Ядерные цепные реакции. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

Ядерные цепные реакции - ядерные реакции, в к-рых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Пока единственная известная Я. ц. р.- реакция деления урана и нек-рых трансурановых элементов (напр., ²³⁹Рu) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена Э. Ферми (Е. Fermi) в 1942. После открытия деления ядер У. Зинн (W. Zinn) и Л. Силард (L. Szilard) (США) и Г. Н. Флёров показали, что при делении ядра U вылетает больше 1 нейтрона:

Здесь А и В - осколки деления с массовыми числами А от 90 до 150, v - число вторичных нейтронов. Если только часть f общего числа вторичных нейтронов может быть использована для продолжения реакции деления, то на 1 нейтрон первого поколения, вызвавший деление, придётся K=vf нейтронов след. поколения, к-рые вызовут деление (К наз. коэф. размножения нейтронов). При К> 1 число нейтронов будет возрастать со временем t по закону n = n₀е^{(K-1)
t/t}, где t - время жизни поколения нейтронов. Если К-1=0, то число делений в единицу времени постоянно и может быть осуществлена самоподдерживающаяся Я. ц. р. При достаточно больших значениях (К- 1) реакция перестаёт быть регулируемой и может привести к ядерному взрыву.

Рассмотрим ядерные цепные реакции на природном уране, содержащем практически 2 изотопа: ²³⁸U(99,29%) и ²³⁵U (0,71%). Ядро ²³⁸U делится только под действием быстрых нейтронов с энергией

> 1 МэВ, эфф. сечение деления мало (s_д = 0,3 барна). Напротив, ядро ²³⁵U делится под действием нейтронов любых энергий, причём s_д резко возрастает с уменьшением

. При делении ядра ²³⁸U или ²³⁵U под действием быстрого нейтрона вылетает в ср. v = 2,5 нейтрона с энергией от 0,1 МэВ до 14 МэВ. Это означает, что при отсутствии потерь энергии Я. ц. р. могла бы развиться в природном уране. Однако потери есть: ядра ²³⁸U могут захватывать нейтроны с образованием ядра ²³⁹U (см. Радиационный захват ).Кроме того, при столкновении нейтронов с ядром происходит также неупругое рассеяние, при к-ром энергия нейтронов становится ниже 1 МэВ и они уже не могут вызвать деление ²³⁸U. Большая часть таких нейтронов испытывает радиац. захват или вылетает наружу. В результате Я. ц. р. не может развиться.

Для возбуждения ядерных цепных реакций в естеств. уране используется замедление нейтронов при их столкновении с лёгкими ядрами (²Н, ¹²С и др.). Сечение деления ²³⁵U на тепловых нейтронах s_д²³⁵ = 582 барна, сечение радиац. захвата в ²³⁵U (с образованием ²³⁶U) s_p²³⁵ = 100 барн, а s_p²³⁸ = 2,73 барна. При делении тепловыми нейтронами v = 2,44. Отсюда следует, что число нейтронов h, к-рые могут вызвать деление, приходящееся на 1 поглощённый тепловой нейтрон предыдущего поколения, равно

Здесь r²³⁸/r²³⁵ - отношение концентраций ²³⁸U и ²³⁵U. Соотношение (2) означает возможность развития Я. ц. р. в смеси природного урана с замедлителем.

Однако при делении на тепловых нейтронах рождаются быстрые нейтроны, к-рые, прежде чем замедлиться до тепловой энергии, могут поглотиться. Сечение захвата нейтрона ²³⁸U имеет резонансный характер, т.е. достигает очень больших значений в определ. узких интервалах энергии (см. Нейтронная спектроскопия ).В однородной (г ом о г е н н о й) смеси вероятность резонансного поглощения слишком велика, чтобы Я. ц. р. на тепловых нейтронах могла осуществиться. Эту трудность обходят, располагая уран в замедлителе дискретно, в виде блоков, образующих правильную решётку. Резонансное поглощение нейтронов в такой гетерогенной системе резко уменьшается по двум причинам: 1) сечение резонансного поглощения столь велико, что нейтроны, попадая в блок, поглощаются в поверхностном слое, поэтому часть ядер урана не участвует в резонансном поглощении; 2) нейтроны резонансной энергии, образовавшиеся в замедлителе, могут не попасть в уран, а, замедляясь при рассеянии на ядрах замедлителя, "уйти" из опасного интервала энергии. При поглощении теплового нейтрона в блоке рождается v вторичных быстрых нейтронов, каждый из к-рых до выхода из блока вызовет небольшое кол-во делений ядер ²³⁸U. В результате число быстрых нейтронов, вылетающих из блока в замедлитель, равно eh, где e- коэф. размножения на быстрых нейтронах; если j - вероятность избежать резонансного поглощения, то только ehj нейтронов замедлятся до тепловой энергии. Часть тепловых нейтронов поглотится в замедлителе. Пусть q - вероятность того, что тепловой нейтрон поглотится в уране (коэф. теплового использования нейтронов). В гомогенной системе

Здесь r_U, r_З-концентрации урана и замедлителя, s^U_п, s^З_п - соответствующие сечения поглощения, Ф-потоки нейтронов. В результате на 1 тепловой нейтрон первого поколения, вызывающий деление, приходится

= ehjq нейтронов след. поколения, к-рые могут вызвать деление;

- коэф. размножения нейтронов в бесконечной гетерогенной системе. Если

> 1, то реакция деления в бесконечной решётке будет нарастать экспоненциально.

В системе, имеющей огранич. размеры, часть нейтронов может покинуть среду. Обозначим долю нейтронов, вылетающих наружу, через (1-Р), тогда для продолжения реакции деления остаётся К_эф=

Р нейтронов, и если К_эф>1, то число делений растёт экспоненциально и реакция является саморазвивающейся. Т. к. число делений и, следовательно, число вторичных нейтронов в размножающей среде пропорц. её объёму, а их вылет пропорц. поверхности окружающей среды, то Я. ц. р. возможна только в среде достаточно больших размеров. Напр., для шара радиусом R отношение объёма к поверхности равно R/3 и, следовательно, чем больше R, тем меньше утечка нейтронов. Если радиус размножающей среды становится достаточно большим, чтобы в системе протекала стационарная Я. ц. р., т.е. К_эф-1=0, то такую систему наз. критической (и её радиус - критическим).

Для осуществления ядерных цепных реакций в природном уране на тепловых нейтронах используют в качестве замедлителя вещества с малым сечением радиац. захвата (графит или тяжёлую воду D₂O). В замедлителе из обыкновенной воды Я. ц. р. на природном уране невозможна из-за большого поглощения нейтронов водородом.

Чтобы интенсивность ядерных цепных реакций можно было регулировать, время жизни одного поколения нейтронов должно быть достаточно велико. Время жизни t₀ тепловых нейтронов мало (t₀~ 10^-3 с). Однако наряду с нейтронами, вылетающими из ядра практически мгновенно (за время 10^-16 с), существует небольшая доля m т. н. запаздывающих нейтронов, вылетающих после b-распада осколков деления со ср. временем жизни

14,4 с. Для запаздывающих нейтронов при делении ²³⁵U m~0,7^.10^-2. Если К_эф> 1 + m, то в р е м я р а з г о н а Я. ц. р. Т (время, за к-рое число делений увеличивается в е раз) определяется соотношением

т. е. запаздывающие нейтроны не участвуют в развитии ядерных цепных реакций. Практически важен др. предельный случай: К_эф- 1<<m, тогда

т. е. мгновенные нейтроны не играют роли в развитии реакции. Т. о., если К_эф< 1 + m, то Я. ц. р. будет развиваться только при участии запаздывающих нейтронов за время порядка минут и будет хорошо регулируемой (см. Ядерный реактор).

Я. ц. р. осуществляется также на уране, обогащённом ²³⁵U, и в чистом ²³⁵U. В этих случаях она идёт и на быстрых нейтронах. При поглощении нейтронов в ²³⁸U образуется ²³⁹U, а из него после двух b-распадов- ²³⁹Рu, к-рый делится под действием тепловых нейтронов с v = 2,9. При облучении нейтронами ²³²Th образуется делящийся на тепловых нейтронах ²³³U (см. Ядерное горючее ).Кроме того, Я. ц. р. возможна в ²⁴¹Рu и изотопах Cm и Cf с нечётными массовыми числами.

Литература по ядерным цепным реакциям

Знаете ли Вы, что низкочастотные электромагнитные волны частотой менее 100 КГц коренным образом отличаются от более высоких частот падением скорости электромагнитных волн пропорционально корню квадратному их частоты от 300 тысяч кмилометров в секунду при 100 кГц до примерно 7 тыс км/с при 50 Гц.