Критичность — это состояние ядерной системы, при котором цепная реакция деления поддерживается самостоятельно без внешнего воздействия. В радиохимических процессах понятие критичности применимо к скоплениям делящихся материалов, где концентрация и геометрия вещества определяют возможность возникновения неконтролируемой реакции.
Ключевые аспекты критичности:
Концентрация делящегося материала Чем выше массовая доля урана-235, плутония-239 или других делящихся нуклидов, тем выше вероятность достижения критической массы. Плотность вещества играет ключевую роль, поскольку увеличивает вероятность столкновения нейтронов с ядрами.
Геометрия и форма вещества Сферы и цилиндры с минимальной поверхностью относительно объёма способствуют удержанию нейтронов и снижению потерь. Плоские или разветвлённые структуры более безопасны, так как нейтроны легко покидают область деления.
Модераторы и отражатели нейтронов Вода, графит или другие замедлители увеличивают вероятность деления за счёт снижения энергии нейтронов до тепловых значений. Отражатели нейтронов повышают эффективность цепной реакции, уменьшая потери нейтронов.
Наличие примесей и растворов Химическая форма и растворимость делящихся изотопов изменяют критическую массу. Концентрации растворённых веществ в жидких системах определяют возможность случайного достижения критичности.
Температура и плотность среды При нагреве материала плотность снижается, увеличивается среднее расстояние между ядрами, что снижает k_eff. В твёрдых веществах высокая температура может вызвать деформацию и непредсказуемые локальные концентрации.
Геометрическое разделение Использование тонких слоёв, рассеянных контейнеров и резервуаров предотвращает концентрацию делящихся веществ выше критической.
Химическое разжижение Разведение растворов делящихся изотопов снижает вероятность локальной критичности.
Нейтронные поглотители Бор, кадмий и гадолиний добавляют для снижения числа тепловых нейтронов, тем самым снижая k_eff.
Дозиметрический и нейтронный контроль Использование детекторов нейтронов позволяет своевременно обнаруживать рост цепной реакции. Автоматические системы отключения предотвращают случайное достижение критичности.
Контроль критичности является основой радиационной безопасности в химии. Невыполнение правил может привести к аварийным выбросам энергии, локальной радиационной опасности и разрушению оборудования. Знание критических параметров и факторов их изменения позволяет проектировать безопасные технологии обращения с делящимися материалами и проводить эксперименты с минимальным риском.