Цепная ядерная реакция

Цепная ядерная реакция — это процесс самоподдерживающегося деления тяжелых атомных ядер под действием нейтронов, при котором число актов деления в единицу времени возрастает или остается постоянным. Является основой работы ядерных реакторов и ядерного оружия. Ключевая особенность цепной реакции — способность одного акта деления вызывать последующие деления за счет испускаемых нейтронов, что позволяет высвобождать огромное количество энергии из небольшого объема вещества.

Физические основы

Механизм деления ядра

Деление ядра происходит при захвате нейтрона. Ядро, поглотив нейтрон, переходит в возбужденное состояние, деформируется и делится на два осколка (обычно ядра средней массы, например, стронция и ксенона), испуская при этом 2–3 новых нейтрона (в среднем ~2,5 для урана-235) и выделяя энергию (около 200 МэВ на один акт деления). Эти вторичные нейтроны могут быть захвачены другими ядрами, вызывая их деление, — так возникает цепь.

Коэффициент размножения нейтронов (k)

Основной параметр, определяющий характер реакции — коэффициент размножения нейтронов \( k \), равный отношению числа нейтронов одного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения. В зависимости от \( k \):

• k < 1 — реакция затухающая (подкритическое состояние). Количество делений уменьшается, цепь обрывается.
• k = 1 — стационарная реакция (критическое состояние). Число делений постоянно, мощность выделения энергии стабильна. Именно этот режим поддерживается в ядерных реакторах.
• k > 1 — нарастающая реакция (надкритическое состояние). Количество делений и энерговыделение лавинообразно растет. Реализуется в ядерных взрывных устройствах.

Запаздывающие нейтроны

Около 0,65% нейтронов при делении урана-235 испускается не мгновенно, а через некоторое время (от долей секунды до нескольких минут) после деления — это запаздывающие нейтроны. Их доля мала, но именно она позволяет управлять реакцией в реакторах: если бы все нейтроны были мгновенными, время удвоения мощности составляло бы доли миллисекунды, что сделало бы регулирование невозможным.

История открытия

Предпосылки

В 1932 году Джеймс Чедвик открыл нейтрон. В 1934 году Энрико Ферми облучал уран нейтронами, но неверно интерпретировал результаты как образование трансурановых элементов. В 1938 году Отто Ган и Фриц Штрассман экспериментально обнаружили барий в продуктах облучения урана, что доказало факт деления ядер. В 1939 году Лиза Мейтнер и Отто Фриш дали теоретическое объяснение этому процессу, введя термин «деление ядра» и оценив выделяемую энергию.

Первая цепная реакция

В 1939 году Фредерик Жолио-Кюри, Ханс фон Хальбан и Лев Коварски во Франции, а также Энрико Ферми в США независимо показали, что при делении урана испускаются дополнительные нейтроны, способные поддерживать цепную реакцию. Первая искусственная самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция была осуществлена 2 декабря 1942 года в Чикагском университете под руководством Энрико Ферми на реакторе Chicago Pile-1 (СР-1). Реактор представлял собой графитовую кладку с урановыми блоками и урановой рудой, работал на природном уране (в основном уран-238) с использованием графита в качестве замедлителя нейтронов.

Развитие в СССР

В СССР работы по цепной реакции начались в 1940-х годах под руководством И. В. Курчатова. Первый советский ядерный реактор Ф-1 был запущен 25 декабря 1946 года в Москве (Лаборатория № 2 АН СССР). Он также был графитовым и работал на природном уране. Достижение критичности на Ф-1 позволило начать промышленное производство плутония-239 для создания ядерного оружия.

Типы цепных ядерных реакций

Реакция на тепловых нейтронах

Наиболее распространенный тип в энергетических реакторах. Нейтроны, испущенные при делении, имеют высокую энергию (быстрые нейтроны, ~2 МэВ). Для эффективного деления урана-235 их необходимо замедлить до тепловых скоростей (около 0,025 эВ), так как сечение захвата тепловых нейтронов у урана-235 значительно выше. Замедление происходит в специальных веществах — замедлителях (вода, тяжелая вода, графит). Реакции на тепловых нейтронах легко управляемы и используются в большинстве гражданских АЭС (ВВЭР, РБМК, PWR, BWR).

Реакция на быстрых нейтронах

В этом типе нейтроны не замедляются. Деление вызывается быстрыми нейтронами. Эффективность деления урана-235 быстрыми нейтронами ниже, чем тепловыми, но быстрые нейтроны способны делить уран-238 и торий-232, которые не делятся на тепловых нейтронах. Реакторы на быстрых нейтронах (например, БН-600, БН-800 в России) позволяют расширенное воспроизводство ядерного топлива (превращение урана-238 в плутоний-239). Такие реакторы компактнее, но требуют более сложной системы управления и защиты, а также использования жидкометаллического теплоносителя (натрий, свинец).

Реакция с использованием отражателя нейтронов

Для поддержания цепной реакции важна минимизация утечки нейтронов из активной зоны. Для этого вокруг зоны размещают отражатели нейтронов — материалы, которые рассеивают нейтроны обратно в зону (графит, бериллий, тяжелая вода). Отражатель снижает критическую массу делящегося материала и улучшает экономичность реактора.

Условия протекания

Критическая масса

Минимальное количество делящегося материала (например, урана-235, плутония-239), необходимое для начала самоподдерживающейся цепной реакции при заданной геометрии и составе. Для чистого урана-235 в форме шара без отражателя критическая масса составляет около 50 кг; с отражателем — 15–20 кг; для плутония-239 — около 10 кг (с отражателем — 5–6 кг). В реальных устройствах критическая масса зависит от плотности, формы, наличия замедлителя и отражателя.

Роль замедлителя и поглотителя

• Замедлитель (графит, легкая вода, тяжелая вода) уменьшает энергию нейтронов, увеличивая вероятность их захвата ядрами урана-235.
• Поглотители нейтронов (бор, кадмий, гафний) используются в регулирующих стержнях для управления реакцией: введение стержней в активную зону уменьшает \( k \), вывод — увеличивает.

Эффект выгорания и отравления

В процессе работы реактора накапливаются продукты деления, некоторые из которых (например, ксенон-135, самарий-149) обладают огромным сечением захвата нейтронов. Это явление называется отравлением реактора и может привести к остановке цепной реакции, если не компенсировать его запасом реактивности. Также происходит выгорание делящегося изотопа (урана-235), что требует периодической перегрузки топлива.

Применение

Ядерная энергетика

Основное мирное применение — получение тепловой и электрической энергии на атомных электростанциях (АЭС). Цепная реакция в реакторе нагревает теплоноситель (воду, газ, жидкий металл), который передает тепло рабочему телу (водяному пару), вращающему турбину с электрогенератором. По данным МАГАТЭ, на 2024 год в мире действует около 440 энергетических реакторов, обеспечивающих около 10% мирового производства электроэнергии. В России доля атомной генерации составляет около 20%.

Ядерное оружие

Цепная реакция с большим \( k \) (значительно больше 1) используется в ядерных боеприпасах. Взрывное устройство создает сверхкритическую массу делящегося материала за очень короткое время (микросекунды) с помощью имплозии (обжатия) или пушечной схемы. Лавинообразное нарастание числа делений приводит к выделению энергии в тысячи и миллионы тонн тротилового эквивалента. Первое испытание ядерного оружия (Тринити, 1945) и бомбардировки Хиросимы и Нагасаки (1945) были основаны на цепной реакции деления.

Научные исследования

Цепные реакции используются в исследовательских реакторах для получения нейтронных пучков (нейтронография, материаловедение, медицина), наработки радиоизотопов (для диагностики и терапии рака, промышленной дефектоскопии), а также в экспериментах по физике ядра и элементарных частиц.

Космические и транспортные установки

Ядерные реакторы на цепной реакции применяются в качестве источников энергии для космических аппаратов (например, советские спутники серии «УС-А» с реактором «Бук») и перспективных ядерных ракетных двигателей (проекты в России и США). Разрабатываются маломощные реакторы для удаленных районов (например, российская плавучая АЭС «Академик Ломоносов»).

Безопасность и регулирование

Критичность и аварии

Нарушение контроля над цепной реакцией может привести к аварии с выбросом радиоактивных веществ. Известные аварии: Чернобыльская (1986, СССР) — разрушение реактора РБМК из-за неконтролируемого разгона мощности; авария на АЭС Фукусима-1 (2011, Япония) — потеря охлаждения и расплавление активной зоны после цунами. Современные реакторы оснащаются системами пассивной безопасности, автоматически останавливающими реакцию при отклонениях.

Международное регулирование

Обращение с делящимися материалами и цепными реакциями контролируется МАГАТЭ (Международное агентство по атомной энергии) для предотвращения распространения ядерного оружия. В России действует Федеральная служба по экологическому, технологическому и атомному надзору (Ростехнадзор), устанавливающая строгие нормы проектирования, эксплуатации и вывода из эксплуатации ядерных установок.

Перспективы

Ведутся разработки реакторов на быстрых нейтронах с замкнутым топливным циклом, позволяющих многократно перерабатывать отработавшее ядерное топливо и вовлекать в реакцию уран-238 (запасы которого значительно больше, чем урана-235). Также исследуются ториевые циклы (на основе тория-232), которые потенциально безопаснее и менее склонны к распространению оружейных материалов. Однако все эти технологии основаны на том же фундаментальном принципе — управляемой цепной ядерной реакции.

Источники

• Бекман И. Н. «Ядерная физика и ядерные технологии». — М.: МГУ, 2010.
• Мурин А. Н. «Физика ядерного реактора». — М.: Энергоатомиздат, 1985.
• Гласстоун С., Сеслонке А. «Основы ядерных реакторов». — М.: Издательство иностранной литературы, 1957.
• Материалы МАГАТЭ (IAEA) — «Nuclear Power Reactors in the World», 2024.
• Исторические документы: отчеты по проекту «Манхэттен» (США) и советскому атомному проекту (архивы Курчатовского института).