Основные понятия цепной реакции деления

Для краткости, при обозначении массового числа изотопа, будем писать только последнюю цифру: если 235U –  5U, если 238U — 8U, 239Pu — 9Pu, 240Pu — 40Pu, так принято в физике. Допустим, есть ядро 235U и нейтрон, который летит в это ядро. Если нейтрон попадает в это ядро и происходит деление, то, во-первых, рождается два осколка, и, во-вторых, и это самое главное, при делении ядра образуется какое-то количество нейтронов, может быть два или три.

 Вопрос – из ядра вылетают?

Когда делится ядро, неизвестно, откуда вылетают нейтроны, из ядра или из осколков деления, у этого процесса слишком тонкий механизм. Известно только, что процесс деления имеет продолжительность ~10-14 с, известно, что было до деления, и что появилось после – два осколка и два нейтрона.

Вопрос – в осколках должно быть столько же  нейтронов,  сколько их содержится в ядре?

Нет, не столько. Прежде всего, нужно вычесть 2. При каждом индивидуальном делении образуется два совершенно разных осколка. И только когда произойдет, например, миллион делений, получится кривая распределения выходов осколков по массам. Мы рассмотрели очень простой случай, когда ядро делилось пополам, а на самом деле ядро не пополам делится. В каждом индивидуальном случае деление на осколки случайно, но всегда должно выполняться правило, что сумма нуклонов в осколках должна быть равна сумме нуклонов в ядре 235U,  с учетом тех нейтронов, которые появились.

Вопрос – тот нейтрон, который летит, останавливается или прилепляется куда-нибудь?

Его судьба неизвестна. Известно, что было до взаимодействия, и что было после. Момент зачатия таинственен, как говорится.

Вопрос – вы написали уравнение, там количество нейтронов, рождающихся при делении –2. Учитывается тот нейтрон, который летит? Получается, нужно отнимать не 2, а один нейтрон.

Рождение при делении нейтронов – такой же вероятностный процесс, как рождение детей в семье.  Ведь в семье может родиться один ребенок, или двойня, или тройня, а у кого то пятерня. Бывает, что при делении рождается один нейтрон, бывает два, три, редко бывает пять, в принципе, возможно рождение целого спектра нейтронов, поэтому хорошо известно только  среднее число. Среднее число нейтронов деления для 235U округленно (обозначается nf , индекс f – от английского слова деление — fission) равно ~ 2,5 (точнее 2,43). Для других делящихся изотопов будет другое число nf .

 Вопрос – а куда электроны деваются?

Процессы с электронами к ядерным процессам не относятся. Электроны производят ионизацию – это потеря электронной оболочкой одного электрона, двух электронов. Когда летит осколок, то с него вообще слетают все электроны, они прилипают к другим атомам или существуют в твердом теле в виде электронного газа, особенно в металлах, или же ионизуют другие атомы. В конце концов потом происходит обратный процесс, когда этот осколок остановится.

Важно то, что число нуклонов (протонов и нейтронов) до деления и после деления одинаково. Нуклоны никуда не могут деться. Мы должны учитывать как нуклоны и вылетевшие нейтроны при делении, и те нейтроны, которые находятся в осколках, и тот нейтрон, который взаимодействовал.

Итак, мы рассмотрели процесс деления, когда в ядро попал нейтрон, разделил его на два осколка и появилось, допустим, два нейтрона. Далее, один из этих нейтронов попадает в следующее ядро 235U. Схема цепной реакции деления изображена на рис.3. Нейтрон, который поглотится без деления, или улетит вообще за пределы реактора, на рис.3 зачеркнут. Этот нейтрон может не попасть в ядро 235U, а попасть в другое ядро — 238U, в Zr, в Н,  важно то, что он не вызовет деления.

Вопрос – нейтрон тепловой?

Это сейчас не важно, мы их пока не отличаем по энергии.

Чтобы была цепная реакция, после первого деления один из нейтронов, должен обязательно попасть снова в ядро 235U. Потому что если ни один нейтрон не попадет в 235U, то цепь прервется и цепной реакции не будет. Вся цепь образуется только за счет того, что нейтроны, рожденные при делении одного ядра, могут вызвать деление следующего ядра.

На рис.3 показано, как от поколения к поколению развивается цепная реакция деления. И звенья этой цепи как раз образуются нейтронами, которые переносят этот процесс.

Если эта ветвящаяся цепь будет все время развиваться и развиваться, допустим, что свойства реактора таковы, что оба нейтрона вызовут деление двух ядер, тогда уже в следующем поколении станет четыре нейтрона. В следующем поколении будет уже 8 нейтронов, т.е. будет развиваться лавинообразная реакция, вот такая лавинообразная реакция протекает при ядерном взрыве.

В реакторе могут быть три ситуации  — три состояния реактора. Первое — самое простое состояние – это стационарное состояние реактора,  оно характеризуется тем, что в каждом последующем поколении ровно столько нейтронов рождается в 1 с, и ровно столько делений происходит в 1 с, сколько в предыдущем поколении. Это стационарное состояние реактора называется работой на постоянном уровне мощности. Значит, если реактор работает на постоянном уровне мощности, то в каждом последующем поколении рождается ровно столько нейтронов, сколько рождается в предыдущем поколении. Поэтому и число делений в последующем поколении совпадает с числом нейтронов в предыдущем поколении.

Естественно, что в эксплуатации требуется иногда повышать мощность реактора, иногда – снижать. С помощью системы управления реактором, создаются такие условия, что в каждом последующем поколении будет рождаться больше нейтронов, чем было в предыдущем, допустим, если нужно поднять мощность. Это значит, что мощность реактора растет и число нейтронов также растет. Если нужно остановить реактор, то наоборот, создаются, с помощью системы управления, такие условия, что в каждом последующем поколении количество нейтронов будет меньше, чем в предыдущем поколении. Вот это принцип цепной реакции деления. Когда говорят, что на постоянной мощности в каждый момент времени происходит одинаковое число делений, то подразумевается, опять, только среднее число делений, потому что на самом деле процесс деления случаен, и происходит флуктуация числа делений,  т.е. в это мгновение может быть делений меньше, а в то – больше, но среднее число делений будет находиться вокруг среднего значения. Практически эти флуктуации проявляются как нейтронные шумы, они заметны при подкритическом состоянии реактора, или когда очень низкий уровень мощности, тогда, когда происходит мало делений. Когда происходит мало делений, то каждое индивидуальное случайное различие можно заметить и зафиксировать, как локальные изменения мощности или числа делений. Когда энергетический уровень мощности, число делений настолько велико, что как средние показатели они полностью характеризуют действительно реальные значения.         

Рассмотрим, как на основе цепной реакции деления работает реактор.