§ 266. Цепная реакция деления

Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления— ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуетсякоэффициентом размножения kней­тронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении.Необходимым условиемдля развития цепной реакции деле­ния являетсятребование k 1.

Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последу­ющее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны(пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в ак­тивной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.

Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для дан­ного изотопа — от его количества, а также размеров и формы активной зоны. 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, аN —число нейтронов в данном поколении. В следующем поколе­нии их число равно kN, т.е. прирост числа нейтронов за одно поколениеdN = kN—N = N(k—1).Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. ско­рость нарастания цепной реакции,

(266.1)

Интегрируя (266.1), получим

где N₀— число нейтронов в начальный момент времени, аN —их число в момент времени t. Nопределяется знаком (k—1). При k>1 идетразвивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k=1 идетсамоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяет­ся. При k<1идет 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 U(или Pu) 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. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах (см. § 267).

В природе имеется три изотопа, которые могут служить ядерным топливом ( U: в естественном уране его содержится примерно 0,7%) или сырьем для его получения( Thи U:в естественном уране его содержится примерно 99,3%). Thслужит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива U(см. реакцию (265.2)), a U,поглощая нейтроны, посредством двух последовательных^–-распадов — для превращения в ядро Pu:

(266.2)

Реакции (266.2) и (265.2), таким образом, открывают реальную возможность воспроиз­водства ядерного горючего в процессе цепной реакции деления.