Жылдам нейтрондар арқылы тұрақты ядролық бөлініс

Кіріспе

Тек жедел нейтрондардың шығарылуы арқылы қол жеткізілген тұрақты ядролық бөліну. Ядролық инженерияда жедел сындылық – бұл сындылыққа (экспоненциалды өсуге қабілетті ядролық бөліну тізбектік реакциясының шегі) тек жедел нейтрондардың күшімен қол жеткізілетін және кешіктірілген нейтрондарға тәуелді емес ядролық бөліну оқиғасын сипаттайды. Нәтижесінде, жедел суперсындылық энергияның босатылу жылдамдығының өсуын басқа сындылық түрлеріне қарағанда әлдеқайда жылдамдатады. Ядролық қарулар жедел сындылыққа негізделген, ал ядролық реакторлар сындылыққа жету үшін кешіктірілген немесе сыртқы нейтрондарды пайдаланады.

Сыншылдық

Жинақ, егер әрбір бөліну оқиғасы үздіксіз тізбекте, орташа есеп бойынша, дәл бір осындай қосымша оқиғаны тудырса, маңызды болып табылады. Мұндай тізбек – өзін-өзі сақтайтын бөліну тізбектік реакциясы. Уран-235 (U 235) атомы ядролық бөлінуге ұшырағанда, әдетте бірден жетіге дейін нейтрон бөліп шығарады (орташасы 2,4). Осы жағдайда, жинақ маңызды болып есептеледі, егер босатылған әрбір нейтронның бөлінбейтін сіңірілу немесе бөлінгіш ядродан шығып кетуіне қарағанда, тағы бір бөліну оқиғасын тудыру ықтималдығы 1/2.4 = 0.42 = 42% болса. Жаңа бөліну оқиғаларын тудыратын нейтрондардың орташа саны тиімді нейтрон көбейту коэффициенті деп аталады, ол әдетте keff, kэфф немесе k арнайы белгісімен таңбаланады. Егер keff 1-ге тең болса, жинақ сынды деп аталады, егер keff 1-ден кем болса, жинақ сынды емес деп аталады, ал егер keff 1-ден артық болса, жинақ сындырақ деп аталады.

Критикалық және жедел-критикалық

Суперкритикалық жиынтықта уақыт бірлігіне болатын бөлінулер саны, N, қуат өндірісімен бірге уақыт өте келе экспоненциалды түрде өседі. Оның қаншалықты жылдам өсетіні, бір бөліну оқиғасында туыраған нейтрондардың келесі бөлінуді тудыруға кеткен орташа уақыты, T, -ға байланысты. Реакцияның өсу жылдамдығы мына формуламен беріледі:

Бөліну оқиғасында туыраған нейтрондардың көп бөлігі бөлінудің өзінде туыраған нейтрондар болып табылады. Бұлар жылдам нейтрондар деп аталады және олар бірнеше наносекунд ішінде (Манхэттен жобасындағы ғалымдар қолданған орташа уақыт аралығы бір "шақ" немесе 10 нс болған) басқа ядроларға соқтығысып, қосымша бөлінулерді тудырады. Нейтрондардың шағын қосымша көзі – бөліну өнімдері. Бөлінуден пайда болған кейбір ядролар қысқа жартылай ыдырау периоды бар радиоактивті изотоптар болып табылады, ал олардың арасындағы ядролық реакциялар бастапқы бөліну оқиғасынан кейін бірнеше минут өткен соң қосымша нейтрондарды босатады. Бұл нейтрондар, бөліну кезінде туыраған барлық нейтрондардың бір пайызынан да аз құрайды және олар кешіктірілген нейтрондар деп аталады. Кешіктірілген нейтрондардың пайда болу уақыты салыстырмалы түрде баяу, бұл ядролық реакторларды жобалаудың маңызды аспектісі болып табылады, себебі ол реактордың қуат деңгейін басқару таяқшаларын біртіндеп механикалық түрде жылжыту арқылы басқаруға мүмкіндік береді. Әдетте, басқару таяқшаларында k тиімділігін өзгерту үшін қолданылатын нейтрондарды оңай сіңіріп алатын (мысалы, бор немесе гафний) заттар болады. Тәжірибелік импульстік реакторларды есепке алмағанда, ядролық реакторлар кешіктірілген критикалық режимде жұмыс істеуге арналған және оларға шұғыл критикалық жағдайға жетуіне жол бермейтін қауіпсіздік жүйелерімен жабдықталған. Сондықтан, реакцияның кезекті буындары арасындағы уақыт, T, кешіктірілген нейтрондардың тууына кеткен уақытпен, секундық немесе минуттық шамамен анықталады. Осылайша, реакция ұзақ уақыт тұрақтылығымен баяу өседі. Бұл реакцияны басқару таяқшалары сияқты электромеханикалық басқару жүйелерімен басқаруға жеткілікті баяу, сондықтан барлық ядролық реакторлар кешіктірілген критикалық режимде жұмыс істеуге арналған. Керісінше, егер сынға ұшыраған нейтрондардың ешқандай үлесі болмаса, сынға ұшыраған жиынтық жедел критикалық болады (k = 1), ал егер жиынтық суперкритикалық болса (бөліну жылдамдығы экспоненциалды түрде өседі, k > 1), онда кешіктірілген нейтрондардың ешқандай үлесі болмайды. Бұл жағдайда реакцияның кезекті буындары арасындағы уақыт, T, тек жылдам нейтрондардан туыраған бөліну жылдамдығымен шектеледі, ал реакцияның өсуі өте жылдам болады, бірнеше миллисекунд ішінде энергияның тез босауына әкеледі. Жедел критикалық жиынтықтар ядролық қаруларда және кейбір арнайы зерттеу эксперименттерінде жобалау арқылы жасалады. Нейтронның жылдам немесе кешіктірілген болуы оның реакторға қайдан туырағанына байланысты. Туырағаннан кейін нейтрондардың өзінде ешқандай айырмашылық жоқ, тек оларға берілген энергиясы мен жылдамдығы ғана өзгеше. Ядролық қару жоғары қуатты бір секундтың бір бөлігінде өндіру үшін тез суперкритикалыққа көп көңіл бөледі, ал ядролық электр станциялары айлар немесе жылдар бойы басқарылатын қуат деңгейін өндіру үшін кешіктірілген критикалыққа сенеді.

Most of the neutrons released by a fission event are the ones released in the fission itself. These are called prompt neutrons, and strike other nuclei and cause additional fissions within nanoseconds (an average time interval used by scientists in the Manhattan Project was one shake, or 10 ns). A small additional source of neutrons is the fission products. Some of the nuclei resulting from the fission are radioactive isotopes with short half lives, and nuclear reactions among them release additional neutrons after a long delay of up to several minutes after the initial fission event. These neutrons, which on average account for less than one percent of the total neutrons released by fission, are called delayed neutrons. The relatively slow timescale on which delayed neutrons appear is an important aspect for the design of nuclear reactors, as it allows the reactor power level to be controlled via the gradual, mechanical movement of control rods. Typically, control rods contain neutron poisons (substances, for example boron or hafnium, that easily capture neutrons without producing any additional ones) as a means of altering k effective. With the exception of experimental pulsed reactors, nuclear reactors are designed to operate in a delayed critical mode and are provided with safety systems to prevent them from ever achieving prompt criticality. In a delayed critical assembly, the delayed neutrons are needed to make k effective greater than one. Thus the time between successive generations of the reaction, T, is dominated by the time it takes for the delayed neutrons to be released, of the order of seconds or minutes. Therefore, the reaction will increase slowly, with a long time constant. This is slow enough to allow the reaction to be controlled with electromechanical control systems such as control rods, and accordingly all nuclear reactors are designed to operate in the delayed criticality regime. In contrast, a critical assembly is said to be prompt critical if it is critical (k = 1) without any contribution from delayed neutrons and prompt supercritical if it is supercritical (the fission rate growing exponentially, k > 1) without any contribution from delayed neutrons. In this case the time between successive generations of the reaction, T, is limited only by the fission rate from the prompt neutrons, and the increase in the reaction will be extremely rapid, causing a rapid release of energy within a few milliseconds. Prompt critical assemblies are created by design in nuclear weapons and some specially designed research experiments. The difference between a prompt neutron and a delayed neutron has to do with the source from which the neutron has been released into the reactor. The neutrons, once released, have no difference except the energy or speed that have been imparted to them. A nuclear weapon relies heavily on prompt supercriticality (to produce a high peak power in a fraction of a second), whereas nuclear power reactors use delayed criticality to produce controllable power levels for months or years.

Ядролық реакторлар

Бақыланатын бөліну реакциясын бастау үшін, құрастыру кешіктірілген критикалық жағдайда болуы керек. Яғни, k мәні 1-ден (суперкритикалық) жоғары болуы тиіс, бірақ жедел критикалық шегінен аспауы керек. Ядролық реакторларда бұл кешіктірілген нейтрондардың болуымен мүмкін. Өйткені, бөліну оқиғасынан кейін осы нейтрондардың шығуына белгілі бір уақыт қажет болғандықтан, ядролық реакцияны басқару таяқшаларын пайдалану арқылы басқаруға болады. Тұрақты күйдегі (тұрақты қуатты) реактор кешіктірілген нейтрондардың әсерінен критикалық жағдайда жұмыс істейді, ал олардың үлесі болмаса, критикалық болмайды. Реактордың қуат деңгейін біртіндеп және мақсатты түрде арттыру кезінде, реактор кешіктірілген суперкритикалық жағдайда болады. Реактор белсенділігінің экспоненциалдық өсуі соншалықты баяу, осылайша нейтрондарды жұтатын материалдың таяқшаларын енгізу немесе шығару арқылы k сыншылдық факторын басқаруға болады. Бақылау таяқшаларын сақтықпен жылдыру арқылы, реактордың өзегін қауіпті жедел критикалық жағдайға жеткізбей суперкритикалық жағдайға жеткізуге болады. Реактор станциясы жобалық немесе мақсатты қуат деңгейінде жұмыс істегеннен кейін, оны ұзақ мерзімге критикалық жағдайда ұстау үшін пайдалануға болады.

Тез арада болатын қауіпті апаттар

Ядролық реакторлар реактивтіліктің (немесе тиімді k коэффициентінің) күрт өсуі кезінде, мысалы, олардың басқару және қауіпсіздік жүйелерінің істен шығуынан кейін, жедел сынға (критикалыққа) ұшырау қаупі бар. Жедел сын жағдайында реактор қуатының тез және бақылаусыз өсуі реакторды түзетуге келмейтіндей зақымдауы мүмкін, ал ең нашар жағдайда реактордың герметикалық корпусын бұзуы мүмкін. Ядролық реакторлардың қауіпсіздік жүйелері жедел сынға ұшыраудың алдын алуға арналған, ал тереңдемелі қорғаныс үшін реактор құрылымдары радиоактивті бөліну өнімдерінің кездейсоқ шығарылуына қарсы сақтық шарасы ретінде көп қабатты қорғаныс жүйесін қамтамасыз етеді. Зерттеу және тәжірибелік реакторларды есепке алмағанда, реактор апаттарының тек бірнешеуі ғана жедел сынға жеткен деп саналады, мысалы, Чернобыль-4, АҚШ армиясының SL-1 және К-431 советтік суасты кемесі. Осы мысалдардың барлығында қуаттың бақылаусыз өсуі әрбір реакторды жойып, атмосфераға радиоактивті бөліну өнімдерін шығарған жарылысқа әкеп соқты. 1986 жылы Чернобыльде жақсы түсінілмеген оң скрам әсері реактордың қатты қызуына себеп болды. Бұл отын элементтері мен су құбырларының жарылуына, судың булануына, будың жарылысына және реактордың балқып кетуіне әкелді. Оқиғаға дейін өлшенген қуат деңгейлері 30 ГВт-тан астам қуатпен жұмыс істегенін көрсетті, бұл оның 3 ГВт ең жоғары жылу шығысынан он есе көп. Реактор камерасының 2000 тонналық қақпағы будың жарылысынан көтерілді. Реактор конструкциясында осы ауқымды жарылысты ұстап тұруға қабілетті герметикалық корпус болмағандықтан, апат қоршаған ортаға үлкен мөлшерде радиоактивті материалды шығарды. Қалған екі жағдайда реакторлар кем дегенде бір басқару таяғының тез және бақылаусыз алынып тасталуына байланысты техникалық қызмет көрсету кезіндегі қателер салдарынан істен шықты. SL-1 – АҚШ армиясының алыс полярлық аймақтарда пайдалануға арналған прототиптік реакторы. 1961 жылы SL-1 орнатылысында реактор орталық басқару таяғын қолмен тым алыс шығару арқылы тоқтатылған күйден жедел сынға жеткізілді. Реактордың ішіндегі су тез буға айналып, кеңейген (бірнеше миллисекунд ішінде) реактор ыдысы 9 футқа (3 метрге) секіріп, үстіңгі жағында із қалдырды. Техникалық қызмет көрсетуді жүргізіп жатқан үш адамның барлығы жарақаттан көз жұмды. Ядроның бөліктері шығарылғанда 1100 кюри радиоактивті бөліну өнімдері шығарылды. Апатты тергеуге және оқиға орнын тазалауға 2 жыл кетті. SL-1 ядросының артық реактивтілігі 1962 жылғы есепте есептелді. K-431 реакторындағы апатта жанармай құю операциясы кезінде 10 адам қаза тапты. K-431 жарылысы жақын маңдағы машиналық бөлімдерді қиратты және суасты кемесінің корпусын жарып тастады. Осы екі апатта реакторлар толық тоқтатылған күйден секундық үлесінде өте жоғары қуат деңгейіне жетіп, реакторларды жөндеуге келмейтіндей зақымдады.

Nuclear reactors can be susceptible to prompt criticality accidents if a large increase in reactivity (or k effective) occurs, e. g., following failure of their control and safety systems. The rapid uncontrollable increase in reactor power in prompt critical conditions is likely to irreparably damage the reactor and in extreme cases, may breach the containment of the reactor. Nuclear reactors' safety systems are designed to prevent prompt criticality and, for defense in depth, reactor structures also provide multiple layers of containment as a precaution against any accidental releases of radioactive fission products. With the exception of research and experimental reactors, only a small number of reactor accidents are thought to have achieved prompt criticality, for example Chernobyl #4, the U. S. Army's SL 1, and Soviet submarine K 431. In all these examples the uncontrolled surge in power was sufficient to cause an explosion that destroyed each reactor and released radioactive fission products into the atmosphere. At Chernobyl in 1986, a poorly understood positive scram effect resulted in an overheated reactor core. This led to the rupturing of the fuel elements and water pipes, vaporization of water, a steam explosion, and a meltdown. Estimated power levels prior to the incident suggest that it operated in excess of 30 GW, ten times its 3 GW maximum thermal output. The reactor chamber's 2000 ton lid was lifted by the steam explosion. Since the reactor was not designed with a containment building capable of containing this catastrophic explosion, the accident released large amounts of radioactive material into the environment. In the other two incidents, the reactor plants failed due to errors during a maintenance shutdown that was caused by the rapid and uncontrolled removal of at least one control rod. The SL 1 was a prototype reactor intended for use by the US Army in remote polar locations. At the SL 1 plant in 1961, the reactor was brought from shutdown to prompt critical state by manually extracting the central control rod too far. As the water in the core quickly converted to steam and expanded (in just a few milliseconds), the reactor vessel jumped 9 feet (3 m), leaving impressions in the ceiling above. All three men performing the maintenance procedure died from injuries. 1,100 curies of fission products were released as parts of the core were expelled. It took 2 years to investigate the accident and clean up the site. The excess prompt reactivity of the SL 1 core was calculated in a 1962 report:

In the K 431 reactor accident, 10 were killed during a refueling operation. The K 431 explosion destroyed the adjacent machinery rooms and ruptured the submarine's hull. In these two catastrophes, the reactor plants went from complete shutdown to extremely high power levels in a fraction of a second, damaging the reactor plants beyond repair.

Ядролық қару

Ядролық қаруды жобалауда, керісінше, дереу сынға жету маңызды. Шындығында, бомба құрастырудағы жобалау мәселелерінің бірі – тізбектік реакция ядроны тым кеңейтуге үлкермей тұрып, бөлінетін материалдарды жеткілікті түрде қысып, дереу сынға жетуіне қол жеткізу. Сондықтан, жақсы бомба дизайны, отынның маңызды бөлігінің бөлінуіне мүмкіндік бермей (бұл "физзл" деп аталады), аз қуатты тізбектік реакция ядроны бөлшектемей тұрып, тығыз, дереу сынға жеткен ядроны құру жарысын жеңіп алуы керек. Бұл, ядролық бомбалардың ядросын қалай құрастыруға ерекше назар қажет екенін білдіреді, мысалы, 1942 жылы Берклидегі Калифорния университетінде Ричард С. Толман, Роберт Сербер және басқа ғалымдар ойлап тапқан имплозия әдісі сияқты.

Анықтамалар мен сілтемелер

Ядролық энергия: принциптер, Физика кафедрасы, Ғылым факультеті, Мансура университеті, Мансура, Египет; Вашингтон университетінің механикалық инженерия факультетінің конспектісінен алынған сияқты; бұл өз кезегінде Боданскидің (1996) «Ядролық энергия: принциптер, тәжірибе және болашағы» еңбегінен жинақталған сияқты, AIP.