Замедление нейтронов до тепловых скоростей

Итак, для создания условий для незатухающей ЦЯР необходимо достаточно быстро замедлить нейтроны деления (так называемые быстрые нейтроны) до необходимой энергии, чтобы за время замедления нейтрон не успел поглотиться в U²³⁸. В этом можно убедиться, сравнив графики сечений деления U²³⁵ нейтронами и радиационного захвата нейтронов U²³⁸ — преобладание деления над захватом имеет место при энергии нейтронов менее 0.01 эВ.

Для быстрого замедления применяется специальное вещество — замедлитель. Нейтроны хорошо замедляются на ядрах с наименьшей массой, поскольку при столкновении двух частиц большая часть энергии уносится более лёгкой из них.

Сам U не может выполнять роль замедлителя, поскольку его ядра очень тяжелы, замедление происходит за огромное число столкновений, при которых велика вероятность захвата нейтрона в U²³⁸.

Размеры активной зоны, ТВэл, ТВС, промежутки между ними подбирают так, чтобы быстрый нейтрон, обладающий энергией в области резонансного захвата в U²³⁸, находился при этом в замедлителе.

Практичным замедлителем является вода, которая одновременно играет и роль теплоносителя. Следующие свойства воды являются определяющими при выборе её в качестве замедлителя и теплоносителя:

• очень хорошие замедляющие свойства (масса ядра водорода равна массе нейтрона);

• самая высокая теплоёмкость среди жидкостей;

• расширяемость при нагреве;

• чрезвычайная доступность и лёгкость очистки;

• хорошая растворимость присадок в воде.

Недостатком лёгкой воды считается поглощение ею нейтронов.

Совсем не поглощает нейтронов тяжёлая вода D₂O, однако её замедляющие свойства чуть хуже и её добыча представляет известные трудности.

Сравнение замедляющих свойств H₂O и D₂O:

Замедлитель	Время замедления	Длина замедления	Число столкновений до замедления
H2O	10-5 сек	5.7 см	19
D2O	4.6*10-5 сек	11.0 см	35

Примеры других замедлителей: C, Be.

Конструкция активной зоны

Для уменьшения утечки нейтронов необходимо выбрать размеры и форму размножающейся среды, имеющей минимальную поверхность, с которой нейтроны вылетают наружу, по отношению к объёму, в котором они рождаются. Такая форма – шар.

С другой стороны, необходимо наличие определённого минимального количества делящегося вещества, чтобы незатухающая ЦЯР могла иметь место.

Минимальное количество делящегося вещества, в котором возможна ЦЯР, называют критической массой, а размер соответствующей формы — критическим размером.

Критическая масса может варьироваться в широких пределах от, казалось бы, малозаметных причин. Для среды из чистого U²³⁵ в форме шара критическая масса составляет примерно 47 кг при радиусе шара 9 см, а для среды из чистого U²³⁵ с частыми и тонкими полиэтиленовыми прокладками и с отражателем из Be критическая масса равна 242 гр.

Активная зона, состоящая из однородной смеси топлива и замедлителя, называется гомогенной.

Система чередующихся блоков топлива и замедлителя называется гетерогенной.

Гетерогенная зона характеризуется тем, что образовавшийся в ней быстрый нейтрон успевает перейти в замедлитель, не достигнув резонансных энергий и не поглотившись в топливе без деления. Далее, став тепловым в замедлителе, нейтрон должен для участия в ЦЯР продиффундировать до его границы и попасть обратно в топливо, не поглотившись в замедлителе и конструкционных материалах.

Конструкция гетерогенных зон — форма и размер активной зоны, размеры блоков топлива, шаг решётки топливных блоков выбирается из условия выполнения указанных требований.