Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 163
Текст из файла (страница 163)
Для конкретности мы будем иметь в виду реактор на естественном или слабо обогащенном уране. Основная часть вторичных нейтронов появляется при делении ядер урана-235 тепловыми нейтронами. Но при делении образуются главным образом быстрые нейтроны. Чтобы сделать их более эффективными, используют различные замедлители, при рассеянии на ядрах которых нейтроны и замедляются до тепловых скоростей. Поэтому рассматриваемый реактор является реакгпором на тепловых нейтрон х. Г!риводимая ниже формула (95.4) относится именно к таким реакторам. В процессе замедления нейтрон можег поглотиться ядрами езе1!, ядрами замедлителя и ядрами других конструктивных элементов реактора.
Ясно, что коэффициент размножения пропорционален вероятности р того, что нейтрон не будет поглощен такими ядрами. Конечно, некоторые ядра урана-238 разделятся быстрыми нейтронами, еще не успевшими замедлиться. Это обстоятельство учитывается введением множителя е козффициеигпа размнохсения на бысперых нейтпронах. Коэффициент размножения на быстрых нейтронах есть отношение числа нейтронов, возникших при делении на быстрых и тепловых нейтронах к числу нейтронов, возникших при делении только на тепловых нейтронах. Введем еще коэффициент теплового использования ?— вероятность того, что замедлившийся нейтрон будет поглощен ядрами изотопов урана, а не ядрами замедлителя и других конструктивных материалов реактора.
Тогда (95.4) Поскольку размеры активной зоны конечны, часть нейтронов будет уходить из нее наружу. Поэтому можно положить (95.5) где Р— вероятность гого, что нейтрон не уйдет из активной зоны. Эчв формула справедлива для реакторов любого вида, независимо о"г конкретного выражения для й,. Она сохраняет смысл и для атомной бомбы, активная зона которой состоит из чистого урана-235 или плутония-239. Величина Р зависит от состава, размеров и формы активной зоны, а также от среды, окружающей активную зону.
Если з 95) 11енная реакция и ядерные реакторы такая среда отражает нейтроны обратно в активную зону,то она увеличивает Р. В этом случае она называется отраонлеаелем и состоит из легких атомов, слабо поглощающих нейтроны (графит, бериллий). Как уже указывалось ныше, для работы реактора необходимо, чтобы й = й Р > 1. В пределе, когда й Р = 1, цепная реакция, происходящая в реакторе, является самоподдерживающейся, стационарной.
Размеры и массу активной зоны, а также вероятность Р, когда в реакторе становится возможной самоподдерживающаяся цепная реакция, т. с. когда Р= Р „,=1/й (95.6) называют критическими. Эти величины, конечно, зависят от состава и формы активной зоны, а также от устройства реактора. Для уменьшения утечки нейтронов активной зоне придают сферическую или близкую к сферической форму, например форму цилиндра с высотой порядка диаметра илн форму куба, так как для тел такой формы отношение поверхности к объему тела минимально или близко к минимальному.
Для чистого ззе П критическая масса приблизительно равна 0,8 кг, для зв" Рп — 0,5 кг, для ~в'Сà —. 10 г. Если масса активной зоны значительно превышает критическую, то цепная реакция приобретает характер взрыва. На этом принципе основано действие атомной бомбы. Последняя состоит из двух или болыпих частей, содержащих уран-235 или плутоний-239, масса каждого из которых значительно меньше критической.
Когда эти части разведены, то и масса всех частей вместе меньше критической. В таком состоянии рассматриваемое ядерное устройство не взрывается. Но если с помощью химического взрыва (при котором развивается давление порядка миллиона атмосфер) части быстро сблизить, то масса полученной активной зоны станет заметно больше критической, и произойдет ядерный взрыв. 4. Выясним теперь более подробно, почему в реакторах на природном или слабообогащенном уране требуется замедлигель нейтронов.
Примерный энергетический спектр нейтронов, возникающих при делении урана- 235, представлен на рис.165. По оси о о,аа5 е, Мэь абсцисс отложена кинетическая энергия нейтронов 6 в системе отсчета, Рис. 165 в которой исходное делящееся ядро покоится. По оси ординат в произвольных единицах отложено число нейтронов деления %(й), приходящееся на единичный интервал энергии. Таким образом, Х(Ф) г1ег будет числом нейтронов, энергия которых заключена в интервале между 6 и 11 + е116 Кривая имеет максимум примерно при 6 = 0,645 МэВ.
21 Д.В. Сивухин. 'Г.Ч ~ Гл. Х1Н 642 Нейтроны и деление атоленыя ядер Как видно из рис. 165, при делении ззб П образуются преимущественно быстрые нейгроны. Ядра урана-238 делятся только под действием быстрых нейтронов с энергией й 1 МэВ. Но эффективное сечение такого деления очень мало — около 0.,3 барна. Напротив, ядра урана-235 делятся под действием нейтронов любых энергий, причем эффективное сечение деления здесь быстро возрастает с уменыпением энергии. Для тепловых нейтронов оно достигает значения 582 барна. Поэтому было бы выгодно замедлить нейтроны до тепловых энергий.
Конечно, при упругих столкновениях с ядрами урана-238 и урана- 235 нейтроны замедляются, но этот процесс идет очень медленно ввиду большой массы ядер урана. Главным же препятствием для замедления нейтронов в естественном уране является радиационный захват нейтронов ядрами урана-238. Особенно интенсивно процесс радиационного захвата идет в резонансной области энергий. На рис.166 представлена оо бари 10 000 5000 1ООО 500 100 50 10 500 1000 50 100 5 10 5000 10000 6.эВ Рнс. 166 зависимость полного эффективного сечения захвата о, нейтронов ядрами урана-238 в зависимости от энергии нейтрона. В резонансной з 95) Цепная реакция и ядерные реакторы области энергий наблюдаются частые и резкие пики, в которых о, достигает нескольких тысяч бари, причем о~ — о„т, так как ог а„а + аат, но оао (( о,т.
При замедлении нейтроны должны пройти через резонансную область, где они поглощаются и поэтому не достигают области тепловых энергий. Кроме того, известная доля нейтронов уходит за пределы активной зоны. Для того чтобы как можно более значительная доля нейтронов замедлилась до тепловых скоростей, применяется замедлителгч т. е. вещество, состоящее из легких ядер, слабо захватывающих нейтроны. В качестве замедлителя часто используется графит. Применяются также тяжелая и обычная вода 1обычиая вода в реакторах на природном уране не применяется изза большого поглощения нейтронов ядрами водорода), бериллий и его окись, а также некоторые органические вещества.
Если активная зона ядерного реактора содержит замедлитель нейтронов, то основная часть ядерных делений происходит под действием тепловых нейтронов. Реакторы с замедлителем бывают гомогеннььни и гетерогенными. В гомогенном реакторе ядерное топливо и замедлитель нейтронов представляют собой однородную смесь 1раствор или суспензию).
В гетерогенном реакторе ядерное топливо в активной зоне располагается дискретно в виде вертикальных стержней, называемых тепловыделяющими элементами 1ТВЭЛами). Обычно ТВЭЛы образуют правильную решетку, а между ними располагается замедлитель. В гомогенном реакторе на естественном уране цепная реакция не идет, так как в результате поглощения нейтронов в резонансной области тепловых нейтронов остается недостаточно и коэффициент размножения нейтронов й получается меньше единицы. Напротив, при наличии достаточно большого количества замедлителя в гетерогенном реакторе можно получить Й ) 1 даже для естественного урана, так что развитие цепной реакции становится возможным.
Это обьясняется тем, что большая часть нейтронов, получающихся при делении, попадает из ТВЭЛон в замсдлитель, а после замедления уже в виде тепловых нейтронов возвращается опять в ТВЭЛы, где вызывает новые ядерные деления. Первый ядерный реактор был построен под руководством Ферми в декабре 1942 г. в Чикаго. Это был гетерогенный реактор, собранный из 45 т естественного урана и 450 т графита 1к = 1.,0006). Его первоначальная мощность была 200 Вт.
Позднее этот реактор был демонтирован и собран вновь, а его мощность была доведена до 100 кВт. Сходными параметрами обладал и первый в Европе ядерный реактор, запущенный в СССР в декабре 1946 г. под руководством И.В. Курчатова. Он содержал 50 т естественного урана и 500 т графита. Его стандартная мощность была 10 кВт.
Если замедлителя в активной зоне нет, то основная часть ядерных делений вызывается быстрыми нейтронами с энергией й > 1 МэВ. Возможны также ядерные реакторы на промежуточных нейтронах с энергиями 1 †10 кэВ. 5. Время жизни т одного поколения мгновенных нейтронов сильно зависит от среды, заполняющей активную зону реактора, и меняется в пределах примерно от 10 з до 10 з с. Малость этого времени Нейтроны и деление атомнь х ядер [Гл. Х!Н вынуждает при работе с большой точностью поддерживать равенство й = 1.
Допустим, например, что й = 1,01, и возьмем наиболее благоприятный случай, когда т = 10 э с. Тогда за одну секунду произойдет смена 1/10 = 1000 поколений нейтронов, а их число увеличится в 1,011ооо 20000 раз. Это вызвало бы колоссальный взрыв реактора. В действительности управление реактором сильно упрощается благодаря запаздьюающим нейтроиам. Коэффициент размножения нейтронов, о котором до сих пор шла речь, мы теперь обозначим через й„, и будем называть коэффициентом размножения мгновенных нейтронов. Этот коэффициент не учитывает дополнительное размножение из-за появления запаздывающих нейтронов. Введем, далее, несущественное для понимания сути дела упрощающее предположение, что имеется только один тип запаздывающих нейтронов, появляющихся через время Т после деления.
Пусть в начальный момент общее число нейтронов было Мо. Через время пт, когда запаздывающие нейтроны еще не появлялись, число мгновенных нейтронов возрастет до Мой,"„ где и — число поколений нейтронов. В момент Т = пт появятся запаздывающие нейтроны, возникшие в результате деления ядер в начальный момент. Число таких нейтронов мы обозначим через 6!Но, где Д вЂ” малая дробь (!3 — 0,64%).
Общее число всех нейтронов в момент Т будет !Н = МоИ" + )3!Нв. Отношение М(Мв можно названа полным коэффициентом размножения и обозначить через 1. Таким образом, !е = й" + р. (95.7) При этом предполагается, что смена поколений нейтронов периодически повторяется через промежуток времени Т.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
