ЯДЕРНЫЕ ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ

ЯДЕРНЫЕ ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ ядерные
реакции, в к-рых частицы, вызывающие их, образуются как продукты этих реакций.
Пока единственная известная Я. ц. р. - реакция деления урана
и нек-рых
трансурановых
элементов (напр., ^23ЭРи) под действием нейтронов. После
открытия (1939) нем. учёными О. Ганом и Ф. Штрасманом деления ядер нейтронами
(см. Ядра атомного деление) Ф.
Жолио-Кюри
с сотрудниками,
Э. Ферми, У. Зинн и Л. Силард
(США) и Г. Н. Флёров показали,
что при делении ядра вылетает больше 1 нейтрона:

n + U = А + В + v. (1)

Здесь А и В - осколки деления
с массовыми числами А от 90 до 150, v > 1 - число вторичных нейтронов.
Я. ц. р. впервые была осуществлена Э. Ферми (1942).

Пусть только часть f общего
числа вторичных нейтронов может быть использована для продолжения реакции
деления. Тогда на 1 нейтрон первого поколения, вызвавший деление, придётся
К
=
vf нейтронов след, поколения, к-рые вызовут деление, и если
К,
наз.
коэффициентом размножения нейтронов, больше 1, то число таких нейтронов
будет возрастать во времени ? по закону: га = п(к-1)t/т,
где
i
- время жизни поколения нейтронов. Если К-1= 1, то число делений
в единицу времени постоянно, и может быть осуществлена самоподдерживающаяся
Я. ц. р., Устройство, в к-ром происходит регулируемая самоподдерживающаяся
Я. ц. р., наз. ядерным реактором. При достаточно больших значениях
К-1
реакция
перестаёт быть регулируемой и может привести к ядерному взрыву.

Рассмотрим Я. ц. р. на природном уране,
содержащем практически 2 изотопа: ²³⁸U (99,29% ) и ²³⁵U
(0,71% ), содержание ²³⁴U ничтожно. Ядро ²³⁸и делится
только под действием быстрых нейтронов с энергией Е> 1 Мэв и
малым эффективным поперечным сечением обарна.
Напротив,
ядро ²³⁵U делится под действием нейтронов любых энергий, причём
с уменьшением Е сечение его деления а резко возрастает. При делении
²³⁸U
или ²³⁵U быстрым нейтроном вылетает v 2,5 нейтрона с энергией
от 0,1 Мэв до 14 Мэв. Это означает, что при отсутствии потерь
Я. ц. р. могла бы развиться в природном уране. Однако потери есть: ядро
²³⁸U
могут захватывать нейтроны (см.
Радиационный захват)
с образованием
²³⁹U. Кроме того, при столкновении нейтронов с ядром ²³⁸U
происходит неупругое рассеяние, при к-ром энергия нейтронов становится
ниже 1 Мэв, и они уже не могут вызвать деление
²³⁸U.
Большая часть таких нейтронов испытывает радиационный захват или вылетает
наружу. В результате в этих условиях не может развиться Я. ц. р.

Для возбуждения Я. ц. р. в естеств.
уране используется замедление нейтронов при их столкновении с лёгкими
ядрами (²Н, ¹²С и др. замедлители). Оказалось, что
сечение деления ²³³U на тепловых нейтронах о(5)
= 582 барна, сечение радиационного захвата в ²³³U (с
образованием ^23S U) ст(5) = 100 барн,
а
в ²³⁸U о(8) = 2,73 барна. При
делении тепловыми нейтронами v = 2,44. Отсюда следует, что число нейтронов
Т|, к-рые могут вызвать деление ²⁵U, приходящееся на 1 поглощённый
тепловой нейтрон предыдущего поколения, равно:

Здесь PS/PS - отношение концентраций
²³⁸U
и ²³⁵U. Это означает возможность развития Я. ц. р. в смеси природного
урана с замедлителем.

Однако при делении на тепловых нейтронах
рождаются быстрые нейтроны, которые, прежде чем замедлиться до тепловой
энергии, могут поглотиться. Сечение радиац. захвата ²³⁸U имеет
резонансный характер, т. е. достигает очень больших значений в определённых
узких интервалах энергии. Роль резонансного поглощения в Я. ц. р. на тепловых
нейтронах в однородных (гомогенных) смесях урана и замедлителей была впервые
исследована Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном в 1940. В
однородной смеси вероятность резонансного поглощения слишком велика, чтобы
Я. ц. р. на тепловых нейтронах могла осуществиться. Эту трудность обходят,
располагая уран в замедлителе дискретно, в виде блоков, образующих правильную
решётку. Резонансное поглощение нейтронов в такой гетерогенной системе
резко уменьшается по 2 причинам: 1) сечение резонансного поглощения столь
велико, что нейтроны, попадая в блок, поглощаются в поверхностном слое,
поэтому внутр. часть блока экранирована и значит, часть атомов урана не
принимает участия в резонансном поглощении; 2) нейтроны резонансной энергии,
образовавшиеся в замедлителе, могут не попасть в уран, а, замедляясь при
рассеянии на ядрах замедлителя, „уйти" из опасного интервала энергии. При
поглощении теплового нейтрона в блоке рождается г\ вторичных быстрых
нейтронов, каждый из к-рых до выхода из блока вызовет небольшое количество
делений ²³⁸U. В результате число быстрых нейтронов, вылетающих
из блока в замедлитель, равно ел, где е - коэфф. размножения на быстрых
нейтронах. Бели ф - вероятность избежать резонансного поглощения, то только
ет|ф нейтронов замедлится до тепловой энергии. Часть тепловых нейтронов
поглотится в замедлителе. Пусть 0 - вероятность того, что тепловой нейтрон
поглотится в уране {коэфф. теплового использования нейтро-еов). В гомогенной
системе:

гетерогенной системе:

Здесь ри и рз - концентрации
урана и замедлителя, оФ - потоки нейтронов. В результате на 1 тепловой нейтрон первого поколения,
совершающий деление, получается К = е кпдФ9 нейтронов
след, поколения, к-рые могут вызвать деление. Кбеск, - коэфф. размножения
нейтронов в бесконечной гетерогенной системе. Если Кбеск - 1>0,
то реакция деления в бесконечной решётке будет нарастать экспоненциально.

Если система имеет ограниченные размеры,
то часть нейтронов может покинуть среду. Обозначим долю нейтронов, вылетающих
наружу, через 1-Р, тогда для продолжения реакции деления остаётся Кэф =
КР
нейтронов,
и если К 1, то число делений растёт экспоненциально и реакция
является саморазвивающейся. Т. к. число делений и, следовательно, число
вторичных нейтронов в размножающей среде пропорционально её объёму, а их
вылет (утечка) пропорционален поверхности окружающей среды, то Я. ц. р.
возможна только в среде достаточно больших размеров. Напр., для шара радиуса
отношение ооъема к поверхности равно К/3, и, следовательно, чем больше
радиус шара, тем меньше утечка нейтронов. Если радиус размножающей среды
становится достаточно большим, чтобы в системе проходила стационарная Я.
ц. р., т. е. R - 1 = 0, то такую систему называют критической, а
её радиус критическим радиусом.

Для осуществления Я. ц. р. в природном
уране на тепловых нейтронах используют в качестве замедлителя вещества
с малым сечением радиационного захвата (графит или тяжёлую воду DВ замедлителе из обыкновенной воды Я. ц. р. на природном уране невозможна
из-за большого поглощения нейтронов в водороде.

Чтобы интенсивность Я. ц. р. можно
было регулировать, время жизни одного поколения нейтронов должно быть достаточно
велико. Время жизни то тепловых нейтронов мало (то = 10-³ сек).
Однако наряду с нейтронами, вылетающими из ядра мгновенно (за время 10-¹⁶
сек),
существует
небольшая доля ц т. н. запаздывающих нейтронов, вылетающих после b-распада
осколков деления со средним временем жизни тсек.
Для запаздывающих нейтронов при делении ²³⁵U и"0,75-10-².
Если К1+и,
то время Т чразгона" Я. ц. р. (равное
времени, за к-рое число деления увеличивается в е раз) определяется
соотношением:

т. е. запаздывающие нейтроны не участвуют
в развитии Я. ц. р. Практически важен другой предельный случай: Ктогда:

т. е. мгновенные нейтроны не играют
роли в развитии реакции. Т. о., если Кэф< 1 + и, то Я. ц. р.
будет развиваться только при участии запаздывающих нейтронов за время порядка
минут и будет хорошо регулируемой (роль запаздывающих нейтронов была впервые
отмечена Зельдовичем и Харитоном в 1940).

Я. ц. р. осуществляется также на уране,
обогащённом ²³³U, и в чистом ²³⁵U. В этих случаях
она идёт и на быстрых нейтронах. При поглощении нейтронов в ²³⁸и
образуется ²³⁹Np, а из него после двух |3-распадов - ^23эРи,
к-рый делится под действием тепловых нейтронов, с v = 2,9. При облучении
нейтронами ²³² Th образуется делящийся на тепловых нейтронах
²³³U.
Кроме того, Я. ц. р. возможна в ²⁴¹Ри и изотопах Cm и Cf с нечётным
массовым числом (см. Ядерное топливо). Из v нейтронов, образующихся
в 1 акте деления, один идёт на продолжение Я. ц. р., и, если снизить потери,
для воспроизводства ядерного горючего может сохраниться больше одного нейтрона,
что может привести к расширенному воспроизводству горючего (см. Реактор-размножитель).

Лит.: Галанин А. Д., Теория
ядерных реакторов на тепловых нейтронах, 2 изд., М., 1959; Вейнберг А.,
В и гн е р Е., Физическая теория ядерных реакн торов, пер. с англ., М.,
1961; Зельдович Я. Б., Харитон Ю. Б., "Журнал экспериментальной и теоретической
физики", 1940, т. 10, в. 1, с. 29 - 36; в. 5, с. 477 - 82; Ферми Э., Научные
труды, т. 2, М., 1972, с. 308. _ П. Э. Немировский.

А Б В Г Д Е Ё Ж З И Й К Л М Н О П Р С Т У Ф Х Ц Ч Ш Щ Ъ Ы Ь Э Ю Я