Самопроизвольная цепная ядерная реакция

Самопроизвольная цепная ядерная реакция — это процесс деления тяжелых атомных ядер, который возникает и поддерживается без внешнего источника инициирования, за счет нейтронов, образующихся при спонтанном делении ядер или в результате других естественных ядерных реакций. В отличие от управляемой цепной реакции, характерной для ядерных реакторов, или неуправляемой, используемой в ядерном оружии, самопроизвольная реакция не требует искусственного источника нейтронов и может возникать в определённых условиях при накоплении критической массы делящегося материала.

История открытия и изучения

Предпосылки

В 1938 году немецкие учёные Отто Ган и Фриц Штрассман открыли деление ядер урана при бомбардировке нейтронами. Вскоре после этого, в 1939 году, Лиза Мейтнер и Отто Фриш объяснили этот процесс с точки зрения ядерной физики. Тогда же было установлено, что при делении ядра выделяются дополнительные нейтроны, способные вызвать деление соседних ядер, что создаёт возможность цепной реакции.

Первые наблюдения

Первое практическое наблюдение самопроизвольной цепной ядерной реакции произошло в 1942 году в ходе эксперимента по созданию первого в мире ядерного реактора «Чикагская поленница-1» (Chicago Pile-1) под руководством Энрико Ферми. Однако этот реактор был управляемым. Самопроизвольная реакция впервые была зафиксирована при работе с уран-графитовыми сборками, когда из-за ошибок в расчётах или конструкции возникал неконтролируемый рост нейтронного потока.

Аварии и инциденты

Наиболее известные случаи самопроизвольной цепной ядерной реакции происходили в исследовательских и производственных установках. Например, в 1958 году на заводе по переработке ядерного топлива в США (Oak Ridge National Laboratory) произошла авария, связанная с критической сборкой. В 1961 году в СССР на Сибирском химическом комбинате (г. Северск) также имел место инцидент с самопроизвольной реакцией. Все эти случаи были связаны с нарушением правил безопасности при работе с делящимися материалами.

Физические основы

Условия возникновения

Для возникновения самопроизвольной цепной ядерной реакции необходимо выполнение нескольких условий:

• Наличие делящегося материала — изотопов, способных к делению под действием нейтронов (например, уран-235, плутоний-239, уран-233).
• Достижение критической массы — минимального количества делящегося вещества, при котором количество нейтронов, образующихся при делении, равно или превышает количество нейтронов, теряемых в результате утечки или поглощения.
• Наличие источника нейтронов — в случае самопроизвольной реакции таким источником служат нейтроны спонтанного деления (например, у урана-238 период полураспада по спонтанному делению составляет около 10^16 лет, но нейтроны всё же образуются).
• Отсутствие сильных поглотителей нейтронов — материалы, интенсивно поглощающие нейтроны (бор, кадмий, гафний), могут предотвратить развитие реакции.

Механизм развития

Самопроизвольная цепная реакция начинается с одного нейтрона, возникшего в результате спонтанного деления ядра. Этот нейтрон может вызвать деление другого ядра, при котором выделяются 2–3 новых нейтрона. Если среднее время жизни нейтронов в системе меньше, чем время их потери, число нейтронов начинает расти экспоненциально. В отличие от управляемой реакции, где нейтроны регулируются поглотителями, в самопроизвольной реакции процесс неконтролируем.

Критичность

Различают три состояния системы:

• Подкритическое — количество нейтронов уменьшается, реакция затухает.
• Критическое — количество нейтронов остаётся постоянным, реакция стабильна.
• Надкритическое — количество нейтронов растёт, реакция усиливается.

Самопроизвольная реакция обычно возникает при переходе системы из подкритического в критическое или надкритическое состояние без внешнего управления.

Классификация

По типу делящегося материала

• Урановые — на основе урана-235 или урана-233.
• Плутониевые — на основе плутония-239.
• Смешанные — использование смеси изотопов (например, в реакторах на быстрых нейтронах).

По условиям возникновения

• В производственных установках — при переработке ядерного топлива, изготовлении топливных элементов.
• В исследовательских сборках — при экспериментах с критическими сборками.
• В природных условиях — теоретически возможна в природных ядерных реакторах (например, в Окло, Габон, где около 2 миллиардов лет назад существовал природный ядерный реактор).

Примеры и инциденты

Природный ядерный реактор в Окло

В 1972 году в урановом руднике Окло (Габон) были обнаружены следы самопроизвольной цепной реакции, происходившей около 2 миллиардов лет назад. В то время содержание урана-235 в природном уране было выше (около 3%), что позволяло при наличии воды-замедлителя достичь критичности. Реакция продолжалась, по оценкам, несколько сотен тысяч лет, периодически затухая и возобновляясь.

Авария на заводе «Маяк» (1957)

Хотя Кыштымская авария 1957 года была связана с взрывом ёмкости с радиоактивными отходами, в её основе лежали процессы, близкие к самопроизвольной реакции. В результате нарушения охлаждения произошёл разогрев и химический взрыв, но не цепная ядерная реакция в чистом виде.

Авария в Лос-Аламосе (1946)

Один из первых задокументированных случаев самопроизвольной реакции произошёл в 1946 году в Лос-Аламосской национальной лаборатории (США). Физик Луис Слотин проводил эксперимент с критической сборкой плутония, известной как «демонстрация критичности». Из-за ошибки сборка перешла в надкритическое состояние, вызвав мощный всплеск нейтронного излучения. Слотин получил смертельную дозу радиации и скончался через 9 дней.

Опасность и меры предосторожности

Радиационная опасность

Самопроизвольная цепная реакция сопровождается интенсивным нейтронным и гамма-излучением, а также выделением тепла. Даже кратковременный всплеск может привести к летальному облучению персонала. В случае развития реакции в больших массах делящегося материала возможен тепловой взрыв.

Предотвращение

Для предотвращения самопроизвольной реакции применяются следующие меры:

• Геометрическое разделение — делящиеся материалы хранятся в виде отдельных частей, не образующих критическую массу.
• Использование поглотителей — введение в систему материалов с высоким сечением поглощения нейтронов (бор, кадмий).
• Контроль массы — ограничение количества делящегося вещества в одном месте.
• Мониторинг нейтронного потока — постоянное измерение уровня нейтронов для раннего обнаружения приближения к критичности.

Значение в науке и технике

В ядерной энергетике

Понимание условий возникновения самопроизвольной цепной реакции необходимо для безопасного проектирования ядерных реакторов, хранилищ отработанного топлива и заводов по переработке ядерных материалов. Расчёты критичности являются обязательной частью лицензирования любых объектов ядерного топливного цикла.

В ядерном оружии

В ядерных боеприпасах самопроизвольная реакция нежелательна, так как она может привести к преждевременному срабатыванию или снижению мощности взрыва. Для предотвращения этого используются специальные конструктивные решения (например, имплозивная схема, где делящийся материал сжимается до сверхкритического состояния только в момент взрыва).

В фундаментальной науке

Изучение самопроизвольной цепной реакции позволяет исследовать свойства нейтронов, сечения деления ядер и кинетику ядерных процессов. Эксперименты с критическими сборками используются для проверки ядерно-физических моделей.

Интересные факты

• Самопроизвольная цепная реакция может возникнуть не только в чистых делящихся материалах, но и в смесях, если концентрация делящегося изотопа достаточно высока.
• В природном уране содержание урана-235 составляет 0,72%, что недостаточно для поддержания цепной реакции без замедлителя. Однако в природном реакторе Окло роль замедлителя играла вода.
• В СССР и России для предотвращения самопроизвольных реакций на предприятиях ядерного топливного цикла применяются строгие регламенты, включающие обязательные расчёты критичности перед каждой операцией с делящимися материалами.

Источники

• Бекман И. Н. «Ядерная физика и ядерные технологии». — М.: МГУ, 2010.
• Глассон С., Эдланд М. «Основы ядерной физики». — М.: Атомиздат, 1961.
• Ландау Л. Д., Лифшиц Е. М. «Теоретическая физика. Том 3: Квантовая механика». — М.: Наука, 1989.
• Отчёт по безопасности обращения с делящимися материалами (Ростехнадзор, 2015).
• Материалы Международного агентства по атомной энергии (МАГАТЭ) по критичности (IAEA Safety Standards Series).