Деление тяжёлых ядер и цепные реакции

Наиболее интересными с точки зрения получения ядерной энергии являются реакции деления тяжёлых ядер, вызываемые попаданием в ядро нейтрона.

Одна из наиболее вероятных реакций деления ядра урана происходит следующим образом:

²³⁵U + n ¹⁴⁰Cs + ⁹⁴ Rb + 2n + 200 МэВ

Большая часть ядерной энергии этой реакции (~165 МэВ) выделяется в виде кинетической энергии ядер-осколков.

Испускание при делении ядра урана нескольких нейтронов делает возможным осуществление цепной реакции деления.

23 – 6

Среда, в которой наблюдается цепная ядерная реакция называется активной.

Важной характеристикой интенсивности размножения нейтронов является коэффициент размножения – К, равный отношению количества нейтронов в двух последних поколениях.

К < 1 (подкритический режим) – цепная реакция деления не может развиваться;

К = 1 (критический режим) – цепная реакция протекает стационарно;

К > 1 (надкритический режим) – ядерный взрыв.

Причиной уменьшения коэффициента К является пржде всего наличие в среде неделящихся ядер, которые могут захватываь нейтроны.

Природный уран содержит 99,28% изотопа ²³⁹U и лишь 0,71% изотопа ²³⁵U. Нейтроны с энергией меньше 1 МэВ поглощаются ядрами ²³⁸U без последующего деления. Поэтому в природном уране цепная реакция развиваться не может.

К уменьшению коэффициента размножения приводит также выход нейтронов из активной среды, имеющей конечные размеры. Характерный размер активной зоны, при котором коэффициент размножения становится равным единице, называется критическим размером, а масса делящегося вещества в активной зоне таких размеров называется критической массой.

При массе делящегося вещества меньше критической цепная реакция не протекает.

Условия для протекания управляемой цепной реакции деления (К = 1) реализуются в ядерных (атомных) реакторах.

В реакторе на медленных (тепловых) нейтронах с энергией меньше 0,5 эВ управляемая цепная реакция деления может протекать в природном или в слабо обогащённом уране, что достигается введением в реактор специального вещества – замедлителя.

В активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы (твэлы) 1 и замедлитель 2. Твэлы представляют собой блоки из делящегося материала, заключённые в герметичную оболочку, слабо поглощающую нейтроны. За счёт энергии, выделяющейся при делении ядер, твэлы разогреваются. Отвод тепла из активной зоны реактора к электрогенерирующему блоку осуществляется теплоносителем 3 , омывающим твэлы.

23 – 7

Активная зона окружена отражателем 4, уменьшающим утечку нейтронов

На практике твёрдыми замедлителями являются бериллий и графит, а жидким – тяжёлая вода.

Уменьшения кинети –

ческой энергии нейтрона от 1 МэВ до 0,5 эВ в замедли – теле происходит в результате многократных (около 50) соударений нейтрона с ядрами атомов замедлителя.

Регулирующие стержни (управляющие и аварийные) изготавливают из материала сильно поглощающего нейтроны (кадмий или бор).