Ярче Солнца: Атомная бомба. Критическая масса в ядерной физике Какая масса радиоактивного элемента называется критической
В очередную годовщину бадабума на Хиросиме и Нагасаки я решил прошерстить интернет на вопросы ядерного оружия, где почему и как создавалось меня мало интересовало (я уже знал)-меня больше интересовала как 2 куска плутония не плавятся а делают большой бабах.
Приглядывайте за инженерами - они начинают с сеялки, а заканчивают атомной бомбой.
Ядерная физика - одна из самых скандальных областей почтенной естественной науки. Именно в эту область человечество на протяжении полувека бросало миллиарды долларов, фунтов, франков и рублей, как в паровозную топку опаздывающего поезда. Теперь поезд, похоже, уже не опаздывает. Бушующее пламя сгорающих средств и человеко-часов утихло. Попробуем вкратце разобраться, что же это за поезд под названием «ядерная физика».
Изотопы и радиоактивность
Как известно, все сущее состоит из атомов. Атомы, в свою очередь состоят из электронных оболочек, живущих по своим умопомрачительным законам, и ядра. Классическая химия совершенно не интересуется ядром и его личной жизнью. Для нее атом - это его электроны и их способность к обменному взаимодействию. А от ядра химии нужна только его масса, чтобы рассчитывать пропорции реагентов. В свою очередь, ядерной физике глубоко плевать на электроны. Ее интересует крохотная (в 100 тысяч раз меньше радиуса орбит электронов) пылинка внутри атома, в которой сосредоточена практически вся его масса.
Что мы знаем о ядре? Да, оно состоит из положительно заряженных протонов и не имеющих электрического заряда нейтронов. Впрочем, это не совсем верно. Ядро - это не горсточка шариков двух цветов, как на иллюстрации из школьного учебника. Здесь работают совсем другие законы под названиемсильное взаимодействие, превращающие и протоны, и нейтроны в какое-то неразличимое месиво. Однако заряд этого месива в точности равен суммарному заряду входящих в него протонов, а масса - почти (повторяю, почти) совпадает с массой нейтронов и протонов, из которых состоит ядро.
Кстати, количество протонов неионизированного атома всегда совпадает с количеством электронов, имеющих честь его окружать. А вот с нейтронами дело не так просто. Собственно говоря, задача нейтронов - стабилизировать ядро, поскольку без них одноименно заряженные протоны не ужились бы вместе и микросекунды.
Возьмем для определенности водород. Самый обычный водород. Его устройство до хохота просто - один протон, окруженный одним орбитальным электроном. Водорода во Вселенной навалом. Можно сказать, что Вселенная состоит в основном из водорода.
Теперь аккуратно добавим к протону нейтрон. С точки зрения химии это все равно водород. А вот с точки зрения физики уже нет. Обнаружив два разных водорода, физики забеспокоились и тут же придумали называть обычный водород протием, а водород с нейтроном при протоне - дейтерием.
Наберемся наглости и скормим ядру еще один нейтрон. Теперь у нас еще один водород, еще более тяжелый - тритий. Он, опять же, с точки зрения химии практически не отличается от двух других водородов (ну, разве что в реакцию теперь вступает чуть менее охотно). Сразу хочу предупредить - никакими усилиями, угрозами и увещеваниями вы не сможете добавить к ядру трития еще один нейтрон. Здешние законы куда более строги, чем человеческие.
Итак, протий, дейтерий и тритий - это изотопы водорода. Их атомная масса различна, а заряд - нет. А ведь именно зарядом ядра определяется местоположение в периодической системе элементов. Потому и назвали изотопы изотопами. В переводе с греческого это означает «занимающие одно и то же место». Кстати говоря, всем известная тяжелая вода - это та же вода, но с двумя атомами дейтерия вместо протия. Соответственно, сверхтяжелая вода содержит вместо протия тритий.
Давайте взглянем снова на наши водороды. Так… Протий на месте, дейтерий на месте… А это еще кто? Куда делся мой тритий и откуда здесь появился гелий-3? У нашего трития один из нейтронов явно соскучился, решил сменить профессию и стал протоном. При этом он породил электрон и антинейтрино. Потеря трития - это, конечно, огорчительно, но зато мы теперь знаем, что он нестабилен. Кормежка нейтронами даром не прошла.
Итак, как вы поняли, изотопы бывают стабильные и нестабильные. Стабильных изотопов вокруг нас полно, а вот нестабильных, слава богу, практически нет. То есть они имеются, но в настолько рассеянном состоянии, что добывать их приходится ценой очень большого труда. К примеру, уран-235, который доставил столько нервотрепки Оппенгеймеру, составляет в природном уране всего лишь 0,7%.
Период полураспада
Здесь все просто. Периодом полураспада нестабильного изотопа называется промежуток времени, за который ровно половина атомов изотопа распадется и превратится в какие-то другие атомы. Уже знакомый нам тритий имеет период полураспада 12,32 года. Это - достаточно короткоживущий изотоп, хотя по сравнению с францием-223, у которого период полураспада составляет 22,3 минуты, тритий покажется седобородым аксакалом.
Никакие макроскопические внешние факторы (давление, температура, влажность, настроение исследователя, количество ассигнований, расположение звезд) не влияют на период полураспада. Квантовая механика нечувствительна к подобным глупостям.
Популярная механика взрыва
Суть любого взрыва - это стремительное высвобождение энергии, ранее находившейся в несвободном, связанном состоянии. Освободившаяся энергия рассеивается, преимущественно переходя в тепло (кинетическую энергию неупорядоченного движения молекул), ударную волну (тут тоже движение, но уже упорядоченное, по направлению от центра взрыва) и излучение - от мягкого инфракрасного до жестких коротковолновых квантов.
При химическом взрыве все относительно просто. Происходит энергетически-выгодная реакция, когда между собой взаимодействуют некие вещества. В реакции участвуют только верхние электронные слои некоторых атомов, а глубже взаимодействие не идет. Несложно догадаться, что скрытой энергии в любом веществе гораздо больше. Но каковы бы ни были условия опыта, сколь бы удачные реагенты мы ни подобрали, как бы ни выверяли пропорции - глубже в атом химия нас не пустит. Химический взрыв - явление примитивное, малоэффективное и, с точки зрения физики, до неприличия слабое.
Ядерная цепная реакция позволяет копнуть чуть глубже, включая в игру не только электроны, но и ядра. По-настоящему весомо это звучит, пожалуй, только для физика, а остальным приведу простую аналогию. Представьте себе гигантскую гирю, вокруг которой на расстоянии нескольких километров порхают наэлектризованные пылинки. Это атом, «гиря» - ядро, а «пылинки» - электроны. Что с этими пылинками ни делай, они не дадут и сотой доли той энергии, которую можно получить от увесистой гири. Особенно если в силу каких-то причин она расколется, и массивные обломки на огромной скорости разлетятся в разные стороны.
Ядерный взрыв задействует потенциал связи тяжелых частиц, из которых состоит ядро. Но это еще далеко не предел: скрытой энергии в веществе гораздо больше. И имя этой энергии - масса. Опять же, для не-физика это звучит немного непривычно, но масса - это энергия, только предельно сконцентрированная. Каждая частица: электрон, протон, нейтрон - все это мизерные сгустки невероятно плотной энергии, до поры до времени пребывающей в покое. Вы наверняка знаете формулу E=mc2, которую так полюбили авторы анекдотов, редакторы стенгазет и оформители школьных кабинетов. Она именно об этом, и именно она постулирует массу как не более чем одну из форм энергии. И она же дает ответ на вопрос, сколько энергии можно получить из вещества по максимуму.
Процесс полного перехода массы, то есть энергии связанной, в энергию свободную, называетсяаннигиляцией. По латинскому корню «nihil» несложно догадаться о ее сути - это превращение в «ничто», вернее - в излучение. Для ясности - немного цифр.
Взрыв Тротиловый эквивалент Энергия (Дж)
Граната Ф-1 60 грамм 2,50*105
Бомба, сброшенная на Хиросиму 16 килотонн 6,70*1013
Аннигиляция одного грамма материи 21,5 килотонн 8,99*1013
Один грамм любой материи (важна только масса) при аннигиляции даст больше энергии, чем небольшая ядерная бомба. По сравнению с такой отдачей смешными кажутся и упражнения физиков над расщеплением ядра, и уж тем более опыты химиков с активными реагентами.
Для аннигиляции нужны соответствующие условия, а именно - контакт материи с антиматерией. И, в отличие от «красной ртути» или «философского камня», антиматерия более чем реальна - для известных нам частиц существуют и исследованы аналогичные античастицы, а эксперименты по аннигиляции пар «электрон + позитрон» неоднократно проводились на практике. Но чтобы создать аннигиляционное оружие, необходимо собрать воедино некоторый весомый объем античастиц, а также ограничить их от контакта с любой материей вплоть до, собственно, боевого применения. Это, тьфу-тьфу, еще далекая перспектива.
Дефект массы
Последний вопрос, который осталось уяснить относительно механики взрыва, - это откуда все-таки берется энергия: та самая, которая высвобождается в ходе цепной реакции? Тут опять не обошлось без массы. Вернее, без ее «дефекта».
Вплоть до прошлого века ученые полагали, что масса сохраняется при любых условиях, и были по-своему правы. Вот мы опустили металл в кислоту - в реторте забурлило и сквозь толщу жидкости наверх устремились пузырьки газа. Но если взвесить реагенты до и после реакции, не забыв при этом и выделившийся газ, - масса сходится. И так будет всегда, пока мы оперируем килограммами, метрами и химическими реакциями.
Но стоит углубиться в область микрочастиц, как и масса тоже преподносит сюрприз. Оказывается, что масса атома может отнюдь не в точности равняться сумме масс частиц, его составляющих. При делении на части тяжелого ядра (к примеру, того же урана) «осколки» в сумме весят меньше, чем ядро до деления. За «разницу», также называемую дефектом массы, отвечают энергии связей внутри ядра. И именно эта разница уходит в тепло и излучение во время взрыва, причем все по той же простенькой формуле: E=mc2.
Это интересно: так сложилось, что тяжелые ядра энергетически выгодно делить, а легкие - объединять. Первый механизм работает в урановой или плутониевой бомбе, второй - в водородной. А из железа бомбу не сделать при всем желании: оно в этой линейке стоит ровно посередине.
Ядерная бомба
Соблюдая историческую последовательность, рассмотрим сначала ядерные бомбы и осуществим свой маленький «Манхэттенский проект». Я не стану утомлять вас занудными методиками разделения изотопов и математическими выкладками теории цепной реакции деления. У нас с вами есть уран, плутоний, прочие материалы, инструкция по сборке и необходимая доля научного любопытства.
Все изотопы урана нестабильны в той или иной степени. Но уран-235 - на особом положении. При самопроизвольном распаде ядра урана-235 (его еще называют альфа-распадом) образуются два осколка (ядра других, гораздо более легких элементов) и несколько нейтронов (обычно 2-3). Если образовавшийся при распаде нейтрон ударится о ядро другого атома урана, будет обычное упругое соударение, нейтрон отскочит и продолжит поиски приключений. Но через какое-то время он растратит энергию (идеально упругие соударения бывают только у сферических коней в вакууме), и очередное ядро окажется ловушкой - нейтрон поглотится им. Кстати, такой нейтрон физики называюттепловым.
Посмотрите на перечень известных изотопов урана. Среди них нет изотопа с атомной массой 236. А знаете, почему? Такое ядро живет доли микросекунд, а затем распадается с выделением огромного количества энергии. Это называется вынужденный распад. Изотоп с таким временем жизни даже как-то неловко называть изотопом.
Энергия, выделившаяся при распаде ядра урана-235, - это кинетическая энергия осколков и нейтронов. Если подсчитать общую массу продуктов распада ядра урана, а затем сравнить ее с массой первоначального ядра, то окажется, что эти массы не совпадают - первоначальное ядро было больше. Это явление называется дефектом массы, а его объяснение заложено в формуле E0=mс2. Кинетическая энергия осколков, деленная на квадрат скорости света, в точности будет равна разности масс. Осколки тормозятся в кристаллической решетке урана, рождая рентгеновское излучение, а нейтроны, попутешествовав, поглощаются другими ядрами урана или покидают урановую отливку, где все события и происходят.
Если урановая отливка маленькая, то большая часть нейтронов покинет ее, не успев затормозиться. А вот если каждый акт вынужденного распада вызовет хотя бы еще один такой же акт за счет испущенного нейтрона - это уже самоподдерживающаяся цепная реакция деления.
Соответственно, если увеличивать размер отливки, все большее количество нейтронов станет причиной актов вынужденного деления. И в какой-то момент цепная реакция станет неуправляемой. Но это еще далеко не ядерный взрыв. Просто очень «грязный» термический взрыв, при котором выделится большое количество очень активных и ядовитых изотопов.
Вполне закономерный вопрос - сколько нужно урана-235, чтобы цепная реакция деления стала лавинообразной? На самом деле не все так просто. Здесь играют роль свойства расщепляющегося материала и отношение объема к поверхности. Представьте себе тонну урана-235 (сразу оговорюсь - это очень много), которая существует в виде тонкой и очень длинной проволоки. Да, нейтрон, летящий вдоль нее, разумеется, вызовет акт вынужденного распада. Но доля нейтронов, летящих вдоль проволоки, окажется настолько малой, что говорить о самоподдерживающейся цепной реакции просто смешно.
Поэтому условились считать критическую массу для сферической отливки. Для чистого урана-235 критическая масса составляет 50 кг (это шарик радиусом 9 см). Сами понимаете, такой шарик долго не просуществует, впрочем, как и те, кто его отлили.
Если же шарик меньшей массы окружить отражателем нейтронов (для него прекрасно подходит бериллий), а в состав шарика ввести материал - замедлитель нейтронов (вода, тяжелая вода, графит, тот же бериллий), то критическая масса станет гораздо меньшей. Применяя наиболее эффективные отражатели и замедлители нейтронов, можно довести критическую массу до 250 грамм. Этого, к примеру, можно достигнуть, если поместить в сферическую бериллиевую емкость насыщенный раствор соли урана-235 в тяжелой воде.
Критическая масса существует не только для урана-235. Есть еще ряд изотопов, способных к цепной реакции деления. Главное условие - продукты распада ядра должны вызывать акты распада других ядер.
Итак, у нас есть две полусферических отливки урана массой по 40 кг. Пока они находятся на почтительном отдалении друг от друга, все будет спокойно. А если начать их медленно сдвигать? Вопреки распространенному мнению, не произойдет ничего грибообразного. Просто куски по мере сближения начнут нагреваться, а затем, если вовремя не одуматься, раскаляться. В конце концов они просто расплавятся и растекутся, а все, кто двигал отливки, дадут дуба от облучения нейтронами. А те, кто с интересом наблюдал за этим, склеят ласты.
А если быстрее? Быстрее расплавятся. Еще быстрее? Еще быстрее расплавятся. Охладить? Да хоть в жидкий гелий опустите - толку не будет. А если выстрелить одним куском в другой? О! Момент истины. Мы только что придумали урановую пушечную схему. Впрочем, гордиться нам особенно нечем, эта схема - самая простая и безыскусная из всех возможных. Да и от полушарий придется отказаться. Они, как показала практика, не склонны ровненько слипаться плоскостями. Малейший перекос - и получится очень дорогостоящий «пук», после которого долго придется убирать.
Лучше сделаем короткую толстостенную трубу из урана-235 с массой 30-40 кг, к отверстию которой приставим высокопрочный стальной ствол того же калибра, заряженный цилиндром из такого же урана примерно такой же массы. Окружим урановую мишень бериллиевым отражателем нейтронов. Вот теперь, если пальнуть урановой «пулей» по урановой «трубе» - будет полная «труба». То есть будет ядерный взрыв. Только пальнуть надо по-серьезному, так, чтобы дульная скорость уранового снаряда была хотя бы 1 км/с. Иначе опять же будет «пук», но погромче. Дело в том, что при сближении снаряда и мишени они настолько разогреваются, что начинают интенсивно испаряться с поверхности, тормозясь встречными газовыми потоками. Более того, если скорость недостаточна, то есть шанс, что снаряд просто не долетит до мишени, а испарится по дороге.
Разогнать до такой скорости болванку массой в несколько десятков килограмм, причем на отрезке в пару метров - задача крайне непростая. Именно поэтому потребуется не порох, а мощная взрывчатка, способная создать в стволе должное давление газов за очень короткое время. А ствол потом чистить не придется, не беспокойтесь.
Бомба Mk-I «Little Boy», сброшенная на Хиросиму, была устроена именно по пушечной схеме.
Есть, конечно, незначительные детали, которые мы не учли в нашем проекте, но против самого принципа не погрешили совершенно.
Так. Урановую бомбу мы взорвали. Грибом полюбовались. Теперь будем взрывать плутониевую. Только не надо тащить сюда мишень, снаряд, ствол и прочий хлам. Этот номер с плутонием не пройдет. Даже если мы пальнем одним куском в другой со скоростью в 5 км/с, все равно надкритической сборки не выйдет. Плутоний-239 успеет разогреться, испариться и изгадить все вокруг. Его критическая масса - чуть больше 6 кг. Можете себе представить, насколько он активнее в плане захвата нейтронов.
Плутоний - металл необычный. В зависимости от температуры, давления и примесей он существует в шести модификациях кристаллической решетки. Есть даже такие модификации, в которых он сжимается при нагревании. Переходы из одной фазы в другую могут совершаться скачкообразно, при этом плотность плутония может меняться на 25%.Давайте, как все нормальные герои, пойдем в обход. Вспомним, что критическая масса определяется, в частности, отношением объема к поверхности. Ладно, у нас есть шарик докритической массы, имеющий минимальную поверхность при заданном объеме. Скажем, 6 килограмм. Радиус шарика - 4,5 см. А если этот шарик сжать со всех сторон? Плотность возрастет пропорционально кубу линейного сжатия, а поверхность уменьшится пропорционально его же квадрату. И вот что получится: атомы плутония уплотнятся, то есть тормозной путь нейтрона сократится, а значит, увеличится вероятность его поглощения. Но, опять же, сжать с нужной скоростью (порядка 10 км/с) все равно не выйдет. Тупик? А вот и нет.
При 300°С наступает так называемая дельта-фаза - самая рыхлая. Если легировать плутоний галлием, нагреть его до этой температуры, а затем медленно охладить, то дельта-фаза сможет существовать и при комнатной температуре. Но она не будет стабильной. При большом давлении (порядка десятков тысяч атмосфер) произойдет скачкообразный переход в очень плотную альфа-фазу.
Поместим плутониевый шарик в большой (диаметр 23 см) и тяжелый (120 кг) пустотелый шар из урана-238. Не переживайте, у него нет критической массы. Зато он прекрасно отражает быстрые нейтроны. А они нам еще пригодятся.Думаете, взорвали? Как бы не так. Плутоний - чертовски капризная сущность. Придется еще поработать. Сделаем две полусферы из плутония в дельта-фазе. Сформируем в центре сферическую полость. И в эту полость поместим квинтэссенцию ядерно-оружейной мысли - нейтронный инициатор. Это такой маленький пустотелый шарик из бериллия диаметром 20 и толщиной 6 мм. Внутри его - еще один шарик из бериллия диаметром 8 мм. На внутренней поверхности пустотелого шарика - глубокие бороздки. Все это щедро никелировано и покрыто золотом. В бороздки помещается полоний-210, который активно испускает альфа-частицы. Вот такое вот чудо технологии. Как оно работает? Секундочку. У нас еще есть несколько дел.
Окружим урановую оболочку еще одной, из сплава алюминия с бором. Ее толщина - около 13 см. Итого, наша «матрешка» теперь растолстела до полуметра и поправилась с 6 до 250 кг.
Теперь изготовим имплозионные «линзы». Представьте себе футбольный мяч. Классический, состоящий из 20 шестиугольников и 12 пятиугольников. Изготовим такой «мяч» из взрывчатки, а каждый из сегментов снабдим несколькими электродетонаторами. Толщина сегмента - около полуметра. При изготовлении «линз» есть тоже масса тонкостей, но если их описывать, то на все остальное не хватит места. Основное - максимальная точность линз. Малейшая погрешность - и всю сборку раздробит бризантным действием взрывчатки. Полная сборка теперь имеет диаметр около полутора метров и массу 2,5 тонны. Завершает конструкцию электрическая схема, задача которой - подорвать детонаторы в строго определенной последовательности с точностью до микросекунды.
Все. Перед нами - плутониевая имплозионная схема.
А теперь - самое интересное.
При детонации взрывчатка обжимает сборку, а алюминиевый «толкатель» не дает распространиться спаду взрывной волны, распространяющемуся вслед за ее фронтом внутрь. Пройдя через уран со встречной скоростью около 12 км/с, волна сжатия уплотнит и его, и плутоний. Плутоний при давлениях в зоне сжатия порядка сотен тысяч атмосфер (эффект фокусировки взрывного фронта) перейдет скачком в альфа-фазу. За 40 микросекунд описанная здесь сборка уран-плутоний станет не просто надкритической, а превышающей критическую массу в несколько раз.
Дойдя до инициатора, волна сжатия сомнет всю его конструкцию в монолит. При этом золото-никелевая изоляция разрушится, полоний-210 за счет диффузии проникнет в бериллий, испускаемые им альфа-частицы, проходящие через бериллий, вызовут колоссальный поток нейтронов, запускающих цепную реакцию деления во всем объеме плутония, а поток «быстрых» нейтронов, рожденный распадом плутония, вызовет взрыв урана-238. Готово, мы вырастили второй гриб, ничуть не хуже первого.
Пример плутониевой имплозионной схемы - бомба Mk-III «Fatman», сброшенная на Нагасаки.
Все описанные здесь ухищрения нужны для того, чтобы заставить вступить в реакцию максимальное количество атомных ядер плутония. Основная задача - как можно дольше удержать заряд в компактном состоянии, не дать ему разлететься плазменным облаком, в котором цепная реакция мгновенно прекратится. Здесь каждая выигранная микросекунда - прирост одной-двух килотонн мощности.
Термоядерная бомба
Существует расхожее мнение, что ядерная бомба - запал для термоядерной. В принципе, все гораздо сложнее, но суть ухвачена верно. Оружие, основанное на принципах термоядерного синтеза, позволило добиться такой мощности взрыва, которая ни при каких условиях не может быть достигнута цепной реакцией деления. Но единственный пока источник энергии, позволяющий «поджечь» термоядерную реакцию синтеза, - это ядерный взрыв.
Помните, как мы с вами «кормили» ядро водорода нейтронами? Так вот, если попытаться подобным образом соединить между собой два протона, ничего не выйдет. Протоны не удержатся вместе из-за кулоновских сил отталкивания. Либо они разлетятся, либо произойдет бета-распад и один из протонов станет нейтроном. А вот гелий-3 существует. Благодаря одному-единственному нейтрону, который делает протоны более уживчивыми друг с другом.
В принципе, на основании состава ядра гелия-3 можно сделать вывод, что из ядер протия и дейтерия можно вполне собрать одно ядро гелия-3. Теоретически это так, но такая реакция может идти только в недрах больших и горячих звезд. Более того, в недрах звезд даже из одних протонов можно собрать гелий, превращая часть их в нейтроны. Но это уже вопросы астрофизики, а достижимый для нас вариант - это слить два ядра дейтерия или дейтерий и тритий.
Для слияния ядер необходимо одно очень специфическое условие. Это очень высокая (109 К) температура. Только при средней кинетической энергии ядер в 100 килоэлектронвольт они способны сблизиться на расстояние, при котором сильное взаимодействие начинает преодолевать кулоновское.
Вполне законный вопрос - зачем городить этот огород? Дело в том, что при синтезе легких ядер выделяется энергия порядка 20 МэВ. Разумеется, при вынужденном делении ядра урана эта энергия в 10 раз больше, но есть один нюанс - при самых больших ухищрениях урановый заряд мощностью даже в 1 мегатонну невозможен. Даже для более совершенной плутониевой бомбы достижимый выход энергии - не более чем 7-8 килотонн с одного килограмма плутония (при теоретическом максимуме 18 килотонн). И не забывайте о том, что ядро урана почти в 60 раз тяжелее двух ядер дейтерия. Если считать удельный выход энергии, то термоядерный синтез заметно впереди.
И еще - для термоядерного заряда не существует никаких ограничений по критической массе. У него попросту ее нет. Есть, правда, другие ограничения, но о них - ниже.
В принципе, запустить термоядерную реакцию как источник нейтронов достаточно несложно. Гораздо труднее запустить ее как источник энергии. Здесь мы сталкиваемся с так называемым критерием Лоусона, который определяет энергетическую выгодность термоядерной реакции. Если произведение плотности реагирующих ядер и времени их удержания на расстоянии слияния больше, чем 1014 сек/см3, энергия, даваемая синтезом, превысит энергию, вводимую в систему.
Именно достижению этого критерия и были посвящены все термоядерные программы.
Первая схема термоядерной бомбы, пришедшая в голову Эдварду Теллеру, была чем-то сродни попытке создать плутониевую бомбу по пушечной схеме. То есть вроде бы все правильно, но не работает. Устройство «классического супера» - жидкий дейтерий, в который погружена плутониевая бомба, - было и вправду классическим, но далеко не супер.
Мысль о взрыве ядерного заряда в среде жидкого дейтерия оказалась тупиковой изначально. При таких условиях мало-мальский выход энергии термоядерного синтеза мог быть достигнут при подрыве ядерного заряда мощностью 500 кт. А о достижении критерия Лоусона вообще говорить не приходилось.
Идея окружить ядерный заряд-триггер слоями термоядерного топлива, перемежающегося ураном-238 в качестве теплоизолятора и усилителя взрыва, Теллеру тоже приходила в голову. Да и не только ему. Первые советские термоядерные бомбы были построены именно по этой схеме. Принцип был достаточно простым: ядерный заряд прогревает термоядерное горючее до температуры начала синтеза, а рождающиеся при синтезе быстрые нейтроны взрывают слои урана-238. Однако ограничение оставалось прежним - при той температуре, которую мог обеспечить ядерный триггер, в реакцию синтеза могла вступить только смесь дешевого дейтерия и невероятно дорогого трития.
Позже Теллера посетила мысль использовать соединение дейтерид лития-6. Такое решение позволило отказаться от дорогих и неудобных криогенных емкостей с жидким дейтерием. К тому же в результате облучения нейтронами литий-6 превращался в гелий и тритий, вступавший с дейтерием в реакцию синтеза.
Недостатком этой схемы оказалась ограниченная мощность - в реакцию синтеза успевала вступить лишь ограниченная часть термоядерного горючего, окружавшего триггер. Остальное, сколько бы его ни было, шло на ветер. Максимальная мощность заряда, полученная при использовании «слойки», равнялась 720 кт (британская бомба Orange Herald). Судя по всему, это был «потолок».
Об истории разработки схемы Теллера-Улама мы уже говорили. Теперь давайте разберемся в технических деталях этой схемы, которую называют также «двухступенчатой» или «схемой обжатия излучением».
Наша задача - нагреть термоядерное топливо и удержать его в определенном объеме, чтобы выполнить критерий Лоусона. Оставляя в стороне американские упражнения с криогенными схемами, возьмем в качестве термоядерного топлива уже известный нам дейтерид лития-6.
В качестве материала контейнера для термоядерного заряда выберем уран-238. Контейнер - цилиндрической формы. По оси контейнера внутри его расположим цилиндрический стержень из урана-235, имеющий субкритическую массу.
На заметку: нашумевшая в свое время нейтронная бомба - это та же схема Теллера-Улама, но без уранового стержня по оси контейнера. Смысл в том, чтобы обеспечить мощный поток быстрых нейтронов, но не допустить выгорания всего термоядерного топлива, на которое станут расходоваться нейтроны.
Остальное свободное пространство контейнера заполним дейтеридом лития-6. Разместим контейнер в одном из концов корпуса будущей бомбы (это у нас будет вторая ступень), а в другом его конце смонтируем обычный плутониевый заряд мощностью в несколько килотонн (первая ступень). Между ядерным и термоядерным зарядами установим перегородку из урана-238, предотвращающую преждевременный разогрев дейтерида лития-6. Заполним остальное свободное пространство внутри корпуса бомбы твердым полимером. В принципе, термоядерная бомба готова.
При подрыве ядерного заряда 80% энергии выделяется в виде рентгеновского излучения. Скорость его распространения намного превышает скорость распространения осколков деления плутония. Через сотые доли микросекунды урановый экран испаряется, и рентгеновское излучение начинает интенсивно поглощаться ураном контейнера термоядерного заряда. В результате так называемой абляции (уноса массы с поверхности нагретого контейнера) возникает реактивная сила, сжимающая контейнер в 10 раз. Именно этот эффект называется радиационной имплозией или обжатием излучением. При этом плотность термоядерного топлива возрастает в 1000 раз. В результате колоссального давления радиационной имплозии центральный стержень из урана-235 также подвергается обжатию, хотя и в меньшей степени, и переходит в надкритическое состояние. К этому времени термоядерный блок подвергается бомбардировке быстрыми нейтронами ядерного взрыва. Пройдя через дейтерид лития-6, они замедляются и интенсивно поглощаются урановым стержнем.
В стержне начинается цепная реакция деления, быстро приводящая к ядерному взрыву внутри контейнера. Поскольку дейтерид лития-6 при этом подвергается абляционному обжатию снаружи и давлению ядерного взрыва изнутри, его плотность и температура еще больше возрастает. Этот момент - начало запуска реакции синтеза. Дальнейшее ее поддержание определяется тем, как долго контейнер будет удерживать термоядерные процессы внутри себя, не давая выхода тепловой энергии наружу. Именно этим и определяется достижение критерия Лоусона. Выгорание термоядерного топлива идет от оси цилиндра к его краю. Температура фронта горения достигает 300 миллионов кельвин. Полное развитие взрыва вплоть до выгорания термоядерного топлива и разрушения контейнера занимает пару сотен наносекунд - в двадцать миллионов раз быстрее, чем вы прочитали эту фразу.
Надежное срабатывание двухступенчатой схемы зависит от точной сборки контейнера и предотвращения его преждевременного разогрева.
Мощность термоядерного заряда для схемы Теллера-Улама зависит от мощности ядерного триггера, обеспечивающего эффективное обжатие излучением. Впрочем, сейчас существуют и многоступенчатые схемы, в которых энергия предыдущей ступени используется для обжатия последующей. Пример трехступенчатой схемы - уже упомянутая 100-мегатонная «кузькина мать».
1. Что называется цепной реакцией? А. Реакция, в которой образуется цепочка атомных ядер. Б. Реакция деления ядер. В. Реакция синтеза ядер. Г. Реакция, в которой происходит распад ядер. Д. Реакция, в которой частицы, вызывающие её, образуются как продукты этой реакции.
2. Реакция деления тяжёлых ядер протекает как цепная реакция вследствие испускания некоторых частиц. Укажите, какие это частицы в приведённой реакции: . А. Два протона. Б. Один протон и один нейтрон. В. Три нейтрона. Г. Два нейтрона. Д. Один протон и два нейтрона.
3. Атомное ядро висмута в результате ряда радиоактивных превращений превратилось в ядро свинца 
. Какие виды радиоактивных превращений оно испытало?
А.
Альфа-распад. Б.
Бета-плюс-распад. В.
Бета-минус-распад. Г
Бета-плюс-распад и альфа -распад. Д.
Бета-минус-распад и альфа-распад.
4. Ядро испускает g -квант. Из предложенных ниже утверждений выберите правильное. Порядковый номер элемента: А. Увеличивается. Б. Уменьшается. В. Не изменяется.
5. Ядро испускает электрон. Из перечисленных в таблице утверждений выберите правильное.
Ненужное зачеркнуть.
6. При осуществлении ядерной реакции деления ядер урана около 165 МэВ освобождается в форме кинетической энергии движения осколков ядра. Какие силы сообщают ускорение осколкам ядра, увеличивая их кинетическую энергию? А. Кулоновские силы. Б. Гравитационные силы. В. Ядерные силы. Г. Силы слабого взаимодействия. Д. Силы неизвестной природы. Е. Электромагнитные силы.
7. Какое условие необходимо для протекания цепной ядерной реакции: 1) масса урана или плутония должна быть не менее критической массы; 2) наличие высокой температуры; 3) масса урана или плутония должна быть меньше критической массы? А. Только 1. Б. Только 2. В. 1 и 2. Г. Только 3. Д. 2 и 3.
8. Что называется критической массой в урановом ядерном реакторе? А. Максимальная масса урана в реакторе, при которой он может работать без взрыва. Б. Минимальная масса урана в реакторе, при которой он может быть осуществлена цепная реакция. В. Дополнительная масса урана, вносимая в реактор для его запуска. Г. Дополнительная масса вещества, вносимого в реактор для его остановки в критических случаях.
9. Какие вещества из перечисленных ниже обычно используют в ядерных реакторах в качестве поглотителей нейтронов: 1) уран; 2) графит; 3) кадмий; 4) тяжёлая вода; 5) бор; 6) плутоний. (Выберите правильный ответ).
10. Какие вещества из перечисленных ниже обычно используют в ядерных реакторах в качестве замедлителей нейтронов: 1) уран; 2) графит; 3) кадмий; 4) тяжёлая вода; 5) бор; 6) плутоний. (Выберите правильный ответ).
11. Какие вещества из перечисленных ниже обычно используют в ядерных реакторах в качестве ядерного горючего: 1) уран; 2) графит; 3) кадмий; 4) тяжёлая вода; 5) бор; 6) плутоний. (Выберите правильный ответ).
12. Какие вещества из перечисленных ниже обычно используют в ядерных реакторах в качестве теплоносителей: 1) уран; 2) графит; 3) кадмий; 4) обычная вода; 5) жидкий натрий; 6) плутоний; 7) тяжёлая вода. (Выберите правильный ответ).
13. Какое называется Ядерный реактор – это устройство, в котором … А. ядерная энергия превращается в электрическую. Б. осуществляется управляемая реакция деления ядер. В. происходит синтез ядер. Г. происходит распад ядер. Д. протекает химическая реакция.
Часть нейтронов, освобождаемых при реакции деления, вылетает из сферы реакции или же захватывается, не производя деления. Если создать условия, при которых скорость потери нейтронов будет больше скорости высвобождения новых нейтронов при делении, то цепная реакция при этих условиях перестанет быть самоподдерживающейся, то есть прекратится. При этом будет выделено некоторое количество энергии, но оно будет недостатoчным, a скорость высвобождения новых нейтронов будет слишком мала, чтобы вызвaть эффeктивный взрыв. Поэтому для осуществления ядерного взрыва необходимо создать условия, при которых потеря нейтронов была бы минимальной. B связи c этим особенно важное значение имеют нейтроны, которые вылетают из массы делящегося вещества и не принимают участия в реакции деления.
Вылет нейтронов из сферы реакции происходит через наружную поверхность массы урана (или плутония). Следовательно, скорость потери нейтронов за счёт их вылета из массы делящегося вещества будет определяться величиною поверхности этой массы. C другой стороны, процесс деления, в результате которого освобождается много новых нейтронов, происходит во всей массе делящегося вещества, и поэтому скорость освобождения этих нейтронов зависит от величины этой массы. При увеличении объёма делящегося вещества отношение величины его поверхности к массе уменьшается; следовательно, отношение числа потерянных (вылетевших) нейтронов к числу освобожденных при реакции деления новых нейтронов при этом будет уменьшаться.
Это положение легче понять, если рассмотреть рисунок справа, на котором изображены два сферических куска делящегося вещества, один из которых больше другого; в обоих случаях процeсс деления начинается одним нейтроном, изображённом на рисунке в виде точки в окружности. Предполагается, что при каждом акте деления освобождается три нейтрона, то есть один нейтрон захва-
Если масса урана или плутония мала, то eсть если отношение величины поверхности к объёму велико, то число нейтронов, потерянных в результате вылета, окажется настолько большим, что создание цепной ядерной реакции деления, a следовательно, и осуществление ядерного взрывa окажутся невозможными. Но с увеличением массы урана или плутония отпосительная потеря нейтронов уменьшается, и наступает момент, когда цепная реакция может стать самоподдерживающейся. Количество дeлящегося вещества, соответствующее этому моменту, называется критической массой.
Таким образом, для того чтобы произошёл ядерный взрыв, необходимо, чтобы в ядерном боeприпасе содержалось достаточное количество урана или плутония, превосходящее критическую массу при данных условиях. В действительности критическая масса зависит, кроме прочего, от формы куска делящегoся вещества, его составa и степени загрязнения посторонними примесями, которые могут поглощать нейтроны, не подвергаясь делению. Окружая делящееся вещество соответствующей оболочкой - отражателем нейтронов, можно уменьшить потерю нейтронов за счёт их вылета, a следовательно, и уменьшить величину критической массы. Кроме того, элементы, обладающие высокой плотностью и хорошей отражающей способностью для нейтронов высоких энергий, обеспечивают также некоторую инерционность делящегося вещества, задерживая его расширение в момент взрывa. Отражатель нейтронов благодаря своему экранирующему действию и инерциальным свойствам позволяет более эффективно использовать делящееся вещество в ядерном боеприпасе.
Контрольная работа № 5
Вариант 1
Явление радиоактивности , открытое Беккерелем, свидетельствует о том, что…
Б. В состав атома входят электроны.
В. Атом имеет сложную структуру.
Г. Это явление характерно только для урана.
Кто предложил ядерную модель строения атома?
На рисунке изображены схемы четырёх атомов. Чёрные точки- электроны. Какая схема соответствует атому 2 4 Не?
В состав атома входят следующие частицы:
Б. нуклоны и электроны.
В. протоны и нейтроны.
Г. Нейтроны и электроны.
Чему равно массовое число ядра атома марганца 25 55 Мn?
В каких из следующих реакций нарушен закон сохранения заряда?
Б. 3 6 Li + 1 1 Н→ 2 4 Не + 2 3 Не.
В. 2 3 Не + 2 3 Не→ 2 4 Не + 1 1 Н + 1 1 Н.
Г. 3 7 Li + 2 4 Не → 5 10 В + 0 1 n.
^ Атомное ядро состоит из протонов и нейтронов. Между какими парами частиц внутри ядра действуют ядерные силы?
Б. Протон- нейтрон.
В. Нейтрон- нейтрон.
Г. Во всех парах А- В.
Массы протона и нейтрона…
Б. Приблизительно одинаковы.
В. Относятся как 1:1836.
Г. Приблизительно равны нулю.
В ядре атома кальция 20 40 Са содержится…
Б. 40 нейтронов и 20 электронов.
В. 20 протонов и 40 электронов.
Г. 20 протонов и 20 нейтронов.
^ В каком приборе след движения быстрой заряженной частицы в газе делается видимым (в результате конденсации пересыщенного пара на ионах)?
Б. В камере Вильсона.
Г. В пузырьковой камере.
^ Определить второй продукт Х в ядерной реакции: 13 27 Al + 0 1 n → 11 24 Na+Х.
Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Масса свободного нейтрона m n , свободного протона m p . Какое из приведенных ниже условий выполняется для массы ядра m g ?
Б. m g
В. m g > Zm p + Nm n.
Г. Для стабильных ядер условие А, для радиоактивных ядер условие В.
Рассчитать ∆ m (дефект масс) ядра атома 3 7 Li (в а.е.м.).
А. ∆m ≈ 0,04. Б. ∆m ≈ –0,04. В. ∆m =0. Г. ∆m ≈ 0,2.
14 В каких единицах должно быть выражено значение массы при вычислении энергии связи атомных ядер с использованием формулы ∆Е= ∆m*c 2 ?
А. В килограммах.
Б. В граммах.
В. В атомных единицах массы.
Г. В джоулях.
^ Что называется критической массой в урановом ядерном реакторе?
Б. Минимальная масса урана , при которой в реакторе может быть осуществлена цепная реакция.
В. Дополнительная масса урана , вносимая в реактор для его запуска.
Г. Дополнительная масса вещества, вносимого в реактор для его остановки в критических случаях.
^ Какой вид радиоактивного излучения наиболее опасен при внешнем облучении человека?
Б. гамма- излучение.
В. Альфа- излучение.
^ Дополнительное задание.
Все химические элементы существуют в виде двух или большего количества изотопов. Определите отличие в составе ядер изотопов 17 35 Cl и 17 37 Cl.
Б. изотоп 17 37 Cl имеет в ядре на 2 протона меньше , чем 17 35 Cl.
В. изотоп 17 37 Cl имеет в ядре на 2 нейтрона больше , чем 17 35 Cl.
Г. изотоп 17 37 Cl имеет в ядре на 2 нейтрона меньше, чем 17 35 Cl.
18. При альфа- распаде атомных ядер…
массовое число сохраняется , а заряд увеличивается на единицу.
Б. Массовое число уменьшается на 4, а заряд остается неизменным.
В. Массовое число уменьшается на 4, а заряд увеличивается на 2.
Г. Массовое число уменьшается на 4, заряд также уменьшается на 2.
^ 19. Выделяется или поглощается энергия в ядерной реакции. 3 6 Li + 1 1 Н→ 2 4 Не + 2 3 Не? Массы ядер и частиц в а. м. соответственно равны: m 3 6 Li=6,01513, m 1 1 Н= 1,00728, m 2 4 Не= 4,00260, m 2 3 Не =3,01602.
А. Поглощается, т.к. ∆m
Б. Выделяется, т.к. ∆m
В.Поглощается, т.к. ∆m> 0.
Г. Выделяется, т.к. ∆m> 0.
20. При бомбардировке изотопа 5 10 В нейтронами из образовавшегося ядра выбрасывается альфа- частица. Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда , а также периодической системой элементов, запишите ядерную реакцию.
Контрольная работа № 5
по теме «Строение атома и атомного ядра»
Вариант 2
^ 1. В состав радиоактивного излучения могут входить…
А. Только электроны.
Б. Только нейтроны.
В. Только альфа-частицы.
Г. Бета- частицы, альфа-частицы, гамма-кванты.
^ 2. С помощью опытов Резерфорд установил, что…
А. Положительный заряд распределён равномерно по всему объёму атома.
Б. Положительный заряд сосредоточен в центре атома и занимает очень малый объём.
В. В состав атома входят электроны.
Г. Атом не имеет внутренней структуры.
^ На рисунке изображены схемы четырёх атомов. Электроны изображены в виде чёрных точек.
В состав ядра входят следующие частицы:
Б. Протоны и электроны.
В. Протоны и нейтроны
Г. Нейтроны и электроны.
^ 5. Чему равен заряд ядра атома стронция 38 88 Sr?
А. 88 Б. 38 В. 50 Г. 126.
В каком из приведённых ниже уравнений ядерных реакций нарушен закон сохранения массового числа?
Б. 7 14 N + 2 4 Не → 8 17 О + 1 1 Н
В. 7 14 N + 1 1 Н → 5 11 В + 2 4 Не
Г. 92 239 U → 93 239 Np + -1 0 е
^ 6. Ядерные силы, действующие между нуклонами …
А. Во много раз превосходят гравитационные силы и действуют между заряжёнными частицами.
Б. Во много раз превосходят все виды сил и действуют на любых расстояниях.
В. Во много раз превосходят все другие виды сил , но действуют только на расстояниях, сравнимых с размерами ядра.
Г. Во много раз превосходят гравитационные силы и действуют между любыми частицами.
Массы протона и электрона…
Б. Приблизительно одинаковы.
В. Относятся как 1: 1836.
Г. Приблизительно равно нулю.
^ 8. В ядре атома железа 26 56 Fe содержится:
А. 26 нейтронов и 56 протонов.
Б. 56 нейтронов и 26 протонов.
В. 26 протонов и 56 электронов.
Г. 26 протонов и 30 нейтронов.
В каком приборе происхождение ионизирующей частицы регистрируется по возникновению импульса электрического тока в результате возникновения самостоятельного разряда в газе?
Б. В счётчике Гейгера.
В. В сцинцилляционном счетчике.
Г. В пузырьковой камере.
^ Определите второй продукт Х ядерной реакции:
А. Альфа-частица (2 4 Не).
Б. Нейтрон.
В. Протон.
Г. Электрон.
^ 12. Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Масса свободного нейтрона m n , свободного протона m p . Какое из приведённых ниже условий выполняется для массы ядра m я ?
А. m я Z*m p + m n ; В. m я = Z*m p + N*m n
Г. Для стабильных ядер условие А, для радиоактивных- условие Б.
^ 13. Рассчитать дефект масс (∆ m) в а. е. м. Ядра атома 2 3 Не. Массы частиц и ядра, выраженные в а. е. м., соответственно равны: m n = 1,00866; m p = 1,00728;
m я = 3,01602.
А. ∆ m ≈ 0,072 Б. ∆ m ≈ 0,0072 В. ∆ m ≈ -0,0072 Г.∆ m ≈ 0
^ 14. В каких единицах будет получено значение энергии при вычислении энергии связи атомных ядер с использованием формулы ∆E=m*c 2 ?
А. В электрон-вольтах (эВ).
Б. В мегаэлектрон-вольтах (МэВ)
В. В джоулях.
Г. В а. е. м.
^ 15. В ядерном реакторе в качестве так называемых замедлителей используются такие вещества, как графит или вода. Что они должны замедлять и зачем?
А. Замедляют нейтроны для уменьшения вероятности осуществления ядерной реакции деления.
Б. Замедляют нейтроны для увеличения вероятности осуществления ядерной реакции деления.
В. Замедляют осуществление цепной реакции деления , чтобы легче было управлять реактором.
Г. Замедляют осколки ядер, образовавшихся в результате деления урана, для практического использования их кинетической энергии.
^ 16. Какой вид радиоактивного излучения наиболее опасен при внутреннем облучении человека?
А. Бета-излучение.
Б. Гамма-излучение.
В. Альфа-излучение.
Г. Все три вида излучения: альфа, бета, гамма.
^ Дополнительное задание.
Все химические элементы существуют в виде двух или большего количества изотопов. Определите отличие в составе ядер изотопов 10 20 Ne и 10 22 Ne
Б. изотоп 10 20 Ne имеет в ядре на 2 протона меньше , чем 10 22 Ne
В. изотоп 10 22 Ne имеет в ядре на 2 нейтрона больше , чем 10 20 Ne
Г. изотоп 10 22 Ne имеет в ядре на 2 нейтрона меньше, чем 10 20 Ne
18.При бетта- распаде атомных ядер…
А. Масса ядра остается практически неизменной, поэтому массовое число сохраняется , а заряд увеличивается.
Б. Массовое число увеличивается на 1, а заряд уменьшается на 1.
В. Массовое число сохраняется, а заряд уменьшается на 1.
Г. Массовое число уменьшается на 1, заряд сохраняется.
19. Выделяется или поглощается энергия в ядерной реакции 7 14 N + 2 4 Не → 8 17 О + 1 1 Н? Массы ядер и частиц(в а. м.) соответственно равны: m 7 14 N= 14,00307, m 2 4 Не = 4,00260, m 8 17 О=16,99913, m 1 1 Н =1,00728.
А. Поглощается, т.к. ∆m
Б. Выделяется, т.к. ∆m
В.Поглощается, т.к. ∆m> 0.
Г. Выделяется, т.к. ∆m> 0.
20. Пользуясь законами сохранения массового числа и заряда , а также периодической системой элементов, написать ядерную реакцию , происходящую при бомбардировке 5 11 В альфа – частицами и сопровождаемую выбиванием нейтронов
^ Бланк ответов
к контрольной работе № 5
по теме «Строение атома и атомного ядра»
Класс _____________
Вариант _______| № зад. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Ответ | |||||||||||||||||||||
| № дополнит. задания
| 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Ответ | |||||||||||||||||||||
^ Бланк ответов
к контрольной работе № 5
по теме «Строение атома и атомного ядра»
Дата: ___________________20__г.
Класс _____________
ФИО ________________________________
Вариант _______| № зад. | 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 |
|||||
| Ответ | |||||||||||||||||||||
| № дополнит. задания
| 17 | 18 | 19 | 20 | |||||||||||||||||
| Ответ | |||||||||||||||||||||
^ Коды правильных ответов.
| 1 | 2 | 3 | 4 | 5 | 6 | 7 | 8 | 9 | 10 | 11 | 12 | 13 | 14 | 15 | 16 | 17 | 18 | 19 |
|
| В1 | В | Г | В | Б | Г | А | Г | Б | Г | Б | А | Б | А | А | Б | В | В | Г | Б |
| В2 | Г | Б | В | В | Б | В | В | А | Г | Б | Б | А | А | В | В | В | В | А | Б |
№20 5 10 В + 0 1 n. → 3 7 Li + 2 4 Не (1 ВАРИАНТ)
5 11 В + 2 4 Не→ 7 14 N + 1 1 Н (2 ВАРИАНТ)
^ Таблица перевода числа правильных ответов на обязательные вопросы в оценку по пятибалльной шкале.
Чем больше размеры(утечка идет ведь только через поверхность) реактора и ближе форма активной зоны реактора к сфере, тем меньше(при прочих равных условиях) утечка и тем выше Р.
Для цепной реакции к эфф =Р∙к ∞ =1
Это достигается при определенном min размере реактора, который называется критическим размером реактора.
А наименьшая масса ядерного топлива, содержащегося в активной зоне реактора критического размера, при котором может ошуществлятся цепная реакция деления топлива,называется критической массой. Величина ее зависит от ряда факторов:
1).степени обогащения топлива;
2).количества и ядерных свойств замедлителя и конструкционных материалов;
3).наличия эффективности отражателя.
Применение обогащения и позволяет уменьшить размеры критической массы и реактора(обогащение урана изотопом U 235 >5% не дает существенного увеличения в балансе нейтронов).
Критическая масса и размеры активной зоны реактора.
1).выгорания топлива для выработки заданного количества энергии(заданной мощности в течение заданного времени);
2).компенсации вредных поглощений и компенсации температурных эффектов, возникающих в процессе ядерной реакции.
Раз масса загруженного топлива больше критической к эфф >1, что ведет к надкритическому состоянию реактора.
Чтобы удержать к эфф =1, реактор имеет систему компенсации и регулирования, с помощью которой в активную зону вводятся специальные пластины и стержни сильно поглощающие нейтроны, перемещаемые по мере выгорания топлива.
Время работы топлива в реакторе при полной его мощности между загрузками называется кампанией реактора(регулируемые стержни изготавливают из кадмий-113, графит-114,бар-10).