ЯДЕРНЫЕ РЕАКТОРЫ

Для ядерной энергетики наиболее эффективными оказались реакции деления тяжелых ядер. Такое деление может происходить спонтанно (самопроизвольно, без внешнего воздействия, за счет «туннельного эффекта») или вынужденно при попадании в ядро подходящих частиц (такими частицами оказались нейтроны). Период полураспада спонтанного деления одного из наиболее подходящих для ядерной энергетики веществ — урана-235 — равен лет, тогда как, бомбардируя его ядра потоком нейтронов, можно получить распад ядра за весьма короткое время. Ввиду этого спонтанное деление тяжелых ядер имеет вспомогательное значение; особое значение приобрели вынужденные реакции деления, возбужденные нейтронами.

Для осуществления ядерных реакций, возбуждаемых нейтронами, вовсе нет необходимости иметь «пучки нейтронов», направляемых на бомбардируемые ядра-мишени; вероятность попадания нейтронов в ядра будет при этом очень малой. Значительно более эффективным является помещение бомбардируемых мишеней в «нейтронный газ», который образуется в так называемых ядерных реакторах, имеющих стенки, хорошо отражающие нейтроны. В этом случае вследствие беспорядочного теплового движения самих нейтронов вероятность осуществления «акта взаимодействия» между ядром и нейтроном значительно выше, чем в пучках. Не менее важным преимуществом такого способа осуществления ядерных реакций является возможность управления ими. Если в объем, в котором существует нейтронный газ, ввести или вывести из него тела, сильно поглощающие нейтроны (например, кадмиевые стержни), то плотность нейтронного газа (их число в единице объема) может быть изменена и тем самым интенсивность ядерной реакции контролируема.

Для того чтобы при бомбардировке вызвать деление ядра, необходимо сообщить ему некоторое минимальное количество энергии,

которое называется анергией активации или порогом деления. Если сообщаемая ядру энергия меньше энергии активации, то ядро перейдет из возбужденного состояния в нормальное, излучив фотон, т. е. сохранив свой состав. Энергия, вносимая частицей в ядро, равна сумме ее кинетической энергии (до попадания в ядро) и энергии связи, которую он приобретает внутри ядра под действием ядерных сил притяжения (средняя энергия связи на один нуклон для различных ядер приведена на рис. IV. 101). Поэтому минимальная кинетическая энергия частицы, способной вызвать реакцию деления, должна быть равна

Все эти величины зависят от состава и структуры атомного ядра, поэтому, например, ядра урана-233, 235 и плутония-232 (имеющие нечетное число нуклонов) разбиваются на осколки при попадании в ядро «медленных» нейтронов (кинетическая энергия которых составляет доли электронвольта), а ядра урана-234, 238, тория-232 (имеющие четное число нуклонов) делятся только быстрыми нейтронами с энергиями не менее

Рис. IV.107

Зависимость энергии активации от порядкового номера элемента показана на рис. IV. 107. С увеличением эта энергия растет у легких элементов и убывает у тяжелых. Сопоставляя эти значения со значениями «связи» данными на рис. IV. 101, можно найти кинетическую энергию частицы, способной вызвать ядерную реакцию деления.

Рассмотрим реакцию деления урана-235, вызванную нейтроном. Имеется много каналов, по которым это деление может осуществляться; укажем два способа деления:

Существенно, что поглощение одного нейтрона вызвало появление нескольких новых нейтронов; усредненное для всего множества различных каналов распада число новых нуклонов называется коэффициентом размножения и оказывается больше единицы. Ввиду этого возможна цепная реакция, когда появившиеся нейтроны продолжают процесс, их вызвавший.

Допустим, что в реакторе в начальный момент времени находится нейтронов. В течение времени часть из них поглотится активным веществом и вызовет деление, вследствие чего появятся новых нейтронов. Другая часть поглотится (без деления) ядрами стенок реактора и других тел, введенных в реактор для управления, отвода энергии и т. д. Наконец, третья часть может покинуть пределы реактора вследствие некоторой прозрачности его

стенок. Если будет положительной, то число нейтронов в реакторе, а следовательно, и интенсивность процесса деления будут увеличиваться; при процесс деления будет затухать, а при условии в реакторе будет установлено равновесное состояние, при котором число появляющихся нейтронов будет равно их потерям. Это условие не зависит от равновесие может быть достигнуто при любой плотности нейтронного газа в реакторе, т. е. при любой интенсивности процессов деления. Если энергия, выделяющаяся при одной реакции деления, то мощность реактора (энергия, выделяющаяся в единицу времени будет равна

т. е. определяется ежесекундным числом ядерных процессов деления. Предельно допустимое значение определяется интенсивностью отвода выделяющейся энергии из реактора.

Отношение выражающее эффективное сечение процесса деления, зависит от энергии нейтронов. Для урана-235 оно достигает максимума при кинетической энергии нейтронов при попадании нейтрона с такой энергией в ядро урана-235 вероятность деления оказывается равной 84%. Однако вторичные нейтроны, появившиеся при делении, имеют большие энергии — от 1 до Ввиду этого для осуществления цепной реакции (т. е. повышения вероятности деления при каждом попадании нейтрона в ядро) необходимо уменьшить энергию вторичных нейтронов. Этот процесс (названный замедлением нейтронов) осуществляется помещением в объем реактора, где находятся урановые стержни некоторых веществ (тяжелая вода, графит и при упругих столкновениях с ядрами этих веществ нейтрон постепенно теряет кинетическую энергию до значений, соответствующих температуре реактора.

В реакторах в качестве источника ядернхэй энергии («ядерного топлива») должны быть использованы вещества, ядра которых имеют большую вероятность деления при попадании нейтрона. Например, у урана-235 эффективные сечения двух процессов, вызванных медленными нейтронами: деления и излучения фотона, — имеют значения 550 и 110 барн, тогда как у урана-238 деления не происходит, а излучение фотона имеет сечение 2,8 барн. Быстрые нейтроны поглощаются ураном-238 с большой вероятностью, однако и при этом вместо деления в основном происходит испускание фотона по схеме

Для ядерной энергетики очень ценным оказался процесс распада урана-239, приведшего к образованию нового «ядерного горючего» плутония:

(периоды полураспада: урана — 23 мин., нептуния — 2,3 дня, плутония — около лет). Ядро плутония оказалось таким же

«ядерным горючим», как и уран-235: плутоний легко делится под действием медленных нейтронов и способен обеспечить цепную реакцию.

На использовании этих реакций основаны «бридерные реакторы», в которых из урана-238 получается химически легко отделимый от него плутоний. В реактор закладываются урановые стержни, в которых содержание урана-235 доведено до 5%. В результате деления урана-235 выделяются нейтроны с энергиями Эти нейтроны поглощаются ядрами урана-238, а последовательность указанных выше распадов приводит к образованию ядер плутония. В среднем на одно исчезнувшее ядро урана-235 появляются 1,5 ядер плутония-239. Так, как уран-238 поглощает только быстрые нейтроны, то в таких реакторах замедлители не нужны. Таким образом, в бридерных реакторах расходуется один вид ядерного горючего и воспроизводится в большем количестве) другой вид.