Физическая энциклопедия

ЯДЕРНЫЕ ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ

-ядерные реакции, в к-рых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Пока единственная известная Я. ц. р.- реакция деления урана и нек-рыхтрансурановых элементов(напр.,239Рu) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена Э. Ферми (Е. Fermi) в 1942. После открытияделения ядерУ. Зинн (W. Zinn) и Л. Силард (L. Szilard) (США) и Г. Н. Флёров показали, что при делении ядра U вылетает больше 1 нейтрона:


Здесь А и В - осколки деления смассовыми числами Аот 90 до 150,v- число вторичных нейтронов. Если только частьfобщего числа вторичных нейтронов может быть использована для продолжения реакции деления, то на 1 нейтрон первого поколения, вызвавший деление, придётсяK=vfнейтронов след. поколения, к-рые вызовут деление (Кназ. коэф. размножения нейтронов). ПриК>1 число нейтронов будет возрастать со временемtпо законуn=n0е(K-1) t/t, где t - время жизни поколения нейтронов. ЕслиК-1=0, то число делений в единицу времени постоянно и может быть осуществлена самоподдерживающаяся Я. ц. р. При достаточно больших значениях (К-1) реакция перестаёт быть регулируемой и может привести кядерному взрыву.

Рассмотрим Я. ц. 238U(99,29%) и235U (0,71%).Ядро238U делится только под действием быстрых нейтронов с энергией > 1 МэВ, эфф. сечение деления мало (sд= 0,3 барна). Напротив, ядро235U делится под действием нейтронов любых энергий, причём sдрезко возрастает с уменьшением . При делении ядра238U или235U под действием быстрого нейтрона вылетает в ср.v= 2,5 нейтрона с энергией от 0,1 МэВ до 14 МэВ. Это означает, что при отсутствии потерь энергии Я. ц. р. могла бы развиться в природном уране. Однако потери есть: ядра238U могут захватывать нейтроны с образованием ядра239U (см.Радиационный захват).Кроме того, при столкновении нейтронов с ядром происходит также неупругое рассеяние, при к-ром энергия нейтронов становится ниже 1 МэВ и они уже не могут вызвать деление238U. Большая часть таких нейтронов испытывает радиац. захват или вылетает наружу. В результате Я. ц. р. не может развиться.

Для возбуждения Я. ц. замедление нейтронов при их столкновении с лёгкими ядрами (2Н,12С и др.). Сечение деления235U на тепловых нейтронах sд235= 582 барна, сечение радиац. захвата в235U (с образованием236U) sp235= 100 барн, а sp238= 2,73 барна. При делении тепловыми нейтронамиv= 2,44. Отсюда следует, что число нейтронов h, к-рые могут вызвать деление, приходящееся на 1 поглощённый тепловой нейтрон предыдущего поколения, равно


Здесь r238/r235- отношение концентраций238U и235U. Соотношение (2) означает возможность развития Я. ц. р. в смеси природного урана с замедлителем.

Однако при делении на тепловых нейтронах рождаются быстрые нейтроны, к-рые, прежде чем замедлиться до тепловой энергии, могут поглотиться. Сечение захвата нейтрона238U имеет резонансный характер, т. Нейтронная спектроскопия). В однородной (г ом о г е н н о й) 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 двум причинам: 1) сечение резонансного поглощения столь велико, что нейтроны, попадая в блок, поглощаются в поверхностном слое, поэтому часть ядер урана не участвует 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 v вторичных быстрых нейтронов, каждый из к-рых до выхода из блока вызовет небольшое кол-во делений ядер238U. В результате число быстрых нейтронов, вылетающих из блока в замедлитель, равно eh, где e- коэф. размножения на быстрых нейтронах; если j - вероятность избежать резонансного поглощения, то только ehj нейтронов замедлятся до тепловой энергии. Часть тепловых нейтронов поглотится в замедлителе. Пусть q - вероятность того, что тепловой нейтрон поглотится в уране (коэф. теплового использования нейтронов). В гомогенной системе


в гетерогенной системе


Здесь rU, rЗ-концентрации урана и замедлителя, sUп, sЗп- соответствующие сечения поглощения,Ф-потоки нейтронов. В результате на 1 тепловой нейтрон первого поколения, вызывающий деление, приходится = ehjq нейтронов след. поколения, к-рые могут вызвать деление; - коэф. размножения нейтронов в бесконечной гетерогенной системе. Если > 1, то реакция деления в бесконечной решётке будет нарастать экспоненциально.

В системе, имеющей огранич. размеры, часть нейтронов может покинуть среду. Обозначим долю нейтронов, вылетающих наружу, через (1-Р),тогда для продолжения реакции деления остаётсяКэф=Рнейтронов, и еслиКэф>1,то число делений растёт экспоненциально и реакция является саморазвивающейся. Т. к. число делений и, следовательно, число вторичных нейтронов в размножающей среде пропорц. её объёму, а их вылет пропорц. поверхности окружающей среды, то Я. ц. р. возможна только в среде достаточно больших размеров. Напр., для шара радиусомRотношение объёма к поверхности равноR/3 и, следовательно, чем большеR,тем меньше утечка нейтронов. Если радиус размножающей среды становится достаточно большим, чтобы в системе протекала стационарная Я. ц. р., т. Кэф-1=0, то такую систему наз. к р и т и ч е с к о й (и её радиус - критическим).

Для осуществления Я. ц. р.в природном уране на тепловых нейтронах используют в качестве замедлителя вещества с малым сечением радиац. захвата (графит или тяжёлую воду D2O). В замедлителе из обыкновенной воды Я. ц. р. на природном уране невозможна из-за большого поглощения нейтронов водородом.

Чтобы интенсивность Я. ц. р. можно было регулировать, время жизни одного поколения нейтронов должно быть достаточно велико. Время жизни t0тепловых нейтронов мало (t0~ 10-3с). Однако наряду с нейтронами, вылетающими из ядра практически мгновенно (за время 10-16с), существует небольшая доля m т. н. з а п а з д ы в аю щ и х н е й т р о н о в, вылетающих после b-распада осколков деления со ср. временем жизни 14,4 с. Для запаздывающих нейтронов при делении235U m~0,7.10-2. ЕслиКэф> 1 + m, то в р е м я р а з г о н а Я. ц. р.Т(время, за к-рое число делений увеличивается вераз) определяется соотношением


т. е. запаздывающие нейтроны не участвуют в развитии Я. ц. р. Практически важен др. предельный случай:Кэф-1<


т. е. мгновенные нейтроны не играют роли в развитии реакции. Т. о., еслиКэф<1 + m, то Я. ц. р. будет развиваться только при участии запаздывающих нейтронов за время порядка минут и будет хорошо регулируемой (см.Ядерный реактор).

Я. ц. р. осуществляется также на уране, обогащённом235U, и в чистом235U. В этих случаях она идёт и на быстрых нейтронах. При поглощении нейтронов в238U образуется239U, а из него после двух b-распадов-239Рu, к-рый делится под действием тепловых нейтронов сv= 2,9. При облучении нейтронами232Th образуется делящийся на тепловых нейтронах233U (см.Ядерное горючее).Кроме того, Я. ц. р. возможна в241Рu и изотопах Cm и Cf с нечётными массовыми числами.

Лит.см. при ст.Ядерный реактор. П. Э. Немировский.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия.Главный редактор А. М. Прохоров.1988.


  1. ядерные цепные реакции—ядерные реакции в которых частицы вызывающие их образуются как продукты этих реакций. Пока единственная известная Я. ц. р. реакция деления Урана и некоторых трансурановы...Большая Советская энциклопедия II
  2. ядерные цепные реакции—ЯДЕРНЫЕ ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ самоподдерживающиеся реакции деления атомных ядер под действием нейтронов в условиях когда каждый акт деления сопровождается испусканием не менее ...Большой энциклопедический словарь III
  3. ядерные цепные реакции—ЯДЕРНЫЕ цепные реакции самоподдерживающиеся реакции деления атомных ядер под действием нейтронов в условиях когда каждый акт деления сопровождается испусканием не менее ...Большой Энциклопедический словарь V
  4. ядерные цепные реакции—самоподдерживающие реакции деления атомных ядерi под действием нейтронов в условиях когда каждый акт деления сопровождается испусканием не менее нейтрона что обеспечивае...Естествознание. Энциклопедический словарь
  5. ядерные цепные реакции—разветвленные цепные реакции деления тяжелых ядер нейтронами в результате которых число нейтронов резко лавинообразно возрастает и может возникнуть самоподдерживающийся п...Начала современного естествознания
  6. ядерные цепные реакции—ЯДЕРНЫЕ ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ самоподдерживающиеся реакции деления атомных ядер под действием нейтронов в условиях когда каждый акт деления сопровождается испусканием не менее ...Современный энциклопедический словарь
  7. ядерные цепные реакции—ЯДЕРНЫЕ ЦЕПНЫЕ РЕАКЦИИ самоподдерживающиеся реакции деления атомных ядер под действием нейтронов в условиях когда каждый акт деления сопровождается испусканием не менее ...Энциклопедический словарь естествознания