Критичность ядерного реактора — это фундаментальное состояние цепной ядерной реакции, при котором число нейтронов, порождаемых делением ядер, стабильно поддерживается от одного поколения к другому. Это состояние является центральным для устойчивой и контролируемой работы реакторов, особенно энергетических.
В цепной реакции деления каждый акт деления ядра урана-235, плутония-239 или другого делящегося изотопа сопровождается выделением нескольких нейтронов. Один из них должен вызывать новое деление, тогда как остальные либо теряются (поглощаются без деления или покидают активную зону), либо используются в других реакциях. Если хотя бы один нейтрон на поколение сохраняется для следующего деления, реакция становится самоподдерживающейся — система достигает критического состояния.
Основной количественной характеристикой, определяющей критичность, является эффективный множитель размножения нейтронов — kэфф (или просто k). Он показывает, во сколько раз число нейтронов одного поколения увеличивается или уменьшается в следующем.
Размер и форма активной зоны оказывают влияние на потери нейтронов. С увеличением размеров активной зоны вероятность утечки нейтронов снижается. Минимальный размер активной зоны, при котором k = 1, называется критическим радиусом. Для реакторов на тепловых нейтронах он существенно больше, чем для быстрых.
Количество урана-235 или плутония-239 определяет вероятность того, что нейтрон вызовет деление. При недостаточной концентрации делящегося материала система остаётся подкритической.
В тепловых реакторах требуется замедление быстрых нейтронов до тепловых энергий, при которых сечение деления урана-235 максимально. Эффективность замедления влияет на критичность. Хорошие замедлители — тяжёлая вода, графит, обычная вода.
Наличие примесей, которые поглощают нейтроны, но не делятся (например, кадмий, бор, ксенон-135), снижает k. Управляемое введение таких веществ (регулирующие стержни) позволяет точно контролировать критичность.
Для описания теплового реактора используется четырёхфакторная формула:
k = η ⋅ f ⋅ p ⋅ ε
где:
Критическая масса — минимальное количество делящегося вещества, при котором возможна самоподдерживающаяся цепная реакция. Она зависит от:
Отражатель — это слой материала, окружающий активную зону и возвращающий часть нейтронов обратно. Это позволяет уменьшить размеры активной зоны и повысить k. Наиболее эффективны отражатели, обладающие малым сечением поглощения и хорошими замедляющими свойствами.
Критичность управляется в процессе эксплуатации с помощью:
Процесс перевода реактора в критическое состояние осуществляется строго поэтапно. Начальный запуск всегда происходит из подкритического состояния, постепенно приближаясь к k = 1. Важнейшие моменты:
Для описания динамики критичности используется понятие реактивности (ρ):
$$ ρ = \frac{k - 1}{k} $$
Ввод реактивности вызывает изменение мощности со временем. Это изменение характеризуется периодом реактора — временем, за которое мощность возрастает в e раз. Период связан с наличием задержанных нейтронов, что делает возможным управление реакцией.
Примерно 0.65% нейтронов в делении урана-235 являются запаздывающими — они испускаются не мгновенно, а через доли секунды после деления. Их присутствие кардинально влияет на динамику критичности и возможность безопасного управления реакцией. При превышении так называемого промежуточного состояния (промпорог) реактор входит в режим промпериода, при котором рост мощности становится взрывоподобным и управление почти невозможно.
Реактор может находиться в различных состояниях:
Современные реакторы имеют встроенные отрицательные обратные связи, препятствующие неконтролируемому росту мощности:
Понимание и точное управление критичностью — основа безопасной работы атомных электростанций, исследовательских реакторов и ядерных установок различного назначения. Контроль над критичностью определяет:
Разработка систем диагностики критичности и расчетов kэфф — важнейшая задача проектирования и эксплуатации реакторных установок.