Рользапаздывающихнейтронов

вуправленииреактором

Отсюда следует, что во всех реальных случаях

βTзап T ,

так что

Cкр Nкр.

В активной зоне при протекании стационарной цепной реакции ядер, испускающих запаздывающие нейтроны, как минимум на два порядка больше, чем нейтронов. Ядра, испускающие запаздывающие нейтроны, рождаются в сотни раз реже, чем нейтроны, но зато живут в десятки тысяч, а то и в миллионы раз дольше. Видно, что роль запаздывающих нейтронов в кинетике цепной реакции оказывается определяющей.

Величина βTзап имеет порядок 5.10−2 с. Ясно, что

наличие запаздывающих нейтронов по крайней мере на два порядка снижает скорость нарастания

интенсивности. Например, при k −1 =10−3 за 0.5 с

число нейтронов увеличится уже не в сто раз, а лишь на 10%.

Таким образом, наличие запаздывающих нейтронов решающим образом упрощает проблему регулирования скорости протекания цепной реакции, причем не только на тепловых, но и на быстрых нейтронах.

Воспроизводствоядерного

горючего

Захват нейтронов ядрами, не участвующими в цепной реакции деления, снижает интенсивность реакции. Однако этот процесс можно использовать для образования новых делящихся изотопов. Так, при

238U

поглощении нейтронов изотопами урана 92 и тория

23290Th образуются (через два последовательных β-распада) изотопы плутония 23994 Pu и урана 23392U ,

являющиеся ядерным горючим:

−

n + 23892U → 23992U →β−, 23мин 23993 Np →β , 2.4дня 23994 Pu,

n + 23290Th → 23390Th →β−, 22мин 23391 Ра →β−, 27дней 23392U ,

Эти две реакции открывают реальную возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции. В идеальном случае, т. е. при отсутствии ненужных потерь нейтронов, на воспроизводство ядерного горючего используется в среднем η − 1

нейтронов на каждый акт поглощения нейтрона ядром горючего.

Ядерный

взрыв

Ядерный взрыв

Для осуществления ядерного взрыва в результате цепной реакции

деления необходимо, чтобы масса делящегося вещества (урана-235, плутония-239 и др.) превышала критическую (50 кг для 235U и 11 кг для

239Pu). До взрыва система должна быть подкритической. Переход в надкритическое состояние происходит за счет концентрации делящегося вещества с помощью сходящейся сферической детонационной волны. Обычно используется химический взрыв вещества из сплава тротила и гексогена. При полном делении 1 кг урана выделяется энергия равная энерговыделению при взрыве 20 килотонн тротила Ядерный взрыв развивается за счёт экспоненциально растущего со временем числа разделившихся ядер:

N(t) = N0etτ

Среднее время τ между двумя последовательными актами деления 10−8 с.

Отсюда можно получить для времени полного деления 1 кг ядерной взрывчатки величину 10−7-10−6 с. Это и определяет время ядерного взрыва.

В результате большого энерговыделения в центре ядерной бомбы температура поднимается до 108 К, а давление – до 1012 атм. Вещество превращается в разлетающуюся плазму.

Вопрос

Оцените время ядерного взрыва.

Термоядерный

взрыв

Термоядерный взрыв

2Н + 3Н → 4He + n +17.59 МэВ 2Н + 2Н → 3He + n + 3.27 МэВ 2Н + 2Н → 3Н + p + 4.03 МэВ

3He + 2Н → 4He + p + 18.35 МэВ 6Li + n → 3Н + 4He + 4.78 МэВ

Сама идея устройства термоядерной бомбы чрезвычайно проста. Это цилиндрический контейнер с жидким дейтерием (2Н). Дейтерий нагревается после взрыва ядерной бомбы. При достаточно сильном нагреве должно выделяться большое количество энергии в результате реакции термоядерного синтеза между ядрами дейтерия. Температура, необходимая для начала термоядерной реакции должна составлять миллион градусов. Однако детальное исследование величины сечения реакции синтеза ядер дейтерия, от которой зависит скорость распространения реакции горения, показало, что она протекает недостаточно эффективно и быстро. Тепловая энергия, которая высвобождается за счет термоядерных реакций, рассеивается гораздо быстрее, чем пополняется за счет последующих реакций синтеза. В этом случае взрывной процесс происходить не будет — произойдет разброс горючего материала.

Термоядерный взрыв

Принципиально новое решение состоит в том, что инициирование термоядерной реакции происходит в результате создания сверхплотной среды дейтерия. Был предложен способ создания сверхплотной среды дейтерия под действием рентгеновского излучения, образующегося при взрыве ядерной бомбы. В качестве исходного горючего вещества для термоядерного синтеза использовалось

твердое соединение − дейтерид лития 6 Li2H .

В результате сжатия горючего вещества происходит самоподдерживающаяся реакция термоядерного синтеза.

Термоядерный взрыв

После взрыва ядерного заряда, рентгеновские лучи, испущенные из области ядерного заряда распространяются по пластмассовому наполнителю, ионизуя атомы углерода и водорода. Урановый экран, расположенный между областью ядерного заряда и объемом с дейтеридом лития предотвращает преждевременный нагрев дейтерида лития. Под действием рентгеновских лучей и высокой температуры возникает огромное давление, сжимающее капсулу с дейтеридом лития. Плотность материала капсулы возрастает в десятки тысяч раз. Находящийся в центре плутониевый запал в результате сильной ударной волны также сжимается в несколько раз и переходит в надкритическое состояние. Быстрые нейтроны, образовавшиеся при взрыве ядерного заряда, замедлившись в дейтериде лития до тепловых скоростей, приводят к цепным реакциям деления плутония, что действует наподобие дополнительного запала, вызывающего рост давления и температуры. Температура, возникающая в результате термоядерной реакции повышается до 300 млн. К, что и приводит в конечном счете к взрывному процессу. Весь процесс взрыва длится в течение десятых долей микросекунды.