Кратко и по существу.
Основной принцип
- Нейтрон-индуцированное деление: при делении тяжёлого ядра выделяются нейтроны, которые могут вызвать последующие деления — это и есть цепная реакция. Самоподдерживаемость определяется средней «производительностью» нейтронов.
Ключевые параметры и формулы
- Умножающий фактор (эффективный): $k_{\text{eff}}$ — среднее число делящихся нейтронов, приходящееся на один ранее сгенерированный. Условия: $k_{\text{eff}}>1$ (сверхкритично), $k_{\text{eff}}=1$ (критично), $k_{\text{eff}}<1$ (подкритично).
- Реактивность: $\rho =\frac{k_{\text{eff}}-1}{k_{\text{eff}}}$ — мера отклонения от критичности.
- Четырёхфакторная оценка бесконечного ядра: $k_{\infty }=\epsilon pf\eta$, где $\epsilon$ — фактор быстрого умножения, $p$ — вероятность избежания резонансного захвата при замедлении, $f$ — фракция замедлённо-доступных нейтронов, $\eta$ — число нейтронов на деление. Для конечного ядра вводится множитель утечки: $k_{\text{eff}}=k_{\infty }{P}_{\text{NL}}$ (где $P_{\text{NL}}$ — вероятность невытекания нейтронов).
- Динамика: временной отклик зависит от средней времени жизни нейтронов $\Lambda$ и доли запаздывающих нейтронов $\beta$; наличие запаздывающих нейтронов делает управление возможным (см. упрощённое уравнение кинетики точечной модели).
Факторы, определяющие самоподдерживаемость
- Содержание и состав топлива (концентрация делящихся изотопов).
- Спектр нейтронов (энерговая зависимость сечений деления и захвата): быстрые vs. замедлённые нейтроны.
- Наличие и свойства модератора (замедляет нейтроны, повышая вероятность деления для некоторых изотопов).
- Геометрия и размер активной зоны (влияет на утечку нейтронов).
- Поглотители и продукты отравления (например, временные радионуклидные «яды», снижающие k).
- Тепловые и физические обратные связи (напр., доба́вочная зависимость сечений и плотности — «коэффициенты реакции по температуре/плотности»).
Методы управления (общее описание, без технических деталей)
- Поглотители нейтронов (внедряемые/выводимые элементы): материалы с большой сечением захвата используются для регулировки потока нейтронов.
- Растворённые поглотители: управляют эффективной концентрацией поглотителя в теплоносителе.
- Поглотители, встроенные в топливо (горючие/горящие яды) для компенсации начальных избытков делящегося материала в течение топлива.
- Регулировка геометрии и конфигурации активной зоны (смена расположения модулей, использование отражателей) для управления утечкой и распределением потока.
- Выбор и управление модератором (тип и плотность модератора определяют спектр нейтронов и, следовательно, реактивность).
- Пассивные физические обратные связи (термические, плотностные), используемые для стабилизации реакции.
Дополнительные оговорки
- Для безопасного управления критичностью важна комбинация активных средств (поглотители) и пассивных эффектов (отрицательные температурные коэффициенты), а также мониторинг и проектные барьеры.
- Я избегаю технически пригодных к практическому применению инструкций, расчётов размеров/массы/перемещений и т.п., поскольку это может быть опасно.