Ядерные свойства делящихся изотопов
Для большинства изотопов сечения поглощения меняются обратно пропорционально скорости нейтронов. В таблице 1 приведены сечения деления, захвата и поглощения для трех изотопов делящихся на тепловых нейтронах.
Таблица 1 – Свойства делящихся ядер на тепловых нейтронах
Изотоп U235испытывает деление как на медленных (тепловых), так и на быстрых нейтронах с энергией более 1,1 МэВ.
В процессе деления образуются две группы нейтронов – мгновенные и запаздывающие. Мгновенные составляют около 99 % от их общего количества и вылетают в течение очень короткого промежутка времени (10–14с). Запаздывающие испускаются уже осколками деления через достаточно большие промежутки времени (в среднем около долей секунд до 55 с) этот 1 % запаздывающих нейтронов позволяет четко контролировать цепную реакцию в ядерных реакторах и вести управление эксплуатацией объекта в целом.
Вследствие достаточно высоких значений радиационного захвата для делящихся изотопов, например, U235c обогащением 2-5% масс. В ядерном реакторе на 100 тепловых нейтронов, взаимодействующих с ядром U235, только 85 вызывают акт деления. Остальные 15 претерпевают радиационный захват, что приводит к образованию U236, являющимся вредным поглотителем нейтронов.
Радиационный захват нейтронов Pu239протекает по следующей ядерной реакции:
Что же касается дробной величины выхода нейтронов на один акт деления – это не парадокс, а всего лишь усредненная величина на очень большое число актов деления. Иными словами, не все нейтроны ведут к акту деления радиационным захватом.
Итак, поглощение U238нейтронов приводит к синтезу ядер Pu239, что в свою очередь увеличивает количество ядерного топлива в активной зоне ядерного реактора. Таким образом, по мере появления Pu239уже значительная часть делений приходится на его долю с выделением энергии до 40 % от общего числа делений U235.
Деление ядра урана
В отличие от известных схем деления ядра U235, приведенных в ряде зарубежных литературных источников, на рисунке 4 представлена наиболее наглядная схема взаимодействия нейтрона с делящимся изотопом.
Рисунок 4 – Схема деления ядра U235 в результате взаимодействия с нейтроном
Критическая масса и обогащение
Количество урана, необходимое для поддержания цепной реакции зависит от следующих параметров:
1) обогащения (концентрации U235);
2) плотности и геометрической формы;
3) количества и характера примесей.
Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. В небольших кусках урана большинство нейтронов, не попав ни в одно ядро, вылетают наружу.
Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Дело в том, что нейтроны, рождающиеся при распаде ядер урана, имеют слишком большие скорости, а вероятность захвата медленных нейтронов ядрами урана-235 в сотни раз больше, чем быстрых. Наилучшим замедлителем нейтронов является тяжелая водаD2O. Обычная вода при взаимодействии с нейтронами сама превращается в тяжелую воду.
Хорошим замедлителем является также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей. Критическая масса для обогащенного до 93,5 % по изотопу урана U235для открытого шара – менее 50 кг; для шара с отражателем нейтронов – 15–23 кг (такой шар имеет диаметр всего около 13 см), для водного раствора урана – менее одного килограмма.
Критическая масса для открытого шара из плутония-239 – 5,6 кг, для шара с отражателем – около 1 кг. Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.