Цепная ядерная реакция

Цепная ядерная реакция — реакция деления атомных ядер тяжёлых элементов нейтронами, в каждом акте которой число нейтронов возрастает и поэтому создаются условия для самоподдержания процесса деления.

Реакции, в ходе которых регенерируется один из исходных реагентов, называются цепными.

В общем случае цепные реакции — это такие реакции, в которых продукты реакции способствуют продолжению реакции. Такими продуктами для ЦЯР являются нейтроны.

Принципиальная возможность ЦЯР явствует из того, что отношение числа нейтронов к числу протонов в ядрах урана заметно выше, чем в осколках деления, что ведёт к испусканию нескольких нейтронов при делении U²³⁵ (в среднем 2.47).

Реальная возможность ЦЯР определяется соотношением вероятности процесса разветвления реакции и вероятности её обрыва. К разветвлению ведёт лишь деление ядер. К обрыву ведёт несколько причин:

• поглощение нейтрона в U²³⁸ без деления;

• поглощение в конструкционных материалах;

• вылет нейтронов за пределы активной зоны (места, где протекает реакция деления).

В самом общем виде конструирование и управление ЯР состоит в создании необходимого равновесия между процессами разветвления и обрыва цепной реакции.

С макроскопической точки зрения ЦЯРД идёт в среде, в которой происходят процессы размножения нейтронов, их замедления, диффузии и поглощения. Такая среда называется активной зоной. Физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент размножения нейтронов.

Количественной характеристикой ЦЯР является коэффициент размножения нейтронов — отношение количества нейтронов в одном поколении n_i+1 к количеству нейтронов в непосредственно предшествующем поколении n_i:

Для поддержания числа рождающихся нейтронов на постоянном уровне необходимо обеспечить выполнение равенства К = 1.

Для затухания числа рождающихся нейтронов — К < 1.

Для увеличения числа рождающихся нейтронов — К > 1.

Формула четырёх сомножителей

Для оценки коэффициента размножения К_эфф теплового реактора используется приближённая формула четырёх сомножителей:

К_эфф = К_∞ * Р = ν * μ * Θ * φ * Р , где

• К_эфф — эффективный коэффициент размножения тепловых нейтронов;

• К_∞ — коэффициент размножения без учёта утечки нейтронов, то есть для бесконечной среды (активной зоны бесконечных размеров);

• ν — эффективный выход нейтронов в акте деления U²³⁵;

• μ — коэффициент размножения на быстрых нейтронах;

• Θ — коэффициент использования тепловых нейтронов (вероятность тепловому нейтрону поглотиться ядром топлива, а не замедлителя или конструкционного материала);

• φ — вероятность избежать резонансного захвата в U²³⁸;

• Р — коэффициент формы, размера активной зоны и типа теплоносителя.

Типичные значения сомножителей:

• ν = 2.47;

• μ = 1.02÷

• φ < 1;

• P < 1;

• Θ < 1.

Существуют и другие комбинации из четырёх сомножителей, но все они по физической сути так или иначе совпадают с приведёнными выше.

Для реакторов на быстрых нейтронах формула четырёх сомножителей неприменима из-за зависимости значений сомножителей в зависимости от энергии нейтрона, а разброс по энергиям при быстрых реакциях очень велик.

Графически сопоставить факторы, влияющие на размножение нейтронов в активной зоне, с его энергией в процессе замедления, можно следующим рисунком: