Поддержание ядерного деления только за счет мгновенных нейтронов.

Введение

Устойчивое ядерное деление, достигаемое исключительно за счет мгновенного выброса нейтронов.

В ядерной инженерии, мгновенная критичность описывает событие ядерного деления, в котором критичность (порог для экспоненциально растущей ядерной цепной реакции деления) достигается исключительно мгновенными нейтронами и не зависит от запаздывающих нейтронов. В результате, мгновенная сверхкритичность вызывает гораздо более быстрое нарастание скорости выделения энергии, чем другие формы критичности. Ядерное оружие основано на мгновенной критичности, в то время как ядерные реакторы используют запаздывающие нейтроны или внешние источники нейтронов для достижения критичности.

Критичность

Сборка критична, если каждое деление ядра вызывает, в среднем, ровно одно дополнительное деление в непрерывной цепной реакции. Такая цепь является самоподдерживающейся цепной реакцией деления. Когда атом урана-235 (U-235) подвергается ядерному делению, он обычно высвобождает от одного до семи нейтронов (в среднем 2,4). В этой ситуации сборка критична, если у каждого высвобожденного нейтрона есть вероятность 1/2,4 = 0,42 = 42% вызвать другое деление ядра, а не быть поглощенным в нерасщепляющейся реакции захвата или покинуть делящееся ядро. Среднее число нейтронов, вызывающих новые деления, называется эффективным коэффициентом размножения нейтронов, обычно обозначаемым символами kэфф, keff или k. Когда kэфф равен 1, сборка называется критической, если kэфф меньше 1, сборка называется подкритической, а если kэфф больше 1, сборка называется сверхкритической.

Критический против критического

В сверхкритической сборке число делений в единицу времени, N, наряду с выработкой мощности, увеличивается экспоненциально со временем. Скорость этого роста зависит от среднего времени, T, которое требуется нейтронам, рожденным в результате деления, чтобы вызвать следующее деление. Скорость роста реакции определяется следующим образом:

Большинство нейтронов, высвобождаемых при делении, образуются непосредственно в самом процессе деления. Они называются мгновенными нейтронами и вызывают дополнительные деления в других ядрах в течение наносекунд (средний интервал времени, использовавшийся учеными в Манхэттенском проекте, составлял один «шаг» или 10 нс). Небольшим дополнительным источником нейтронов являются продукты деления. Некоторые ядра, образовавшиеся в результате деления, являются радиоактивными изотопами с коротким периодом полураспада, и ядерные реакции между ними высвобождают дополнительные нейтроны после значительной задержки, достигающей нескольких минут после первоначального деления. Эти нейтроны, составляющие в среднем менее одного процента от общего числа нейтронов, рожденных при делении, называются запаздывающими нейтронами. Относительно медленный временной масштаб появления запаздывающих нейтронов является важным фактором при проектировании ядерных реакторов, поскольку он позволяет контролировать мощность реактора посредством постепенного механического перемещения регулирующих стержней. Как правило, регулирующие стержни содержат поглотители нейтронов (вещества, например, бор или гафний, которые эффективно захватывают нейтроны, не производя при этом новых) для изменения эффективного коэффициента размножения (kэфф). За исключением экспериментальных импульсных реакторов, ядерные реакторы проектируются для работы в режиме запаздывающей критичности и оснащаются системами безопасности, предотвращающими достижение мгновенной критичности. В сборке с запаздывающей критичностью запаздывающие нейтроны необходимы для того, чтобы эффективный коэффициент размножения (kэфф) был больше единицы. Таким образом, время между последовательными поколениями реакции, T, определяется временем высвобождения запаздывающих нейтронов, которое составляет секунды или минуты. Следовательно, реакция будет нарастать медленно, с большой постоянной времени. Это достаточно медленно, чтобы реакцией можно было управлять с помощью электромеханических систем управления, таких как регулирующие стержни, и, следовательно, все ядерные реакторы проектируются для работы в режиме запаздывающей критичности. Напротив, сборка считается мгновенно критической, если она критична (k = 1) без вклада запаздывающих нейтронов, и мгновенно сверхкритической, если она сверхкритична (скорость деления растет экспоненциально, k > 1) без вклада запаздывающих нейтронов. В этом случае время между последовательными поколениями реакции, T, ограничивается только скоростью деления, вызванной мгновенными нейтронами, и нарастание реакции будет чрезвычайно быстрым, что приведет к быстрому высвобождению энергии в течение нескольких миллисекунд. Мгновенно критические сборки намеренно создаются в ядерном оружии и некоторых специализированных исследовательских экспериментах. Различие между мгновенным и запаздывающим нейтроном заключается в источнике, из которого нейтрон был высвобожден в реактор. После высвобождения нейтроны не имеют различий, кроме энергии или скорости, которой они были сообщены. Ядерное оружие в значительной степени полагается на мгновенную сверхкритичность (для создания высокой пиковой мощности за долю секунды), в то время как ядерные реакторы используют запаздывающую критичность для производства контролируемых уровней мощности в течение месяцев или лет.

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.

Ядерные реакторы

Для того, чтобы запустить управляемую цепную реакцию деления, активная зона должна находиться в запаздывающем критическом состоянии. Иными словами, коэффициент размножения (k) должен быть больше 1 (сверхкритическим), но не достигать быстрого критического состояния. В ядерных реакторах это возможно благодаря запаздывающим нейтронам. Поскольку на излучение этих нейтронов после деления требуется некоторое время, ядерной реакцией можно управлять с помощью регулирующих стержней. Реактор, работающий в стационарном режиме (с постоянной мощностью), поддерживается в критическом состоянии за счет запаздывающих нейтронов, но без их вклада таким быть не смог бы. При плавном и намеренном увеличении мощности реактора, активная зона переходит в запаздывающее сверхкритическое состояние. Экспоненциальный рост активности реактора происходит достаточно медленно, чтобы можно было контролировать коэффициент размножения (k) путем введения или выведения стержней, поглощающих нейтроны. Таким образом, аккуратным перемещением регулирующих стержней можно добиться сверхкритического состояния активной зоны реактора, не достигая при этом опасного быстрого критического состояния. После того, как ядерная установка достигла целевого или проектного уровня мощности, она может поддерживать критическое состояние в течение длительного времени.

Немедленные критические аварии

Ядерные реакторы могут быть подвержены авариям при мгновенной критичности, если происходит резкое увеличение реактивности (или эффективного коэффициента размножения нейтронов – kэф), например, после отказа систем управления и безопасности. Быстрое неконтролируемое увеличение мощности реактора в условиях мгновенной критичности может привести к необратимому повреждению реактора и, в крайних случаях, к нарушению герметичности защитной оболочки. Системы безопасности ядерных реакторов предназначены для предотвращения мгновенной критичности, а для обеспечения многоуровневой защиты реакторные сооружения также предусматривают несколько барьеров сдерживания в качестве меры предосторожности против случайного выброса радиоактивных продуктов деления. За исключением исследовательских и экспериментальных реакторов, считается, что лишь небольшое число аварий на реакторах привели к мгновенной критичности, например, авария на Чернобыльской АЭС №4, авария на реакторе SL-1 армии США и авария на советской подводной лодке К-431. Во всех этих случаях неконтролируемый скачок мощности был достаточным для вызова взрыва, который разрушил каждый реактор и выбросил радиоактивные продукты деления в атмосферу. В Чернобыле в 1986 году плохо изученный положительный эффект аварийного останова привел к перегреву активной зоны реактора. Это привело к разрушению тепловыделяющих элементов и водопроводов, испарению воды, паровому взрыву и плавлению активной зоны. Оценочные уровни мощности перед аварией указывают на то, что реактор работал с мощностью более 30 ГВт, что в десять раз превышает его максимальную тепловую мощность в 3 ГВт. Крышка реакторной камеры весом 2000 тонн была поднята взрывной волной. Поскольку реактор не был оборудован герметичным защитным сооружением, способным сдержать этот катастрофический взрыв, в окружающую среду было выброшено большое количество радиоактивных веществ. В двух других случаях аварии на реакторах произошли из-за ошибок при проведении технического обслуживания, вызванных быстрым и неконтролируемым извлечением как минимум одного управляющего стержня. Реактор SL-1 был прототипом, предназначенным для использования армией США в удаленных полярных регионах. В 1961 году на станции SL-1 реактор был переведен из остановленного состояния в состояние мгновенной критичности путем ручного извлечения центрального управляющего стержня на слишком большое расстояние. Вода в активной зоне быстро превратилась в пар и расширилась (всего за несколько миллисекунд), в результате чего корпус реактора подпрыгнул на 3 метра, оставив вмятины на потолке. Все трое рабочих, выполнявших техническое обслуживание, погибли от полученных травм. В атмосферу было выброшено 1100 кюри радиоактивных продуктов деления из-за выброса частей активной зоны. Расследование аварии и очистка территории заняли 2 года. Избыточная реактивность активной зоны реактора SL-1 была рассчитана в отчете 1962 года:

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:

В результате аварии на реакторе К-431 во время загрузки топлива погибло 10 человек. Взрыв на К-431 разрушил смежные машинные отделения и повредил корпус подводной лодки. В этих двух катастрофах реакторные установки перешли от полного отключения к чрезвычайно высоким уровням мощности за долю секунды, что привело к их полному разрушению.

Ядерное оружие

В отличие от этого, при создании ядерного оружия необходимо достичь мгновенной критичности. Фактически, одна из задач при конструировании бомбы заключается в том, чтобы сжать делящиеся материалы настолько, чтобы достичь мгновенной критичности до того, как цепная реакция успеет выработать достаточно энергии для чрезмерного расширения активной зоны. Поэтому хорошая конструкция бомбы должна обеспечить формирование плотной, мгновенно критичной активной зоны раньше, чем менее мощная цепная реакция разрушит активную зону, не позволив значительной части топлива расщепиться (явление, известное как "срыв" или fizzle). Как правило, это означает, что при создании ядерных бомб необходимо уделять особое внимание способу сборки активной зоны, например, методу взрывной компрессии (имплозии), разработанному Ричардом Толманом, Робертом Сербером и другими учеными Калифорнийского университета в Беркли в 1942 году.

Ссылки и ссылки

Ядерная энергия: принципы, Кафедра физики, Факультет естественных наук, Университет Мансуры, Мансура, Египет; по-видимому, является выдержкой из конспектов Департамента машиностроения Вашингтонского университета, которые, в свою очередь, по-видимому, представляют собой краткое изложение работы Бодански Д. (1996), Ядерная энергия: принципы, практика и перспективы, AIP.