Критическая масса
-
Критическая масса в ядерной энергетике
- Критическая масса — наименьшее количество расщепляющегося материала для цепной ядерной реакции.
- Зависит от ядерных свойств, плотности, формы, обогащения, чистоты, температуры и окружающей среды.
- Важна для разработки ядерного оружия.
-
Критическая точка
- Масса в критическом состоянии не увеличивает и не уменьшает мощность, температуру или количество нейтронов.
- Численное измерение зависит от эффективного коэффициента размножения нейтронов k.
-
Подкритическая масса
- Масса, не способная поддерживать цепную реакцию деления.
- Количество нейтронов экспоненциально уменьшается.
- k < 1.
-
Критическая масса
- Масса, самостоятельно поддерживающая цепную реакцию деления.
- k = 1.
- Постоянная скорость самопроизвольного деления.
-
Сверхкритическая масса
- Масса, увеличивающаяся с возрастающей скоростью после начала деления.
- k > 1.
- Материал может прийти в равновесие при повышенной температуре/мощности или разрушиться сам по себе.
-
Изменение критической точки
- Масса может быть изменена путем изменения топлива, формы, температуры, плотности и установки вещества, отражающего нейтроны.
- Примеры: изменение количества топлива, формы, температуры, плотности.
-
Использование отражателя нейтронов
- Окружение критической массы отражателем нейтронов уменьшает массу, необходимую для критичности.
- Распространенный материал для отражателя — металлический бериллий.
-
Использование тампера
- В бомбе плотная оболочка удерживает расширяющийся делящийся материал, повышая эффективность.
- Тампер также действует как отражатель нейтронов, замедляя их и увеличивая время восстановления.
-
Критический размер
- Минимальный размер активной зоны ядерного реактора или ядерного оружия.
- Включает достаточное количество расщепляющегося материала для достижения критической массы.
-
Критическая масса голой сферы
- Форма с минимальной критической массой и наименьшими физическими размерами — сфера.
- Критические массы голой сферы зависят от сорта урана и плотности.
- Использование отражателя нейтронов может существенно снизить критическую массу.
-
Зависимость критической массы от плотности
- Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности.
- Увеличение плотности на 1% уменьшает расстояние, пройденное нейтроном, на 1%.
-
Вероятность деления нейтронов
- Не все нейтроны участвуют в цепной реакции.
- Критичность возникает при ν·q = 1, где ν — количество быстрых нейтронов, образующихся при делении ядра, q — вероятность деления нейтрона.
- Зависимость от геометрии, массы и плотности проявляется через коэффициент q.
-
Определение критической массы
- Радиус сферической критической массы определяется произведением средней длины свободного пробега и квадратного корня из единицы плюс количество событий рассеяния на одно событие деления.
- Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности.
-
Критичность и ядерное оружие
- Критичность зависит от количества ядер, которые нейтрон видит вокруг себя.
- В ядерном оружии имплозивного типа критическая масса достигается за счет быстрого увеличения плотности.
- Сложные программы создания ядерного оружия могут использовать меньше материалов.
-
Физический аналог
- Выхлопные газы дизельного топлива рассеиваются, что позволяет видеть сквозь них.
- Оптическая глубина среды обратно пропорциональна квадрату длины и плотности частиц.
-
Неопределенности и методы расчета
- Точное определение критических масс требует детального знания поперечных сечений деления и расчета геометрических эффектов.
- Метод Монте-Карло используется для расчета критических масс.
- Приближение континуума применимо только в незначительной степени.
-
Критичность в ядерном оружии
- Ядерное оружие должно быть подкритическим до детонации.
- В урановой бомбе пушечного типа топливо разделено на части, которые соединяются для детонации.
- Плутониевое оружие имплозивного типа использует кумулятивный заряд для увеличения плотности.
-
Быстрая критичность
- В результате деления высвобождается более одного свободного нейтрона.
- Большая часть нейтронов поступает сразу после деления, но часть позже.
- Атомные электростанции работают между критическим и быстрым критическим состоянием.