Ядерная реакция

ядро

урана

Первичный

нейтрон ь 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 

Рис.6

сможет  в этом случае сама себя поддерживать. При большей массе урана еще  большее число вторичных нейтронов будет вызывать новые деления. На рис. 6 схематически показано начало развития цепной реакции в куске урана с массой больше критической. В этой схеме исходное деление (/) дает три вторичных нейтрона (первое поколение нейтронов) Все они в нашем примере вызывают новые (вторые) деления (//), в результате чего появляется второе поколение нейтронов в количестве 8 Один из нейтронов этого поколения, столкнувшись с ядром атома какой-либо примеси, захватывается им без деления и новых нейтронов не вызывает. Остальные "рождают" несколько нейтронов третьего поколения, которые в дальнейшем "порождают" новые вторичные нейтроны, и т.д.

Нетрудно  сообразить, что для поддержания  цепной реакции необходимо, чтобы  из двух с половиной вторичных 'нейтронов, возникающих в среднем в каждом индивидуальном акте деления, по крайней мере один вызывал новое деление. В этом случае начатая реакция не остановится и будет протекать с постоянным количеством делений в единицу времени, т. е. с постоянной скоростью. Если же на каждые два с половиной вторичных нейтрона будет приходиться не одно деление, а больше, например два, то количество нейтронов, производящих деление, будет лавинообразно расти в геометрической прогрессии 1 : 2 :4 : 8 : 16 : 32 : 64 :... Число нейтронов будет удваиваться от одного поколения к другому, так что уже в десятом поколении их будет 1000, а в восьмидесятом—около 10²⁴ (единица с двадцатью четырьмя нулями), т е. примерно столько, сколько имеется атомов в 0,5 кг урана.

Таким образом, скорость развития цепной реакции  зависит от того, как происходит размножение нейтронов. Для количественной характеристики этой зависимости применяют особую величину, называемую коэффициентом размножения нейтронов. Коэффициент размножения нейтронов—это число, которое показывает, во сколько раз увеличивается в среднем количество нейтронов от одного поколения к другому. Другими словами, коэффициент

20

размножения есть среднее число нейтронов, приходящееся на каждый нейтрон 
предыдущего поколения Обозначим коэффициент раз множения буквой К

Если  коэффициент размножения равен единице (К==1), го цепная реакция возможна. Будучи начата, реакция происходит с такой же скоростью, с которой она началась. Пусть, например, в каком-то определенном поколении было 1000 нейтронов. В каждом последующем поколении при К. = 1 таких нейтронов будет также 1000 Поскольку число нейтронов, производящих деления в каждую единицу времени, в этом случае постоянно, постольку количество выделяемой в единицу времени энер гии (выделяемая мощность) также будет постоянно.

Если  коэффициент размножения К меньше единицы (К<1), то цепная реакция 
невозможна; если даже ее начать, то она сама собой тотчас же затух нет.

Если  коэффициент размножения больше единицы (К > 1), то число нейтронов в процессе деления лавинообразно увеличивается и тем быстрее, чем больше К. по сравнению с единицей. Реакция идет с нарастающей скоростью, т. е. с возрастающим количеством делений в единицу времени. Увеличение же скорости реакции означает увеличение выделяемой мощности. Чем больше К по сравнению с единицей, тем быстрее увеличивается мощность. Как видим, скорость развития цепной реакции зависит от величины коэффициента размножения К. На этом основании коэффициент размножения нейтронов называют также коэф фициентом развития цепной реакции.

Величина  коэффициента размножения нейтронов зависит от массы (веса) и геометрической формы куска делящегося вещества. Чем больше масса куска, тем больше при прочих равных условиях коэффициент размножения /С.Так называемая критическая масса—это как раз такая масса, при которой коэффициент размножения нейтро нов равен единице.

Коэффициент размножения нейтронов у кусков одинаковой массы, но различной формы имеет разную величину. Легко понять, что если кусок урана взять, например, в виде гонкой пластинки, то даже при очень большой массе (весе) ее коэффициент размножения будет меньше единицы и цепная реакция не разовьется. Это объясняется тем, что у гонкой пластинки очень велика поверхность, через которую вторичные нейтроны будут уходить в окружающее пространство, не производя делений (рис. 7,а). Иное дело, если такое же количество урана взять в виде шара (рис. 7,6). При одной и той же массе, а значит и объеме, шар обладает наименьшей поверхностью по сравнению с куском урана любой другой формы. Например, прямоугольная пластинка с размерами 0,5-40-25 см при объеме в 500 см: имеет поверхность 2065 см². Шар такого же объема (радиус его равен примерно 5 см) имеет поверхность всего около 314 см². Как видим, при одном и том же объеме (массе) поверхность шара значительно меньше, чем у гонкой пластинки. Поэтому утечка нейтронов в окружающее пространство у шара значительно меньше, чем у гонкой пластинки. Это значит, что у шара коэффициент размножения К будет равен единице при значительно меньшей массе, чем у куска любой другой формы. Другими словами, критическая масса имеет наимень-