واکنش زنجیره ای شکافت و راکتور هسته ای. واکنش های زنجیره ای

واکنش هسته ای زنجیره ای- دنباله ای از واکنش های هسته ای منفرد، که هر یک توسط ذره ای ایجاد می شود که به عنوان محصول واکنش در مرحله قبلی دنباله ظاهر می شود. نمونه‌ای از واکنش زنجیره‌ای هسته‌ای، واکنش زنجیره‌ای از شکافت هسته‌های عناصر سنگین است که در آن اکثر رویدادهای شکافت توسط نوترون‌های به‌دست‌آمده در طی شکافت هسته‌ای در نسل قبلی آغاز می‌شوند.

یوتیوب دانشگاهی

1 / 3

فیزیک هسته ای. واکنش های هسته ای واکنش زنجیره ای شکافت هسته ای NPP

نیروهای هسته ای انرژی اتصال ذرات در هسته شکافت هسته اورانیوم واکنش زنجیره ای

واکنش های هسته ای

زیرنویس

مکانیسم انتشار انرژی

تبدیل یک ماده با آزاد شدن همراه است انرژی آزادفقط در صورتی که ماده دارای ذخیره انرژی باشد. دومی به این معنی است که ریز ذرات ماده در حالتی هستند که انرژی استراحت آن بیشتر از حالت ممکن دیگری است که انتقال به آن وجود دارد. یک انتقال خود به خودی همیشه توسط یک مانع انرژی مانع می شود، برای غلبه بر آن یک ریزذره باید مقدار معینی انرژی - انرژی تحریک را از خارج دریافت کند. واکنش اگزوانرژیک در این واقعیت است که در تبدیل پس از تحریک، انرژی بیشتری از آنچه برای تحریک فرآیند لازم است آزاد می شود. دو راه برای غلبه بر سد انرژی وجود دارد: یا به دلیل انرژی جنبشی ذرات در حال برخورد، یا به دلیل انرژی اتصال ذره در حال اتصال.

اگر مقیاس‌های ماکروسکوپی آزاد شدن انرژی را در نظر داشته باشیم، انرژی جنبشی لازم برای برانگیختن واکنش‌ها باید تمام یا، اولاً، حداقل بخشی از ذرات ماده را داشته باشد. این تنها زمانی قابل دستیابی است که دمای محیط به مقداری افزایش یابد که در آن انرژی حرکت حرارتی به مقدار آستانه انرژی نزدیک شود، که روند فرآیند را محدود می کند. در مورد تبدیل‌های مولکولی، یعنی واکنش‌های شیمیایی، چنین افزایشی معمولاً صدها کلوین است، در مورد واکنش‌های هسته‌ای، این حداقل 107 K است به دلیل قد عالیموانع کولنی از برخورد هسته ها. تحریک حرارتی واکنش‌های هسته‌ای در عمل فقط در سنتز سبک‌ترین هسته‌ها تحقق می‌یابد، که برای آن موانع کولن حداقل هستند (همجوشی گرما هسته‌ای).

تحریک با اتصال ذرات به انرژی جنبشی زیادی نیاز ندارد، و بنابراین، به دمای محیط بستگی ندارد، زیرا به دلیل پیوندهای استفاده نشده ذاتی ذرات نیروهای جاذبه رخ می دهد. اما از سوی دیگر، خود ذرات برای تحریک واکنش ها مورد نیاز هستند. و اگر دوباره نه یک عمل واکنش جداگانه، بلکه تولید انرژی در مقیاس ماکروسکوپی را در نظر داشته باشیم، آنگاه این تنها زمانی امکان پذیر است که یک واکنش زنجیره ای رخ دهد. مورد دوم زمانی به وجود می آید که ذرات تحریک کننده واکنش دوباره به عنوان محصولات یک واکنش برون انرژی ظاهر شوند.

واکنش های زنجیره ای

واکنش های زنجیره ایگسترده در میان واکنش های شیمیایی، که در آن نقش ذرات با پیوندهای استفاده نشده توسط اتم ها یا رادیکال های آزاد انجام می شود. مکانیسم واکنش زنجیره ای در طول دگرگونی های هسته ای می تواند توسط نوترون هایی ارائه شود که مانع کولنی ندارند و هسته ها را در هنگام جذب تحریک می کنند. ظهور یک ذره ضروری در محیط باعث ایجاد زنجیره‌ای از واکنش‌های متوالی یکی پس از دیگری می‌شود که تا پایان زنجیره به دلیل از بین رفتن ذره حامل واکنش ادامه می‌یابد. دو دلیل اصلی برای تلفات وجود دارد: جذب یک ذره بدون انتشار ذره ثانویه و خروج ذره به خارج از حجم ماده پشتیبان فرآیند زنجیره. اگر در هر عمل واکنش فقط یک ذره حامل ظاهر شود، واکنش زنجیره ای نامیده می شود بدون شاخه... یک واکنش زنجیره ای بدون شاخه نمی تواند منجر به آزادسازی انرژی در مقیاس بزرگ شود.

اگر در هر عمل واکنش یا در برخی از حلقه‌های زنجیره بیش از یک ذره وجود داشته باشد، یک واکنش زنجیره‌ای منشعب به وجود می‌آید، زیرا یکی از ذرات ثانویه زنجیره آغاز شده را ادامه می‌دهد، در حالی که برخی دیگر زنجیره‌های جدیدی را دوباره آن شاخه می‌دهند. درست است، فرآیندهایی که منجر به گسستن زنجیره می‌شوند با فرآیند انشعاب رقابت می‌کنند، و وضعیت نوظهور باعث ایجاد پدیده‌های محدودکننده یا بحرانی ویژه واکنش‌های زنجیره‌ای شاخه‌دار می‌شود. اگر تعداد مدارهای باز از تعداد مدارهای جدید ظاهر شده بیشتر باشد، پس واکنش زنجیره ای خودپایدار(SCR) غیر ممکن است. حتی اگر با وارد کردن مقدار معینی از ذرات ضروری به محیط به طور مصنوعی برانگیخته شود، از آنجایی که تعداد زنجیره ها در این مورد فقط می تواند کاهش یابد، روندی که شروع شده است به سرعت از بین می رود. اگر تعداد زنجیره‌های جدید تشکیل‌شده از تعداد گسست‌ها بیشتر شود، واکنش زنجیره‌ای با ظاهر شدن حداقل یک ذره اولیه به سرعت در سراسر حجم ماده پخش می‌شود.

منطقه ای از حالت های ماده با ایجاد یک واکنش زنجیره ای خودپایدار از منطقه ای که در آن واکنش زنجیره ای به طور کلی غیرممکن است، جدا می شود. شرایط بحرانی... یک شرایط بحرانی با برابری بین تعداد مدارهای جدید و تعداد شکست ها مشخص می شود.

دستیابی به یک حالت بحرانی توسط تعدادی از عوامل تعیین می شود. شکافت یک هسته سنگین توسط یک نوترون برانگیخته می شود و در نتیجه عمل شکافت، بیش از یک نوترون ظاهر می شود (مثلاً برای 235 U، تعداد نوترون های متولد شده در یک عمل شکافت به طور متوسط از 2 تا 3 است). . در نتیجه، فرآیند شکافت می تواند منجر به یک واکنش زنجیره ای شاخه ای شود که توسط نوترون ها انجام می شود. اگر سرعت تلفات نوترون (گرفتن بدون شکافت، خروج از حجم واکنش و غیره) سرعت ضرب نوترون را به گونه‌ای جبران کند که ضریب ضرب موثر نوترون دقیقاً یکسان باشد، واکنش زنجیره‌ای در حالت ساکن انجام می‌شود. . معرفی بازخوردهای منفی بین ضریب ضرب مؤثر و سرعت آزاد شدن انرژی امکان یک واکنش زنجیره ای کنترل شده را فراهم می کند که برای مثال در انرژی هسته ای استفاده می شود. اگر ضریب ضرب بزرگتر از یک باشد، واکنش زنجیره ای به صورت تصاعدی ایجاد می شود. از واکنش زنجیره ای شکافت کنترل نشده استفاده می شود

یک واکنش زنجیره ای یک واکنش شیمیایی خودپایدار است که در آن محصولات ظاهر شده در ابتدا در تشکیل محصولات جدید شرکت می کنند. واکنش های زنجیره ای معمولاً با سرعت زیاد پیش می روند و اغلب ویژگی انفجار دارند.

واکنش های زنجیره ای از سه مرحله اصلی عبور می کنند: هسته سازی (شروع)، توسعه و خاتمه زنجیره.

برنج. 9.13. مشخصات انرژی واکنش (گرافی از انرژی پتانسیل در مقابل مختصات واکنش) که حداقلی را نشان می دهد که مربوط به تشکیل یک واسطه واکنش است.

مرحله شروع در این مرحله تشکیل مواد واسطه (محصولات واسطه) اتفاق می افتد. واسطه ها می توانند اتم ها، یون ها یا مولکول های خنثی باشند. شروع را می توان با نور، تابش هسته ای، انرژی حرارتی (حرارتی)، آنیون ها یا کاتالیزورها انجام داد.

مرحله توسعه در این مرحله، واسطه ها با معرف های شروع کننده واکنش می دهند تا واسطه ها و محصولات نهایی جدید را تشکیل دهند. مرحله رشد در واکنش های زنجیره ای بارها تکرار می شود که منجر به تشکیل می شود تعداد زیادیمحصولات نهایی و میانی

مرحله شکستن زنجیره در این مرحله مصرف نهایی محصولات واسطه ای یا تخریب آنها اتفاق می افتد. در نتیجه واکنش متوقف می شود. واکنش زنجیره ای می تواند خود به خود یا تحت تأثیر مواد خاص - بازدارنده ها از بین برود.

واکنش های زنجیره ای بازی می کنند نقش مهمدر بسیاری از شاخه های شیمی، به ویژه در فتوشیمی، شیمی احتراق، شکافت هسته ای و واکنش های همجوشی هسته ای (به فصل 1 مراجعه کنید)، در شیمی آلی (به فصل 17-20 مراجعه کنید).

فتوشیمی

این بخش از شیمی را پوشش می دهد فرآیندهای شیمیاییمرتبط با تأثیر نور بر یک ماده است. فتوسنتز نمونه ای از فرآیندهای فتوشیمیایی است.

بسیاری از واکنش های زنجیره ای با نور آغاز می شوند. در این مورد، ذره آغازگر یک فوتون است که دارای انرژی است (به بخش 1.2 مراجعه کنید). یک مثال کلاسیک واکنش بین هیدروژن و کلر در حضور نور است

این واکنش انفجاری است. شامل سه مرحله زیر می باشد.

شروع. در این مرحله پیوند کووالانسی در مولکول کلر شکسته می شود و در نتیجه دو اتم تشکیل می شود که هر کدام دارای یک الکترون جفت نشده هستند:

این نوع واکنش همولیز یا تقسیم همولیتیک است (به بخش 17.3 مراجعه کنید). همچنین نمونه ای از فتولیز است. اصطلاح "فتولیز" به معنای تخریب فتوشیمیایی است. دو اتم کلر حاصل از محصولات میانی (واسطه) هستند. آنها رادیکال هستند. رادیکال یک اتم (یا گروهی از اتم ها) با حداقل یک الکترون جفت نشده است. لازم به ذکر است که اگرچه مرحله شروع، کندترین مرحله در واکنش زنجیره ای است، اما سرعت کل واکنش زنجیره ای را تعیین نمی کند.

مرحله توسعه در این مرحله، اتم های کلر با مولکول های هیدروژن واکنش می دهند و محصول نهایی - کلرید هیدروژن و همچنین رادیکال های هیدروژن را تشکیل می دهند. رادیکال های هیدروژن با مولکول های کلر واکنش می دهند. در نتیجه بخش های جدیدی از محصول و رادیکال های کلر جدید تشکیل می شود:

این دو واکنش، با هم مرحله رشد را تشکیل می دهند، میلیون ها بار تکرار می شوند.

مرحله شکستن زنجیره در نتیجه واکنش زنجیره ای در نهایت به پایان می رسد

واکنش هایی مانند

برای جذب انرژی آزاد شده در طی این واکنش های خاتمه زنجیره ای، لازم است جسم سوم دیگری در آنها شرکت کند. این جسم سوم معمولاً دیواره های رگ است که واکنش در آن انجام می شود.

خروجی کوانتومی

جذب یک فوتون نور توسط یک مولکول کلر در واکنش زنجیره ای که در بالا توضیح داده شد می تواند منجر به تشکیل میلیون ها مولکول هیدروژن کلرید شود. نسبت تعداد مولکول‌های محصول به تعداد کوانتوم‌های نوری (فوتون‌های) آغازگر واکنش را بازده کوانتومی می‌گویند. بازده کوانتومی واکنش های فتوشیمیایی می تواند از یک تا چند میلیون متغیر باشد. بازده کوانتومی بالا نشان دهنده ماهیت زنجیره مانند واکنش در حال وقوع است.

فتولیز پالس

این نام تکنیکی است که برای به دست آوردن رادیکال هایی با غلظت کافی برای شناسایی آنها استفاده می شود. در شکل 9.14 یک نمودار ساده از تنظیمات مورد استفاده برای فوتولیز پالسی را نشان می دهد. مخلوط واکنش تحت تأثیر قرار می گیرد

برنج. 9.14. فتولیز پالسی

یک فلاش نور قدرتمند از یک منبع پالسی خاص. چنین منبعی ایجاد فلاش های نور با انرژی تا 105 ژول و با مدت زمان مرتبه s یا کمتر را ممکن می کند. روش‌های مدرن فوتولیز پالسی از لیزرهای پالسی با مدت زمان فلاش حدود یک نانوثانیه (9-10 ثانیه) استفاده می‌کنند. واکنش حاصل از چنین فلاش نور را می توان با ثبت دنباله ای از طیف های جذب نوری مخلوط واکنش دنبال کرد. اولین فلاش با یک سری فلاش ها از یک منبع پالس کم مصرف دنبال می شود. این انفجارها در فواصل حدود میلی ثانیه یا میکروثانیه به دنبال یکدیگر می آیند و اجازه می دهند که طیف جذبی مخلوط واکنش در چنین بازه های زمانی ثبت شود.

احتراق

واکنش با اکسیژن که منجر به آزاد شدن انرژی گرمایی و نور می شود، احتراق نامیده می شود. احتراق معمولاً به صورت توالی پیچیده ای از واکنش های رادیکال انجام می شود.

بیایید احتراق هیدروژن را به عنوان مثال در نظر بگیریم. تحت شرایط خاص، این واکنش به صورت انفجاری پیش می رود. در شکل 9.15 داده های تجربی را برای واکنش یک مخلوط استوکیومتری هیدروژن و اکسیژن در یک راکتور پیرکس ارائه می دهد. بخش سایه دار نمودار مربوط به منطقه انفجاری این واکنش است. برای واکنش احتراق هیدروژن، این بخش از نمودار شکل یک شبه جزیره انفجاری دارد. محدوده انفجار توسط مرزهای انفجار محدود شده است.

برنج. 9.15. شرایط وقوع انفجاری واکنش احتراق هیدروژن:

واکنش زنجیره ای هسته ای- یک واکنش شکافت خودپایدار هسته های سنگین که در آن نوترون ها به طور مداوم بازتولید می شوند و هسته های بیشتری را تقسیم می کنند. در جهات مختلف و دو یا سه نوترون. واکنش های زنجیره ای کنترل شدهدر راکتورهای هسته ای یا بویلرهای هسته ای انجام می شود. در حال حاضر واکنش های زنجیره ای کنترل شدهبر روی ایزوتوپ های اورانیوم-235، اورانیوم-233 (به طور مصنوعی از توریم-232 به دست آمده)، پلوتونیوم-239 (به طور مصنوعی از زخم-238 به دست آمده)، و همچنین پلوتونیوم-241 انجام می شود. یک کار بسیار مهم جداسازی ایزوتوپ آن، اورانیوم 235، از اورانیوم طبیعی است. از همان مراحل اولیه توسعه فناوری هسته ای، استفاده از اورانیوم 235 از اهمیت تعیین کننده ای برخوردار بود، اما تولید آن به شکل خالص آن از نظر فنی دشوار بود، زیرا اورانیوم 238 و اورانیوم 235 از نظر شیمیایی غیرقابل تفکیک هستند.

50. راکتورهای هسته ای. چشم انداز استفاده از انرژی گرما هسته ای

راکتور هسته ایدستگاهی است که در آن یک واکنش زنجیره ای هسته ای کنترل شده همراه با آزاد شدن انرژی انجام می شود. اولین راکتور هسته ای در دسامبر 1942 در ایالات متحده آمریکا به رهبری E. Fermi ساخته و راه اندازی شد. اولین رآکتوری که در خارج از ایالات متحده ساخته شد ZEEP بود که در ۲۵ دسامبر ۱۹۴۶ در کانادا راه اندازی شد. در اروپا، اولین رآکتور هسته ای، نصب F-1 بود که در 25 دسامبر 1946 در مسکو به رهبری I. V. Kurchatov شروع به کار کرد. تا سال 1978، حدود صد راکتور هسته ای در حال حاضر در جهان مشغول به کار بودند. انواع متفاوت... اجزای تشکیل دهنده هر رآکتور هسته ای عبارتند از: یک هسته با سوخت هسته ای که معمولاً توسط یک بازتابنده نوترون احاطه شده است، یک خنک کننده، یک سیستم کنترل واکنش زنجیره ای، حفاظت در برابر تشعشع و یک سیستم کنترل از راه دور. مخزن راکتور در معرض سایش (به ویژه در اثر تشعشعات یونیزان) است. ویژگی اصلی یک راکتور هسته ای قدرت آن است. توان 1 مگاوات مربوط به یک واکنش زنجیره ای است که در آن 3 × 10 16 رویداد شکافت در 1 ثانیه رخ می دهد. تحقیقات در فیزیک پلاسمای با دمای بالا عمدتاً در ارتباط با چشم انداز ایجاد یک راکتور گرما هسته ای انجام می شود. نزدیکترین پارامترها به راکتور، تاسیسات توکامک هستند. در سال 1968 اعلام شد که دمای پلاسما ده میلیون درجه در نصب T-3 به دست آمده است و در توسعه این جهت است که تلاش دانشمندان بسیاری از کشورها در دهه های گذشته متمرکز شده است. کشورهای مختلف tokamak ITER. استفاده کامل از راکتورهای حرارتی هسته ای در مهندسی قدرت در نیمه دوم قرن بیست و یکم مورد انتظار است.علاوه بر توکاماک، انواع دیگری از تله های مغناطیسی برای محدود کردن پلاسمای با دمای بالا وجود دارد، به عنوان مثال، به اصطلاح تله های باز وجود دارد. . به دلیل تعدادی ویژگی، آنها می توانند پلاسمای فشار بالا را نگه دارند و بنابراین چشم اندازهای خوبی به عنوان منابع قدرتمند نوترون های گرما هسته ای و در آینده - به عنوان راکتورهای گرما هسته ای دارند.

موفقیت های به دست آمده در سال های گذشتهدر موسسه فیزیک هسته‌ای SB RAS در مطالعات تله‌های باز متقارن محوری مدرن نشان می‌دهد که این رویکرد امیدوارکننده است. این مطالعات ادامه دارد و همزمان، INP در حال کار بر روی پروژه ای برای تاسیسات نسل بعدی است که در آن امکان نشان دادن پارامترهای پلاسمایی نزدیک به پارامترهای راکتور وجود خواهد داشت.

که در آن ذرات ایجاد کننده آنها و به عنوان محصولات این واکنش ها تشکیل می شوند. چنین واکنشی، شکافت اورانیوم و برخی عناصر فرااورانیومی است (به عنوان مثال، 23 9 Pu) تحت تأثیر نوترون ها. اولین بار توسط E. Fermi در سال 1942 انجام شد. شکافت هسته ها W. Zinn، L. Szilard و G.N. Flerov نشان دادند که در شکافت هسته اورانیوم Uبیش از یک نوترون گسیل می شود: n + U → A + B + v... اینجا آو V- قطعات شکافت با اعداد جرمی A از 90 تا 150، v- تعداد نوترون های ثانویه

ضریب ضرب نوترون... برای ادامه واکنش زنجیره ای، لازم است که میانگین تعداد نوترون های آزاد شده در یک جرم معین اورانیوم با گذشت زمان کاهش نیابد یا اینکه ضریب ضرب نوترون ک بزرگتر یا مساوی یک بود.

ضریب ضرب نوترون نسبت تعداد نوترون های هر نسل به تعداد نوترون های نسل قبل است. تغییر نسل به عنوان شکافت هسته ای درک می شود که در آن نوترون های نسل قدیم جذب می شوند و نوترون های جدید متولد می شوند.

اگر k ≥ 1, سپس تعداد نوترون ها در طول زمان افزایش می یابد یا ثابت می ماند و واکنش زنجیره ای ادامه می یابد. در k> 1تعداد نوترون ها کاهش می یابد و واکنش زنجیره ای غیرممکن است.

به دلایل متعددی، از بین تمام هسته های موجود در طبیعت، تنها هسته های ایزوتوپ برای اجرای یک واکنش زنجیره ای هسته ای مناسب هستند. ضریب ضرب توسط: 1) گرفتن نوترون های آهسته توسط هسته ها و به دنبال آن شکافت و گرفتن نوترون های سریع توسط هسته ها و همچنین با شکافت بعدی تعیین می شود. 2) گرفتن نوترون بدون شکافت توسط هسته اورانیوم. 3) گرفتن نوترون توسط محصولات شکافت، تعدیل کننده و عناصر ساختاری تاسیسات. 4) گسیل نوترون ها از مواد شکافت پذیر به بیرون.

تنها فرآیند اول با افزایش تعداد نوترون ها همراه است. برای یک واکنش حالت پایدار کباید برابر با 1 باشد. قبلاً در k = 1.01یک انفجار تقریباً فوراً رخ خواهد داد.

تشکیل پلوتونیوم... در نتیجه گرفتن یک نوترون توسط ایزوتوپ اورانیوم، یک ایزوتوپ رادیواکتیو با نیمه عمر 23 دقیقه تشکیل می شود. هنگام پوسیدگی، اولین عنصر فراسوره-جدید ظاهر می شود نپتونیوم:

نپتونیوم بتا رادیواکتیو (با نیمه عمر حدود دو روز)، که الکترون ساطع می کند، به الکترون بعدی تبدیل می شود. عنصر فرااورانی — پلوتونیوم:

نیمه عمر پلوتونیوم 24000 سال است و مهمترین خاصیت آن قابلیت شکافت تحت تأثیر نوترون های کند مانند ایزوتوپ است و با کمک پلوتونیوم می توان با آزاد شدن واکنش زنجیره ای انجام داد. مقدار زیادیانرژی.

واکنش زنجیره ای با آزاد شدن انرژی فوق العاده همراه است. شکافت هر هسته 200 مگا ولت آزاد می کند. در شکافت 1 هسته اورانیوم، همان انرژی حاصل از احتراق 3 زغال سنگ یا 2.5 تن نفت آزاد می شود.

مکانیسم واکنش زنجیره ای شکافت را در نظر بگیرید. در شکافت هسته های سنگین تحت تأثیر نوترون ها، نوترون های جدید تولید می شود. به عنوان مثال، با هر شکافت هسته اورانیوم 92 U 235، به طور متوسط 2.4 نوترون تولید می شود. برخی از این نوترون ها دوباره می توانند باعث شکافت هسته ای شوند. چنین فرآیند بهمن مانندی نامیده می شود واکنش زنجیره ای .
واکنش زنجیره ای شکافت در محیطی انجام می شود که در آن فرآیند ضرب نوترون انجام می شود. این محیط نامیده می شود منطقه فعال ... مهمترین کمیت فیزیکی مشخص کننده شدت ضرب نوترون است ضریب ضرب نوترون متوسط k ∞. ضریب ضرب برابر است با نسبت تعداد نوترون های یک نسل به تعداد آنها در نسل قبل. شاخص ∞ این را نشان می دهد می آیددر مورد یک محیط ایده آل با ابعاد بی نهایت. به طور مشابه مقدار k ∞ را تعریف می کنیم ضریب ضرب نوترون در یک سیستم فیزیکی ک. ضریب k مشخصه یک نصب خاص است.
در یک محیط شکافت پذیر با ابعاد محدود، بخشی از نوترون ها از هسته به بیرون می گریزند. بنابراین، ضریب k به احتمال P برای خروج یک نوترون از هسته نیز بستگی دارد. الف- مقدماتی

k = k ∞ P.

(1)

مقدار P به ترکیب هسته، اندازه، شکل آن و همچنین به میزان بازتاب نوترون ها توسط ماده اطراف هسته بستگی دارد.
احتمال فرار نوترون از هسته همراه است مفاهیم مهمجرم بحرانی و ابعاد بحرانی اندازه بحرانی اندازه هسته ای است که در آن k = 1 است. جرم بحرانی جرم هسته ابعاد بحرانی نامیده می شود. بدیهی است که در جرمی زیر جرم بحرانی، واکنش زنجیره ای رخ نمی دهد، حتی اگر> 1. برعکس، بیش از حد قابل توجه جرم بیش از جرم بحرانی منجر به یک واکنش غیرقابل کنترل - یک انفجار می شود.
اگر در نسل اول N نوترون وجود داشته باشد، در نسل n ام Nk n وجود خواهد داشت. بنابراین، برای k = 1، واکنش زنجیره ای ثابت پیش می رود، برای k< 1 реакция гаснет, а при k >1، شدت واکنش افزایش می یابد. برای k = 1، حالت واکنش نامیده می شود بحرانی ، برای k> 1 - فوق بحرانی و برای ک< 1 – زیر بحرانی .
طول عمر یک نسل از نوترون ها به شدت به خواص محیط بستگی دارد و از مرتبه 4-10 تا 10-8 ثانیه است. با توجه به کوچک بودن این زمان، برای اجرای یک واکنش زنجیره ای کنترل شده، باید برابری k = 1 را با دقت زیادی حفظ کرد، زیرا مثلاً در k = 1.01، سیستم تقریباً فوراً منفجر می شود. بیایید ببینیم چه عواملی ضرایب k ∞ و k را تعیین می کنند.
اولین کمیتی که k ∞ (یا k) را تعیین می کند، میانگین تعداد نوترون های گسیل شده در یک رویداد شکافت است. این عدد به نوع سوخت و انرژی نوترون فرودی بستگی دارد. جدول 1 مقادیر ایزوتوپ های اصلی انرژی هسته ای را برای نوترون های حرارتی و سریع (E = 1 MeV) نشان می دهد.

طیف انرژی نوترون های شکافت برای ایزوتوپ 235 U در شکل نشان داده شده است. 1. طیف‌های این نوع برای همه ایزوتوپ‌های شکافت‌پذیر مشابه هستند: در انرژی‌ها گسترش شدیدی وجود دارد که بخش عمده‌ای از نوترون‌ها دارای انرژی در محدوده 1-3 مگا الکترون ولت هستند. نوترون های تولید شده در طول شکافت کند می شوند، در یک فاصله معین منتشر می شوند و با یا بدون شکافت جذب می شوند. بسته به ویژگی های محیط، نوترون ها زمان دارند تا قبل از جذب، سرعت خود را به انرژی های مختلف کاهش دهند. در حضور یک تعدیل کننده خوب، بخش عمده ای از نوترون ها زمان کاهش سرعت خود را دارند تا انرژی های حرارتی 0.025 eV را کاهش دهند. در این حالت واکنش زنجیره ای نامیده می شود آهسته. تدریجی، یا، که یکسان است، حرارتی... در غیاب تعدیل‌کننده خاص، نوترون‌ها فقط تا انرژی‌های 0.1-0.4 مگا ولت زمان دارند تا سرعت خود را کاهش دهند، زیرا همه ایزوتوپ‌های شکافت‌پذیر سنگین هستند و بنابراین سرعتشان ضعیف است. واکنش های زنجیره ای مربوطه نامیده می شود سریع(ما تاکید می کنیم که القاب "سریع" و "آهسته" مشخص کننده سرعت نوترون ها هستند، نه سرعت واکنش). واکنش های زنجیره ای که در آن نوترون ها به انرژی از ده ها به یک کو کاهش می یابند، نامیده می شوند. حد واسط .
هنگامی که یک نوترون با یک هسته سنگین برخورد می کند، جذب تابشی یک نوترون (n, γ) همیشه امکان پذیر است. این فرآیند با شکافت رقابت می کند و در نتیجه ضریب ضرب را کاهش می دهد. از این رو، نتیجه می شود که دومین کمیت فیزیکی مؤثر بر ضرایب k ∞، k احتمال شکافت زمانی است که یک نوترون توسط یک هسته ایزوتوپی شکافت پذیر دستگیر شود. این احتمال برای نوترون های تک انرژی آشکارا برابر است با

(2)

که در آن nf، nγ به ترتیب مقطع شکافت و جذب تشعشعی هستند. برای در نظر گرفتن هم‌زمان تعداد نوترون‌ها در هر رویداد شکافت و احتمال جذب تشعشعی، ضریب η معرفی می‌شود که برابر با میانگین تعداد نوترون‌های ثانویه در هر نوترون جذب شده توسط یک هسته شکافت‌پذیر است.

(3)

مقدار η بستگی به نوع سوخت و انرژی نوترون دارد. مقادیر η برای مهم ترین ایزوتوپ ها برای نوترون های حرارتی و سریع در همین جدول آورده شده است. 1. کمیت η مهم ترین مشخصه هسته های سوخت است. یک واکنش زنجیره ای فقط می تواند در η> 1 رخ دهد. هر چه مقدار η بالاتر باشد، کیفیت سوخت بالاتر است.

جدول 1. مقادیر ν, η برای ایزوتوپ های شکافت پذیر

هسته		92 U 233	92 U 235	94 Pu 239
نوترون های حرارتی (E = 0.025 eV)	ν	2.52	2.47	2.91
نوترون های حرارتی (E = 0.025 eV)	η	2.28	2.07	2.09
نوترون های سریع (E = 1 MeV)	ν	2.7	2.65	3.0
نوترون های سریع (E = 1 MeV)	η	2.45	2.3	2.7

کیفیت سوخت هسته ای با در دسترس بودن آن و ضریب η تعیین می شود. در طبیعت، تنها سه ایزوتوپ وجود دارد که می توانند به عنوان سوخت هسته ای یا مواد خام برای تولید آن عمل کنند. این ایزوتوپ توریم 232 Th و ایزوتوپ های اورانیوم 238 U و 235 U است. از این میان، دو مورد اول واکنش های زنجیره ای ندارند، اما می توانند به ایزوتوپ هایی تبدیل شوند که واکنش روی آنها انجام می شود. ایزوتوپ 235 U خود باعث ایجاد یک واکنش زنجیره ای می شود. V پوسته زمینتوریم چندین برابر اورانیوم است. توریم طبیعی عملا تنها از یک ایزوتوپ به نام 232 Th تشکیل شده است. اورانیوم طبیعی عمدتاً از ایزوتوپ 238 U و تنها 0.7 درصد از ایزوتوپ 235 U تشکیل شده است.
در عمل، مسئله امکان‌پذیری یک واکنش زنجیره‌ای روی مخلوط طبیعی ایزوتوپ‌های اورانیوم بسیار مهم است، که در آن 140238 هسته در هر هسته 235 U وجود دارد. اجازه دهید نشان دهیم که در یک مخلوط طبیعی یک واکنش آهسته ممکن است، اما سریع نیست. برای در نظر گرفتن واکنش زنجیره ای در یک مخلوط طبیعی، معرفی یک مقدار جدید راحت است - متوسط سطح مقطع جذب نوترون، که به یک هسته از ایزوتوپ 235 U اشاره دارد.

برای نوترون های حرارتی، = 2.47، = 580 انبار، = 112 انبار، = 2.8 انبار (به کوچکی آخرین مقطع توجه کنید). با جایگزینی این اعداد در (5)، متوجه می‌شویم که برای نوترون‌های کند در یک مخلوط طبیعی

این بدان معناست که 100 نوترون حرارتی که در مخلوط طبیعی جذب می شود، 132 نوترون جدید ایجاد می کند. از این به طور مستقیم نتیجه می شود که یک واکنش زنجیره ای روی نوترون های آهسته، در اصل، روی اورانیوم طبیعی امکان پذیر است. در اصل، زیرا برای اجرای واقعی یک واکنش زنجیره ای، باید بتوان نوترون ها را با تلفات کم کاهش داد.
برای نوترون های سریع، ν = 2.65، 2 انبار، 0.1 انبار. اگر شکافت را فقط در ایزوتوپ 235 U در نظر بگیریم، بدست می آوریم

235 (سریع) 0.3.

(7)

اما این را نیز باید در نظر گرفت که نوترون های سریع با انرژی های بالاتر از 1 MeV می توانند هسته های ایزوتوپ 238 U را با شدت نسبی قابل توجهی تقسیم کنند که در مخلوط طبیعی بسیار فراوان است. برای تقسیم بر 238 U، ضریب تقریباً 2.5 است. در طیف شکافت، حدود 60 درصد نوترون‌ها دارای انرژی بالاتر از آستانه مؤثر 1.4 مگا الکترون ولت برای شکافت 238 U هستند. اما از این 60 درصد، تنها یک نوترون از هر 5 نوترون موفق به شکافت بدون کاهش سرعت به انرژی کمتر از آستانه می‌شود. به پراکندگی الاستیک و به خصوص غیر کشسان. از این رو، برای ضریب 238 (سریع)، برآورد را بدست می آوریم

بنابراین، یک واکنش زنجیره ای در یک مخلوط طبیعی (U235 + 238 U) نمی تواند با نوترون های سریع ادامه یابد. به طور تجربی ثابت شده است که برای فلز اورانیوم خالص، ضریب ضرب در غنای 5.56 درصد به واحد می رسد. در عمل، معلوم می شود که واکنش سریع نوترون را می توان تنها در یک مخلوط غنی شده که حداقل 15 درصد از ایزوتوپ 235 U را در خود دارد حفظ کرد.
مخلوط طبیعی ایزوتوپ‌های اورانیوم را می‌توان با ایزوتوپ 235 U غنی‌سازی کرد. غنی‌سازی فرآیندی پیچیده و پرهزینه است، زیرا خواص شیمیاییهر دو ایزوتوپ تقریباً یکسان هستند. ما باید از تفاوت های کوچک در سرعت واکنش های شیمیایی، انتشار و غیره که ناشی از تفاوت در جرم ایزوتوپ ها است استفاده کنیم. واکنش زنجیره ای برای 235 U تقریبا همیشه در محیطی با محتوای بالا 238 U. معمولاً از مخلوط طبیعی ایزوتوپ‌ها استفاده می‌شود که برای آن η = 1.32 در ناحیه نوترون‌های حرارتی است، زیرا 238 U نیز مفید است. ایزوتوپ 238 U توسط نوترون هایی با انرژی بالاتر از 1 مگا ولت شکافته می شود. این شکافت منجر به ضرب اضافی کوچکی از نوترون ها می شود.
اجازه دهید واکنش های زنجیره ای شکافت را روی نوترون های حرارتی و سریع مقایسه کنیم.
برای نوترون های حرارتی، سطح مقطع جذب بزرگ است و در هنگام عبور از یک هسته به هسته دیگر بسیار متفاوت است. بر روی هسته برخی از عناصر (مثلاً روی کادمیوم)، این مقاطع صدها و بیشتر از سطح مقطع 235 U بیشتر است. بنابراین، الزامات خلوص بالا بر روی هسته تاسیسات نوترونی حرارتی با توجه به برخی موارد اعمال می شود. ناخالصی ها
برای نوترون های سریع تمام مقاطع جذبی کوچک بوده و تفاوت چندانی با یکدیگر ندارند تا مشکل خلوص بالای مواد به وجود نیاید. یکی دیگر از مزایای واکنش های سریع سرعت تولید مثل بالاتر است.
یکی از ویژگی‌های متمایز مهم واکنش‌های حرارتی این است که سوخت در هسته بسیار رقیق‌تر است، یعنی هسته‌های بیشتری وجود دارد که در شکافت هر یک از هسته‌های سوختی نسبت به واکنش سریع شرکت نمی‌کنند. به عنوان مثال، در یک واکنش حرارتی روی اورانیوم طبیعی، 140 هسته از مواد خام 238 U بر روی هسته سوخت 235 U می‌افتد و در واکنش سریع، بیش از 5 تا 6 هسته 238 U نمی‌تواند روی هسته 235 U بیفتد. و همان انرژی در یک واکنش حرارتی در حجم بسیار بیشتری از ماده نسبت به واکنش سریع آزاد می شود. بنابراین، حذف گرما از منطقه فعال واکنش حرارتی آسان تر است، که انجام این واکنش را با شدت بیشتری نسبت به واکنش سریع ممکن می کند.
طول عمر یک نسل از نوترون ها برای یک واکنش سریع چندین مرتبه کوتاه تر از یک واکنش حرارتی است. بنابراین، سرعت واکنش سریع می تواند در مدت زمان بسیار کوتاهی پس از تغییر در شرایط فیزیکی در هسته تغییر قابل توجهی داشته باشد. در کار معمولیدر راکتور، این اثر ناچیز است، زیرا در این مورد، حالت عملیاتی با طول عمر نوترون‌های تاخیری و نه سریع تعیین می‌شود.
در یک محیط همگن که فقط از ایزوتوپ های شکافت پذیر از یک نوع تشکیل شده است، ضریب ضرب برابر با η خواهد بود. با این حال، در موقعیت های واقعی، علاوه بر هسته های شکافت پذیر، همیشه هسته های غیرقابل شکافت دیگری نیز وجود دارند. این هسته های خارجی نوترون ها را جذب می کنند و در نتیجه بر ضریب ضرب تأثیر می گذارند. از این رو نتیجه می شود که کمیت سومی که ضرایب k ∞، k را تعیین می کند، احتمال این است که یک نوترون توسط یکی از هسته های شکافت ناپذیر دستگیر نشود. در نصب‌های واقعی، ضبط «خارجی» روی هسته‌های تعدیل‌کننده، روی هسته‌های مختلف رخ می‌دهد. عناصر ساختاریو همچنین بر روی هسته محصولات شکافت و محصولات جذب.
برای انجام یک واکنش زنجیره ای روی نوترون های آهسته، مواد خاصی به هسته وارد می شوند - تعدیل کننده ها، که نوترون های شکافت را به گرما تبدیل می کنند. در عمل، واکنش زنجیره ای بر روی نوترون های آهسته بر روی اورانیوم طبیعی یا کمی غنی شده در ایزوتوپ 235 U انجام می شود. وجود مقدار زیادی ایزوتوپ 238 U در هسته فرآیند کاهش سرعت را پیچیده می کند و الزامات بالایی را بر کیفیت تعدیل کننده الزامی می کند. عمر یک نسل از نوترون ها در یک هسته معتدل را می توان تقریباً به دو مرحله تقسیم کرد: کاهش سرعت به انرژی های حرارتی و انتشار c. نرخ حرارتی قبل از جذب برای اینکه بخش اصلی نوترون ها بدون جذب زمان داشته باشد تا سرعت خود را کاهش دهد، باید شرایط را برآورده کرد.

که σ el، σ گرفتن به ترتیب مقاطع انرژی متوسط برای پراکندگی و جذب الاستیک هستند و n تعداد برخوردهای یک نوترون با هسته های تعدیل کننده مورد نیاز برای دستیابی به انرژی حرارتی است. عدد n با افزایش تعداد جرمی تعدیل کننده به سرعت رشد می کند. برای اورانیوم 238 U، عدد n از مرتبه چند هزار است. و نسبت جذب σ el / σ برای این ایزوتوپ، حتی در یک منطقه نسبتا مطلوب از انرژی های نوترون های سریع، از 50 تجاوز نمی کند. منطقه به اصطلاح تشدید از 1 کو تا 1 eV به ویژه در رابطه با نوترون "خطرناک" است. گرفتن. در این ناحیه، سطح مقطع کل برای برهمکنش یک نوترون با 238 هسته U دارای تعداد زیادی رزونانس شدید است (شکل 2). در انرژی های کم، عرض تابش از عرض نوترونی بیشتر می شود. بنابراین، در منطقه تشدید، نسبت σ el / σ گرفتن حتی کمتر از واحد می شود. این بدان معناست که وقتی نوترون وارد ناحیه یکی از تشدیدها می شود، با احتمال تقریباً صد درصد جذب نوترون می شود. و از آنجایی که کاهش سرعت در چنین هسته سنگین‌تری مانند اورانیوم در «گام‌های کوچک» پیش می‌رود، پس هنگام عبور از ناحیه تشدید، نوترون تعدیل‌کننده مطمئناً روی یکی از رزونانس‌ها «تلوغ می‌خورد» و جذب می‌شود. از این رو، نتیجه می شود که یک واکنش زنجیره ای را نمی توان روی اورانیوم طبیعی بدون ناخالصی انجام داد: واکنش روی نوترون های سریع به دلیل کوچک بودن ضریب η انجام نمی شود و نوترون های آهسته نمی توانند تشکیل شوند. به منظور جلوگیری از جذب نوترون تشدید برای کاهش سرعت باید از هسته های بسیار سبک استفاده کرد، که در آن کاهش سرعت در "گام های بزرگ" است، که به شدت احتمال "لغزش" موفقیت آمیز یک نوترون را از طریق منطقه انرژی تشدید افزایش می دهد. بهترین عناصر تعدیل کننده هیدروژن، دوتریوم، بریلیم و کربن هستند. بنابراین، تعدیل کننده های مورد استفاده در عمل عمدتاً به آب سنگین، بریلیم، اکسید بریلیم، گرافیت و همچنین آب معمولی کاهش می یابد که سرعت نوترون ها را بدتر از آب سنگین کاهش نمی دهد، اما آنها را در مقادیر بسیار بیشتری جذب می کند. کندگیر باید به خوبی تمیز شود. توجه داشته باشید که برای اینکه یک واکنش آهسته رخ دهد، تعدیل کننده باید ده ها یا حتی صدها برابر بزرگتر از اورانیوم باشد تا از برخورد رزونانسی نوترون ها با هسته های 238 U جلوگیری شود.

خواص کاهش‌دهنده محیط فعال را می‌توان تقریباً با سه مقدار توصیف کرد: احتمال جلوگیری از جذب نوترون توسط تعدیل‌کننده در طول کاهش سرعت، احتمال p اجتناب از جذب تشدید توسط 238 هسته U، و احتمال f جذب یک نوترون حرارتی. توسط هسته سوخت به جای تعدیل کننده. مقدار f را معمولاً ضریب می نامند استفاده حرارتی... محاسبه دقیق این مقادیر دشوار است. معمولاً برای محاسبه آنها از فرمول های نیمه تجربی تقریبی استفاده می شود.

مقادیر p و f نه تنها به مقدار نسبی تعدیل کننده، بلکه به هندسه قرارگیری آن در هسته نیز بستگی دارد. هسته متشکل از مخلوط همگن اورانیوم و تعدیل کننده، همگن نامیده می شود و سیستم بلوک های متناوب آنها از اورانیوم و تعدیل کننده، ناهمگن نامیده می شود (شکل 4). یک سیستم کیفی ناهمگن با این واقعیت متمایز می شود که در آن نوترون سریع تشکیل شده در اورانیوم موفق می شود بدون رسیدن به انرژی های تشدید به سمت تعدیل کننده فرار کند. کاهش سرعت بیشتر در یک تعدیل کننده خالص اتفاق می افتد. این احتمال p اجتناب از به دام افتادن رزونانس را افزایش می دهد

p het> p hom.

از سوی دیگر، برعکس، با تبدیل شدن به حرارت در تعدیل‌کننده، نوترون باید برای شرکت در واکنش زنجیره‌ای، بدون جذب در تعدیل‌کننده خالص، تا مرز خود منتشر شود. بنابراین، ضریب استفاده حرارتی f در یک محیط ناهمگن کمتر از یک محیط همگن است:

f gett< f гом.

برای تخمین ضریب ضرب k ∞ یک راکتور حرارتی، یک عدد تقریبی فرمول چهار عامل

k ∞ = η pfε .

(11)

ما قبلاً سه عامل اول را قبلاً در نظر گرفتیم. کمیت ε نامیده می شود ضریب ضرب سریع نوترون ... این ضریب به منظور در نظر گرفتن اینکه برخی از نوترون های سریع می توانند بدون داشتن زمان برای کاهش سرعت شکافت ایجاد کنند، معرفی شده است. به معنای آن، ضریب ε همیشه از یک تجاوز می کند. اما این مازاد معمولاً اندک است. معمولی برای واکنش های حرارتی ε = 1.03 است. برای واکنش های سریع، فرمول چهار عامل غیرقابل اعمال است، زیرا هر ضریب به انرژی بستگی دارد و گسترش انرژی ها در طول واکنش های سریع بسیار زیاد است.
از آنجایی که مقدار η توسط نوع سوخت تعیین می‌شود و مقدار ε برای واکنش‌های آهسته تقریباً با واحد تفاوتی ندارد، کیفیت یک محیط فعال خاص توسط محصول pf تعیین می‌شود. بنابراین، مزیت یک محیط ناهمگن نسبت به یک محیط همگن از نظر کمی در این واقعیت آشکار می شود که، برای مثال، در سیستمی که در آن 215 هسته گرافیت در هر هسته طبیعی اورانیوم وجود دارد، محصول pf برای یک محیط ناهمگن 0.823 و برای 0.595 است. یک همگن و از آنجایی که η = 1.34 برای یک مخلوط طبیعی، برای یک محیط ناهمگن k ∞> 1، و برای یک k ∞ همگن به دست می آوریم.< 1.
برای اجرای عملی یک واکنش زنجیره ای جریان ساکن، لازم است بتوان این واکنش را کنترل کرد. این کنترل به دلیل انتشار نوترون های تاخیری در طول شکافت بسیار ساده شده است. اکثریت قریب به اتفاق نوترون‌ها تقریباً فوراً از هسته فرار می‌کنند (یعنی در زمانی بسیار کوتاه‌تر از طول عمر یک نسل از نوترون‌ها در هسته)، اما چند دهم درصد نوترون‌ها تأخیر دارند و از هسته‌ها ساطع می‌شوند. قطعات پس از یک فاصله زمانی نسبتاً طولانی - از کسری از ثانیه تا چندین یا حتی ده ها ثانیه. اثر نوترون های تاخیری را می توان به صورت کیفی به شرح زیر توضیح داد. بگذارید ضریب ضرب فوراً از یک مقدار زیر بحرانی به یک مقدار فوق بحرانی افزایش یابد که k< 1 при отсутствии запаздывающих нейтронов. Тогда, очевидно, цепная реакция начнется не сразу, а лишь после вылета запаздывающих нейтронов. Тем самым процесс течения реакции будет регулируемым, если время срабатывания регулирующих устройств будет меньше сравнительно большого времени задержки запаздывающих нейтронов, а не очень малого времени развития цепной реакции. Доля запаздывающих нейтронов в ядерных горючих колеблется от 0.2 до 0.7%. Среднее время жизни запаздывающих нейтронов составляет приблизительно 10 с. При небольшой степени надкритичности скорость нарастания интенсивности цепной реакции определяется только запаздывающими нейтронами.
جذب نوترون ها توسط هسته هایی که در واکنش زنجیره ای شرکت نمی کنند، شدت واکنش را کاهش می دهد، اما می تواند در رابطه با تشکیل ایزوتوپ های شکافت پذیر جدید مفید باشد. بنابراین، هنگامی که نوترون ها توسط ایزوتوپ های اورانیوم 238 U و توریم 232 Th جذب می شوند، ایزوتوپ های پلوتونیوم 239 Pu و اورانیوم 233 U (از طریق دو واپاشی پی در پی β) تشکیل می شوند که سوخت هسته ای هستند:

(12)

(13)

این دو واکنش یک فرصت واقعی است بازتولید سوخت هسته ای در جریان یک واکنش زنجیره ای در حالت ایده آل، یعنی در صورت عدم تلفات غیر ضروری نوترون ها، تولید مثل می تواند به طور متوسط انجام شود - 1 نوترون برای هر عمل جذب یک نوترون توسط یک هسته سوخت.

راکتورهای هسته ای (اتمی).

راکتور وسیله ای است که در آن یک واکنش زنجیره ای شکافت کنترل شده حفظ می شود. در حین کار راکتور، گرما به دلیل گرمازایی واکنش شکافت آزاد می شود. ویژگی اصلی یک راکتور قدرت آن است - مقدار انرژی حرارتی آزاد شده در واحد زمان. توان راکتور بر حسب مگاوات (106 وات) اندازه گیری می شود. توان 1 مگاوات مربوط به یک واکنش زنجیره ای است که در آن 3 × 10 16 رویداد شکافت در ثانیه رخ می دهد. وجود دارد تعداد زیادی از انواع متفاوتراکتورها یکی از طرح های معمولی یک راکتور حرارتی در شکل 1 نشان داده شده است. 5.
بخش اصلی راکتور هسته است که در آن واکنش انجام می شود و در نتیجه انرژی آزاد می شود. در راکتورهای نوترونی حرارتی و میانی، هسته از یک سوخت که معمولاً با یک ایزوتوپ شکافت ناپذیر (معمولاً 238 U) مخلوط می شود و یک تعدیل کننده تشکیل می شود. هیچ تعدیل کننده ای در هسته راکتورهای سریع وجود ندارد.
حجم هسته از دهم لیتر در برخی راکتورهای سریع تا دهها متر مکعب در راکتورهای حرارتی بزرگ متغیر است. برای کاهش نشت نوترون، هسته کروی یا تقریباً کروی است (به عنوان مثال، یک استوانه با ارتفاع تقریباً برابر با قطر، یا یک مکعب).
بسته به موقعیت نسبی سوخت و تعدیل کننده، راکتورهای همگن و ناهمگن تشخیص داده می شوند. نمونه ای از یک هسته همگن محلولی از نمک اورانیل سولفات و U 2 SO 4 در آب معمولی یا سنگین است. راکتورهای ناهمگن بیشتر رایج هستند. در راکتورهای ناهمگن، هسته از یک تعدیل کننده تشکیل شده است که کاست های حاوی سوخت در آن قرار می گیرند. از آنجایی که انرژی دقیقاً در این کاست ها آزاد می شود، آنها نامیده می شوند عناصر سوخت یا به اختصار میله های سوخت... هسته بازتابنده اغلب در یک پوشش فولادی محصور می شود.

نقش نوترون های تاخیری در کنترل راکتور هسته ای