Ядерний поділ
Ядерний поділ — процес, у якому важке ядро розділяється на два основні фрагменти, зазвичай із кількома нейтронами та гамма-випромінюванням. Енергія вивільняється тому, що продукти мають більшу середню енергію зв’язку на нуклон.
Енергетична причина
Дуже важкі ядра лежать правіше максимуму кривої B/A. Після поділу утворюються ядра середньої маси, у яких нуклони в середньому сильніше зв’язані. Різниця мас між початковим і кінцевим станами переходить переважно в кінетичну енергію фрагментів.
Індукований поділ
Для деяких нуклідів захоплення нейтрона створює складене збуджене ядро, яке деформується і долає бар’єр поділу. Нейтрон не має електричного заряду, тому йому не потрібно долати кулонівський бар’єр до ядра так, як зарядженій частинці.
Нейтрони і ланцюгова реакція
Під час одного акту поділу часто вивільняється кілька нейтронів. Якщо частина з них спричиняє нові поділи, виникає ланцюгова реакція. Критичність визначається ефективним коефіцієнтом розмноження k_eff: нижче 1 реакція згасає, при 1 стаціонарна, вище 1 зростає.
Критичність — не просто маса
Критична умова залежить не лише від кількості матеріалу. Важливі геометрія, густина, витік нейтронів, ізотопний склад, поглиначі та енергетичний спектр нейтронів. Тому фраза «критична маса» без умов є спрощенням.
Керована реакція
У реакторі тепло від фрагментів поділу передається теплоносію. Сповільнювач може змінювати енергію нейтронів, а керувальні стрижні поглинають частину з них. Мета — підтримувати k_eff близьким до 1 і відводити тепло з великим запасом безпеки.
Продукти поділу
Фрагменти зазвичай нейтрон-надлишкові й проходять β⁻-розпади до стабільніших ізобар. Саме їхні розпади дають значну частину залишкового тепловиділення після зупинки ланцюгової реакції. Тому охолодження потрібне і після припинення потужності.
Спонтанний та індукований поділ
Деякі дуже важкі ядра можуть ділитися спонтанно завдяки квантовому тунелюванню через бар’єр деформації. Для енергетичних систем важливі передусім нукліди, у яких індукований нейтроном поділ має сприятливу ймовірність і нейтронний баланс.
Запізнілі нейтрони
Невелика частина нейтронів з’являється не миттєво під час поділу, а після β-розпаду деяких продуктів поділу. Їх називають запізнілими нейтронами. Хоча їхня частка мала, саме вони значно сповільнюють часову реакцію системи й роблять технічне керування реактором можливим. Це важлива відмінність між простою схемою поколінь нейтронів і реальною кінетикою потужності.
Вправа
Що означає k_eff=1 для ланцюгової реакції?
Розв’язання
У середньому кожне покоління нейтронів створює стільки ж ефективних нейтронів наступного покоління. Потужність не має систематично ні зростати, ні спадати: система критична в стаціонарному сенсі.