15. ядерное оружие 15. 1 Деление урана 15 1 Деление атомных ядер Деление ядер
жүктеу/скачать 0,92 Mb. Pdf көрінісі
|
- Бұл бет үшін навигация:
- Коэффициент размножения
- Коэффициент размножения эффективный (коэффициент критичности)
- Самоподдерживающаяся цепная реакция деления
- 15.1.4 Критическая масса Критическая масса
- 15.2 Диагностика ядерных материалов
- 15.3 Атомная бомба Я́дерное ору́жие
- 15.4 Нейтронное оружие
15.1.3 Жизненный цикл нейтронов
В «быстрых» реакторах и в атомной бомбе осуществляется ядерная цепная реакция на быстрых нейтронах. При взаимодействии быстрых нейтронов деления с ядрами 235
U, 233
U и 239
Pu преобладающим видом взаимодействия является деление: упругое и неупругое рассеяние не препятствует делению этих ядер, т.к. они могут делиться и нейтронами, испытывающими рассеяние и потерявшими часть энергии. Единственный процесс обрыва цепей – уход нейтронов за пределы блока из делящегося вещества. Рассмотрим "пакет" из N 0 = 100 нейтронов рожденных со средней энергией 2 МэВ. Часть нейтронов, сталкиваясь с изотопом 238
U, вызовет его деление. Число нейтронов возрастет до N 0 *μ, где μ - коэффициент размножения на быстрых нейтронах. Замедлившись до резонансных значений энергии часть нейтронов поглотится ядрами 238 U, и их общее число составит: N 0 ·μ·φ
8 , где φ
8 - вероятность избежать резонансного захвата ядрами 238 U. Замедлившись до тепловых энергий часть нейтронов поглотится в изотопе урана 235
U, эта часть составляет: N 0 ·μ·φ
8 ·θ 5 , где θ 5 - вероятность поглощения нейтронов в 235 U. Коэффициент размножения - важнейшая характеристика цепной реакции деления, показывающая отношение числа нейтронов данного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения в бесконечной среде. Часто используется и другое определение коэффициента размножения - отношение скоростей генерации и поглощения нейтронов. Коэффициент размножения эффективный (коэффициент критичности) - отношение числа нейтронов данного поколения к числу нейтронов предыдущего поколения в реакторе. Он определяет динамику цепной ядерной реакции: при k=1 реакция идет с постоянной скоростью, при k>1 ускоряется, при k<1 затухает. Состояние системы , при котором эффективный коэффициент размножения K эфф =1 называется критическим. Состояния с K эфф 1> и K эфф <1 называются соответственно надкритическим и подкритическим. Самоподдерживающаяся цепная реакция деления - цепная реакция в среде, для которой коэффициент размножения больше или равен единице. На каждый поглощенный нейтрон приходится в среднем ν f5 рожденных нейтронов. В результате количество нейтронов второго поколения составит: N 2 = N 0 ·μ·φ
8 ·θ 5 ·ν f5 , где ν f5 - количество нейтронов деления на один акт захвата нейтрона ядром 235 U. В данном случае мы не рассматривали потери нейтронов связанные с вылетом за пределы среды размножения (утечку нейтронов), поэтому данная формула справедлива только для бесконечной среды. Коэффициент размножения: 5 5
0 5 5 8 0 N f f бес N K ν θ ϕ μ ν θ ϕ μ ⋅ ⋅ ⋅ = ⋅ ⋅ ⋅ ⋅ = K бес - формула четырех сомножителей - характеризует среду в которой происходит размножение если K бес
1 то цепная реакция невозможна, ни при каких условиях. Если K бес > 1 то можно подобрать размеры и массу среды таким образом, чтобы реакция была осуществима, поскольку от размеров и массы зависит количество нейтронов вылетающих за пределы среды и не участвующих в цепной реакции. Если обозначить за P ут -
вероятность нейтрона избежать утечки из реактора то условием протекания реакции является: К эф
= P ут
· K бес
= 1 или P ут = 1/ K
бес .
Приведем возможные значения коэффициентов: для среды с параметрами μ = 1.05; φ 8 = 0.823; θ 5 =
0.823; ν f5 = 2.071; коэффициент размножения K бес = 1.54, чтобы в такой среде протекала цепная реакция, вероятность избежать утечки должна быть не менее P ут = 0.65. В этом случае количество нейтронов во втором поколении составит: N 2 =N 0 ·
K бес
·P ут = 100·1.54·0.65 = 100 следовательно K эф = 1.
Величина утечки определяет критическую массу и критические размеры. Эти параметры зависят также от формы среды (например, заряда в атомной бомбе). Для шара они меньше чем для цилиндра или параллелепипеда. В процессе замедления и, следовательно, в процессе диффузии в замедлитель часть нейтронов выходит из активной среды, причём, чем меньше размер активной среды, тем больше число нейтронов
теряется. Эта потеря может быть уменьшена путём окружения активной зоны отражателем, часто изготовленным из того же самого материала, что и замедлитель, с той целью, чтобы отразить обратно некоторую часть выходящих нейтронов и поддержание самоустанавливающейся цепной реакции в активной зоне.
15.1.4 Критическая масса Критическая масса – минимальная масса делящегося вещества, обеспечивающая протекание самоподдерживающейся ядерной цепной реакции деления. Критическая масса тем меньше, чем меньше период полураспада деления и чем выше обогащение рабочего элемента делящимся изотопом. Критическую массу могут образовывать только нечётные изотопы. Лишь 235 U встречается в природе, а 239 Pu и
233 U - искусственные, они образуются в ядерном реакторе (в результате захвата нейтронов ядрами 238 U
232 Th с двумя последующими β - распадами). Остановимся на некоторых подходах к расчёту критической массы урана.
Необходимым условием для осуществления цепной реакции является наличие достаточно большого количества делящегося вещества (например, 235
U), так как в образцах малых размеров большинство нейтронов пролетает сквозь образец, не попав ни в одно ядро. Цепная реакция ядерного взрыва возникает при достижении делящимся веществом некоторой критической массы. Пусть имеется кусок вещества, способного к делению, например, 235 U, в который попадает нейтрон. Он либо вызовет деление, либо бесполезно поглотится веществом, либо, продиффундировав, выйдет через наружную поверхность. Важно, что будет на следующем этапе – уменьшится или уменьшится число нейтронов в среднем, т.е. ослабнет или разовьется цепная реакция, т.е. будет ли система в подкритическом или в надкритическом (взрывном) состоянии. Так как вылет нейтронов регулируется размером (для шара – радиусом), то возникает понятие критического размера (и массы). Для развития взрыва размер должен быть больше критического. Критический размер делящейся системы можно оценить, если известна длина пробега нейтронов в делящемся материале. Нейтрон, летая по веществу, изредка сталкивается с ядром, он как бы видит его поперечное сечение. Размер поперечного сечения ядра σ=10 -24
см 2 (барн). Если N - число ядер в кубическом сантиметре, то комбинация L=1/Nσ дает среднюю длину пробега (путь) нейтрона по отношению к ядерной реакции. Длина пробега нейтрона – единственная размерная величина, которая может послужить отправной точкой оценки критразмера. В любой физической теории используются методы подобия, которые, в свою очередь, строятся из безразмерных комбинаций размерных величин, характеристик системы и вещества. Таким безразмерным числом является отношение радиуса куска делящегося материала к длине пробега в нем нейтронов. Если принять, что безразмерное число порядка единицы, а длина пробега при типичном значении N=10 23 , L= 10 см (для σ=1) (обычно σ обычно намного выше 1, так что критическая масса меньше нашей оценки). Критическая масса зависит от сечения реакции деления конкретного нуклида. Так, для создания атомной бомбы необходимо примерно 3 кг плутония или 8 кг 235 U (при имплозивной схеме и в случае чистого 235 U) При
стволовой схеме атомной бомбы требуется примерно 50 кг оружейного урана (При плотности урана 1,895·10 4
кг/м 3 радиус шара такой массы равен примерно 8,5 см, что на удивление хорошо совпадает с нашей оценкой R=L=10 см). Выведем теперь более строгую формулу для расчета критического размера куска делящегося материала. Как известно, при распаде ядра урана образуется несколько свободных нейтронов. Часть из них покидает образец, а часть поглощается другими ядрами, вызывая их деление. Цепная реакция возникает, если число нейтронов в образце начинает лавинообразно расти. Для определения критической массы можно использовать уравнение диффузии нейтронов:
β + Δ = ∂ ∂
где С - концентрация нейтронов, β>0 – константа скорости реакции размножения нейтронов (аналогично постоянной радиоактивного распада имеет размерность 1/сек, D -коэффициент диффузии нейтронов, оператор Δ зависит от геометрии системы, например, для пластины 2 2
C ∂ ∂ = Δ
Пусть образец имеет форму шара радиусом R. Тогда нам надо найти решение исходного дифференциального уравнения (1), удовлетворяющее краевому условию: C(R,t)=0. Сделаем замену t e C β ν = , тогда
t e t e D t e t e t t C β βν β ν ν β β β ν + Δ = + ∂ ∂ = ∂ ∂
Получили классическое уравнение теплопроводности: ν ν Δ = ∂ ∂ D t
Решение этого уравнения хорошо известно ( ) ∑ ∞ = − = 1 2 2 2 sin
1 ,
Dt R n re R n n B r t r π π ν
значит ( ) t D R n re R n n n B r t r C ⎟ ⎟ ⎟ ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎜ ⎜ ⎜ ⎝ ⎛ − ∑ ∞ = = 2 2 2 sin 1 1 , π β π . Цепная реакция пойдёт при условии (то есть ( ) ∞ → ∞ →
t r C , ), что хотя бы при одном n коэффициент в показателе степени положителен. Если
, 0 2 2 2 > − D R n π β то D R n 2 2 2 π β > и критический радиус сферы: β π
n R = . Если R D ≥ β π , то ни при каком n не будет растущей экспоненты Если
R D < β π , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту. Ограничимся первым членом ряда, n=1: β π
R =
Критическая масса: 3 3 4 R V M ρ ρ = = . Минимальное значение радиуса шара, при котором возникает цепная реакция, называется критическим радиусом , а масса соответствующего шара - критической массой. Подставив значение для R, получим формулу для расчета критической массы: 2 3 3 4 4 ⎟ ⎠ ⎞ ⎜ ⎝ ⎛ = β ρπ D кр M
Величина критической массы зависит от формы образца (в нашем случае это шар), коэффициента размножения нейтронов и коэффициента диффузии нейтронов. Их определение является сложной экспериментальной задачей, поэтому полученная формула используется для определения указанных коэффициентов, а проведенные выкладки являются доказательством существования критической массы.
Роль размеров образца очевидна: с уменьшением размеров процент нейтронов, вылетающих через ее поверхность, увеличивается, так что при малых (ниже критических!) размерах образца цепная реакция становится невозможной даже при благоприятном соотношении между процессами поглощения и образования нейтронов. Для высокообогащенного урана значение критической массы составляет около 52 кг, для оружейного плутония - 11 кг. В нормативных документах по охране ядерных материалов от хищения указываются критические массы: 5 кг 235 U или 2 кг плутония (для имплозивной схемы атомной бомбы). Для пушечной схемы, естественно, критические массы намного больше. На базе этих значений строится интенсивность защиты делящихся веществ от нападения террористов. Замечание. Критическая масса системы из металлического урана 93,5% обогащения (93,5% 235
U; 6,5% 238
U) равна 52 кг без отражателя и 8,9 кг, когда система окружена отражателем нейтронов из оксида бериллия. Критическая масса водного раствора урана – примерно 5 кг. В зависимости от конкретного вида делящегося вещества количество материала, которое составляет критическую массу, может изменяться в широком диапазоне и зависит от плотности, характеристик (вид материала и толщина) отражателя. Критическую массу можно существенно уменьшить, окружив образец делящегося вещества слоем материала, отражающего нейтроны (бериллий, природный уран, вольфрам, свинец, железо). Отражатель возвращает значительную часть нейтронов, вылетающих через поверхность образца. Например, если использовать отражатель толщиной в 5 см, изготовленный из таких материалов, как уран, железо, графит, критическая масса составит половину от критической массы «голого шара». Более толстые отражатели будут далее уменьшать требуемую критическую массу. Особенно эффективен бериллий, обеспечивающий критическую массу в 1/3 от стандартной критической массы. При прочих равных условиях минимальные критические размеры должны быть у установок сферической формы. Система на тепловых нейтронах имеет самый большой критический объем и минимальную критическую массу. Важную роль играет степень обогащения по делящемуся нуклиду. Например, при разбавлении урана до уровня обогащения ниже 94% влияние состава на критическую массу достаточно сильное. Например, критическая масса урана с обогащением 235 U 50% составляет 160 кг (в 3 раза больше массы 94%-го урана), а критическая масса 20%-го урана составляет 800 кг (т. е. в ~15 раз больше, чем критическая масса 94%-го урана). Ситуация аналогична и с оксидом урана. Критическая масса зависит от природы и процентного содержания любых присутствующих инертных разбавителей (кислород в оксиде урана, 238
U в частично обогащенном 235 U или химические примеси). Ещё сильнее критическая масса зависит от типа и состава сплавов урана (с фольфрамом, алюминием, плутонием), поскольку допирующие примеси не только улучшают механические и химические свойства материала атомного заряда, но и модифицируют его ядерные характеристики. Естественно, что критическая масса зависит от химической формы оружейного материала (металл, оксид, нитрид и т.п.), от вида и концентрации легирующих компонентов, от плотности и морфологических характеристик сплава. Для сравнения приведем следующие примеры критических масс:
10 кг 239 Pu, металл в альфа-фазе (плотность 19,86 г/см 3 );
52 кг 94%-го 235 U (6%
238 U), металл (плотность 18,72 г/см 3 );
110 кг UO 2 (94%
235 U) при плотности в кристаллическом виде 11 г/см 3 ;
35 кг PuO 2 (94% 239 Pu) при плотности в кристаллическом виде 11,4 г/см 3 .
например, при увеличении плотности вдвое, уменьшить критическую массу в четыре раза. Нужную степень подкритичности можно получить уплотнением делящегося материала за счет взрыва заряда обычного взрывчатого вещества, выполненного в виде сферической оболочки, окружающей ядерный заряд. Поскольку вероятность захвата нейтронов пропорциональна концентрации ядер, увеличение плотности образца, например, в результате его сжатия, способно привести к возникновению в образце критического состояния. Именно этот способ и применяется в ядерных взрывных устройствах, в которых масса делящегося вещества, находящаяся в подкритическом состоянии переводится в сверхкритическое с помощью направленного взрыва, подвергающего заряд сильной степени сжатия. Минимальное количество делящегося вещества, необходимого для осуществления цепной реакции, зависит в основном от достижимой на практике степени сжатия. Степень и скорость сжатия массы делящегося вещества определяют не только количество расщепляющегося материала, необходимого для создания взрывного устройства, но и мощность взрыва. Использование имплозии позволяет вовлечь в создание ядерного оружия слабо обогащённый и плохоочищенный уран, что способствует распространению в мире оружия массового поражения. Дело в том, что энергия, выделяющаяся в ходе цепной реакции, приводит к быстрому разогреву массы делящегося вещества и, как результат, к разлету этой массы. Через некоторое время заряд теряет критичность и цепная реакция останавливается. Поскольку полная энергия взрыва зависит от количества ядер, успевших претерпеть деление за время, в течение которого заряд находился в критическом состоянии, для получения достаточно большой мощности взрыва необходимо удерживать массу делящегося вещества в критическом состоянии как можно дольше. На практике это достигается путем быстрого сжатия заряда с помощью направленного взрыва, так что в момент начала цепной реакции, масса делящегося вещества обладает очень большим запасом критичности. Поскольку в процессе сжатия заряд находится в критическом состоянии, необходимо устранить посторонние источники нейтронов, которые могут дать начало цепной реакции еще до достижения зарядом необходимой степени критичности. Преждевременное начало цепной реакции приведёт, во-первых, к уменьшению скорости выделения энергии, а во-вторых, к более раннему разлету заряда и потере им критичности. После того как масса делящегося вещества оказалась в критическом состоянии, начало цепной реакции могут дать акты спонтанного деления ядер урана или плутония. Однако, интенсивность спонтанного деления оказывается недостаточной для того, чтобы обеспечить необходимую степень синхронизации момента начала цепной реакции с процессом сжатия вещества и для обеспечения достаточно большого количества нейтронов в первом поколении. Для решения этой проблемы в ядерных взрывных устройствах применяют специальный источник нейтронов, который обеспечивает «впрыск» нейтронов в массу делящегося вещества. Момент «впрыска» нейтронов должен быть тщательно синхронизован с процессом сжатия, так как слишком раннее начало цепной реакции приведет к быстрому началу разлета делящегося вещества и к значительному уменьшению энергии взрыва. Замечание. Критическая масса отнюдь не мировая константа. Приведённые выше значения носят «теоретический», оценочный характер. Начать с того, что реальный заряд никогда не бывает сферой, в лучшем случае это сферическая оболочка, заполненная внутри чем-то полезным. Чистые металлы тоже никогда не используются, обычно это сплавы, причём специального состава: направленно вводимые добавки изменяют энергетический спектр нейтронов в нужную сторону, размножают и увеличивают плотность нейтронов. Большое значение имеет
использование отражающих экранов, которые не просто отражают нейтроны, а размножают их (известны элементы, которые при поглощении одного нейтрона, способны выдать 3). Не менее важно агрегатное состояние заряда (твёрдое тело, раствор, расплав). В результате реальные критические массы намного меньше приводимых в учебной литературе: вышеприведённые значения смело можно уменьшать в разы, а то и на порядок. Именно химический состав заряда является основным секретом атомной бомбы.
Системы учета и контроля специальных ядерных материалов (в первую очередь – оружейных) необходимы на всех этапах технологического процесса. Они же используются в системах радиационной безопасности населения. За последние годы методы неразрушающего контроля стали важными аналитическими средствами для определения количественных характеристик ядерных материалов. Методы неразрушающего контроля основаны на калибровочных эталонах. С помощью калибровки можно определить абсолютную или относительную зависимость между откликом прибора и массой ядерного материала или отношением нуклидов в образце. При построении калибровочной зависимости учитываются такие факторы как эффективность детектора, присутствие коллиматора, наличие поглотителей и другие факторы, которые могут повлиять на отклик системы. Эталоны неразрушающего контроля должны иметь такие свойства, которые являются представительными для измеряемых материалов по характеристикам, которые могут повлиять на проведение неразрушающего анализа. Только с помощью эталонов можно судить, что в результате измерений действительно получаются данные требуемого качества. Основной задачей анализа урана, его сплавов (в первую очередь – с плутонием) и соединений является определение степени его изотопного обогащения. Сделать это проще всего методами спектроскопии ядерных излучений. Радиоактивный изотоп 235 U распадается, испуская α-частицы с образованием возбужденных ядер 231
Th, которые, в свою очередь, испускают γ-лучи с различными энергиями. Ярко выраженная γ-линия имеет энергию 185,7 кэВ. Если урановый образец достаточно большой, то γ-излучение, образующееся в атомах 235 U
γ-излучение, наблюдаемое на поверхности образца. Таким образом, с увеличением толщины образца поток γ-лучей с 186 кэВ на поверхности достигает равновесного значения, которое практически не зависит от физической формы образца. Для чистых урановых составов это значение пропорционально значению обогащения по 235
U образца. Такой «неинтуитивный» метод называется “enrichment meter” («обогощинометр»). Гамма-спектрометрическое определение обогащения 235
U образцов требует точного измерения количества 186-кэВ фотонов, испускаемых из образца в единицу времени для фиксированной геометрии набора данных. Следовательно, все измерительные параметры, которые влияют на наблюдаемую скорость счета, должны контролироваться, и на них должны быть сделаны поправки. Эталоны обогащения должны удовлетворять следующим требованиям: • Образец должен быть “квази-бесконечно толстым” для γ-излучения с энергией 186 кэВ. Это условие ограничивает применение метода и ведет к его использованию для относительно толстых образцов. • Образец должен быть однородным по отношению обогащения по 235
U. Когда анализируются материалы, состоящие из смеси материалов с различными значениями обогащения, материал образца должен быть приведен в однородное состояние перед измерением. • Толщина стенок контейнера должна быть относительно небольшая, чтобы поправка на ослабление сигнала стенкой была относительно небольшой. Если стенка контейнера толстая, тогда поправка на ослабление γ- сигнала должна определяться экспериментально. Облучённый в промышленном реакторе уран с радиометрической точки зрения представляет собой смесь нескольких изотопов урана с несколькими изотопами плутония. Для таких материалов методики анализа урана и плутония применяются совместно. Метод неразрушающих измерений изотопного состава материалов, содержащих плутоний, с использование γ-спектроскопии (Рис. ) является наиболее разработанным и не требует калибровки с помощью эталонов. Здесь используются известные значения фундаментальных физических констант и внутренняя калибровка. Этот подход позволяет проводить измерения изотопного состава плутония в образцах различного размера, формы и физического и химического состава внутри контейнеров с неизвестными размерами и химическим составом, а также геометрии измерений, которую не требуется воспроизводить.
Гамма-спектр плутония при низком и высоком энергетическом разрешении.
Площадь фотопика ( )
i j E C для изолированной линии гамма-излучения j с энергией E j , испускаемого изотопом i, может быть записана в следующем виде: ( )
( ) J I J i i i j E BR N E C ε λ = (1) где λ
- константа распада изотопа i, ( λ
=ln 2/T i 1/2
, где T i 1/2
– период полураспада изотопа i), N i - количество атомов изотопа i, BR
- значение ветвления ( γ-излучение/распад) γ-излучения j изотопа i, ε (E j ) - полная эффективность регистрации линии гамма-излучения с энергией E
(включает эффективность детектора, геометрию измерений, самопоглощение образцом, и ослабление в материале, находящемся между образцом и детектором). Когда это выражение применяется к γ-линии j от изотопа i и второй γ-линии m oт второго изотопа k, то атомное отношение двух изотопов i и k определяется следующим образом: ( )
( ) ( )
( ) j m i j k m k i k m i j k i E E BR BR T T E C E C N N ε ε 2 / 1 2 / 1 = (2) В формулах (1) и (2) площади фотопиков C(E) являются измеряемыми величинами, а периоды полураспада T 1/2 и значения ветвлений BR являются известными ядерными величинами. Отношение полных эффективностей ε
в формуле (2) можно выразить через отношение относительных эффективностей RE(E): ( )
( ) ( )
( ) j m j m E RE E RE E E = ε ε . (3) При этом отношение относительной эффективности включает только самопоглощение образцом, ослабление в материалах между детектором и образцом и эффективность детектора, а геометрические факторы уничтожаются. Использование отношения эффективности делает ненужным использование воспроизводимой геометрии, что позволяет использовать метод для образцов произвольного размера, формы и состава. Относительная эффективность, фигурирующая в формуле (3), является функцией энергии. Из формулы (1), с точностью до геометрического фактора получаем: ( ) ( ) ( )
i j i j i i j BR E C N E RE 1 − = λ . (4) В формуле (4) член в скобках является константой для данного изотопа; относительная эффективность как функция энергии может быть получена из изменчивости значения ( )
с энергией для набора γ-линий j от изотопа i. Эта изменчивость по энергии является одной и той же для всех изотопов в образце и “кривые” для нескольких изотопов могут быть нормированы друг к другу для обеспечения большего количества данных о кривой относительной эффективности. Кривая относительной эффективности является уникальной для каждой комбинации детектор - образец - измерение и, следовательно, может быть получена напрямую из данных измерений для каждого конкретного образца. Как только относительная эффективность определена с помощью формулы (4), и все члены в формуле (2) известны, то для каждого измерения известно отношение изотопа i к изотопу j . Причем этот результат не зависит от калибровки и эталонов. Если использовать формулу (2) для определения отношения каждого изотопа к какому-либо общему изотопу, то могут быть получены и абсолютные доли изотопов. Счетчики для регистрации совпадений тепловых нейтронов интенсивно используются для неразрушающего контроля ядерных материалов. Детекторы - пропорциональные счетчики с 3 He с замедлителем из полиэтилена. Быстрые нейтроны из образца замедляются в полиэтилене и захватываются ядрами
3 He. Преимущество - скоррелированные по времени нейтроны напрямую соответствуют процессу деления и, следовательно, количеству ядерного материала. Электроника, способная обрабатывать импульсы, позволяет различать нейтроны, скоррелированные по времени, и импульсы, поступающие от случайных нейтронов. Счетчики совпадений используются в пассивном режиме для анализа чётных, спонтанно делящихся изотопов плутония ( 238 Pu,
240 Pu, и
242 Pu) и в активном режиме для анализа вынужденно делящихся изотопов, преимущественно 235
U в ядерных материалах. При работе в пассивном режиме не требуется внешний источник нейтронов. А при работе в активном режиме используются источники AmLi для вызывания деления в 235
U. Пассивные счетчики совпадений хорошо служат для измерения довольно плотных материалов, содержащих плутоний, например, чистый металл и оксид, на широком диапазоне масс. Величины случайной и систематической погрешностей лучше для чистых материалов, чем для материалов “скрапа”. Для чистого оксида плутония имеются два первичных источника нейтронов и один вторичный источник. Два первичных источника - это спонтанное деление и реакция ( α,n). Несколько плутониевых изотопов распадаются с большим выделением α-частиц, некоторые из которых вступают в реакцию с кислородом, в результате
которой происходит образование одиночных нейтронов. Вторичный источник нейтронов в оксиде плутония - это быстрые нейтроны вынужденного деления, которые образуются во всех плутониевых изотопах. Для чистого металлического плутония источник нейтронов ( α,n) равен нулю из-за отсутствия элементов с низким Z. Для пассивного анализа плутониевых материалов методом обычного счета совпадений тепловых нейтронов калибровка выполняется с использованием эталонов для построения кривой зависимости скорости счета действительных совпадений - R от массы 240 Pu (эффект.). В значение массы 240 Pu (эффект.) входит и значения от 238
Pu и 242
Pu: это представляет собой такую массу 240
Pu, от которой была бы получена такая же скорость счета совпадений, которая была получена от всех чётных изотопов в образце. Если бы не было вынужденного деления в образце, то калибровочная кривая зависимости R от массы 240
Pu была бы линейной, и изготовление эталонов было бы довольно простым делом. Влияния вариаций, вызванных наличием примесей, геометрии измерений и плотности были бы сравнительно несущественны. Однако существования вынужденного деления (и размножения) в образце приводит к тому, что эти явления должны быть учтены при подготовке эталонов и для калибровки счетчиков.
являются подходящими для измерений материалов, содержащих уран, например, металлический высокообогащенный уран, пластины и слитки из урана с алюминием, “бусины” из урана, тория и углерода, порошок U 3 O
, UF 4 , UO 2 и реакторные топливные элементы. В принципе, каждая из категорий материалов требует проведения отдельной калибровки с использованием эталонов, которые надлежащим образом покрывают весь требуемый диапазон в плане содержащегося 235 U, кроме того, эти эталоны должны походить на неизвестные образцы, насколько это возможно. Для большинства применений проводится одиночное активное измерение с использованием AmLi изотопных источников нейтронов. Источник AmLi производит нейтроны за счет реакций ( α,n) со средней энергией нейтронов ~ 300 кэВ. При активном измерении регистрируются совпадения нейтронов в основном от вынужденного деления в 235
U, но может присутствовать небольшое число совпадений и от 238 Pu. В
некоторых топливных элементах со свежим топливом этот компонент довольно значительно выражен и является основанием для проведения отдельного пассивного измерения.
Принципиальная схема работы прибора «Шаффлер». (1)
– облучающий источник хранится в надежной защите. (2) – облучающий источник быстро перемещается в положение вблизи анализируемого ядерного материала и остается в таком положении несколько секунд. (3) - облучающий источник возвращается назад в защиту, после чего нейтронные детекторы регистрируют запаздывающее нейтроны наведенного деления.
Прибор “Шаффлер” с источником калифорния может выполнять пассивный и активный методы анализа нейтронного излучения для делящихся материалов. Пассивный анализ для плутония выполняется точно также как и на других приборах, специально предназначенных для проведения только пассивного анализа. Активный анализ проводится для урана (или любого другого делящегося материала), периодическим облучением образца нейтронами от источника 252 Cf, который резко убирается после каждой такой операции. Далее осуществляется регистрация запаздывающих нейронов (запаздывающие нейроны излучаются осколками деления спустя секунды или минуты после деления). Время проведения анализа составляет от 10 мин. до 16 мин., включая регистрацию фоновой радиации в течение 3-4 минут и 20-35 перемещений источника 252 Cf для облучения образца. Материал, анализируемый с помощью такого прибора, может быть от нескольких миллиграмм в урановых отходах до нескольких килограмм очищенного урана. Смеси урана и плутония также могут подвергаться анализу в “Шаффлере” с использованием методов пассивного и активного анализа нейтронов. Благодаря периодическому движению облучающего источника из защиты и назад прибор и получил свое название “Шаффлер” (Shuffler – тасующий карты). При калориметрическом анализе радиоактивных материалов для определения массы ядерного материала внутри контейнера используется показатель тепловой мощности, производимой в результате радиоактивного распада. Тепло, производимое в образце регистрируется тепловым датчиком из термически чувствительной проволоки. Образец для измерений помещается в полость для анализа и закрывается изолирующей пробкой. Поток тепла из контейнера измеряется с помощью теплового датчика. Тепловой датчик размещается так, чтобы он мог зарегистрировать репрезентативную часть всего тепла, выделяемого образцом. В результате этого калориметрические измерения являются независимыми от свойств образца, таких как плотность матрицы, химический состав, неоднородность, удельная теплоемкость или
теплопроводность. Для наиболее учитываемых ядерных материалов со значительной тепловой мощностью калориметр регистрирует почти 100% энергии распада, преобразованной в тепло. Для измерения количества ядерного материала или трития в образце нужно определить тепло, вырабатываемое образцом и удельную мощность радиоактивных изотопов в образце. Для образцов, имеющих в своем составе несколько изотопов, удельная мощность может быть определена определением изотопного состава образца и знанием основных констант ядерного распада. Для калориметрических измерений требуется эталонный источник тепла, который бы производил известное количество тепловой мощности. Связь между удельной тепловой мощностью ядерного материала и его массой в образце определяется согласно следующей формуле:
= 2119.3QM/T 1/2 A , (5) где W - мощность в Ваттах, производимая измеряемым объектом, Q - общая энергия расщепления излучателей альфа-частиц в МэВ или средняя энергия бета-частиц в МэВ, M - масса радионуклида в граммах, T 1/2
- период полураспада радионуклида в годах, A - вес радионуклида в атомных единицах массы. Формула (5) может быть преобразована для вычисления массы анализируемого материала: M = W/P , (6) где P - удельная мощность радионуклида в Вт/г. Например, эта величина равняется 0,3240 Вт/г для трития и 0,0019288 Вт/г для 239 Pu.
Для смеси радионуклидов мощность образца определяется как сумма значений мощности отдельных изотопов W =
Σ i W i =
Σ i M i P i = M Σ
R i P i = M P eff ,
(7) где M - масса анализируемого элемента, R i - присутствие данного изотопа i (из изотопов, производящих тепло) по отношению к массе элемента и P eff
- удельная мощность образца для образцов из нескольких изотопов.
Формула анализа: M = W/P eff . (8) Наличие изотопов в материалах, содержащих плутоний, обычно определяется с помощью гамма- спектроскопической системы высокого разрешения с использованием детектора на германии. Масс- спектроскопия и альфа-спектроскопия используются для определения присутствия изотопов плутония для тепловых эталонов 238 Pu.
15.3 Атомная бомба Я́дерное ору́жие (или а́томное ору́жие) - взрывное устройство, в котором источником энергии является синтез или деление атомных ядер – ядерная реакция. В узком смысле – взрывное устройство, использующее энергию деления тяжёлых ядер. Ядерное оружие включает как ядерные боеприпасы, так и средства их доставки к цели и средства управления; относится к оружию массового поражения. В боеприпасе ядерного оружия в момент взрыва происходит ядерная реакция деления тяжёлых элементов с образованием более лёгких; иногда выделяют так называемые «чистые» ядерные заряды, снижающие до минимума радиоактивное заражение местности. Нейтронное оружие - ядерный заряд малой мощности, дополненный механизмом, обеспечивающим выделение большей части энергии взрыва в виде потока быстрых нейтронов; его основным поражающим фактором является нейтронное излучение и наведённая радиоактивность.
Мощность ядерного заряда измеряется в тротиловом эквиваленте - количестве тринитротолуола, которое нужно подорвать для получения взрыва той же энергии. Обычно его выражают в килотоннах (кт) и мегатоннах (Мт). Тротиловый эквивалент условен, поскольку распределение энергии ядерного взрыва по различным поражающим факторам существенно зависит от типа боеприпаса и, в любом случае, сильно отличается от химического взрыва.
Принято делить ядерные боеприпасы по мощности на пять групп: сверхмалые (менее 1 кт); •
•
средние (10 — 100 кт); •
крупные (большой мощности) (100 кт - 1 Мт); •
сверхкрупные (сверхбольшой мощности) (свыше 1 Мт). Рис. 238. Столовая (инжекторная) схема урановой атомной бомбы (например, Little Boy).
В основу ядерного оружия положена неуправляемая цепная реакция деления ядра. Существуют две основные схемы: «пушечная» (баллистическая) и имплозионная. «Пушечная» схема характерна для самых примитивных моделей ядерного оружия первого поколения, а также артиллерийских и стрелковых ядерных боеприпасов, имеющих ограничения по калибру оружия. Суть её заключается в «выстреливании» навстречу друг другу двух блоков делящегося вещества докритической массы. Данный способ детонации возможен только в урановых боеприпасах, так как плутоний имеет более высокий нейтронный фон, что приводит к увеличению требующейся скорости соединения частей заряда, превышающий технически достижимые. Вторая схема подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом обычной химической взрывчатки, которой для фокусировки придаётся весьма сложная форма и подрыв производится одновременно в нескольких точках с прецизионной точностью.
Устройство и принцип работы урановой атомной бомбы поясним на примере бомбы «Малыш» (‘Little boy”), сброшенной американцами на японский город Хиросиму. Собрана она по пушечной схеме.
Урановый заряд в бомбе состоит из двух частей: мишени и снаряда. Снаряд диаметром 10 и длинной 16 сантиметров представляет собой набор из шести урановых колец. В нём содержится около 25.6 кг - 40% всего урана. Кольца в снаряде поддерживаются диском из карбида вольфрама и стальными пластинами и находятся внутри стального корпуса. Мишень массой 38.46 кг сделана в форме полого цилиндра диаметром 16 см и длиной 16 см. Она выполнена в виде двух отдельных половинок. Мишень вмонтирована в корпус, служащий отражателем нейтронов. Использованное в бомбе количество урана дает критическую массу и без отражателя, однако его наличие, как и изготовление снаряда из более обогащенного урана (89% 235 U) чем
мишень(~80% 235
U), позволяет увеличить мощность заряда. Для производства "Малыша" потребовалось 64 кг обогащенного урана, что составляет ~2.5 критические массы. Главный недостаток уранового бомбы, собранной по пушечной схеме, - трудность обеспечения высокой надкритичности делящегося вещества, и, как следствие, низкая эффективность оружия (за первую секунду взрыва успевает разделиться всего 5% критической массы. Остальная часть заряда бомбы испаряется без всякой пользы). Преимущество – простота устройства, позволившая боевое применение её без каких-либо предватительных испытаний.
Для предотвращения случайного возникновения цепной реакции в мишени содержится боровая заглушка, а снаряд вложен в боровую оболочку. Бор является хорошим поглотителем нейтронов, таким образом увеличивается безопасность при перевозке и хранении снаряженного боеприпаса. Когда снаряд достигает цели, его оболочка отлетает, а заглушка в мишени выбрасывается из нее. Собранная оболочка бомбы состоит из корпуса из карбида вольфрама (служащим отражателем нейтронов), окруженного стальной рубашкой диаметром примерно 60 см. Общая масса такой конструкции - около 2.3 т. В просверленное в рубашке отверстие установлен карбидный корпус, в который вмонтирована мишень. В днище отверстия находится один или несколько бериллиево-полониевых инициаторов.
Общая схема Little Boy.
крепится на резьбе к стальному корпусу мишени, позаимствован он от 75-мм зенитного орудия и расточен по размеру снаряда до 100 мм. Длина ствола составляет примерно 2 м, масса - 450 кг, а казенной части - 34 кг. В качестве метательного взрывчатого вещества используется бездымный порох. Скорость движения снаряда в стволе достигает около 300 м/с, для приведения его в движение требуется действие силы не менее 300 кН.
Стволовая схема в действии. Соединение заряда и интенсивное облучение его нейтронами вызывает цепную реакцию, в результате которой в первую же секунду температура возрастает до 1 миллиона градусов.
Little Boy
был чрезвычайно небезопасной в хранении и транспортировке бомбой. Детонация, пусть даже и случайная, метательного взрывчатого вещества (приводящего в движение снаряд), вызывает ядерный взрыв. По этой причине воздушный наблюдатель и специалист по вооружению С. Парсонс принял решение загрузить порох в бомбу только после взлета. Впрочем, при достаточно сильном ударе при падении снаряд может прийти в движение и без помощи пороха, что способно привести к взрыву от нескольких тонн до полной мощности. Little Boy представляет опасность и при попадании в воду. Уран, находящийся внутри - несколько критических масс, разделен воздухом. При попадании внутрь воды, она может сыграть роль посредника, приводя к цепной реакции. Это приведет к быстрому расплавлению или небольшому взрыву с выбросом большого количества радиоактивных веществ. Мощность ядерного заряда, работающего исключительно на принципах деления тяжёлых элементов, ограничивается сотнями килотонн. Создать более мощный заряд, основанный только на делении ядер, если и возможно, то крайне затруднительно: увеличение массы делящегося вещества не решает проблему, так как начавшийся взрыв распыляет часть топлива, оно не успевает прореагировать полностью и оказывается бесполезным, лишь увеличивая массу боеприпаса и радиоактивное поражение местности. Самый мощный в мире боеприпас, основанный только на делении ядер, испытан в США 15.10.52, мощность взрыва 500 кт.
Little Boy перед применением в Хиросиме. (Крупногабаритная авиационная бомба с атомным зарядом из сильно обогащенного урана-235. Длина 3 м, диаметр - 62 см, вес - 4,1 т).
При использовании в качестве делящегося материала плутония для вызова цепной ядерной реакции применялся принцип иплозии, «взрыва во внутрь». С помощью системы специальных линз расходящиеся взрывные волны преобразовывались в сходящуюся сферически симметричную ударную волну, резко сжимающую шарик из делящегося материала. Эта схема подразумевает получение сверхкритического состояния путём обжатия делящегося материала сфокусированной ударной волной, создаваемой взрывом обычной химической взрывчатки, которой для фокусировки придаётся весьма сложная форма и подрыв производится одновременно в нескольких точках с прецизионной точностью. По этой схеме работала бомба "Толстяк" (FatMan), сброшенная на японский город Нагасаки. Применение схемы имплозии к урану позволило создать компактное тактическое оружие – артиллерийские снаряды, мины и т.п.
Самый малогабаритный ядерный боеприпас - артиллерийский 152-миллиметровый снаряд. Выдерживает перегрузки артиллерийского выстрела без разрушений и потери характеристик. Разработан в обводах штатного осколочно-фугасного снаряда к самоходной пушке.
Для создания имплозивного ядерного боеприпаса требуется менее 15 кг оружейного урана (обогащение более 90%). Однако для создания ядерного оружия можно использовать менее обогащённый уран, если прибегнуть к схеме имплозии.
Нейтронное оружие – разновидность ядерного оружия, в котором искусственно увеличена доля энергии взрыва, выделяющаяся в виде нейтронного излучения. Предназначено для поражения живой силы и вооружения противника при ограничения поражающих воздействий ударной волны и светового излучения. Относится к оружию массового поражения.
Н ейтронный заряд конструктивно представляет собой обычный ядерный заряд малой мощности, к которому добавлен блок, содержащий небольшое количество термоядерного топлива (смесь дейтерия и трития). При подрыве взрывается основной ядерный заряд, энергия которого используется для запуска термоядерной реакции. Большая часть энергии взрыва при применении нейтронного оружия выделяется в результате запущенной реакции синтеза. Конструкция заряда такова, что до 80% энергии взрыва составляет энергия потока быстрых нейтронов, и только 20% приходится на остальные поражающие факторы (ударную волну, электромагнитное и световое излучение).
Мощный поток нейтронов не задерживается обычной стальной бронёй и намного сильнее проникает сквозь преграды, чем рентгеновское или γ-излучение, не говоря уже об α- и β- частицах. Благодаря этому нейтронное оружие способно поражать живую силу противника на значительном расстоянии от эпицентра взрыва и в укрытиях, даже там, где обеспечивается надёжная защита от обычного ядерного взрыва. Поражающее действие нейтронного оружия на технику обусловлено взаимодействием нейтронов с конструкционными материалами и радиоэлектронной аппаратурой, что приводит к появлению наведённой радиоактивности и, как следствие, нарушению функционирования. В биологических объектах под действием излучения происходит ионизация живой ткани, приводящая к нарушению жизнедеятельности отдельных систем и организма в целом, развитию лучевой болезни. На людей действует как само нейтронное излучение, так и наведённая радиация. В технике под действием потока нейтронов могут образовываться мощные и долго действующие источники радиоактивности, приводящие к поражению людей в течение длительного времени после взрыва. Так, например, экипаж танка Т-72, находящегося в 700 м от эпицентра нейтронного взрыва мощностью в 1 кт, мгновенно получит безусловно смертельную дозу облучения и погибнет в течение нескольких минут. Но если этот танк после взрыва начать использовать снова (физически он почти не пострадает), то наведённая радиоактивность приведёт к получению новым экипажем смертельной дозы радиации в течение суток. Из-за сильного поглощения и рассеивания нейтронов в атмосфере дальность поражения нейтронным излучением, по сравнению с дальностью поражения незащищённых целей ударной волной от взрыва обычного ядерного заряда той же мощности, невелика. Поэтому изготовление нейтронных зарядов высокой мощности нецелесообразно - излучение всё равно не дойдёт дальше, а прочие поражающие факторы окажутся снижены. Нейтронные боеприпасы имеют мощность не более 1 кт. Подрыв такого боеприпаса даёт зону поражения нейтронным излучением радиусом около 1,5 км (незащищённый человек получит опасную для жизни дозу радиации на расстоянии 1350 м). Вопреки распространённому мнению, нейтронный взрыв вовсе не оставляет материальные ценности невредимыми: зона сильных разрушений ударной волной для того же килотонного заряда имеет радиус около 1 км.
С точки зрения урановых технологий, изготовление зарядов нейтронных бомб имеет ряд особенностей, но мы здесь на них останавливаться не будем. Не станем мы рассматривать и роль урана в системах накачки военных гамма- и рентгеновских лазеров. Интересующимся этими вопросами можно рекомендовать просмотр курса ЯДЕРНАЯ ИНДУСТРИЯ. Document Outline
жүктеу/скачать 0,92 Mb. Достарыңызбен бөлісу:
|