Oсновные статьи: Коэффициент размножения нейтронов и Реактивность ядерного реактора
Текущее состояние ядерного реактора можно охарактеризовать эффективным коэффициентом размножения нейтронов k или реактивностью ρ, которые связаны следующим соотношением:
{\displaystyle \rho ={{k-1} \over k}}\rho ={{k-1} \over k}
Для этих величин характерны следующие значения:
k > 1 — цепная реакция нарастает во времени, реактор находится в надкритичном состоянии, его реактивность ρ > 0;
k < 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, ρ < 0;
k = 1, ρ = 0 — число делений ядер постоянно, реактор находится в стабильном критическом состоянии.
Условие критичности ядерного реактора:
{\displaystyle k=k_{0}w=1}{\displaystyle k=k_{0}w=1}, где
{\displaystyle w}w есть доля полного числа образующихся в реакторе нейтронов, поглощённых в активной зоне реактора, или вероятность избежать нейтрону утечки из конечного объёма.
k0 — коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров.
Обращение коэффициента размножения в единицу достигается сбалансированием размножения нейтронов с их потерями. Причин потерь фактически две: захват без деления и утечка нейтронов за пределы размножающей среды.
Осуществление управляемой цепной реакции деления ядра возможно при определённых условиях. В процессе деления ядер топлива возникают мгновенные нейтроны, образующиеся непосредственно в момент деления ядра, и запаздывающие нейтроны, испускаемые осколками деления в процессе их радиоактивного распада. Время жизни мгновенных нейтронов очень мало, поэтому даже современные системы и средства управления реактором не могут поддерживать необходимый коэффициент размножения нейтронов только за счёт мгновенных нейтронов. Время жизни запаздывающих нейтронов составляет от 0,1 до 10 секунд. За счёт значительного времени жизни запаздывающих нейтронов система управления успевает переместить стержни-поглотители, поддерживая тем самым необходимый коэффициент размножения нейтронов (реактивность). Отношение числа запаздывающих нейтронов, вызвавших реакцию деления в данном поколении, ко всему числу нейтронов, вызвавших реакцию деления в данном поколении, называется эффективной долей запаздывающих нейтронов — βэф. Таким образом, возможны следующие сценарии развития цепной реакции деления:
1. ρ<0, Кэф<1 — реактор подкритичен, интенсивность реакции уменьшается, мощность реактора снижается;
2. ρ=0, Кэф=1 — реактор критичен, интенсивность реакции и мощность реактора постоянны;
3. ρ>0, Кэф>1 — реактор надкритичен, интенсивность реакции и мощность реактора увеличиваются.
В последнем (3) случае возможны два принципиально отличающихся друг от друга состояния надкритичного реактора:
3а. 0<ρ<βэф — при реактивности большей нуля, но меньшей значения эффективной доли запаздывающих нейтронов — βэф, цепная реакция протекает со скоростью, определяемой временем запаздывания нейтронов (то есть реактор подкритичен на мгновенных нейтронах, а требуемая надкритичность достигается за счёт рождающихся запаздывающих нейтронов). При этом реакция деления является управляемой;
3б. ρ>βэф — при реактивности реактора, превышающей эффективную долю запаздывающих нейтронов, реактор становится критичным на мгновенных нейтронах, мощность цепной реакции деления начинает экспоненциально возрастать. Время нарастания мощности настолько мало, что никакие системы управления (в том числе аварийные) не успевают сработать, и рост мощности может быть ограничен только физическими процессами, протекающими в активной зоне. Например, в тепловом реакторе это — уменьшение сечения захвата нейтронов с ростом температуры, которое является одной из физических причин отрицательного мощностного коэффициента реактивности.
Объяснение:
Деление ядра — это процесс расщепления тяжелого атомного ядра на два ядра, при котором высвобождается большое количество энергии. Ядро состоит из протонов и нейтронов, но его масса всегда будет меньше суммы отдельных протонов и нейтронов внутри него. Данная разница обусловлена «энергией связи ядра», которая не дает ему ра и высвобождается при делении его ядра. Например, уран-235 при распаде образует два более лёгких элемента — рубидий и цезий.
Синтез ядра — процесс, обратный делению, при котором два легких ядра сливаются и образуют одно тяжелое; при этом происходит поглощение энергии, так как два ядра легче, чем ядро, в которое они сливаются. Деление происходит с ядрами элементов тяжелее железа, а синтезируются только элементы легче железа.
Атомная энергия на АЭС вырабатывается благодаря реакциям деления. Около двух миллиардов лет назад в Окло, что в Габоне, Африка, произошла природная атомная реакция во время прохождения грунтовых вод в месторождении урана. Синтез происходит в ядре Солнца, когда ядра водорода превращаются в гелий и, таким образом, вырабатывают солнечную энергию.
Объяснение:
