Цепная реакция деления ядер урана

Впервые предложение о возможности осуществления цепных ядерных реакций высказал Ф.Жолио-Кюри в 1934 г. Он же в 1939 г. вместе с Халбаном и Л.Коварски экспериментально обнаружил, что при делении ядра урана, кроме осколков ядер, вылетают также 2-3 свободных нейтрона.

Условием возникновения цепной реакции является наличие размножающихся нейтронов. Коэффициентом размножения нейтронов k называется отношение числа нейтронов, возникающих в некотором звене реакции, к некоторому числу таких нейтронов в предшествующем звене. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k ³1.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа – от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Активной зоной называется пространство, где происходит цепная реакция. Мини­мальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реак­ции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакция, называется критической массой.

Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т – среднее время жизни одного поколения, а N – число нейтронов в данном поколении. В следующем поколе­нии их число равно kN, т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN–kN–N=N (k– 1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. ско­рость нарастания цепной реакции: . Проинтегрировав это выражение, получим:

где N₀ — число нейтронов в начальный момент времени, а N – их число в момент времени t. N определяется знаком (k –1). При k> 1 идет развивающаяся реакции, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k = 1 идет самопод­держивающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяет­ся. При k < 1 идет затухающая реакция.

Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней (или ) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближают­ся, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывная цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Использовать энергию ядерного взрыва в мирных целях очень трудно, т.к. выделение энергии при этом не поддается контролю. Управляемые цепные реакции деления ядер урана осуществляется в ядерных реакторах.

В ядерных реакторах используется реакция, идущая с постоянной ин­тенсивностью, при этом k =1. В реактор вводятся вещества, ядра которых могут поглощать нейтроны. Таким образом получают радиоактивные искусственные изо­топы и искусственное ядерное горючее. Первые реакторы строились для получения плутония, затем появи­лись исследовательские реакторы и, наконец, энергетические. Главная задача энергетических реакторов – превращение ядерной энергии в электрическую. Наиболее перспективный путь развития атомной энерге­тики – разработка реакторов на быстрых нейтронах. Такой реактор про­изводит больше ядерного горючего, чем потребляет. Реакция идет на бы­стрых нейтронах, поэтому в ней могут участвовать не только и , но и . В активную зону загружается ядерное горючее, обога­щенное или . Вместо отражателя активная зона окружается зоной воспроизводства, в которую загружают . Таким образом, для получения энергии реакторы на быстрых нейтронах позволяют использо­вать весь уран ( и ), а также торий , который, как и , делится только быстрыми нейтронами, что намного увеличивает ресурсы ядерного горючего.