Многие слышали о реакторах на тепловых и быстрых нейтронах, но, как видно из приведенного ниже комментария, совсем немногие, даже те, кто интересуется этой темой, понимают в чем разница и в чем природа этой разницы.
Между тем, объяснить это можно буквально на основе классической школьной физики.
Заблуждение и его причина
Заблуждение о том, что давление как-то влияет на скорость ядерных реакций в корне неверно и, видимо, проистекает из нашего "повседневного" опыта, что давлением ( как результат взрыва, удара молотка/пули) можно спровоцировать детонацию обычных взрывчатых веществ.
Так же, видимо, играет роль то, что для начала ядерной реакции в ядерном оружии используется взрыв обычной взрывчатки.
Но взрыв используется только как средство быстрой доставки ядерных зарядов в область их взаимодействия и начала цепной ядерной реакции.
При этом, сам взрыв никак не влияет/изменяет плотность делящегося материала /ядерного заряда, так как это твердые вещества, а только изменяет "среднюю плотность" - объем который изначально занимали части ядерного заряда, разнесенные на некоторое расстояние друг от друга.
Что такое тепловые и быстрые нейтроны
Быстрые (высокоэнергетические) нейтроны, которые, в том числе могут рождаться при ядерных рациях, при взаимодействии со средой, через которую они летят, испытывают соударения с частицами этой среды и теряют свою энергию.
Но, как и молекулы воздуха скажем, они не теряют ее до полного нуля,
Наоборот, медленные (холодные) нейтроны будут нагреваться, получая энергию от частиц среды.
Это напоминает ситуацию, когда вы открываете холодильник или наоборот дверь парной и молекулы холодного/горячего воздуха смешивается с воздухом комнатной температуры и выравнивают свою температуру с температурой среды.
Что такое цепная реакция и условия ее возникновения
Цепная ядерная реакция происходит в том случае, если ядром захватывается нейтрон, в результате, чего ядро делится, попутно порождая более одного нейрона, которые опять захватываются другими, пока еще целыми ядрами.Нейтроны "размножаются" по экспоненте.
Например, в случае если каждый раз рождается 2 нейтрона и все они захватываются другими ядрами, получается следующая последовательность1-2-4-8-16-32-64-128-256-512-1024-2048-4096-8192-16384-32768-...
Как видно, всего за 15 поколений, если каждый раз рождается 2 нейтрона, количество вырастает в 30000 раз!
А с учетом того, что характерное время распада ядра после поглощения нейтрона 10⁻¹⁴ секунды, и начавшись с одного нейтрона за 80 поколений происходит вовлечение 2⁸⁰ атомов ≈ 10²⁴ атомов ≈ 1 моль вещества.
Например, для ²³⁵U 1 моль = 235 грамм. То есть, за время порядка 10⁻¹² секунды происходит деление вполне макроскопического количества вещества и получается взрыв.
Еще раз образу внимание, что данный расчет носит гипотетический характер, не учитывая существенные отличия такого процесса от реального, когда и часть нейтронов покидает зону реакции, существуют разные каналы распада с разным количеством нейтронов, не все вещество вступает в реакцию и так далее.
На пути этой "красивой" картинки стоит то, что процесс захвата носит вероятностный характер, как и с динозаврами)).
- Какая вероятность, что выйдя на улицу вы встретите динозавра?
- 50%!
- Это как??
- Ну либо встречу, либо нет!))
Если кто вдруг не понял, это шутка и такой подсчет вероятности не является правильным))
Тем не менее, часть нейтронов успевает покинуть зону реакции (ядерный заряд) и не вызывает цепной реакции.
Цепная реакция получается когда итоговый коэффициент рожденных и поглощенных нейтронов больше 1.
То есть, если в каждой реакции распада рождается, например, строго 2 нейтрона, но строго половина нейтронов покидает зону реакции, то цепной реакции не получится, так как 2 х 0,5 = 1
Разница между тепловыми и быстрыми нейтронами
Захват нейтрона ядром ²³⁵U и последующий его (ядра) распад/деление лучше происходит с медленными нейтронами, чем с быстрыми. Это как-то противоречит нашему повседневному опыту - чем быстрее движется объект, тем более разрушительные будут последствия его столкновения с другими объектами.
Между тем, это легко объяснить в рамках простой классической школьной физики.
Одно из объяснений такое: быстрые нейтроны не успевают взаимодействовать с ядрами и покидают зону реакции.
В целом это объяснение верно. Но если рассмотреть единичное ядро и единичный нейтрон, то оно становится менее очевидным.
Тем не менее, если использовать аналогию с падением или пролетом мимо Земли метеоритов, то все становится очевидным.
Очень быстрые метеориты пролетают мимо Земли, которая не успевает, из-за их скорости изменить их траекторию и притянуть их к себе (захватить).
Это не значит, что быстрые метеориты совсем не могут упасть на Землю, но для этого их начальный вектор скорости должен быть строго направлен на Землю.
Медленные же метеориты, притягиваться Землей и падают на нее.
В предельном случае, когда метеорит имеет нулевую начальную скорость, он будет захвачен Землей из любой начальной точки пространства (бесконечное сечение захвата).
Надеюсь вам понятно это простое объяснение.
Ядерный взрыв головного мозга
Ну а если вам все стало понятно, осталось объяснить почему ²³⁸U имеет прямо противоположный эффект - ядра не делятся тепловым нейтронами, но делятся под действие быстрых нейтронов, на чем и основывается принцип работы перспективных реакторов на быстрых нейтронах.😂
