Б.С. Ишханов, И.М. Капитонов, Н.П. Юдин - Частицы и атомные ядра (1120562), страница 79
Текст из файла (страница 79)
смешанного с неделяшимся изотопом (обычно 'аз!3) и из замедлителя. В активной зоне реакторов на быстрых нейтронах замеллителя нет. Объем активной зоны варьируется от десятых лолей литра в некоторых реакторах на быстрых нейтронах до десятков кубометров в больших тепловых реакторах. Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне 400 Глава 8. Деление алгомных «дед стержни регулирования н аварийной зашиты элемент каналлля протока теплоносителя Рне. 8.!О. Схема гетерогенного теплового реактора придают сферическую или близкую к сферической форму (например, цилиндр с высотой, примерно равной диаметру, или куб). В зависимости от относительного расположения горючего и замедлителя различают гомогенные и гетерогенные реакторы.
Примером гомогенной активной зоны может служить раствор уранил-сульфатной соли и ПзЯОе в обычной или тяжелой воде. Более распространены гетерогенные реакторы, В гетерогенных реакторах активная зона состоит из замедлителя, в которглй помещаются кассеты, содержащие горючее. Поскольку энергия выделяется именно в этих кассетах, их называют тепловыделлюгдпми элементами или сокращенно «галлами. Для управления реактором в активную зону реактора вводят стержни регулирования и аварийной защиты. Эти стержни содержат материал с болыцим сечением захвата тепловых нейтронов.
Активная зона с отражателем часто заключается в стальной кожух. 54. Роль запаздывавщих нейтронов в управлении ядерным реактором Рассмотрим сначала развитие во времени цепной реакции без учета запаздывающих нейтронов. Пусть в системе с коэффициентом размножения к среднее время жизни нейтронов одного поколения равно Т.
Тогда за единицу времени число нейтронов АГ изменится в (гс — ~)(Т раз, т. е. ИЖ АГ((с — 1) гм' Т в 4. Роль запазс)ываюнсих нейгпронов в управленнн реакгнорож 401 откуда 1У = 1згое ~'", где !Ус — начальное число нейтронов и Т то = lс — 1 Величина Т лежит в пределах 1О с-10 з с для медленных реакций и 1О '-10 " с для быстрых. Отсюда видно, что даже в самом благоприятном для управления случае (Т =- !О с с) количество нейтронов возрастет в 100 раз при й — ! = 1О ' за 4,6 с, а при !с — ! = 1О ' за 0,46 с.
Но такое увеличение интенсивности реакции ведет к перегреву установки и выходу ее из строя. Для быстрых реакций перегрев развивается значительно быстрее и поэтому сше более опасен. Посмотрим теперь, что дает учет запаздываюших нейтронов. Для простоты будем считать. что среднее время жизни Т„н запаздываюших нейтронов одинаково лля всех осколков. Полный коэффициент размножения й в этом случае можно представить в виде суммы (8.31) гс = генон + язап коэффициентов размножения соответственно на мгновенных и запазды- ваюших нейтронах. Если доля запаздываюших нейтронов равна О. то к, = )Зк, к„„„= (1 —,б)!с.
(8.32) Уравнение (8.30) теперь заменится системой уравнений с!Л !с„„„— 1 С аС й „С (8.33) с!! Т 7' „' ас Т Т „' где через С обозначено число осколков, способных к испусканию запаздываюших нейтронов. Первое из уравнений (8.33) отражает тот факт, что число нейтронов изменяется за счет испускания мгновенных нейтронов (й„п, мгновенных нейтронов на один поглошенный) и за счет распада осколков, испускаюших запазлываюшие нейтроны. Смысл второго уравнения состоит в том, что изменение числа ядер, испускающих запаздывающие нейтроны, обусловлено рожлением в срелнем !с „ядер при захвате одного нейтрона и распадом этих ядер.
Исслелование системы (8.33) начнем с критического режима, в котором по определению !с = 1, й „= )3, т.е. й„,„= 1 — р. В этом случае система имеет стационарное решение с()У/с(1 = с!С/с11 = О, лля которого кр (8.34) Доля запаздываюших нейтронов в ядерных горючих колеблется от 0,2 до 0,7%. Среднее время жизни запаздываюших нейтронов составляет приблизительно 10 с (на самом деле имеется несколько разных нейтронноактивных осколков с временами жизни от долей секунды до минуты; это 402 Глава 8. Деление ааолгных ядер усложнение делает расчет более громоздким, но не меняет качественных выводов). Отсюда следует, что во всех реальных случаях (3Т „)) Т, так что (8.35) Сер ) 1Укр Этот результат может показаться паралоксальным: в активной зоне при протекании стационарной цепной реакции ядер, испускающих запаздывающие нейтроны, как минимум на два порядка больше, чем нейтронов.
Ядра, испускающие запаздывающие нейтроны, рожлаются в сотни раз реже, чем нейтроны, но зато живут в десятки тысяч, а то и в миллионы раз дольше. Уже отсюла видно, что роль запаздываюших нейтронов в кинетике цепной реакпии оказывается весьма важной. Скорость нарастания интенсивности цепной реакции вообще не зависит от времени жизни одного поколения нейтронов и практически определяется только запазлываюшими нейтронами. Поскольку величина рТ, имеет порядок 5 !О з с, то ясно, что наличие запазлываюших нейтронов по крайней мере на два порялка снижает скорость нарастания интенсивности.
Например, при я — 1 = !О ' за 0,5 с число нейтронов увеличится уже не в сто раз (см. выше), а лишь на 10%. Таким образом, наличие запаздываюших нейтронов решающим образом упрощает проблему регулирования скорости протекания цепной реакции, причем не только на тепловых, но и на быстрых нейтронах. 55. Ядерный взрыв В отличие от ядерных реакторов, в которых происходит регулируемая ядерная реакпия деления, при ядерном взрыве происхолит экспоненпнально быстрое освобожление большого количества ядерной энергии, продолжающееся до тех пор, пока не израсходуется весь ядерный заряд. Ядерная энергия может освобождаться в больших количествах в двух процессах — в цепной реакции деления тяжелых ядер нейтронами и в реакциии синтеза легких ядер.
Обычно в качестве ядерного заряда используют чистые изотопы ззз13 и ззэрп. Схематически устройство ядерной бомбы показано на рнс. 8. ! ! Для осуществления ядерного взрыва в результате пепной реакции деления необходимо, чтобы масса делящегося вещества (урана-235, плутония-239 и др.) превышала критическую (лля чистого металлического з'Ъ сферической формы это 50 кг, лля аналогичного образна "эрв— 1! кг). До взрыва система должна быть подкритической. Обычно это многослойная конструкция. Переход в надкритическое состояние происходит за счет концентрации делящегося вещества с помощью сходящейся сферической детонационной волны.
Для такой концентрации (сближения) обычно используется химический взрыв вещества из сплава тротила 403 в 5. Ядерный взрыв 22Я лочка из О дернов взрывчатое НЯ 222 щеетао ( О или Ро) Злектрзячеекий запал Химическое зрывчатое веялеетво Рис.а.11. Схема ядерной бомбы и гексогена. При полном делении 1 кг урана выделяется энергия, равная энерговыделению при взрыве 20 килотонн тротила. Ядерный взрыв развивается за счет экспоненциально растущего со временем числа разделившихся ядер: )у(!) = чае' Среднее время т между двумя последовательными актами деления !О " с.
Отсюда можно получить для времени полного деления 1 кг ядерной взрывчатки величину 10 '-10 е с. Это и определяет время ядерного взрыва, В результате большого энерговыделения в центре ядерной бомбы температура поднимается до 10" К, а давление — до !О'2 атм. Вещество превращается в разлетающуюся плазму. Для осуществления термоядерного взрыва используются реакции синтеза легких ядер: Н+ Н вЂ” 'Не+ и+17,59 МэВ, Н+ Н- Не+и+3,27МэВ, Н+ Н- Н+р+4,03 МэВ, Не+ Н- Не+рч-18,35 МэВ, !.!+и-я Н+ Не+4,7Ь МэВ. Сама идея устройства термоядерной бомбы чрезвычайно проста. Это цилиндрический контейнер с жидким лейтерием 12Н). Дейтерий нагревается после взрыва ядерной бомбы, При достаточно сильном нагреве 404 Глава 8. Леление атомных ядер должно вылеляться большое количество энергии в результате реакции термоялерного синтеза межлу ялрами дейтерия.
Температура, необходимая для начала термоядерной реакции, должна составлять миллион градусов. Однако детальное исследование величины сечения реакции синтеза ялер дейтерия, от которой зависит скорость распространения реакции горения, показало, что она протекает недостаточно эффективно и быстро. Тепловая энергия, которая высвобождается за счет термоялериых реакций, рассеивается гораздо быстрее, чем пополняется за счет последующих реакций синтеза. Естественно, в этом случае взрывной процесс происходить не будет. Произойдет разброс горючего материала. Принципиально новое решение состояло в том, чтобы инициирование термоядерной реакции происходило в результате создания сверхплотной срелы дейтерия.
Был прелложен способ создания сверхплотной среды дейтерия под действием рентгеновского излучения, образующегося при взрыве ядерной бомбы, причем в качестве исходного горючего вещества для термоядерного синтеза использовался не жидкий дейтерий, а твердое соединение — дейтерид лития ~ЫН. В результате сжатия горючего вещества происходит самоподдерживающаяся реакция термоядерного синтеза. Схематически реализация этого подхода иллюстрируется рис. 8.! 2. После взрыва ядерного заряда рентгеновские лучи, испущенные из области ядерного заряда, распространяются по пластмассовому наполнителю, ионизуя атомы углерода и водорода.
Урановый экран, расположенный межлу областью ядерного заряда и объемом с дейтеридом лития, предотвращает преждевременный нагрев дейтерида лития. Под действием рентгеновских лучей и высокой температуры в результате абляции возникает огромное давление, сжимающее капсулу с дейтеридом лития.
Плотность материала капсулы возрастает в десятки тысяч раз. Находящийся в центре плутониевый запал в результате сильной ударной волны также сжимается в несколько раз и переходит в надкритическое состояние. Быстрые нейтроны, образовавшиеся при взрыве ядерного заряда, замедлившись в дейтериде лития до тепловых скоростей, приводят к цепным з 5. Ядерный взрыв 405 реакциям деления плутония, что действует наподобие дополнительного запала, вызывающего рост давления и температурьь Температура. возникающая в результате термоядерной реакции, повышается до 300 млн К, что и приводит в конечном счете к взрывному процессу. Весь процесс взрыва длится в течение десятых долей микросекунды.
Термоядерные бомбы значительно мощнее ядерных. Обычно их тротиловый эквивалент 100-1000 кт (у ядерных бомб он 1-20 кт). При ядерном взргяве в воздухе образуется мощная ударная волна. Радиус поражения обратно пропорционален кубическому корню из энергии взрыва. Для ядерной бомбы 20 кт он около 1 км. Освободившаяся энергия в течение нескольких микросекунд передается окружающей среде. Образуется ярко светящийся огненный шар. Через 1О з-!О ' с он достигает максимального радиуса ! 50 м, температура его падает до 8 000 К (ударная волна уходит далеко вперед).
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
