Делящиеся материалы и ядерная цепная реакция

Введение

Материал, способный поддерживать цепную реакцию ядерного деления.

В ядерной инженерии делящийся материал – это материал, который может подвергаться ядерному делению при взаимодействии с нейтроном малой энергии. Самоподдерживающаяся тепловая цепная реакция может быть достигнута только с использованием делящегося материала. Преобладающая энергия нейтронов в системе может быть представлена как медленными нейтронами (то есть в тепловой системе), так и быстрыми нейтронами. Делящийся материал может использоваться в качестве топлива для тепловых нейтронных реакторов, быстрых нейтронных реакторов и ядерных взрывчатых устройств.

Расщепляющиеся и расщепляющиеся

Согласно правилу Ронана для делящихся элементов, для тяжелого элемента с 90 ≤ Z ≤ 100 его изотопы с N ≈ 1.5Z – [[число нейтронов, с небольшими исключениями, являются делящимися (где N – число нейтронов и Z – число протонов). Термин "делящийся" отличается от термина "расщепляющийся". Нуклид, способный подвергаться делению (даже с низкой вероятностью) после захвата нейтрона любой энергии, называется расщепляющимся. Делящийся нуклид, который может быть индуцирован к делению тепловыми нейтронами с высокой вероятностью, называется делящимся. К расщепляющимся материалам относятся также материалы (такие как уран-238), для которых деление может быть вызвано только быстрыми нейтронами. Следовательно, делящиеся материалы (такие как уран-235) являются подмножеством расщепляющихся материалов. Уран-235 делится под действием тепловых нейтронов, поскольку энергия связи, высвобождаемая при поглощении нейтрона, превышает критическую энергию, необходимую для деления; поэтому уран-235 является делящимся. В отличие от него, энергия связи, высвобождаемая ураном-238 при поглощении теплового нейтрона, меньше критической энергии, поэтому нейтрон должен обладать дополнительной энергией для осуществления деления. Следовательно, уран-238 расщепляем, но не делящийся. Альтернативное определение определяет делящиеся нуклиды как те, которые могут подвергаться ядерному делению (то есть являются расщепляющимися) и при этом генерируют нейтроны, способные поддерживать ядерную цепную реакцию в подходящих условиях. Согласно этому определению, единственными расщепляющимися, но не делящимися нуклидами являются те, которые могут подвергаться делению, но производят недостаточное количество нейтронов (по энергии или числу) для поддержания цепной реакции. Таким образом, хотя все делящиеся изотопы расщепляемы, не все расщепляемые изотопы делящиеся. В контексте контроля над вооружениями, особенно в предложениях о заключении Договора о запрещении производства делящихся материалов, термин "делящийся" часто используется для описания материалов, которые могут быть использованы в делящемся заряде ядерного оружия. Это материалы, поддерживающие взрывную цепную реакцию деления быстрыми нейтронами. По всем вышеперечисленным определениям, уран-238 (Uranium-238) является расщепляемым, но не делящимся. Нейтроны, образующиеся при делении урана-238, имеют более низкую энергию, чем исходный нейтрон (их поведение соответствует неупругому рассеянию), обычно ниже 1 МэВ (то есть скорость около 14 000 км/с) – порогу деления, необходимому для последующего деления урана-238, поэтому деление урана-238 не поддерживает цепную реакцию. Быстрое деление урана-238 на вторичной стадии термоядерного оружия, обусловленное образованием высокоэнергетических нейтронов в результате ядерного синтеза, в значительной степени способствует мощности и радиоактивному заражению такого оружия. Быстрое деление урана-238 также наблюдалось в чисто делящемся оружии. Быстрое деление урана-238 также вносит существенный вклад в выходную мощность некоторых реакторов на быстрых нейтронах.

According to the Ronen Fissile rule, for a heavy element with 90 ≤ Z ≤ 100, its isotopes with 1=2 × Z − [[neutron number, with few exceptions, are fissile (where N = number of neutrons and Z = number of protons). The term fissile is distinct from fissionable. A nuclide capable of undergoing fission (even with a low probability) after capturing a neutron of high or low energy is referred to as fissionable. A fissionable nuclide that can be induced to fission with low energy thermal neutrons with a high probability is referred to as fissile. Fissionable materials include also those (such as uranium 238) for which fission can be induced only by high energy neutrons. As a result, fissile materials (such as uranium 235) are a subset of fissionable materials. Uranium 235 fissions with low energy thermal neutrons because the binding energy resulting from the absorption of a neutron is greater than the critical energy required for fission; therefore uranium 235 is fissile. By contrast, the binding energy released by uranium 238 absorbing a thermal neutron is less than the critical energy, so the neutron must possess additional energy for fission to be possible. Consequently, uranium 238 is fissionable but not fissile. An alternative definition defines fissile nuclides as those nuclides that can be made to undergo nuclear fission (i. e., are fissionable) and also produce neutrons from such fission that can sustain a nuclear chain reaction in the correct setting. Under this definition, the only nuclides that are fissionable but not fissile are those nuclides that can be made to undergo nuclear fission but produce insufficient neutrons, in either energy or number, to sustain a nuclear chain reaction. As such, while all fissile isotopes are fissionable, not all fissionable isotopes are fissile. In the arms control context, particularly in proposals for a Fissile Material Cutoff Treaty, the term fissile is often used to describe materials that can be used in the fission primary of a nuclear weapon. These are materials that sustain an explosive fast neutron nuclear fission chain reaction. Under all definitions above, uranium 238 (Uranium 238) is fissionable, but not fissile. Neutrons produced by fission of Uranium 238 have lower energies than the original neutron (they behave as in an inelastic scattering), usually below 1 MeV (i. e., a speed of about 14,000 km/s), the fission threshold to cause subsequent fission of Uranium 238, so fission of Uranium 238 does not sustain a nuclear chain reaction. Fast fission of Uranium 238 in the secondary stage of a thermonuclear weapon, due to the production of high energy neutrons from nuclear fusion, contributes greatly to the yield and to fallout of such weapons. Fast fission of Uranium 238 tampers has also been evident in pure fission weapons. The fast fission of Uranium 238 also makes a significant contribution to the power output of some fast neutron reactors.

Нуклиды с раздробленной структурой

В общем, большинство изотопов актинидов с нечетным числом нейтронов являются делящимися. Большинство ядерного топлива имеет нечетное массовое число (A = Z + N = общее количество нуклонов) и четное атомное число Z. Это подразумевает нечетное число нейтронов. Изотопы с нечетным числом нейтронов получают дополнительную энергию от 1 до 2 МэВ при поглощении дополнительного нейтрона благодаря эффекту спаривания, который благоприятствует четному числу как нейтронов, так и протонов. Этой энергии достаточно для обеспечения дополнительной энергии, необходимой для деления медленными нейтронами, что важно для того, чтобы делящиеся изотопы также были делящимися. В более общем плане, нуклиды с четным числом протонов и четным числом нейтронов, расположенные вблизи известной кривой в ядерной физике, отражающей зависимость атомного числа от массового числа, более стабильны, чем другие; следовательно, они менее склонны к делению. Они с большей вероятностью "игнорируют" нейтрон и позволяют ему продолжить движение, либо поглощают нейтрон, но не получают достаточной энергии от этого процесса для деформации ядра в достаточной степени для его деления. Эти "чет-чет" изотопы также менее склонны к спонтанному делению и имеют относительно значительно более длительный период полураспада для альфа- или бета-распада. Примерами таких изотопов являются уран-238 и торий-232. С другой стороны, за исключением самых легких нуклидов, нуклиды с нечетным числом протонов и нечетным числом нейтронов (нечетный Z, нечетный N) обычно недолговечны (заметным исключением является нептуний-236 с периодом полураспада 154 000 лет), поскольку они легко распадаются посредством бета-распада в свои изобары с четным числом протонов и четным числом нейтронов (четный Z, четный N), становясь гораздо более стабильными. Физическая основа этого явления также заключается в эффекте спаривания в энергии ядерного связывания, но на этот раз в спаривании протонов и нейтронов. Относительно короткий период полураспада таких нечетно-нечетных тяжелых изотопов означает, что они доступны в ограниченном количестве и обладают высокой радиоактивностью.