрые нейтроны деления в тепловые. На практике цепная реакция на тепловых нейтронах осуществляется на естественном или слегка обогащенном изотопом ~Д13 уране.
Присутствие большого количества изотопа ~аз,'ГЗ в активной зоне усложняет процесс замедления и предъявляет высокие требования к качеству замедлителя. Жизнь одного поколения нейтронов в активной зоне с замедлителем приближенно можно разбить на две стадии: замелление до тепловых энергий и диффузия с тепловыми скоростями ло поглощения. Для того чтобы основная часть нейтронов успела замедлиться без поглощения, необходимо выполнение условия 396 Глава 8. Деление ангоиньп ядер где Еа — энергия нейтрона до столкновения.
Число и быстро растет с ростом массового числа замедлителя. Для урана ~«',«3 число и имеет порядок нескольких тысяч. Л отношение гг „/гг «» лля этого изотопа даже в сравнительно благоприятной области энергий быстрых нейтронов не превышает 50, Особенно «опасна» в отношении захвата нейтронов так называемая резонансная область от! зВ до 1О кэВ. В этой области полное сечение взаимодействия нейтрона с ядрами гэз~~Ь имеет большое число интенсивных резонансов (рис. 8.7).
Ю' При низких энергиях радиационные ширины превышаВгга ют нейтронные. Поэтому в об- Ю ласти резонансов отношение «г»»«« /е»»«» становится лаже мень ше единицы. Это означает, что при попадании в область одного из резонансов нейтрон поглощается практически со стопроцентной вероятностью. Л так как замедление на таком тяжеЮе ~г лом ядре, как уран, идет «мелг.е8 кими шагами», то пРи пРохождении через резонансную обРве.
8.7. Сечение ралиационного захвата ласть замедляющийся нейтрон нейтронов ялрами изотопа урана О в Ре- обязательно «наткнется» на олин 23» юнансной области энергиЯ из резонансов и поглотится. Отсюда следует, что на естественном уране без посторонних примесей цепную реакцию осуществить нельзя: на быстрых нейтронах реакция не идет из-за малости коэффициента «7, а тепловые нейтроны не успевают образоваться из-за большой величины сечения радиационного захвата в резонансной области энергий. Для того чтобы избежать резонансного захвата нейтрона, надо использовать для замедления очень легкие ядра, на которых замеддение идет «крупными шагами», что резко увеличивает вероятность благополучного «проскакивания* нейтрона через резонансную область энергий (рис.
8.8). Наилучшими элементами-замедлителями являются такие легкие элементы, как водород, дейтерий, бериллий, углерод. Поэтому используемые на практике замедлители в основном сводятся к тяжелой воде, бериллию, окиси бериллия, графиту, а также обычной воде, которая замедляет нейтроны не хуже тяжелой воды, но поглощает их в гораздо большем количестве. Замедяитель должен быть хорошо очищен. Заметим, что для осуществления реакции на тепловых нейтронах замедлнтеля должно быть в десятки, а то и в сотни раз больше, чем урана, чтобы предотвратить резонансный захват нейтронов ядрами -,',гб.
Замедляющие свойства активной среды приближенно могут быть описаны тремя величинами: вероятностью нейтрону избежать поглощения замедлителем во время замедления, вероятностью р избежать резонансного фЮг ч» Ю' Юе Юг Ю' 1 Ю 397 8 2. Цепная реакилл деление Быстрые Осколок .„ Ос~елок деления ~ ~ ~ деления | (Захват нейтроиа1 Быстрые ОСКОЛОК й ОСКОЛОК деления ~ ~ ~ деления (Превращение в ~~ыр к затем в ~рц1 медленные иеятсоны Ф я (Вызывают деление н1Ц, закватываютск 0 и т.лб Рис. 8.8. Схема цепной реакции деления в среде с замедлителем захвата ЯдРами зз(3 и веРоатностью 7' тепловомУ нейтРонУ поглотиться ядром горючего, а не замедлителя. Величина у называется обычно коэффициентом теплового использования. Точный расчет этих величин сложен.
Обычно для их вычисления пользуются приближенными полу- эмпирическими формулами. Величины р и у зависят не только от относительного количества замедлителя, но и от геометрии его размещения в активной зоне. Активная зона, состоящая из однородной смеси урана и замедлителя, называется гомогенной, а система из чередующихся блоков урана и замедлителя называется гетерогенной (рис. 8.9). Качественно гетерогенная система отличается от гомогенной тем, что в ней образовавшийся в уране быстрый нейтрон успевает уйти в замедли- тель, не достигнув резонансных энергий. Дальнейшее замедление идет уже в чистом замедлителе. Это повышает вероятность р избежать резонанс- 398 Глава 8.
Деление отозиных ядер ного захвата. Таким образом 1 2 рг«г ) ргом. С лругой стороны, наоборот, став тепловым в замеллителе, нейтрон должен для участия в цепной реакции продиффундировать, не поглотившись в чистом замедлителе, ло его границы.
Поэтому коэффициент теплового использования в гетерогенной среде ниже, чем в гомогенной; Рие.8.9. Схема расположения ядерного горючего п замелянтеяя в активной зоне гетерогенной системы: 1 — блоки ядерного горючего, 2 — замедаитель Уг«г С ~гон Для оценки коэффициента размножения (е«о теплового реактора используется приближенная формула чегньгрех гомножигнелей (8.27) Первые три сомножителя уже были рассмотрены ранее. Величина е называется коэффициентом размножения на быстрых нейтронах. Этот коэффициент вводится для того, чтобы учесть, что часть быстрых нейтронов может произвести деление, не успев замедлиться.
По своему смыслу коэффициент е всегла превышает единицу. Но это превышение обычно невелико. Типичным для тепловых реакций является значение е = 1,03. Для быстрых реакций формула четырех сомножителей неприменима, так как каждый коэффициент зависит от энергии и разброс по энергиям при быстрых реакциях очень велик. Поскольку величина 0 определяется видом топлива, а величина е для медленных реакций почти не отличается от единицы, то качество конкретной активной среды определяется произведением ру. Так, преимушество гетерогенной среды перед гомогенной количественно проявляется в том, что, например, в системе, в которой на одно ядро естественного урана приходится 215 ядер графита, произвеление ру' равно 0,823 для гетерогенной среды и 0,595 для гомогенной.
А так как для естественной смеси г7 = 1,32, то мы н получим, что для гетерогенной среды яоо ) 1, а для гомогенной А;, < 1. Для практического осуществления стационарно текущей цепной реакции надо уметь этой реакцией управлять. Управление существенно упрощается, благоларя образованию при делении эапаэдывающих нейтронов. Подавляющее большинство нейтронов вылетает из ядра практически мгновенно (т.е.
эа время, на много порядков меньшее времени жизни поколения нейтронов в активной зоне), но несколько десятых процента нейтронов являются запаэдывающими и вылетают из ядер-осколков через довольно большой промежуток времени — от долей секунлы до нескольких лесятков секунл. Качественно влияние запаэдывающих нейтронов можно пояснить так.
Пусть коэффициент размножения мгновенно возрос 399 8 3. Ядерный реаннзор от полкритического значения ло такого налкритического. что й < 1 при отсутствии запазлываюших нейтронов. Тогда, очевидно, цепная реакция начнется не сразу, а лишь после вылета запаздывающих нейтронов. Тем самым процесс течения реакции булет резулируемым, если время срабатывания регулирующих устройств будет меньше сравнительно большого времени испускания запазлывающих нейтронов.
а не очень малого времени развития цепной реакции. доля запаздываюших нейтронов в ядерных горючих колеблется от 0,2 до 0,7%. Среднее время жизни запаздывающих нейтронов 10 с. Захват нейтронов не участвующими в цепной реакции ялрами снижает интенсивность реакции, но может быть полезным в отношении образования новых леляшихся изотопов. Так, при поглощении нейтронов изотопами урана ~~зз~Ь и торна ~~~зТ1з образуются (через лва последовательных,д-распада) изотопы плутония ~з~4Рц и урана ~~а~~!3, являющиеся ядерным горючим: ззз за д . 23 ин ззз р, зл ннн зм и+ азу ~.
)за — — ~ зз1ЦР— ~ мРц, (8.28) ззз ззз д . зз ззз В . м х я ззз и+ Т1з мТй 8зра ' ю13. (8.29) Эти две реакции открывают реальную возможность воспроизводснзва ядерного горючего в процессе цепной реакции. В идеальном случае, т.с. при отсутствии ненужных потерь нейтронов, на воспроизводство может идти в среднем з7 — 1 нейтронов на каждый акт поглощения нейтрона ядром горючего, $3. Ядерный реактор Реактором называется устройство, в котором подлерживается управляемая цепная реакция леления. При работе реактора происхолит выделение тепла за счет экзотермической реакции деления.
Основной характеристикой реактора является его мощность — количество тепловой энергии, выделяющейся в елиницу времени. Мощность реактора измеряется в мегаватгах. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происхолит 3 10м актов деления в секунду. Имеется большое количество разных типов реакторов. Олна из типичных схем теплового реактора изображена на рис. 8,10, Основной частью реактора является активная зона, в которой протекает реакция деления, что приводит к выделению энергии. В тепловых реакторах активная зона состоит из горючего, как правило.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
