Доля запаздывающих нейтронов. Среднее время жизни запаздывающих нейтронов. Понятие о мгновенной критичности реактора

Запаздывающие нейтроны.

Наибольшее количество нейтронов (от ~ 0,2 до ~ 0,6 %) называемых «запаздывающие», образуется спустя некоторое время после окончания процесса деления ядра. Запаздывающие нейтронов не являются продуктами реакции β – распада. Но они испускаются сразу за β – распадом ядра-осколка, снимая с него остаточную энергию возбуждения. Основными осколками деления – предшественниками запаздывающих нейтронов являются изотопы йода и брома. Как пример ниже показана схема образования запаздывающего нейтрона из ядра-предшественника – брома-87:

Запаздывающие нейтроны в зависимости от их характеристик принято объединять в шесть групп. В таблице 2.6.2 приведены основные параметры (период полураспада предшественника, доля выхода, средняя энергия), характеризующие запаздывающие нейтроны деления U²³⁵ тепловыми нейтронами.

Таблица 2.6.2 «Характеристики запаздывающих нейтронов при делении U²³⁵»

Группа	Период полураспада, с	Выход	Средняя энергия, МэВ
	55,7 22,7 6,2 2,3 0,61 0,23	0,00021 0,00142 0,00127 0,00257 0,00075 0,00027	0,25 0,46 0,41 0,45 0,41 -
Σ βi	-	0,0065	-

Доля запаздывающих нейтронов практически не зависит от энергии нейтрона, вызывающего деление, и определяется делящимся ядром. В таблице 2.6.3 приведены значения β для делящихся и воспроизводящих ядер, при их делении тепловыми нейтронами.

Таблица 2.6.3. «Доля запаздывающих нейтронов».

Ядро	^233U	^235U	^239Pu	^232Th	^238U
	0,0026	0,0064	0,0020	0,0190	0,0155

Несмотря на небольшую долю, запаздывающие нейтроны играют определяющую роль в возможности управления ядерным реактором, поскольку благодаря им среднее время жизни одного поколения нейтронов в реакторе в ~ 10³ раз больше, чем мгновенных.

Доля запаздывающих нейтронов b_эфф определяется как отношение среднего числа запаздывающих нейтронов к среднему числу нейтронов, испускаемых при делении. Для ²³⁵U b_эфф приближенно равна 7×10^-3, для ²³⁹Pu – 2,5×10^-3. Для более компактного описания генерации запаздывающих нейтронов их объединяют в группы (6 групп).

₃₅Br⁸⁷ T_1/2 = 54,5 c E_возб

b^- 2%

5,8 МэВ

g e_n (⁸⁶Kr) = 5,53 МэВ

⁸⁶Kr 5,4 МэВ

b^- 68%

g

3 МэВ

b^- 30% g

E_bmax = 8 МэВ g g

⁸⁷Kr T_1/2 = 78 мин

Рис. 2.1. Схема образования запаздывающих нейтронов при b-распаде ₃₅Br⁸⁷

Хотя доля запаздывающих нейтронов в полном числе нейтронов де­ления мала, намного большее среднее время между актом деления и появлением запаздывающих нейтронов по сравнению с временем жизни мгновенных нейтронов приводит к тому, что среднее, или эффективное, время жизни нейтронов в реакторе оказывается много больше времени жизни одних только мгновенных нейтронов. Среднее время жизни нейтронов с учетом запаздывающих нейтронов для ²³⁵U примерно равно 0,1с. Если это значение l подставить в выражение (2.3), то можно увидеть, что период разгона ре­актора при положительной реактивности, равной 0,1 % (k_эфф = 1,001), составляет около 100 с, т. е. отклик реактора на изменение реактивности достаточ­но медленный, и есть запас времени для изменения k_эфф.

Рассмотрим некий абстрактный реактор. Время жизни нейтронов t (время от образования в результате деления до поглощения) составляет от 10^-3с до 10^-5с. Пусть для увеличения мощности реактора мы увеличили Кэф на 0.1 %. В какой то момент времени Кэф станет равным 1.001. Тогда количество нейтронов будет увеличиваться на 0.01% в каждом новом поколения. За 1 секунду сменится 1000 поколений нейтронов и их количество увеличится, в (1.001)¹⁰⁰⁰=2.47раз. Количество нейтронов прямо пропорционально мощности. Следовательно за секунду мощность реактора увеличится в два с половиной раза, а еще через несколько секунд реактор расплавится. Ясно что управлять таким реактором очень сложно. Как же происходит управление на самом деле?

Как нашей большой радости не все нейтроны образуются сразу, в результате деления, часть из них, около 0.7%, образуется в результате распадов ядер осколков. Например возможна такая последовательность событий:

В результате деления один из образовавшихся осколков может быть бором, который через 16 секунд через b ^-- распад превращается в неустойчивый криптон который в свою очередь испускает нейтрон:

Нейтроны образовавшиеся в результате деления называются мгновенными нейтронами. Нейтроны образовавшиеся в результате цепочки распадов осколков называются запаздывающими нейтронами. Ядра испускающие нейтроны называются ядра предшественники.

Среднее время жизни запаздывающих нейтронов составляет для ²³⁵U около 12сек (зависит от периода полураспада ядер предшественников).

Вооруженные знаниями о запаздывающих нейтронах взглянем на процесс увеличения мощности реактора. Пусть мы имеем увеличиваем коэффициент размножения на 0.01 %, Кэф = 1.001. Рассмотрим отдельно мгновенные и запаздывающие нейтроны. Доля мгновенных нейтронов составляет в среднем 0.993. Коэффициент размножения только на мгновенных нейтронах составляет 1.001 x 0.993 = 0.994 - разгон реактора только с учетом только мгновенных нейтронов невозможен. А поскольку время жизни запаздывающих нейтронов около 12 с, то и увеличение мощности реактора происходит достаточно медленно. В практике удобнее пользоваться не коэффициентом размножения а производной от него величиной - реактивностью.

При значении r³ bэф. влияние запаздывающих нейтронов на скорость изменения мощности ЯР прекращается, это и есть гра­ница управляемости ЯР. В этом случае реактор становится кри­тичным на мгновенных нейтронах. По этой причине состояние реактора r= bэф. называется мгновенной критичностью.

В отсутствие запаздывающих нейтронов управление цепной ядерной реакцией деления было бы крайне затруднительно, если вообще возможно

Дата добавления: 2015-06-04