§ 69. Цепные ядерные реакции. Ядерный реактор

Определения и обозначения

Цепная ядерная реакция — процесс, при котором нейтроны, появившиеся при делении ядер, вызывают деление новых ядер и поддерживают дальнейшее развитие реакции. Иначе говоря, результат одного деления становится причиной следующих. Это понятие помогает описать, как отдельные ядерные события складываются в общий процесс.

Коэффициент размножения нейтронов — отношение числа нейтронов одного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения. Поколением называют нейтроны, появившиеся в результате делений, вызванных нейтронами предыдущего поколения. Коэффициент показывает, затухает реакция, сохраняется на прежнем уровне или нарастает.

Критическая масса — наименьшая масса делящегося вещества, при которой в данных условиях может поддерживаться цепная реакция. Учитываются не только масса, но и размеры, форма и состав вещества, потому что нейтроны могут покидать его поверхность. Понятие нужно, чтобы оценивать, сможет ли реакция продолжаться самостоятельно.

Ядерный реактор — устройство, в котором управляемая цепная реакция деления ядер используется для получения энергии. В нём создают условия для продолжения делений и одновременно регулируют количество нейтронов. Поэтому реактор отличается от просто делящегося вещества возможностью управлять интенсивностью процесса.

Как это устроено

Когда ядро урана-235 захватывает нейтрон, его состав и энергия могут сделать его неустойчивым. Такое ядро распадается на два более лёгких осколка, поскольку это состояние оказывается энергетически выгоднее. Разность энергии выделяется, а вместе с осколками возникают несколько новых нейтронов. Именно появление новых нейтронов позволяет одному делению повлиять на другие ядра.

Нейтроны, образовавшиеся при делении, движутся внутри вещества и могут встретить другие ядра урана-235. Захват подходящего нейтрона способен вызвать очередное деление, при котором появляются новые нейтроны. Те, в свою очередь, могут вызвать следующие деления, поэтому процесс повторяется поколение за поколением. Так возникает цепная реакция, а не просто единичное событие распада ядра.

Однако число нейтронов не растёт автоматически после каждого деления. Одни нейтроны поглощаются ядрами, но не вызывают деления, другие вылетают за пределы образца и уже не участвуют в реакции. Чем больше размеры образца, тем меньше относительная доля нейтронов, теряемых через его поверхность. Поэтому развитие реакции зависит от размеров и состава вещества, а также от того, какие нейтроны способны вызвать деление.

Чтобы сравнить соседние поколения нейтронов, используют коэффициент размножения. Если он меньше единицы, каждое следующее поколение в среднем содержит меньше нейтронов, чем предыдущее, и реакция затухает. При значении, равном единице, поколения в среднем сохраняют численность, поэтому реакция поддерживается. Если коэффициент больше единицы, число нейтронов и делений возрастает; это нарастание нужно ограничивать в реакторе.

В реакторе замедлитель уменьшает скорость нейтронов при их столкновениях с ядрами вещества. Для некоторых делящихся ядер медленные нейтроны с большей вероятностью вызывают деление, поэтому замедление помогает поддерживать реакцию. Управляющие стержни, напротив, поглощают часть нейтронов и тем самым регулируют их число. Выделившееся при делениях тепло забирает теплоноситель, который отводит энергию из активной зоны.

Режимы цепной реакции и роль элементов ядерного реактора

Первые три строки позволяют определить режим по коэффициенту размножения: сравните его с единицей. Последние строки показывают, что разные части реактора выполняют разные задачи. Замедлитель влияет на скорость нейтронов, стержни — на их количество, а теплоноситель — на передачу тепла.

Разбор задач

Задача 1. В одном поколении возникло 120 нейтронов, а в следующем — 96. Определите коэффициент размножения и характер реакции. Сначала нужно сравнить числа именно соседних поколений, а затем проверить результат относительно единицы.

1. Запишем отношение числа нейтронов следующего поколения к числу предыдущего: k = 96/120.
2. Выполним деление: k = 0,8.
3. Поскольку 0,8 меньше единицы, в следующих поколениях нейтронов в среднем будет становиться меньше.

Ответ: коэффициент размножения равен 0,8; реакция затухает.

Задача 2. В образце каждое поколение нейтронов вызывает в среднем на 10% больше нейтронов, чем предыдущее. Найдите коэффициент и определите режим реакции. Увеличение на 10% означает, что новое число составляет 100% + 10% от прежнего, то есть 110%.

1. Переведём 110% в десятичную дробь: 110/100 = 1,1.
2. По определению коэффициент размножения равен отношению нового числа нейтронов к прежнему, поэтому k = 1,1.
3. Сравним результат с единицей: 1,1 больше единицы, значит каждое поколение в среднем увеличивается.

Ответ: k = 1,1; реакция нарастает.

Задача 3. Объясните, как изменится работа реактора, если управляющие стержни глубже ввести в активную зону. Нужно проследить, как изменение положения стержней влияет на нейтроны, а через них — на число делений.

1. При более глубоком введении стержней большая их часть оказывается в активной зоне и поглощает больше нейтронов.
2. До деления новых ядер доходит меньше нейтронов, поэтому коэффициент размножения уменьшается.
3. Интенсивность цепной реакции и мощность реактора снижаются; стержни регулируют процесс, а не являются источником энергии.

Ответ: реакция ослабевает, поскольку поглощение нейтронов управляющими стержнями уменьшает их число в следующих поколениях.

Типичные ошибки

Ошибка: считать, что каждый нейтрон вызывает новое деление. Так думают, потому что нейтроны действительно запускают деления, но не все они встречают подходящее ядро. Часть нейтронов поглощается без деления или покидает образец. Проверка: учитывайте потери и оценивайте число нейтронов следующего поколения, а не число возникших при одном делении.

Ошибка: путать затухание и нарастание реакции. Иногда значение коэффициента просто запоминают без сравнения с единицей. Если коэффициент меньше единицы, нейтронов становится меньше; если больше — больше. Проверка: представьте, что происходит с числом нейтронов в каждом следующем поколении.

Ошибка: считать, что замедлитель поглощает нейтроны. Это смешивает его функцию с ролью управляющих стержней. Основная задача замедлителя — уменьшать скорость нейтронов, а это для некоторых ядер повышает вероятность деления. Проверка: спросите себя, меняет ли элемент скорость нейтронов или их количество.

Ошибка: думать, что управляющие стержни создают энергию реакции. Поскольку их положение меняют для регулирования реактора, стержни можно ошибочно принять за источник энергии. На самом деле они поглощают нейтроны и меняют интенсивность делений; энергия выделяется при делении ядер. Проверка: разделяйте управление реакцией и процесс, в котором выделяется энергия.

Связь с другими темами

Для понимания цепной реакции нужны знания о составе атомного ядра, изотопах, нейтронах и ядерных реакциях. Закон сохранения энергии помогает описывать превращения энергии при делении ядра. Тема опирается на изучение деления тяжёлых ядер и объясняет физические основы получения ядерной энергии. Эти знания пригодятся при дальнейшем разборе устройства атомных электростанций и работы реакторов.

Что запомнить

• При делении ядра могут появиться новые нейтроны и выделиться энергия.
• Новые нейтроны способны вызвать деление других ядер.
• При коэффициенте размножения меньше единицы цепная реакция затухает.
• При коэффициенте размножения, равном единице, реакция поддерживается.
• При коэффициенте размножения больше единицы реакция нарастает.
• В реакторе управляющие стержни регулируют число нейтронов, а теплоноситель отводит тепло.