stringtranslate.com

Нейтронный замедлитель

В ядерной технике замедлитель нейтронов — это среда, которая снижает скорость быстрых нейтронов , в идеале не захватывая их, оставляя их в виде тепловых нейтронов с минимальной (тепловой) кинетической энергией . Эти тепловые нейтроны гораздо более восприимчивы, чем быстрые нейтроны, к распространению цепной ядерной реакции урана -235 или другого делящегося изотопа путем столкновения с их атомным ядром .

Вода (иногда называемая в этом контексте «легкой водой») является наиболее часто используемым замедлителем (примерно в 75% мировых реакторов). Основными альтернативами являются твердый графит (20% реакторов) и тяжелая вода (5% реакторов). [1] Бериллий также использовался в некоторых типах экспериментов, а в качестве еще одного варианта предлагалось использовать углеводороды .

На модерации

Нейтроны обычно связаны с атомным ядром и не существуют долго в природе. Несвязанный нейтрон имеет период полураспада 10 минут 11 секунд . Высвобождение нейтронов из ядра требует превышения энергии связи нейтрона, которая для большинства изотопов обычно составляет 7-9 МэВ . Источники нейтронов генерируют свободные нейтроны в результате различных ядерных реакций, включая ядерное деление и ядерный синтез . Каким бы ни был источник нейтронов, они испускаются с энергией в несколько МэВ.

Согласно теореме о равнораспределении средняя кинетическая энергия , , может быть связана с температурой , , через:

,

где – масса нейтрона, – средний квадрат скорости нейтрона, – постоянная Больцмана . [2] [3] Характеристическая нейтронная температура нейтронов с энергией в несколько МэВ составляет несколько десятков миллиардов кельвинов .

Замедление – это процесс уменьшения начальной высокой скорости (высокой кинетической энергии) свободного нейтрона. Поскольку энергия сохраняется, это уменьшение скорости нейтрона происходит за счет передачи энергии материалу, называемому замедлителем .

Вероятность рассеяния нейтрона на ядре определяется сечением рассеяния . Первые несколько столкновений с замедлителем могут иметь достаточно высокую энергию, чтобы возбудить ядро ​​замедлителя. Такое столкновение является неупругим , поскольку часть кинетической энергии преобразуется в потенциальную энергию путем возбуждения некоторых внутренних степеней свободы ядра с образованием возбужденного состояния . При уменьшении энергии нейтрона столкновения становятся преимущественно упругими , т. е. сохраняется полная кинетическая энергия и импульс системы (нейтрона и ядра).

Учитывая математику упругих столкновений , поскольку нейтроны очень легкие по сравнению с большинством ядер, наиболее эффективным способом удаления кинетической энергии нейтрона является выбор замедляющего ядра, имеющего почти идентичную массу.

Упругое столкновение равных масс

Столкновение нейтрона, имеющего массу 1, с ядром 1 H ( протоном ) может привести к тому, что нейтрон потеряет практически всю свою энергию при одном лобовом столкновении. В более общем плане необходимо учитывать как скользящие, так и лобовые столкновения. Среднее логарифмическое уменьшение энергии нейтрона за столкновение зависит только от атомной массы ядра и определяется выражением:

. [4]

Это можно разумно аппроксимировать к очень простой форме . [5] Отсюда можно вывести ожидаемое число столкновений нейтрона с ядрами данного типа, необходимое для уменьшения кинетической энергии нейтрона с до

. [5]
В системе, находящейся в тепловом равновесии, нейтроны (красные) упруго рассеиваются гипотетическим замедлителем из свободных ядер водорода (синие), совершая термически активированное движение. Кинетическая энергия передается между частицами. Поскольку нейтроны имеют по существу ту же массу, что и протоны , и нет поглощения, распределения скоростей обоих типов частиц будут хорошо описываться одним распределением Максвелла-Больцмана .

Выбор модератором материалов

Некоторые ядра имеют большее сечение поглощения , чем другие, что удаляет свободные нейтроны из потока . Поэтому дальнейшим критерием эффективного модератора является тот, у которого этот параметр мал. Эффективность замедления дает отношение макроскопических сечений рассеяния , взвешенных к деленным на сечение поглощения, : т.е. [4] Для составного замедлителя, состоящего из более чем одного элемента, такого как легкая или тяжелая вода, для расчета необходимо учитывать замедляющее и поглощающее действие как изотопа водорода, так и атома кислорода . Чтобы довести нейтрон от энергии деления 2 МэВ до энергии 1 эВ, требуется ожидаемо 16 и 29 столкновений для H 2 O и D 2 O соответственно. Следовательно, нейтроны быстрее замедляются легкой водой, поскольку H имеет гораздо более высокое значение . Однако она также имеет гораздо более высокий показатель , так что эффективность замедления для тяжелой воды почти в 80 раз выше, чем для легкой воды. [4]

Идеальный замедлитель имеет малую массу, высокое сечение рассеяния и низкое сечение поглощения .

Распределение скоростей нейтронов после замедления

После достаточных ударов скорость нейтрона будет сравнима со скоростью ядер, обусловленной тепловым движением; этот нейтрон тогда называется тепловым нейтроном , и этот процесс также можно назвать термализацией . После достижения равновесия при данной температуре распределение скоростей (энергий), ожидаемых от упругого рассеяния твердых сфер, определяется распределением Максвелла – Больцмана . В реальном замедлителе это лишь немного изменено из-за зависимости поперечного сечения поглощения большинства материалов от скорости (энергии), так что низкоскоростные нейтроны поглощаются преимущественно [5] [6] , так что истинное распределение нейтронов по скоростям в ядре будет немного горячее, чем прогнозировалось.

Модераторы реактора

В реакторе на тепловых нейтронах ядро ​​тяжелого топливного элемента, такого как уран , поглощает медленно движущийся свободный нейтрон , становится нестабильным, а затем распадается (« делится ») на два меньших атома (« продукты деления »). В процессе деления ядер 235 U образуются два продукта деления, два-три быстродвижущихся свободных нейтрона , а также некоторое количество энергии , которое в первую очередь проявляется в кинетической энергии отдающихся продуктов деления. Свободные нейтроны испускаются с кинетической энергией ~2 МэВ каждый. Поскольку в результате деления урана высвобождается больше свободных нейтронов , чем требуется тепловых нейтронов для инициирования события, реакция может стать самоподдерживающейся – цепной реакцией – в контролируемых условиях, высвобождая таким образом огромное количество энергии (см. статью «Ядерное деление» ). .

Сечение деления , измеряемое в барнах (единица, равная 10 -28  м 2 ), является функцией энергии (так называемой функции возбуждения ) нейтрона, сталкивающегося с ядром 235 U. Вероятность деления уменьшается по мере увеличения энергии (и скорости) нейтрона. Это объясняет, почему большинству реакторов, работающих на 235 U, необходим замедлитель для поддержания цепной реакции и почему удаление замедлителя может остановить реактор.

Вероятность дальнейших событий деления определяется сечением деления , которое зависит от скорости (энергии) падающих нейтронов. В тепловых реакторах нейтроны высоких энергий в МэВ-диапазоне с гораздо меньшей вероятностью (хотя и не способны) вызвать дальнейшее деление. Вновь высвободившиеся быстрые нейтроны, движущиеся со скоростью примерно 10% скорости света , должны быть замедлены или «замедлены», обычно до скоростей в несколько километров в секунду, если они хотят вызвать дальнейшее деление в соседнем 235 U. ядра и, следовательно, продолжают цепную реакцию. Эта скорость эквивалентна температуре в диапазоне нескольких сотен градусов Цельсия.

Во всех реакторах с замедлителем некоторые нейтроны всех энергетических уровней будут вызывать деление, включая быстрые нейтроны. Некоторые реакторы более термически обработаны , чем другие; например, в реакторе CANDU почти все реакции деления производятся тепловыми нейтронами, тогда как в реакторе с водой под давлением (PWR) значительная часть делений производится нейтронами более высоких энергий. В предлагаемом сверхкритическом водном реакторе с водяным охлаждением (SCWR) доля быстрых делений может превышать 50%, что делает его технически реактором на быстрых нейтронах .

В быстром реакторе не используется замедлитель, а для поддержания цепной реакции используется деление, производимое незамедлившимися быстрыми нейтронами. В некоторых конструкциях быстрых реакторов до 20% деления может происходить в результате прямого деления на быстрых нейтронах урана-238 , изотопа, который вообще не делится тепловыми нейтронами.

Замедлители применяются и в нереакторных источниках нейтронов , например плутоний - бериллиевых (с использованием9
Быть
( α ,n)12
реакция C ) и источники расщепления (с использованием реакций ( p ,xn) с богатыми нейтронами тяжелыми элементами в качестве мишеней).

Форма и расположение

Форма и расположение замедлителя могут сильно повлиять на стоимость и безопасность реактора. Традиционно замедлители представляли собой прецизионно обработанные блоки из графита высокой чистоты [7] [8] со встроенными воздуховодами для отвода тепла. Они находились в самой горячей части реактора, а потому подвергались коррозии и абляции . В некоторых материалах, включая графит , воздействие нейтронов на замедлитель может привести к тому, что замедлитель накопит опасное количество энергии Вигнера . Эта проблема привела к печально известному пожару в Уиндскейл-Пайлс, ядерном реакторном комплексе в Соединенном Королевстве, в 1957 году. В реакторе с графитовым замедлителем, охлаждаемым углекислым газом, где теплоноситель и замедлитель находятся в контакте друг с другом, необходимо провести реакцию Будуара . учтено. Это также имеет место, если топливные элементы имеют внешний углеродный слой – как в некоторых топливах TRISO – или если внутренний углеродный слой обнажается из-за разрушения одного или нескольких внешних слоев.

Замедлители некоторых реакторов с галечным слоем не только просты, но и недороги: ядерное топливо заключено в сферы реакторного пиролитического углерода размером примерно с теннисный мяч . Пространства между шарами служат воздуховодами. Реактор работает при температуре выше температуры отжига Вигнера, чтобы графит не накапливал опасное количество энергии Вигнера .

В реакторах CANDU и PWR замедлителем является жидкая вода ( тяжелая вода для CANDU, легкая вода для PWR). В случае аварии с потерей теплоносителя в PWR теряется и замедлитель и реакция прекращается. Этот отрицательный коэффициент пустотности является важным признаком безопасности этих реакторов. В CANDU замедлитель расположен в отдельном контуре тяжелой воды, окружающем каналы тяжеловодного теплоносителя под давлением. Тяжелая вода замедлит значительную часть нейтронов до резонансного интеграла238
U
увеличивает захват нейтронов в этом изотопе, который составляет более 99% урана в топливе CANDU, тем самым уменьшая количество нейтронов, доступных для деления. Как следствие, удаление части тяжелой воды будет увеличивать реакционную способность до тех пор, пока не будет удалено настолько много воды, что для продолжения реакции будет обеспечено слишком мало замедления. Такая конструкция дает реакторам CANDU положительный пустотный коэффициент , хотя более медленная нейтронная кинетика систем с тяжеловодным замедлителем компенсирует это, что приводит к сопоставимой безопасности с PWR. [9] В легководоохлаждаемом реакторе с графитовым замедлителем РБМК , типе реактора, который первоначально предполагалось обеспечить как производство оружейного плутония , так и большое количество полезного тепла при использовании природного урана и отказе от использования тяжелой воды, легководный теплоноситель действует в первую очередь как поглотитель нейтронов и, следовательно, его удаление при аварии с потерей теплоносителя или при преобразовании воды в пар увеличит количество тепловых нейтронов, доступных для деления. После чернобыльской ядерной аварии проблема была решена: все до сих пор действующие реакторы типа РБМК имеют немного отрицательный коэффициент пустотности, но теперь требуют более высокой степени обогащения урана в своем топливе.

Замедлитель примесей

Хорошие замедлители не содержат примесей, поглощающих нейтроны, таких как бор . На коммерческих атомных электростанциях замедлитель обычно содержит растворенный бор. Концентрацию бора в теплоносителе реактора операторы могут изменять, добавляя борную кислоту или разбавляя водой для управления мощностью реактора. Нацистская ядерная программа потерпела существенную неудачу, когда ее недорогие графитовые замедлители вышли из строя. В то время большая часть графита наносилась на борные электроды, а немецкий коммерческий графит содержал слишком много бора. Поскольку немецкая программа военного времени так и не обнаружила этой проблемы, они были вынуждены использовать гораздо более дорогие тяжеловодные замедлители. Эту проблему открыл известный физик Лео Сцилард .

Неграфитовые модераторы

Некоторые замедлители довольно дороги, например бериллий и тяжелая вода реакторного качества. Тяжелая вода реакторного качества должна иметь чистоту 99,75%, чтобы можно было проводить реакции с необогащенным ураном. Его сложно приготовить, потому что тяжелая вода и обычная вода образуют одни и те же химические связи почти одинаковыми способами, лишь с немного разными скоростями .

Гораздо более дешевый легководный замедлитель (по сути, очень чистая обычная вода) поглощает слишком много нейтронов, чтобы его можно было использовать с необогащенным природным ураном, и поэтому для эксплуатации таких реакторов становится необходимым обогащение урана или ядерная переработка , что увеличивает общие затраты. И обогащение, и переработка являются дорогостоящими и технологически сложными процессами, и, кроме того, как обогащение, так и некоторые виды переработки могут использоваться для создания материала, пригодного для использования в оружии, что вызывает проблемы с точки зрения распространения . В настоящее время разрабатываются схемы переработки, более устойчивые к распространению. [ нужна цитата ]

Замедлитель реактора CANDU выполняет также функцию безопасности. Большой резервуар с тяжелой водой при низкой температуре и низком давлении замедляет нейтроны, а также действует как теплоотвод в аварийных условиях с экстремальной потерей теплоносителя . Он отделен от топливных стержней, которые фактически генерируют тепло. Тяжелая вода очень эффективна для замедления (замедления) нейтронов, что придает реакторам CANDU их важную и определяющую характеристику высокой « нейтронной экономии ». В отличие от легководного реактора, где добавление воды в активную зону при аварии может обеспечить достаточное замедление, чтобы подкритическая сборка снова стала критической, у тяжеловодных реакторов снижается их реактивность, если в активную зону добавляется легкая вода, что обеспечивает еще одну важную функцию безопасности в случае аварии. в случае определенных сценариев аварий. Однако любая тяжелая вода, смешанная с легкой водой аварийного теплоносителя, станет слишком разбавленной, чтобы ее можно было использовать без разделения изотопов.

Конструкция ядерного оружия

Ранние предположения о ядерном оружии предполагали, что «атомная бомба» будет представлять собой большое количество делящегося материала, замедляемого замедлителем нейтронов, похожего по структуре на ядерный реактор или «кучу». [10] Лишь в Манхэттенском проекте была реализована идея цепной реакции быстрых нейтронов в чистом металлическом уране или плутонии . Американцы рассматривали и другие модерируемые проекты; предложения включали использование дейтерида урана в качестве делящегося материала. [11] [12] В 1943 году Роберт Оппенгеймер и Нильс Бор рассмотрели возможность использования «сваи» в качестве оружия. [13] Мотивацией было то, что с графитовым замедлителем можно было бы добиться цепной реакции без использования какого-либо разделения изотопов . Однако плутоний может быть произведен («выведен») достаточно изотопно чистым, чтобы его можно было использовать в бомбе, а затем его нужно «всего лишь» выделить химически, что гораздо проще, чем разделение изотопов, хотя и все еще является сложным. В августе 1945 года, когда информация об атомной бомбардировке Хиросимы была передана ученым немецкой ядерной программы , похороненным в Фарм-Холле в Англии, главный научный сотрудник Вернер Гейзенберг выдвинул гипотезу, что это устройство должно было быть «чем-то вроде ядерного реактора с нейтроны, замедленные множеством столкновений с замедлителем». [14] Немецкая программа, которая была гораздо менее продвинутой, никогда даже не рассматривала вариант с плутонием и не открыла осуществимый метод крупномасштабного разделения изотопов в уране.

После успеха Манхэттенского проекта все крупные программы создания ядерного оружия стали использовать быстрые нейтроны в своих разработках. Заметным исключением являются испытательные взрывы Рут и Рэя в ходе операции Upshot-Knothole . Целью проектов радиационной лаборатории Калифорнийского университета было исследование заряда дейтерированного полиэтилена, содержащего уран [15] : глава 15,  в качестве потенциального термоядерного топлива, [16] : 203  в надежде, что дейтерий расплавится (становится активной средой) при соответствующем сжатии. . В случае успеха устройства могут также привести к созданию компактной первичной обмотки, содержащей минимальное количество делящегося материала и достаточно мощной, чтобы воспламенить RAMROD [16] : 149 термоядерное оружие , разработанное в то время UCRL. Для «гидридной» первичной обмотки степень сжатия не приведет к плавлению дейтерия, но конструкцию можно подвергнуть наддуву, что значительно повысит выходной выход. [17] : 258  Активные зоны состояли из смеси дейтерида урана (УД 3 ), [16] : 202  и дейтерированного полиэтилена. В активной зоне, испытанной в Рэе , использовался низкообогащенный по U 235 уран , причем в обоих выстрелах замедлителем нейтронов выступал дейтерий . [17] : 260  Прогнозируемый выход составил от 1,5 до 3 кт для Рут (с максимальным потенциальным выходом 20 кт [18] : 96  ) и 0,5-1 кт для Рэя . В ходе испытаний была произведена мощность по 200 тонн тротила каждое; оба испытания были признаны неудачными . [11] [12]

Основное преимущество использования замедлителя в ядерной взрывчатке состоит в том, что количество делящегося материала, необходимого для достижения критичности , может быть значительно уменьшено. Замедление быстрых нейтронов увеличит сечение поглощения нейтронов , уменьшив критическую массу . Однако побочным эффектом является то, что по мере развития цепной реакции замедлитель будет нагреваться, теряя тем самым свою способность охлаждать нейтроны.

Другой эффект замедления состоит в том, что время между последующими поколениями нейтронов увеличивается, замедляя реакцию. Это делает сдерживание взрыва проблемой; инерция , которая используется для удержания бомб имплозивного типа, не сможет сдержать реакцию. Конечным результатом может быть шипение, а не взрыв.

Таким образом, взрывная мощность полностью замедленного взрыва ограничена и в худшем случае может быть равна химической взрывчатке аналогичной массы. Снова цитируя Гейзенберга: «Никогда невозможно сделать взрывчатое вещество с медленными нейтронами, даже с помощью машины с тяжелой водой, поскольку тогда нейтроны движутся только с тепловой скоростью, в результате чего реакция настолько медленная, что вещество взрывается раньше, чем реакция завершена». [19]

Хотя ядерная бомба, работающая на тепловых нейтронах , может быть непрактичной, современные конструкции оружия все же могут выиграть от некоторого уровня умеренности. Бериллиевый тампер, используемый в качестве отражателя нейтронов , будет также выполнять роль замедлителя. [20] [21]

Используемые материалы

Другие материалы с легкими ядрами по разным причинам непригодны. Гелий — это газ, и для достижения достаточной плотности требуется специальная конструкция; литий -6 и бор -10 поглощают нейтроны.

Смотрите также

Примечания

  1. ^ Миллер-младший, Джордж Тайлер (2002). Жизнь в окружающей среде: принципы, связи и решения (12-е изд.). Бельмонт: Корпорация Thomson . п. 345. ИСБН 0-534-37697-5.
  2. ^ Крац, Йенс-Фолкер; Лизер, Карл Генрих (2013). Ядерная и радиохимия: основы и приложения (3-е изд.). Джон Уайли и сыновья. ISBN 9783527653355. Проверено 27 апреля 2018 г.
  3. ^ Де Граф, Марк; МакГенри, Майкл Э. (2012). Структура материалов: введение в кристаллографию, дифракцию и симметрию. Издательство Кембриджского университета. п. 324. ИСБН 9781139560474. Проверено 27 апреля 2018 г.
  4. ^ abc Стейси., Уэстон М (2007). Физика ядерных реакторов. Вайли-ВЧ . стр. 29–31. ISBN 978-3-527-40679-1.
  5. ^ abc Добжинский, Л.; К. Блиновский (1994). Нейтроны и физика твердого тела . Эллис Хорвуд Лимитед. ISBN 0-13-617192-3.
  6. ^ Длины и сечения рассеяния нейтронов В. Ф. Сирс, Neutron News 3, № 3, 26-37 (1992).
  7. ^ аб Арреги Мена, JD; и другие. (2016). «Пространственная изменчивость механических свойств гильзокарбона». Карбон . 110 : 497–517. doi :10.1016/j.carbon.2016.09.051. S2CID  137890948.
  8. ^ Арреги Мена, доктор юридических наук; и другие. (2018). «Характеристика пространственной изменчивости свойств материалов Gilsocarbon и NBG-18 с использованием случайных полей». Журнал ядерных материалов . 511 : 91–108. Бибкод : 2018JNuM..511...91A. дои : 10.1016/j.jnucmat.2018.09.008 . S2CID  105291655.
  9. ^ Д. А. Менелей и А. П. Музумдар, «Сравнение безопасности энергетических реакторов - ограниченный обзор», Материалы ежегодной конференции CNS, июнь 2009 г.
  10. ^ Часто задаваемые вопросы о ядерном оружии - 8.2.1 Ранние исследования термоядерного оружия
  11. ^ ab Операция Upshot – Knothole
  12. ^ ab W48 - globalsecurity.org
  13. ^ «Хронология атомной бомбы: 1942-1944». Архивировано из оригинала 28 мая 2008 г. Проверено 16 декабря 2008 г.
  14. ^ Ганс Бете в журнале Physics Today, том 53 (2001) [1]
  15. ^ Херкен, Грегг (2003). Братство Бомбы .
  16. ^ abc Хансен, Чак (1995). Мечи Армагеддона. Том. III . Проверено 28 декабря 2016 г.
  17. ^ Аб Хансен, Чак (1995). Мечи Армагеддона. Том. Я. _ Проверено 28 декабря 2016 г.
  18. ^ Хансен, Чак (1995). Мечи Армагеддона. Том. VII . Проверено 28 декабря 2016 г.
  19. ^ Пол Лоуренс Роуз (1998). Гейзенберг и нацистский проект атомной бомбы: исследование немецкой культуры . Издательство Калифорнийского университета . п. 211. ИСБН 978-0-520-21077-6. Проверено 6 мая 2017 г.
  20. ^ Часто задаваемые вопросы о ядерном оружии - 4.1.7.3.2 Отражатели
  21. ^ N Модерация

Рекомендации