Энергия и её распределение при делении тяжёлого ядра
- Полная выделяемая энергия: $E_{\text{total}}\approx 200\text{MeV}$ на акт деления (типично для ${}^{235}$U при тепловых нейтронах).
- Типичное распределение (приближённо):
- кинетическая энергия осколков: $E_{\text{fragments}}\approx 168\text{MeV}$ ($\sim 84\%$) — осколки получают по $\sim 80\text{–}100\text{MeV}$ каждый и почти мгновенно преобразуют эту энергию в тепло внутри топлива;
- кинетическая энергия быстрых нейтронов (prompt): $E_{\text{n}}\approx 5\text{MeV}$ ($\sim 2\text{–}3\%$); среднее число нейтронов на деление $\bar{\nu }\approx 2.4$ (для ${}^{235}$U);
- быстрые гамма‑кванты (prompt $\gamma$): $E_{\gamma ,\text{prompt}}\approx 7\text{MeV}$ ($\sim 3\%$);
- бета‑распад осколков и задержанные гамма: суммарно $E_{\beta +\gamma ,\text{delayed}}\sim 6\text{–}8\text{MeV}$ (выделяются со временем);
- антинейтрино от бета‑распадов уносят $E_{\nu }\sim 8\text{–}10\text{MeV}$ ($\sim 4\%$) и практически не участвуют в нагреве реактора.
(Суммарно даёт порядка $\sim 200\text{MeV}$.)
Как эта энергия превращается в полезное тепло: кинетика осколков и последующие захваты нейтронов/гамма быстро локально преобразуются в тепловую энергию в активной зоне; бета‑ и отложенные гамма‑излучения дают длительное (снижающееся со временем) выделение — т.н. тепло распада (decay heat). Нейтрино уходят и не дают тепла.
Физические ограничения и основные риски
- Критичность и управление:
- для цепной реакции требуется достаточная масса/геометрия/замедление нейтронов (критическая масса/параметры); положение между подкритическим и сверхкритическим состоянием должно контролироваться.
- управляемость обеспечивается задержанными нейтронами; при «prompt critical» мощность растёт чрезвычайно быстро — риск взрывного распада (в ядерных боеголовках это и используется).
- Тепловые ограничения:
- нужно отводить огромное тепло; потеря теплоотвода ведёт к перегреву, плавлению топлива и коррозии конструкций (meltdown).
- при взаимодействии горячих сплавов с водой может образовываться водород (реакция циркония с паром) — риск взрыва, рассеивания радионуклидов.
- Радиологические риски:
- продукты деления — сильно радиоактивны (бета и гамма); при нарушении герметичности возможна утечка и загрязнение воздуха/воды/почвы.
- выделение ионизирующего излучения (гамма, нейтроны) угрожает персоналу и населению без экранирования.
- задержанное тепловыделение требует охлаждения даже после остановки: в первые часы/сутки доля остаточной мощности может составлять несколько процентов от рабочей — это критично для предотвращения повреждений.
- Отходы и радиационное наследие:
- образование долгоживущих радионуклидов (активация конструкций, трансурановые элементы) — необходимость хранения/изоляции;
- риск ядерного распространения через производство плутония при облучении топлива.
- Материаловедение и деградация:
- нейтронное облучение вызывает наваждение, радиационное охрупчивание и изменение свойств материалов (коррозия, трещинообразование).
- Аварии и критические инциденты:
- критические аварии (непреднамеренные цепные реакции), разгерметизация и взрывы приводят к мгновенному выделению радиации и механическим разрушениям.
- Эффективность использования:
- энергетически часть энергии «теряется» в нейтрино и недоступна; экономичная эксплуатация требует оптимизации нейтронного баланса и теплообмена.
Кратко: большую часть энергии даёт кинетика осколков, которая быстро превращается в тепло; нейтроны и гамма дают небольшие доли, нейтрино уносят несколько процентов. Главные ограничения — обеспечение и контроль критичности, надёжный отвод тепла, защита от радиоактивного распыления и утилизация высокоактивных отходов; основные риски — перегрев/плавление топлива, выброс радионуклидов, критические инциденты и распространение ядерного материала.