Сравните механизм поддержания управляемой цепной реакции в ядерном реакторе и в ядерном устройстве (бомбе): какие физические процессы, материалы и геометрические факторы обеспечивают контролируемость или неконтролируемость реакции
Сравните механизм поддержания управляемой цепной реакции в ядерном реакторе и в ядерном устройстве (бомбе): какие физические процессы, материалы и геометрические факторы обеспечивают контролируемость или неконтролируемость реакции
Похожие вопросы
Не можешь разобраться в этой теме?
Обратись за помощью к экспертам
Гарантированные бесплатные доработки в течение 1 года
Быстрое выполнение от 2 часов
Проверка работы на плагиат
Поможем написать учебную работу
1) Базовая характеристика цепной реакции
- критерий деления по поколениями: ng+1=k ngn_{g+1}=k\,n_gng+1 =kng .
- эффективный коэффициент размножения: keff\displaystyle k_{\rm eff}keff . Критическое состояние при keff=1\,k_{\rm eff}=1keff =1.
- реактивность: ρ=keff−1keff\displaystyle \rho=\frac{k_{\rm eff}-1}{k_{\rm eff}}ρ=keff keff −1 .
- «порог» подчинения запаздывающими нейтронами: при ρ=β\rho=\betaρ=β система становится промпт-критичной (смена доминирующего механизма роста), где β\betaβ — доля запаздывающих нейтронов (для делящихся изотопов типа 235\,^{235}235U β∼6.5×10−3\beta\sim6.5\times10^{-3}β∼6.5×10−3).
2) Временные масштабы и кинетика (решающее для контролируемости)
- общее уравнение роста (упрощённо): n(t)=n(0)exp (ρ−βΛ t)n(t)=n(0)\exp\!\left(\frac{\rho-\beta}{\Lambda}\,t\right)n(t)=n(0)exp(Λρ−β t) для режима, где промпт-нейтроны доминируют; Λ\LambdaΛ — среднее время генерации (приблизительно время жизни промпт-нейтрона).
- В реакторе Λ\LambdaΛ велик благодаря замедлению нейтронов (тепловые нейтроны): типично Λ∼10−5 − 10−3\Lambda\sim10^{-5}\!-\!10^{-3}Λ∼10−5−10−3 с (и динамика задаётся запаздывающими нейтронами), поэтому управление возможно на секундах/минутных масштабах.
- В бомбе Λ\LambdaΛ очень мал (быстрые нейтроны, без замедлителя): Λ∼10−8 − 10−6\Lambda\sim10^{-8}\!-\!10^{-6}Λ∼10−8−10−6 с, рост экспоненциальный за микросекунды — запаздывающие нейтроны не успевают влиять, реакция неконтролируема.
3) Материалы и спектр нейтронов
- Реактор: используют модераторы (вода, тяжёлая вода, графит) для получения тепловых нейтронов, что увеличивает сечение деления при низком обогащении. Топливо — относительно низкообогащённое U (или MOX), имеются поглотители (бор, кадмий, гафний), растворённый бор (в PWR), «горящие» поглотители. Запаздывающие нейтроны позволяют регулирование.
- Бомба: работают в быстром спектре (без модератора) — требуется высокое обогащение 235\,^{235}235U или плутоний 239\,^{239}239Pu; используются отражатели/тамперы (сталь, бериллий) и плотная сборка для уменьшения критической массы и выдержки перед взрывом. Нет поглотителей и модерации.
4) Геометрия и масса (критическая/сверхкритическая конфигурация)
- Реактор: конфигурация, размеры и размещение топлива/модератора/поглотителей рассчитаны так, чтобы работать в близком к критическому состоянии и иметь запас реактивности для выгорания топлива. Геометрия допускает утечку нейтронов и управляемое изменение реактивности.
- Бомба: цель — быстро собрать сверхкритический объём (массу) и удержать его механически/тампером на время множества поколений нейтронов; используются взрывные линзы (имплозия) или пушечная схема для мгновенного перехода в промпт-сверхкритическое состояние.
5) Механизмы управления и обратные связи
- Реактор: активные средства — стержни управления (бор, кадмий, гафний), регулирующие растворённые поглотители; пассивные — температурные коэффициенты реактивности (Допплеровский эффект: при нагреве топлива увеличивается захват, реактивность падает), гидродинамические/тепловые обратные связи, отвод тепла. Эти механизмы обеспечивают медленный, стабилизированный отклик.
- Бомба: нет активного управления по ходу реакции; управление — только на этапе сборки (скорость и точность сжатия). Тампер/отражатель и механическое сжатие создают временную «удерживающую» структуру, дающую время для максимальной экспансии до рассеяния. Обратных стабилизирующих эффектов (отрицательных коэффициентов) либо мало, либо они не успевают сработать.
6) Причины неконтролируемости в зарядах
- Быстрый спектр → малое Λ\LambdaΛ.
- Сверхкритичность достигается быстрее, чем работают механизмы управления или пассивные замедляющие эффекты.
- Отсутствие поглотителей/модератора и конструктивное удержание массы на время множества поколений.
7) Практические следствия и меры безопасности
- В реакторе: проектируются отрицательные коэффициенты реактивности, резерв запаздывающих нейтронов, механизмы аварийного останова, удаление тепла.
- Для ядерного оружия: стремятся к максимально быстрой сборке сверхкритической массы и минимизации примесей ( 240\,^{240}240Pu вызывает спонтанные нейтроны и риск предвозбуждения).
Вывод в одно предложение: контролируемость реактора обеспечивается замедлением нейтронов (увеличение Λ\LambdaΛ), наличием запаздывающих нейтронов (β\betaβ) и активных/пассивных механизмов поглощения и обратной связи; неконтролируемость бомбы — результат быстрой (проваленной для контроля) экспоненциальной генерации быстрых нейтронов при сжатой/отражённой сверхкритической массе, где Λ\LambdaΛ крайне мал и запаздывающие нейтроны не влияют.