Ядерные реакторы

Цепная реакция. Критическая масса

Нейтроны, высвобожденные в результате деления ядра, при благоприятных условиях могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. При этом высвобождаются новые нейтроны, которые попадают в новые ядра урана и так далее. Процесс расщепления происходит лавинообразно, охватывая всю делящуюсямассу. В этом состоит сущность цепной реакции.

Для возникновения цепной реакции делящийся материал должен иметь определенную минимальную массу. В противном случае нейтроны будут пролетать мимо ядер и уходить из зоны деления.Минимальная масса делящегося вещества, при которой реакция еще может идти самопроизвольно, называется критической массой. Для чистого урана-235 критическая масса составляет примерно 50 кг.

При создании ядерного реактора следует учитывать, чтосуществуют различные варианты распада ядра урана, и большой энергетический выход дает только реакция ядерного деления, происходящая с изотопом урана-235. Вероятность того, что ядро урана – 235 поглотит нейтрон, велика лишь для медленных, или тепловых, нейтронов, то есть нейтронов, скорость которых незначительно превышает скорость молекул воздуха при комнатной температуре (примерно 2×103 м/с).Энергия тепловых нейтронов не превышает 0,03 МэВ. Между тем большинство нейтронов, освобождающихся при делении ядер урана, обладают значительно большей энергией - порядка 1-2 МэВ. Их скорости при этом велики – около 107 м/с, поэтому их называют быстрыми нейтронами.

Для быстрых нейтронов вероятность захвата ядрами урана – 235 примерно в 500 раз меньше, чем для медленных. Большая часть быстрых нейтронов захватывается ядрами урана – 238 и не вызывает деления, но приводит к радиоактивному распаду с образованием плутония.Энергетический выход такой реакции мал и практически не используется. Известно, что в природной урановой руде обычно содержится 99,2% урана – 238, и только 0,7% урана – 235.

Поэтому для того, чтобы поддерживать ценную реакцию в уране -235, необходимо:

· Обогатить природную руду изотопом урана–235, повысив его содержание до 2 - 5%.

· Уменьшить скорости быстрых нейтронов до тепловых.

Эти приемы используются в реакторах на медленных нейтронах,в которых энергия выделяется за счет расщепления ядер урана– 235.

Вещества, которые способны уменьшать скорость движения нейтронов, называются замедлителями.Наиболее эффективно в качестве замедлителя вещество, состоящее из атомов, близких по размеру к нейтронам.

Наилучшим замедлителем нейтронов могла бы оказаться обычная вода – вещество, содержащее много атомов водорода . Однако, атомы способны захватывать нейтроны. Поэтому эффективнее использовать тяжелую воду, графит и кадмий.

В современных реакторах в качестве замедлителя (и одновременно в качестве теплоносителя) используют специально очищенную воду с добавками бора.