Вода как модератор

Нейтроны от деления имеют очень высокие скорости и должны быть сильно замедлены водным «замедлением», чтобы поддерживать цепную реакцию.

Уран-235 обогащают до 2,5-3,5%, чтобы замедлителем могла быть обычная вода.

Потеря водяного теплоносителя убивает цепную реакцию, поскольку конфигурация топлива не является «критической» без замедления водой.

Даже с замедлителем топливо не является «критическим» без учета «запаздывающих» нейтронов, которые могут быть испущены через несколько минут после деления.

Вода как модератор

Водяной замедлитель необходим в реакторах деления урана. Потеря водяного теплоносителя убивает цепную реакцию, поскольку конфигурация топлива не является «критической» без замедления водой.

Произойдет достаточно спонтанных событий деления, чтобы инициировать цепную реакцию, если будет обеспечено надлежащее замедление и плотность топлива.

Даже с замедлителем топливо не является «критическим» без учета «запаздывающих» нейтронов, которые могут быть испущены через несколько минут после деления. Эти нейтроны исходят от радиоактивных осколков от предыдущих делений.

Замедление быстрых нейтронов

Нейтроны, испускаемые в ядерных реакциях деления, имеют высокие энергии, обычно в диапазоне 1 МэВ. Но сечение захвата нейтронов, ведущего к делению, наибольшее для нейтронов с энергией около 1 эВ, то есть в миллион раз меньше. Нейтроны с энергией менее одного электрон-вольта обычно называют «тепловыми нейтронами», поскольку они имеют энергию, аналогичную энергии частиц в результате обычной тепловой энергии при комнатной температуре.

Для эффективной работы ядерного реактора необходимо замедлить нейтроны, этот процесс называется замедлением. В то время как нейтроны эффективно замедляются за счет неупругого рассеяния от U-238, неделящегося изотопа урана, когда их энергии выше 1 МэВ, оставшаяся часть процесса их замедления должна выполняться за счет упругого рассеяния от других ядер. Когда нейтрон упруго сталкивается с другим ядром, покоящимся в среде, он передает ему часть своей энергии. Максимальная передача энергии происходит, когда ядро-мишень по массе сравнимо с снарядом. Вода и углерод (графит) обычно используются в качестве замедлителей.Вода является хорошим замедлителем, но атомы водорода в молекуле воды имеют довольно высокое сечение захвата нейтронов, удаляя нейтроны из процесса деления. Тяжелая вода, используемая в качестве замедлителя в канадских реакторах, позволяет избежать этих потерь.

Концептуально эффективность воды как модератора можно сравнить с тем, что происходит на бильярдном столе, когда биток сталкивается с другим шаром на столе. Упругое лобовое столкновение с неподвижным шаром-мишенью такой же массы останавливает биток и отправляет целевой шар вперед с исходной скоростью битка. Водороды в воде играют роль шара-мишени и эффективно замедляют быстрые нейтроны, даже если столкновение не лобовое.

Другой концептуальный образ, который может помочь понять необходимость умеренности, — это характер короткого удара по грину поля для гольфа. Первоначальные эксперименты в лаборатории Отто Гана в Германии безуспешно пытались заставить уран поглощать нейтроны путем бомбардировки его быстрыми нейтронами — 235 U просто имеет очень маленькую вероятность поглощения быстрых нейтронов. Но имеет высокую вероятность поглощения медленных. Если ваш мяч для гольфа находится в нескольких сантиметрах от лунки, вы не вытащите своего водителя и не ударите по нему как можно сильнее — он просто не попадет в чашку таким образом. Но легкое постукивание клюшкой имеет высокую вероятность успеха. Замедление для замедления нейтронов столкновениями с ядрами аналогичной массы резко увеличивает вероятность захвата нейтронов, ведущего к делению.

Критическая масса

Чтобы цепная реакция ядерного деления, такая как реакция урана-235, должна была поддерживаться сама по себе, по крайней мере один нейтрон от каждого деления должен ударить другое ядро ​​U-235 и вызвать деление. Если это условие просто выполняется, то говорят, что реакция «критическая» и будет продолжаться. Масса делящегося материала, необходимая для достижения этого критического состояния, называется критической массой.Критическая масса зависит от концентрации ядер урана-235 в топливном материале, а также от его геометрии. Применительно к выработке электроэнергии в ядерных реакторах это также зависит от замедления, используемого для замедления нейтронов. В этих реакторах критическое состояние также зависит от нейтронов от осколков деления, называемых запаздывающими нейтронами. Для применения в оружии концентрация U-235 должна быть намного выше, чтобы создать состояние, называемое «мгновенной критичностью». Это означает, что это критично только для нейтронов, непосредственно образующихся в процессе деления. Для U-235, обогащенного до урана «бомбового качества», критическая масса может составлять всего около 15 кг в конфигурации бомбы.

Запаздывающие нейтроны от деления

Один из факторов безопасности, встроенных в ядерные реакторы, которые используются для выработки электроэнергии, заключается в том, что они являются критическими только с учетом запаздывающих нейтронов, испускаемых некоторыми осколками деления. Некоторые из этих фрагментов испускают нейтроны в процессе своего радиоактивного распада, и эти нейтроны могут способствовать делению любого ядра урана-235, с которым они сталкиваются. Ядерный энергетический реактор управляет цепной реакцией деления, замедляя нейтроны и используя регулирующие стержни, которые могут быть вставлены в активную зону реактора для поглощения нейтронов и замедления реакции. Эти регулирующие стержни можно настроить таким образом, чтобы реакция оставалась критической только при включении запаздывающих нейтронов. Около 0,65% нейтронов задерживаются в среднем на 14 секунд, что дает значительное увеличение времени генерации и времени реакции на аварийную ситуацию в таком энергетическом реакторе.

Конечно, в оружейном применении эти запаздывающие нейтроны не имеют значения, поэтому уран оружейного качества обогащается до более чем 90% U-235.