Цепная ядерная реакция возникает, когда количество нейтронов умножается на деление. Нейтрон вызывает деление, в результате которого расщепленный атом испускает несколько нейтронов. Если из этих нескольких нейтронов один в среднем вызывает другое деление, мы имеем управляемую цепную ядерную реакцию, такую как в ядерном реакторе, тогда как ядерные взрывчатые вещества имеют экспоненциальное умножение из-за более чем одного высвобожденного нейтрона, вызывающего другие деления.
Однако меня всегда интересовал вопрос о цепных ядерных реакциях: как начинается цепная реакция? Где-то должен быть нейтрон, запускающий цепную реакцию.
Согласно статье в Википедии о распаде свободного нейтрона, если где-то есть свободный нейтрон, его период полураспада составляет всего 10 минут, а по истечении этого времени он распадается на протон и электрон (и нейтрино). Таким образом, исходя из этого, свободные нейтроны должны быть очень редкими — в конце концов, возраст Вселенной более 13 миллиардов лет, поэтому у любых оставшихся свободных нейтронов должно быть около 0,7 * 10 15 периодов полураспада до распада.
Очевидно, существуют какие-то процессы, которые высвобождают новые нейтроны. Например, некоторые атомы могут спонтанно делиться. В бомбах с плутонием-239 всегда присутствует некоторое количество плутония-240, который высвобождает нейтроны в результате спонтанного деления. Таким образом, любое ядерное взрывчатое вещество, изготовленное из плутония, должно быть собрано до массы, превышающей критическую, очень быстро, а процентное содержание плутония-240 должно поддерживаться на низком уровне, иначе цепная реакция начнется слишком рано, когда масса еще не превысит критическую массу на достаточно большая маржа.
Однако бомбы с ураном-235 и ядерные реакторы, которые сегодня в основном сжигают обогащенный уран-235, изначально не должны иметь никакого плутония-240 при загрузке топливом. Очевидно, плутоний-240 позже образуется за счет двух захватов нейтронов ураном-238, но изначально его не должно быть. Также продукты деления могут излучать запаздывающие нейтроны, но когда реактор первоначально загружен топливом, поблизости не должно быть продуктов деления.
Итак, как же начинается цепная ядерная реакция? Как первый нейтрон достигает критической массы делящегося вещества?
Однако бомбы с ураном-235 и ядерные реакторы, которые сегодня в основном сжигают обогащенный уран-235, изначально не должны иметь никакого плутония-240 при загрузке топливом.
Спонтанное деление характерно не только для плутония-240. Уран, торий и трансурановые элементы (включая все изотопы плутония) также имеют небольшую вероятность самопроизвольного деления. Так что всегда есть шанс, что где-то в вашей сборке появится первый нейтрон и начнется цепная реакция.
На практике, однако, цепные реакции деления в ядерных реакторах часто начинаются путем введения в активную зону источника нейтронов.
В атомной бомбе делящийся материал бомбы всегда спонтанно делится и, таким образом, генерирует нейтроны, но форма уранового или плутониевого материала такова, что большая часть нейтронов вылетает, не вызывая новых делений. Например, вы можете разделить критическую массу урана на два полушария и расположить их достаточно далеко друг от друга, чтобы нейтроны, испускаемые одним, не вызывали деления в другом.
Чтобы взорвать бомбу, вы приводите в действие обычные взрывчатые вещества, которые сжимают куски вместе, и как только кусок материала становится почти сферическим, нейтроны должны вызвать больше делений, прежде чем они смогут вырваться. Поскольку одно деление генерирует (в среднем) чуть более двух свободных нейтронов, процесс деления затем «убегает», и в течение микросекунды или около того взрывается вся бомба.
Вы также можете изготовить расщепляющийся материал в форме продолговатого яйца, а затем использовать взрывчатку, чтобы придать ему сферическую форму, или сформировать из материала полую сферу и окружить его взрывчаткой, чтобы раздробить его до сферической формы.
Чтобы гарантировать, что бомба взорвется, как предполагалось, внутри нее также обычно помещают источник нейтронов, который при активации производит быструю и интенсивную вспышку нейтронов прямо в центре бомбы в тот момент, когда взрывчатка разрушает делящийся материал.
В ранних конструкциях бомб использовался источник нейтронов, состоящий из бериллия и полония, которые смешивались вместе путем дробления окружающего делящегося материала взрывчаткой. Альфа-частицы, спонтанно испускаемые полонием, затем ударяли по ядрам бериллия, заставляя их испускать нейтроны. Затем эти нейтроны гарантировали мгновенную критичность делящейся массы.
Активность полония значительно снижается со временем, а это означает, что его эффективность снижается при хранении оружия, поэтому его необходимо пополнять. В более поздних конструкциях бомб использовались генераторы нейтронов, внешние по отношению к массе делящегося ядра, которые выстреливали в нее нейтроны при срабатывании, и которые было легче разобрать для пополнения.
В самых современных конструкциях используются миниатюрные ускорители частиц, которые стреляют протонами по мишеням, которые производят нейтроны высокой энергии, которые затем направляются в активную зону. Эти импульсные источники нейтронов не требуют периодической подпитки, так как не содержат полония.
Часовой
юрист
Часовой