Цепная реакция деления.Критические размеры.Коэффициент размножения нейтронов.Мгновенные и запаздывающие нейтроны.

Рассмотрим механизм цепной реакции деления. При делении тяжелых ядер под действием нейтронов возникают новые нейтроны. Например, при каждом делении ядра урана 92U235 в среднем возникает 2,4 нейтрона. Часть этих нейтронов снова может вызвать деление ядер. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Цепная реакция деления идет в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной зоной. Важнейшей физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент размножения нейтронов в средеk∞. Коэффициент размножения равен отношению количества нейтронов в одном поколении к их количеству в предыдущем поколении. Индекс ∞ указывает, что речь идет об идеальной среде бесконечных размеров. Аналогично величине k∞ определяется коэффициент размножения нейтронов в физической системе k. Коэффициент k является характеристикой конкретной установки. В делящейся среде конечных размеров часть нейтронов будет уходить из активной зоны наружу. Поэтому коэффициент k зависит еще от вероятности Р для нейтрона не уйти из активной зоны. По определениюk = k∞P.(1)Величина Р зависит от состава активной зоны, ее размеров, формы, а также от того, в какой степени окружающее активную зону вещество отражает нейтроны. С возможностью ухода нейтронов за пределы активной зоны связаны важные понятия критической массы и критических размеров. Критическим размером называется размер активной зоны, при котором k = 1. Критической массой называется масса активной зоны критических размеров. Очевидно, что при массе ниже критической цепная реакция не идет, даже если k∞ > 1. Наоборот, заметное превышение массы над критической ведет к неуправляемой реакции - взрыву. Если в первом поколении имеется N нейтронов, то в n-м поколении их будет Nkn. Поэтому при k = 1 цепная реакция идет стационарно, при k < 1 реакция гаснет, а при k > 1 интенсивность реакции нарастает. При k = 1 режим реакции называется критическим, при k > 1 – надкритическим и при k < 1 – подкритическим. Время жизни одного поколения нейтронов τ сильно зависит от свойств среды и имеет порядок от 10–4 до 10–8 с. Из-за малости этого времени для осуществления управляемой цепной реакции надо с большой точностью поддерживать равенство k = 1, так как, скажем, при k = 1.01 система почти мгновенно взорвется. Посмотрим, какими факторами определяются коэффициенты k∞ и k. Первой величиной, определяющей k∞(или k), является среднее число ν нейтронов, испускаемых в одном акте деления. Число зависит от вида горючего и от энергии падающего нейтрона. В табл. 1 приведены значения ν основных изотопов ядерной энергетики как для тепловых, так и для быстрых (Е = 1 МэВ) нейтронов. Обычно ядро-осколок, образующееся в начале деления ядра, не только обладает избытком нейтронов, но и оказывается сильно деформированным. Его потенциальная энергия, вызванная этой деформацией, позволяет ядру «стряхнуть» один или больше нейтронов (это и есть мгновенные нейтроны) за время 10-¹⁴ с, то есть за время, в течение которого собственно и происходит расщепление ядра. Например, ядро ксенона-140, возглавляющее приведенную выше цепочку бета-распада, может само образоваться из осколка (ядра ксенона-141) в результате излучения мгновенного нейтрона. Ядро, обладающее большой потенциальной энергией деформации, физики-ядерщики называют сильно возбужденным^* — довольно подходящее название, если учесть явно выраженное «буйное» поведение таких ядер. Иногда случается, что новое ядро, получившееся в результате бета-распада, находится в достаточно возбужденном состоянии, чтобы излучить еще один нейтрон. Такая ситуация может возникнуть, например, когда превращение нейтрона в протон, которое сопровождает бета-распад, приводит к значительной перегруппировке нуклонов по различным оболочкам и к сопутствующему большому изменению энергии связи всего ядра. Нейтроны, излученные таким образом после бета-распада, называются запаздывающими, так как они могут излучаться через несколько секунд или даже минут после первоначального расщепления. Хотя, как уже указывалось ранее, запаздывающие нейтроны составляют менее одного процента от общего числа нейтронов, образующихся в процессе деления ядра, тем не менее при расчете ядерного реактора это явление необходимо обязательно учитывать. Представьте себе, мы решили им пренебречь и сконструировали ядерный реактор для критической массы, учитывая лишь мгновенные нейтроны.