Самоподдерживающаяся цепная реакция деления

Содержание

Перечень сокращений

1. Цепная реакция деления. Коэффициент размножения.

2. Эффективный коэффициент размножения и утечка нейтронов.

3. Геометрический параметр.

4. Критическое состояние реактора.

5. Принцип саморегулирования реактора. Коэффициенты реактивности.

6. Принципиальная конструкция ядерного реактора.

7. Виды ядерного топлива.

8. Замедлители нейтронов.

9. Теплоносители.

10. Неравномерность тепловыделений в активной зоне реактора.

11. Физическое и гидравлическое профилирование.

Контрольные вопросы

Литература, рекомендуемая для самостоятельной проработки

Перечень сокращений

СУЗ  система управления и защиты

ТВС  тепловыделяющая сборка

твэл  тепловыделяющий элемент

1.Цепная реакция деления. Коэффициент размножения.

Цепной реакцией деления называется самоподдержива­ющаяся последовательность ядерных реакций деления, в которых количество образующихся нейтронов деления достаточно для деления новых ядер и для поддержания реакции деления внешних источников нейтронов не требуется.

Среднее число вторичных нейтронов образующихся в одном акте деления – ν_f является нейтронно-физическим свойством делящегося материала и для основных делящихся изотопов составляет:

233U	νf = 2,51
235U	νf = 2,46
239Pu	νf = 2,91

Таким образом, один нейтрон в результате деления может привести к образованию нескольких нейтронов в следующем поколении. Они, в свою очередь, создадут ν_f² нейтронов второго поколения, и в n-ом поколении возникает ν_fⁿ нейтронов (см. рис.1). Протекание реакции деления по такой схеме размножения нейтронов и является цепной реакцией деления.

Рис. 1. Схема размножения нейтронов в цепной реакции деления.

Однако не все нейтроны вызывают деление, так как часть нейтронов теряется вследствие радиационного захвата, и некоторое количество нейтронов покидает среду размножения, вылетая из объема активной зоны реактора. В реакторе кроме делящегося изотопа находятся также другие материалы – теплоноситель, замедлитель и конструкционные материалы, которые поглощают нейтроны. Перечисленные потери нейтронов влияют на общий баланс нейтронов и ход цепной реакции.

Делящиеся ядра поглощают наиболее интенсивно тепловые нейтроны. Сечение деления в тепловой области в сотни раз превы­шает сечение деления для быстрых нейтронов. Чтобы воспользо­ваться этим свойством, быстрые нейтроны замедляют до тепловых энергий, после чего они вступают в реакцию с делящимися ядрами.

Условия существования цепной реакции деления, т.е. способность той или иной среды к поддержанию цепной реакции характеризуется коэффициентом размножения нейтронов, который определяют как отношение числа нейтронов данного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения.

Коэффициент размножения равен отношению скорости образо­вания к скорости поглощения нейтронов всех энергий.

Для однородной среды размножения, которую нейтроны не могут покинуть (бесконечная среда) величина коэффициента размножения нейтронов определяется по формуле четырех сомножителей:

K_∞ = η·ε·φ·θ

η - среднее число быстрых нейтронов, образующихся в резуль­тате одного акта поглощения.

η = ν_f ·Σ_f / Σ_a

ε - коэффициент размножения на быстрых нейтронах характеризует, во сколько раз увеличивается число нейтронов в реакторе за счет деления ²³⁸U быстрыми нейтронами по сравнению с числом быстрых нейтронов, образующихся только за счет деления ²³⁵U.

φ - вероятность избежать резонансного захвата характеризует вероятность того, что быстрый нейт­рон, замедляясь, избежит захвата в резонансной области и станет тепловым. Данный коэффициент учитывает вероятность захвата нейтронов промежуточных энергий, при которых сечение радиационного захвата ²³⁸U имеет резонансные пики.

θ - коэффициент использования тепловых нейтронов характеризует долю тепловых нейтронов, поглощен­ных в ядерном горючем, от общего числа поглощенных нейтронов. Поскольку поддержание цепной реакции идет в основном за счет деления урана тепловыми нейтронами, то лишь нейтроны, поглощенные в горючем, могут вызвать реакцию деления и нейтроны, погло­щенные в других материалах активной зоны, являются потерянными.

Баланс нейтронов одного поколения, участвующих в цепной ре­акции деления можно представить в виде циклического процесса (см. рис.2.).

Рис. 2. Баланс нейтронов при протекании цепной реакции деления в реакторах

на тепловых нейтронах.