Генерация, захват и рассеяние нейтронов в реакторе

В ядерном реакторе нейтроны рождаются при делении тяжёлых ядер. Даже если ядерная установка состоит только из одного делящегося вещества - горючего (что невозможно), вторичные нейтроны при взаимодействии с ядрами горючего не обязательно будут приводить к их делению: они могут испытывать неупругое рассеяние, радиационный захват, или,

наконец, они могут вылететь за пределы ядерной установки. Такие процессы существенно затрудняют размножение нейтронов или делают цепную реакцию невозможной.

Рис. 1. Энергетический спектр нейтронов деления - спектр Уатта.

Первой характеристикой нейтронов деления, испускаемых при делении конкретных делящихся нуклидов, является свойственное этим нуклидам среднее число нейтронов деления, получаемых в акте деления v. При увеличении энергии Еп нейтрона, вызывавшего деление, v растёт по закону: v=vt+o,15E„, где vT соответствует тепловым нейтронам.

Для реализации самоподдерживающейся цепной реакции деления необходимо создать условия, чтобы один из v получаемых в акте деления нейтронов обязательно вызывал следующее деление другого ядра, а остальные (v-i) нейтронов исключались из процесса деления. В противном случае интенсивность делений во времени будет лавинообразно нарастать (что и имеет место в атомной бомбе).

Другая характеристика нейтронов деления - энергетический спектр нейтронов деления - представляет собой функцию распределения нейтронов деления по их кинетическим энергиям.

Распределение нейтронов деления по энергиям достаточно точно описывается спектральной функцией Уатта:

графической иллюстрацией которой служит рис. 1.

Спектр Уатта показывает, что, хотя нейтроны деления и рождаются с самыми различными энергиями, лежащими в очень широком интервале, больше всего нейтронов имеют начальную энергию Ет=о.ую4 МэВ (максимум спектральной функции Уатта - наиболее вероятная энергия нейтронов деления). Средняя энергия нейтронов деления - величина энергии, которую имел бы каждый нейтрон деления, если бы всю суммарную энергию всех нейтронов деления поровну разделить между ними. Средняя энергия нейтронов деления ЕсР=2,о МэВ. Почти все нейтроны деления рождаются быстрыми (с энергиями ?>о,1МэВ). Но быстрых нейтронов с относительно высокими кинетическими энергиями (>7МэВ) рождается мало (<1%), хотя имеются нейтроны деления с энергиями до 20 МэВ.

Спектры нейтронов деления для разных делящихся нуклидов отличаются друг от друга незначительно. Так, для и 239Ри величины средних энергий нейтронов деления: Еср= 1.935 МэВ - для 235U и Еср=2.00 МэВ - для 239Рц. Для 2з8и, несмотря на пороговый характер его деления, спектр нейтронов деления также практически совпадает со спектром Уатта.

В атомном реакторе, практически на всех ядрах в топливе происходит реакция радиационного захвата, при которой поглощается нейтрон и испускаются у-кванты.

Поглотители нейтронов - склонные к радиационному захвату элементы: *°В, '49Sm, *35Хе, Eu, Gd и др. В тепловых реакторах сильными поглотителями нейтронов является 2з8и и некоторые продукты деления 235U. Радиационный захват нейтронов в неделящихся материалах активной зоны приводит к образованию p-радиоактивных изотопов.

Замечание. Сечение захвата тепловых нейтронов для природной смеси изотопов урана (барн/атом) составляет 7,68, а для 2з8и - 2,74 (для сравнения: сечение деления 235U равно 582).

Из-за наличия интенсивной реакции захвата нейтронов 2з8и, замедлять нейтроны природным ураном нельзя, т.к. вероятность деления 235и в тепловой области сравнима с вероятностью резонансного захвата нейтронов в процессе их замедления. Для устранения резонансного захвата, применяют в качестве замедлителя другое вещество с малым сечением радиационного захвата и большим сечением рассеяния. «Разбавление» урана замедлителем снижает роль резонансного захвата, поэтому основная часть нейтронов благополучно замедляется до тепловых энергий. Тем не менее, если смесь урана с замедлителем однородна, роль резонансного захвата остаётся большой, так как нейтрон резонансной энергии всегда может встретить на своём пути ядро 2з8и.

Это препятствие преодолевается путём использования вместо однородной смеси из урана и замедлителя решётки, состоящей из замедлителя с периодически расположенными в нём блоками урана. Если расстояние между блоками велико, то вторичный нейтрон, вылетев из одного блока, попадает в другой только после того, как пройдёт достаточно большой путь замедления в замедлителе и выйдет за пределы резонансной области энергии. В связи с этим вероятность резонансного захвата нейтронов в уране существенно снижается и становится возможным цепной процесс в естественном уране (в металле, а не в оксиде!).

Нейтроны деления состоят из мгновенных и запаздывающих. Запаздывающие нейтроны составляют <1% нейтронов деления. Несмотря на малый выход, запаздывающие нейтроны обеспечивают управляемость и безопасность ядерных реакторов. Благодаря большому запаздыванию, эти нейтроны существенно, на два порядка и более, увеличивают время жизни нейтронов одного поколения и тем самым создают возможность управления самоподдерживающейся цепной реакцией деления. Именно наличие запаздывающих нейтронов позволило создать атомный реактор: если бы при делении урана выделялись лишь мгновенные нейтроны, управлять атомным реактором было бы невозможно.

Энергетическая зависимость сечения расщепления урана и плутония нейтронами

Рис. 2. Энергетическая зависимость сечения расщепления урана и плутония нейтронами.

 
Посмотреть оригинал
< Пред   СОДЕРЖАНИЕ   ОРИГИНАЛ     След >