Способы уменьшения критической массы металлического радиоактивного вещества

Критическая масса в ядерной физике

С момента окончания самой страшной в истории человечества войны прошло чуть более двух месяцев. И вот 16 июля 1945 года американскими военными была испытана первая ядерная бомба, а спустя еще месяц в атомном пекле гибнут тысячи жителей японских городов. С тех пор ядерное оружие, так же как и средства доставки его к целям, непрерывно совершенствовалось на протяжении более полувека.

Военным хотелось получить в свое распоряжение как сверхмощные боеприпасы, одним ударом сметающие с карты целые города и страны, так и сверхмалые, умещающиеся в портфель. Такое устройство вывело бы диверсионную войну на небывалый доселе уровень. Как с первым, так и со вторым возникли непреодолимые трудности. Виной всему, так называемая, критическая масса. Однако, обо всем по порядку.

Такое взрывоопасное ядро

Чтобы разобраться в порядке работы ядерных устройств и понять, что называется критической массой, вернемся ненадолго за парту. Из школьного курса физики мы помним простое правило: одноименные заряды отталкиваются. Там же, в средней школе ученикам рассказывают о строении атомного ядра, состоящего из нейтронов, нейтральных частиц и протонов, заряженных положительно. Но как такое возможно? Положительно заряженные частицы расположены так близко друг к другу, силы отталкивания должны быть колоссальными.

Науке до конца не известна природа внутриядерных сил, удерживающих вместе протоны, хотя свойства этих сил изучены достаточно хорошо. Силы действуют только на очень близком расстоянии. Но стоит хотя бы чуть-чуть разделить протоны в пространстве, как силы отталкивания начинают превалировать, и ядро разлетается на куски. А мощность такого разлета воистину колоссальна. Известно, что силы взрослого мужчины не хватило бы для удержания протонов всего лишь одного единственного ядра атома свинца.

Чего испугался Резерфорд

Ядра большинства элементов таблицы Менделеева стабильны. Однако с ростом атомного числа эта стабильность все уменьшается. Дело в размере ядер. Представим себе ядро атома урана, состоящее из 238 нуклидов, из которых 92 – протоны. Да, протоны находятся в тесном контакте друг с другом, и внутриядерные силы надежно цементируют всю конструкцию. Но сила отталкивания протонов, находящихся на противоположных концах ядра становится заметной.

Что проделывал Резерфорд? Он производил бомбардировку атомов нейтронами (электрон не пройдет через электронную оболочку атома, а положительно заряженный протон не сможет приблизиться к ядру из-за сил отталкивания). Нейтрон, попадая в ядро атома, вызывал его деление. В стороны разлетались две отдельные половинки и два-три свободных нейтрона.

Этот распад, в силу громадных скоростей разлетающихся частиц, сопровождался выбросом громадной энергии. Ходил слух, что Резерфорд даже хотел скрыть свое открытие, испугавшись его возможных последствий для человечества, но это, скорее всего, не более чем сказки.

Так при чем тут масса и почему она критическая

Ну и что? Как можно облучить потоком протонов достаточное количество радиоактивного металла, чтобы получить мощный взрыв? И что такое критическая масса? Все дело в тех нескольких свободных электронах, которые вылетают из «разбомбленного» атомного ядра, они в свою очередь так же, столкнувшись с другими ядрами, вызовут их деление. Начнется так называемая цепная ядерная реакция. Однако запустить ее будет чрезвычайно сложно.

Уточним масштаб. Если за ядро атома принять яблоко на нашем столе, то для того, чтобы представить себе ядро соседнего атома, такое же яблоко придется отнести и положить на стол даже не в соседней комнате, а… в соседнем доме. Нейтрон же будет размером с вишневую косточку.

Для того, чтобы выделившиеся нейтроны не улетали впустую за пределы слитка урана, а более 50 % из них находили бы себе цель в виде атомных ядер, этот слиток должен иметь соответствующие размеры. Вот что называется критической массой урана – масса, при которой более половины выделяющихся нейтронов сталкиваются с другими ядрами.

На деле это происходит в одно мгновение. Количество расщепленных ядер нарастает как лавина, их осколки устремляются во все стороны со скоростями сопоставимыми со скоростью света, вспарывая воздух, воду, любую другую среду. От их столкновений с молекулами окружающей среды область взрыва мгновенно нагревается до миллионов градусов, излучая жар, испепеляющий все в округе нескольких километров.

Резко нагретый воздух мгновенно увеличивается в размерах, создавая мощную ударную волну, которая сносит с фундаментов здания, переворачивает и крушит все на своем пути… такова картина атомного взрыва.

Как это выглядит на практике

Устройство атомной бомбы на удивление просто. Имеются два слитка урана (или другого радиоактивного металла), масса каждого из которых немного меньше критической. Один из слитков изготовлен в виде конуса, другой – шара с конусообразным отверстием. Как нетрудно догадаться, при совмещении обеих половинок получается шар, у которого достигается критическая масса. Это стандартная простейшая ядерная бомба. Соединяются две половинки при помощи обычного тротилового заряда (конус выстреливается в шар).

Но не стоит думать, что такое устройство сможет собрать «на коленке» любой желающий. Весь фокус заключается в том, что уран, чтобы бомба из него взорвалась, должен быть очень чистым, наличие примесей – практически ноль.

Почему не бывает атомной бомбы размером с пачку сигарет

Все по той же причине. Критическая масса самого распространенного изотопа урана 235 составляет около 45 кг. Взрыв такого количества ядерного топлива – это уже катастрофа. А изготовить взрывное устройство с меньшим количеством вещества невозможно – оно просто не сработает.

По той же причине не получилось и создать сверхмощные атомные заряды из урана или других радиоактивных металлов. Для того, чтобы бомба была очень мощной, ее делали из десятка слитков, которые при подрыве детонирующих зарядов устремлялись к центру, соединяясь как дольки апельсина.

Но что происходило на деле? Если по каким-то причинам два элемента встречались на тысячную долю секунды раньше остальных, критическая масса достигалась быстрее чем «подоспеют» остальные, взрыв происходил не той мощности, на которую рассчитывали конструкторы. Проблема сверхмощных ядерных боеприпасов была решена только с появлением термоядерного оружия. Но это чуть другая история.

А как же работает мирный атом

Атомная электростанция – по сути та же ядерная бомба. Только у этой «бомбы» ТВЭЛы (тепловыделяющие элементы), изготовленные из урана, находятся на некотором расстоянии друг от друга, что не мешает им обмениваться нейтронными «ударами».

ТВЭЛы изготавливаются в виде стержней, между которыми находятся регулирующие стержни, выполненные из материала, хорошо поглощающего нейтроны. Принцип работы прост:

• регулирующие (поглощающие) стержни вводятся в пространство между стержнями урана – реакция замедляется или останавливается вовсе;
• регулирующие стержни выводятся из зоны – радиоактивные элементы активно обмениваются нейтронами, ядерная реакция протекает интенсивнее.

Действительно, получается та же атомная бомба, в которой критическая масса достигается настолько плавно и регулируется так четко, что это не приводит к взрыву, а лишь к нагреву теплоносителя.

Хотя, к сожалению, как показывает практика, не всегда человеческий гений способен обуздать эту огромную и разрушительную энергию – энергию распада атомного ядра.

Источник

Какая масса урана является критической? Информация для химиков

Содержание:

Критическая масса вещества – это используемое в ядерной физике понятие, показывающее, какое количество химического элемента необходимо для протекания цепных ядерных реакций. Наиболее применяемое для таких целей вещество – уран.

Критическая масса урана: сколько нужно для поддержания реакции

Физики утверждают: на втором и последующих этапах распада урановых ядер число нейтронов достигает 32 = 9, и с каждым последующим их количество лавинообразно увеличивается. На практике далеко не каждый из них сталкивается с ядром и участвует в цепной реакции деления – порождает её новый этап. Основная причина – размеры ядра. Оно в тысячи раз меньше, чем атом, и при малом количестве вещества нейтрон способен покинуть его.

Когда каждое деление порождает ещё хотя бы одно, реакцию называют самоподдерживающейся, а объём вещества – критическим. На практике этого добиться сложно – течение реакции зависит от ряда внешних факторов.

В природе способного к поддержанию цепных реакций нуклида 235U на порядки меньше, чем 238U: 0,7% против 99,3%. Причём второй поглощает испускаемые ядрами урана-235 элементарные частицы, чем быстро гасит протекание цепной реакции. Следовательно, химический элемент нуждается в очистке или обогащении – важное условие протекания цепных реакций. Они невозможны без достаточно большого количества урана, ведь в образцах малых габаритов множество нейтронов не сталкиваются с ядрами, а вылетают из материала во внешнюю среду.

Минимальная масса урана, способная к порождению и самоподдерживанию цепной реакции распада его ядер, называется критической. Если вещества будет меньше, реакция быстро затухает, при больших объёмах образца процесс протекает лавинообразно, вызывая мощный ядерный взрыв – применяется при создании оружия массового поражения, например, «Малыша», которым уничтожили Хиросиму.

Какая масса урана является критической, способы её изменения

Какая же масса урана является критической? Практика показала, что для протекания самоподдерживающейся реакции деления необходимо несколько десятков килограммов обогащённого вещества. Для 235U это около 50 кг – сфера диаметром 17 см. Плутония-239 достаточно 11 кг.

Источник

Способы уменьшения критической массы металлического радиоактивного вещества

Очевидно, что для безопасной работы с ядерноопасными делящимися веществами параметры оборудования должны быть меньше критических. На практике в качестве нормативных параметров ядерной безопасности используют: количество, концентрацию и объем ядерноопасного делящегося материала; диаметр оборудования, имеющего цилиндрическую форму; толщину плоского слоя для оборудования, имеющего форму пластины.

Нормативный параметр (норму) устанавливают исходя из допустимого параметра, который меньше критического и не должен быть превышен при эксплуатации оборудования. При этом необходимо, чтобы характеристики, влияющие на критические параметры, находились в строго определенных пределах. Используются следующие допустимые параметры: количество М_доп, объем V _доп, диаметр D _доп, толщина слоя t _доп.

Используя зависимость критических параметров от концентрации ядерноопасного делящегося нуклида, можно определить такое значение критического параметра, ниже которого при любой концентрации СЦРД невозможна. Например, для растворов солей плутония и обогащенного урана критические масса, объем, диаметр бесконечного цилиндра, толщина бесконечного плоского слоя имеют ярко выраженный минимум в области оптимального замедления. Для смесей металлического обогащенного урана с водой критическая масса, как и для растворов, имеет ярко выраженный минимум в области оптимального замедления, а критические объем, диаметр бесконечного цилиндра, толщина бесконечного плоского слоя при высоком обогащении (> 35 % ) имеют минимальные значения при отсутствии замедлителя ( r _н/ r ₅ = 0); для обогащения ниже 35 % критические параметры смеси имеют минимум при оптимальном замедлении.

Очевидно, что параметры, установленные исходя из минимальных критических параметров, обеспечивают безопасность во всем интервале изменения концентрации. Эти параметры называются безопасными, они меньше минимальных критических параметров. Используются следующие безопасные параметры: количество М_б, концентрация с_б, объем V _б, диаметр D _б, толщина слоя t _б.

Таким образом, при обеспечении ядерной безопасности системы по допустимому параметру обязательно ограничивается концентрация делящегося нуклида (иногда количество замедлителя), в то же время при использовании безопасного параметра никаких ограничений на концентрацию (или по количеству замедлителя) не накладывается.

12.2.2. Коэффициенты запаса

Отношение критического или минимального критического параметра к соответствующему допустимому или безопасному параметру называется коэффициентом запаса.

Величиной, характеризующей степень подкритичности системы с ядерноопасными делящимися материалами, является К_эф. В настоящее время требуется, чтобы К_эф ≤ 0,95, а коэффициенты запаса по массе, объему и размеру были не ниже значений, приведенных в табл. 12.2.2 [2].

Коэффициенты запаса [2]

Параметр

Допустимый

Безопасный Масса

2,1 Концентрация

1,1 Объем

1,1 Диаметр

1,1 Толщина слоя

С помощью коэффициентов запаса и данных по критическим параметрам легко определить допустимые и безопасные параметры. Однако пользоваться этими коэффициентами надо осторожно: К_эф больших систем, например систем, содержащих низкообогащенный уран, в результате уменьшения критических параметров в соответствии с приведенными коэффициентами снижается незначительно и может превысить 0,95 в результате очень небольших изменений условий (взаимодействия с другими аппаратами, наличия отражателей, ошибочных анализов и др.). Поэтому одновременно должны выполняться два требования: коэффициенты запаса в оборудовании должны соответствовать приведенным значениям и К_эф оборудования не должны превышать 0,95.

12.2.3. Эффекты гетерогенности

Несколько сред, имеющих одинаковый общий состав, т. е. одинаковые параметр замедления и обогащение, могут иметь совершенно разные К ₀ в зависимости от того, являются ли они гомогенными или гетерогенными, а в последнем случае — и в зависимости от степени гетерогенности. Под гетерогенным размещением делящегося материала обычно понимают размещение делящегося материала и замедлителя в разных зонах.

Гетерогенное размещение низкообогащенного топлива приводит, как правило, к большим значениям К ₀ по сравнению с гомогенным размещением. Например, в системе на природном уране К ₀ можно существенно увеличить, если не использовать однородную смесь топлива и замедлителя, а размещать уран в виде блоков (табл. 12.1.3). Действительно, наибольший коэффициент размножения бесконечной среды, который можно получить в однородной смеси графита и естественного урана, составляет приблизительно 0,85, в то время как в гетерогенной системе довольно легко получить значение 1,08.

Примеры гетерогенных и гомогенных систем:

Гомогенная	Раствор урана постоянной концентрации
Неоднородная	Раствор урана переменной концентрации
Гетерогенная	Стержни или пластины из металлического урана в воде
Гетерогенная	Стержни из металлического урана в растворе урана
Дважды гетерогенная	Стержни из металлического урана в растворе урана с переменной концентрацией (растворение стержней)
Дважды гетерогенная	Сборки, состоящие из топливных стержней реакторов, расположенные в замедлителе с некоторым шагом

Гетерогенное размещение делящегося вещества и замедлителя встречается при химической переработке делящихся веществ. Влияние гетерогенности на К_эф системы начинает проявляться при размере частиц топлива около 100 мкм [2]. В гетерогенной системе нейтроны теряют свою энергию в замедлителе и, следовательно, имеют большую вероятность пройти через область резонансных энергий 238 U, не столкнувшись с атомами урана, чем в системе, в которой уран и замедлитель размещены гомогенно. Наиболее существенный эффект, возникающий при размещении урана в виде блоков, обусловлен высокими пиками резонансного поглощения, наличие которых обеспечивает сильную самоэкранировку (блок-эффект) урана внутри блока, что препятствует поглощению нейтронов резонансной энергии внутренними частями блока. Но в гетерогенной системе имеет место эффект, ухудшающий размножающие свойства среды: нейтроны становятся тепловыми вдали от атомов урана и поэтому имеют меньшую вероятность поглотиться в уране, чем в случае гомогенной смеси урана и замедлителя. Гетерогенность влияет на К ₀ весьма сложным образом в зависимости от соотношения вкладов поглощений резонансных и тепловых нейтронов. При высокой степени обогащения можно ожидать, что поскольку доля 238 U мала, то и влияние резонансного поглощения в 238 U также будет незначительным, и уменьшение К ₀ гетерогенной среды будет обусловлено уменьшением числа делений 235 U тепловыми нейтронами. Наоборот, при низком обогащении влияние резонансного поглощения в 238 U становится значительным и гетерогенная среда может иметь большее значение К ₀.

Практически при степени обогащения менее 7 % гетерогенная среда обладает бульшим К ₀ по сравнению с гомогенной средой; при более высокой степени обогащения — наоборот, гомогенная среда имеет бульшее значение К ₀. Например, минимальной критической степенью обогащения для гомогенного водного раствора урана является 1,034 % 235 U, в то время как гетерогенные системы даже из природного урана могут стать критическими при использовании определенных замедлителей (табл. 12.1.3). Это зависит от макроскопических сечений упругого и неупругого рассеяния и от сечения деления 238 U в тепловой и надтепловой областях энергий.

Гетерогенное распределение нейтронных поглотителей приводит к снижению эффекта поглощения по сравнению с их гомогенным распределением. Это объясняется пространственной блокировкой ядер поглотителя в блоке.

12.2.4. Способы обеспечения ядерной безопасности

В основе обеспечения ядерной безопасности при переработке, хранении и транспортировке ядерноопасных делящихся материалов лежат два способа:

ограничение размера и формы оборудования, в котором находится ядерноопасный делящийся материал;

ограничение количества или концентрации ядерноопасных делящихся материалов; на форму и размеры аппарата или упаковки ограничения не накладываются.

При этом необходимо, чтобы характеристики, влияющие на критические параметры (химический и изотопный составы ядерноопасного делящегося вещества, его агрегатное состояние, плотность и размещение, количество и размещение поглотителей, параметры отражателей и др.) находились в строго определенных пределах.

Для нуклидов с нечетным числом нейтронов в ядре минимальное значение критической массы достигается в системе сферической геометрии с оптимальным замедлителем и эффективным отражателем нейтронов. Минимальная критическая масса для нуклидов с четным числом нейтронов достигается в тех же условиях, но в отсутствие замедлителей.

Приведенные в табл. 12.2.3 минимальные критические массы нуклидов М_кр и безопасные значения массы М_б * рассчитаны для систем со сферической геометрией с бесконечным водяным отражателем и водяным замедлителем для нуклидов с нечетным числом нейтронов в ядре и в отсутствие замедлителя — для нуклидов с четным числом нейтронов [2].

Минимальные критические массы нуклидов
и безопасные значения массы [2]

Источник