Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Для того чтобы шел цепной процесс, потери нейтронов должны быть полностью компенсированы. Поэтому число нейтронов второго поколения должно быть равно начальному количеству нейтронов или больше его, то есть N 0 pfv ≥ N 0, или pfv ≥1 [7] Знак ≥ обозначает, что находящаяся влево от него величина должна быть больше или равна правой. .

Величина pfv = K называется коэффициентом размножения нейтронов. Цепной процесс может идти, только если K ≥1. При K =1 цепной процесс начинается, и это равноценно нашему условию, что хотя бы один из нейтронов деления произвел новое деление. Если коэффициент размножения больше единицы, то число нейтронов нарастает лавиной. Действительно, если в начальный момент было N 0нейтронов, то при K> 1 в последующих поколениях количество нейтронов будет все время расти:

В чистом уране 235, где поглощение нейтронов почти полностью отсутствует, коэффициент р близок к единице. Среднее число нейтронов, приходящихся на одно деление ν, приблизительно равно 2,5. Поэтому в достаточно большом куске, где выход нейтронов через поверхность мал, коэффициент размножения может быть близок к 2.

Предположим, что цепной процесс был вызван одним нейтроном, то есть N 0=1; тогда большинство ядер разделится уже примерно на восьмидесятом поколении, так как число атомов в одном килограмме урана 235приблизительно равно числу N 80=1∙2 89. Можно считать, что, прежде чем вызвать деление ядра урана, нейтрон должен пройти расстояние, равное примерно 10 сантиметрам. Таким образом, для того чтобы произвести 80 ядерных реакций, нейтронам надо пройти всего около восьми метров; а при скорости их в 20 тысяч километров в секунду они это сделают за миллионную долю секунды, и при этом выделится огромное количество энергии. А это и есть атомный взрыв.

Для начала цепного процесса нет необходимости как-то искусственно впускать нейтроны, для того чтобы «зажечь» кусок урана, имеющего вес больше критического. В уране всегда имеются блуждающие нейтроны, которые обязаны своим происхождением ряду ядерных процессов. Прежде всего в уране происходят самопроизвольные деления ядер. Это явление было открыто советскими учеными Г. Н. Флеровым и К. А. Петржаком. Самопроизвольное деление ядер урана происходит очень редко. В среднем в одном грамме природного урана совершаются 23 деления в час. Но при каждом самопроизвольном делении освобождается несколько нейтронов, которые будут блуждать в куске урана до тех пор, пока не выйдут наружу или не поглотятся его ядрами. При поглощении этих нейтронов ядрами урана может произойти деление и освобождение новых блуждающих нейтронов. В двух разъединенных кусках урана общим весом около двух килограммов за счет самопроизвольного деления освобождается около 40 нейтронов в секунду. В среднем каждые 0,02 секунды образуется один нейтрон.

Кроме того, могут быть нейтроны космического происхождения. Из далеких миров, из Галактики к нам приходят космические частицы, представляющие собой ядра легких элементов, обладающие колоссальной энергией. Эти частицы, сталкиваясь с ядрами различных веществ, производят ядерные реакции, в которых иногда образуются нейтроны. Эти нейтроны тоже могут быть начальными при развитии цепного процесса. Не исключено также деление ядер урана непосредственно теми же космическими частицами.

Итак, в большом куске урана всегда найдется несколько блуждающих нейтронов, которых вполне достаточно для начала цепного процесса. Как только вес куска урана превысит критический, в нем мгновенно произойдет атомный взрыв.

«Горение» урана.Мы уже знаем, как получают атомную энергию из урана 235. Но этого недостаточно. Надо научиться управлять процессом выделения энергии. Ведь эта энергия получается в форме взрыва. Цепной процесс идет очень быстро до тех пор, пока не распадется весь расщепляющийся материал или пока этот материал не разлетится под действием атомного взрыва.

Следовательно, нужно научиться осуществлять медленное «горение» урана.

Казалось бы, управлять цепным процессом не так трудно.

Предположим, что мы сумеем изменять и поглощение нейтронов и выход их через поверхность урана, то есть изменять величину коэффициентов р и f.

Для начала цепного процесса мы должны увеличить р или f до тех значений, при которых коэффициент размножения K становится больше единицы. Число нейтронов, а следовательно, и число реакций деления, будет непрерывно возрастать. После того как количество выделяющейся энергии станет достаточно велико и мощность установки возрастет до необходимых значений, коэффициент размножения можно уменьшить до единицы. При этом число нейтронов, а следовательно, и мощность установки останется на прежнем уровне. Изменять же коэффициент размножения можно, и позже мы покажем, как это делается.

Но скорость нейтронов слишком велика, чтобы можно было достаточно надежно управлять процессом. Мы уже видели, что при коэффициенте размножения, равном двум, цепной процесс длится миллионные доли секунды. Поэтому, казалось бы, как только значение коэффициента превзойдет единицу, управление процессом станет невозможным: слишком быстро будет нарастать число нейтронов, участвующих в делении урана. Даже если нам и удастся держать значение коэффициента размножения близким к единице, не может быть гарантии, что при внезапном изменении режима процесс может либо совсем затухнуть, либо перейти в атомный взрыв.

К счастью, есть одно обстоятельство, которое облегчает управление цепным процессом в уране. Исследования показали, что при делении ядра урана не все нейтроны выделяются одновременно. Часть нейтронов (около одного процента) выбрасывается «осколками» деления с довольно большим запозданием, достигающим 60–80 секунд. Эти так называемые запаздывающие нейтроны позволяют в некоторых случаях сильно замедлять развитие цепного процесса.

Предположим, что мы довели значение коэффициента размножения до единицы. Это значит, что потеря нейтронов полностью восполняется вновь образованными при делении ядер. В этом случае цепной процесс осуществляется за счет запаздывающих нейтронов, так как без них коэффициент размножения был бы равен приблизительно 0,99.

Если мы теперь увеличим коэффициент размножения до 1,01, то это увеличение произойдет не сразу. Та часть его, которая определяется мгновенно вылетающими нейтронами, быстро поднимется до единицы. Запаздывающие же нейтроны увеличат значение коэффициента размножения только через одну — полторы минуты. И только после этого будет развиваться цепной процесс.