Цепная реакция деления — это процесс, при котором деление одного атомного ядра вызывает последующее деление других ядер, поддерживая или даже усиливая процесс самоподдерживающимся образом. Основу цепной реакции составляет тот факт, что при делении тяжелых ядер, таких как уран-235 или плутоний-239, выделяются нейтроны, способные вызывать деление новых ядер. Этот механизм лежит в основе как ядерных энергетических установок, так и ядерного оружия.
Первичный акт деления. Когда тяжелое ядро, например, 92235U, поглощает нейтрон, оно становится возбужденным составным ядром 92236U*, которое быстро распадается на два (иногда три) осколка деления и 2–3 нейтрона. Кроме того, при этом выделяется энергия около 200 МэВ, распределённая между кинетической энергией осколков, энергией нейтронов, гамма-квантами и бета-излучением продуктов деления.
Передача нейтронов. Свободные нейтроны, возникающие при этом, могут быть захвачены другими ядрами 92235U, вызывая их деление и порождая новые нейтроны. Таким образом, возможна каскадная цепь актов деления.
Типы цепных реакций:
Одним из ключевых параметров, характеризующих цепную реакцию, является эффективный коэффициент размножения нейтронов kэфф, определяемый как среднее число делений, вызванных нейтронами от одного предыдущего деления.
Для управления реакцией в ядерных реакторах необходимо поддерживать kэфф = 1.
Замедлители нейтронов. Поскольку вероятность деления 92235U значительно выше для тепловых (медленных) нейтронов, в реакторах применяются замедлители — вещества, эффективно снижающие энергию нейтронов до тепловых значений. Наиболее распространённые замедлители: тяжелая вода (D2O), обычная вода (H2O), графит.
Отражатели нейтронов. Материалы, окружающие активную зону реактора, могут отражать нейтроны обратно в зону реакции, увеличивая эффективность использования нейтронов и снижая потери. Это позволяет уменьшить необходимую критическую массу.
Критическая масса — минимальная масса делящегося вещества, при которой возможна самоподдерживающаяся цепная реакция при заданных геометрических и физических условиях. Она зависит от:
Для 92235U критическая масса в форме голой металлической сферы составляет порядка 50–60 кг, а для 94239Pu — около 10 кг (в зависимости от условий).
Хотя большинство нейтронов при делении испускается мгновенно, часть (~0.65% для 92235U) — это запаздывающие нейтроны, которые испускаются с задержкой от миллисекунд до нескольких секунд в результате бета-распада продуктов деления. Их наличие позволяет управлять цепной реакцией и делать реакторы стабильными и регулируемыми. Без них реакция была бы слишком стремительной для технического контроля.
Негативные обратные связи — важнейший механизм саморегуляции в реакторах. Примеры:
Эти эффекты способствуют стабилизации kэфф около 1 и предотвращают перегрев.
Положительная обратная связь, напротив, может привести к неустойчивости. В реакторах она недопустима и исключается конструктивно.
В ядерных реакторах используется несколько методов управления:
Для экстренной остановки реакции применяется аварийная защита — быстрое введение всех управляющих стержней в активную зону.
При неконтролируемом развитии цепной реакции со значением kэфф ≫ 1 (сверхкритичность) и при отсутствии механизмов тепловыделения, происходит быстрое накопление энергии и взрыв. Именно такой механизм используется в ядерном оружии. Чтобы достичь этого, делящийся материал должен быть быстро доведен до сверхкритического состояния (например, методом имплозии), при этом цепная реакция развивается за миллионные доли секунды и охватывает почти весь материал.
| Параметр | Ядерный реактор | Ядерное оружие |
|---|---|---|
| Значение kэфф | Ровно 1 | Значительно >1 |
| Время развития реакции | Секунды – часы | Микросекунды |
| Использование запаздывающих нейтронов | Да | Нет |
| Цель | Управляемое высвобождение энергии | Максимальное мгновенное выделение энергии |
| Масса топлива | Большая, но рассеянная | Компактная, максимально плотная |
Энергия, выделяющаяся при делении одного ядра 92235U, составляет около 200 МэВ. Для получения 1 ГВт∙сут энергии требуется деление примерно 3 × 1024 ядер, что соответствует примерно 1 кг урана-235. В ядерных реакторах топливо используется гораздо эффективнее, чем при сгорании химического топлива, что делает их мощным источником энергии при соблюдении всех требований безопасности.
Реакцию можно остановить или замедлить следующими способами:
Прекращение цепной реакции может быть как запланированным (техническое обслуживание, дозагрузка топлива), так и аварийным.