Reakcje Łańcuchowe Rozszczepienia Jądrowego: Podkrytyczne, Krytyczne i Nadkrytyczne

Jedna neutronka wchodzi, więcej neutronek wychodzi

Gdy spowolniony (termiczny) neutron uderza w jądro U-235, może zostać pochłonięty i podzielić ją na dwa lżejsze fragmenty, uwolniając około 200 MeV energii na rozpad — niemal całą z energii kinetycznej fragmentów — oraz, co najważniejsze, średnio około ν ≈ 2.4 nowych wolnych neutronów. Każdy z tych neutronów może uderzyć w kolejne jądro U-235 i wywołać kolejny rozpad, który stanowi cały mechanizm reakcji łańcuchowej: symulacja na tej stronie dokładnie odwzorowuje ten rozprzestrzenianie się pola cząstek.

Współczynnik mnożenia k

Czy reakcja ulega wygaszeniu, utrzymuje się w stanie równowagi lub rośnie wykładniczo, zależy od pojedynczej liczby, współczynnika mnożenia k – średniej liczby neutronów pochodzących z jednego rozszczepienia, które powodują kolejne rozszczepienie w kolejnym pokoleniu.

k < 1 – podkrytyczny stan – każdy następny pokłosie ma mniej neutronów, reakcja ulega wygaszeniu; k = 1 – krytyczny stan – równowaga, liczba pokoleń pozostaje stała (reaktory działają w tym trybie); k > 1 – przekrytyczny stan – każdy następny pokłosie ma więcej neutronów, reakcja rośnie.

N(pokłosie n) ≈ N₀ * kⁿ

Wydzielacz mocy jest celowo konstruowany i kontrolowany tak, aby utrzymywał się w stanie k = 1, wykorzystując palniki kontrolne do pochłaniania nadmiarowych neutronów i regulacji k w czasie rzeczywistym; broń jest zaprojektowana tak, aby k gwałtownie przekroczyło 1 i utrzymywało się na tym poziomie przez jak najdłużej, dla pokolenia, na którym zbiór przetrwa – dla bomby to kilkadziesiąt pokoleń zakończonych w około mikrosekundę.

k < 1   subcritical   — each generation has fewer neutrons, reaction dies out
k = 1   critical      — steady state, generation count stays flat (reactors run here)
k > 1   supercritical — each generation has more neutrons, reaction grows

N(generation n) ≈ N₀ · kⁿ

Enrichment: podwyższenie prawdopodobieństwa trafienia jądra rozszczepialnego

Naturalny uran składa się z 99,3% izotopu U-238 i tylko 0,7% U-235; U-238 głównie absorbuje neutrony bez rozszczepienia (pochłania je, stając się U-239 a następnie plutonem-239 poprzez rozpad beta), co sprawia, że ​​sam ciąg reakcji w naturalnym uranie ledwo się utrzymuje. Podwyższenie frakcji U-235 – zwykle 3–5% dla reaktorów jądrowych i ponad 90% dla broni – zwiększa prawdopodobieństwo, że dany neutron uderzy w jądro rozszczepialne zamiast zostać zmarnowany na absorpcję przez niepodzielone jądra. To dokładnie jest efekt suwaka podwyższania frakcji U-235 w tym symulatorze, wpływając na wartość k.

Moderacja: dlaczego reaktory preferują wolne neutrony

Neutrony emitowane z rozszczepienia są szybkie, około 2 MeV, ale U-235 znacznie częściej się rozszczepia pod wpływem wolnych, termicznych neutronów (około 0.025 eV) niż tych szybkich – przekrój czynny dla neutronów termicznych jest setki razy większy. Moderator (woda, ciężka woda lub grafit, w terminach symulacji rozumiany jako materia o lekkich jądrach) to materia o lekkich jądrach z której szybkie neutrony uderzają elastycznie, tracąc dużą część swojej energii na każde uderzenie, podobnie jak bilardowa kula traci prędkość uderzając w obiekt o podobnej masie niż w znacznie cięższy. Dlatego podnoszenie frakcji moderatora w symulacji powoduje wzrost k nawet przy stałym wzbogaceniu: więcej moderacji oznacza, że więcej neutronów osiąga energie termiczne przed tym, jak uciekną z paliwa lub będą nieproduktywnie pochłonięte.

Dlaczego to nie jest wybuchowy proces w reaktorze

Kluczowe bezpieczeństwo, które ukrywa obraz z k=1: nie wszystkie neutrony z rozszczepienia pojawiają się natychmiast. W przybliżeniu 99,35% z nich robi to natychmiast (neutrony pierwotne, w czasie około 10 mikrosekund po rozszczepieniu), ale niewielka, opóźniona część, około 0,65%, jest emitowana sekundę później przez radioaktywny rozpad niektórych fragmentów rozszczepienia. Sterowanie reaktorem jest zaprojektowane tak, aby k było utrzymywane poniżej tego, czego potrzebowałyby jedynie neutrony pierwotne do podtrzymania reakcji (reakcja krytyczna z natychmiastowymi neutronami), polegając na tej powolnej, opóźnionej części, aby określić rzeczywisty czas reakcji reaktora, który rozciąga skalę czasu reakcji z zakresu mikrosekund do sekund – wystarczająco długo, aby sterowniki i mechanizmy sprzężenia mogły zareagować przed reakcją może się wyewoluować.

Frequently asked questions

Wypróbuj na żywo

Wszystko powyżej działa bezpośrednio w Twojej przeglądarce — otwórz Nuclear Fission Chain Reaction i zmieniaj parametry podczas działania. Nic nie jest instalowane ani przesyłane na serwer, cały model działa w jednej karcie.