Fisija jezgri urana i lančana reakcija. Nuklearna lančana reakcija

Teorija relativnosti kaže da je masa poseban oblik energije. Iz ovoga slijedi da je moguće pretvoriti masu u energiju i energiju u masu. Na intraatomskom nivou takve reakcije se odvijaju. Konkretno, određena količina same mase može se pretvoriti u energiju. To se dešava na nekoliko načina. Prvo, jezgro se može raspasti na više manjih jezgara, reakcija koja se naziva "raspad". Drugo, manje jezgre se lako mogu kombinovati i formirati veće - ovo je reakcija fuzije. Takve reakcije su vrlo česte u Univerzumu. Dovoljno je reći da je reakcija fuzije izvor energije za zvijezde. Ali čovječanstvo koristi reakciju propadanja jer su ljudi naučili kontrolirati ove složene procese. Ali šta je nuklearna lančana reakcija? Kako to upravljati?

Šta se dešava u jezgru atoma

Nuklearna lančana reakcija je proces koji se događa kada se elementarne čestice ili jezgre sudare s drugim jezgrama. Zašto "lanac"? Ovo je skup uzastopnih pojedinačnih nuklearnih reakcija. Kao rezultat ovog procesa dolazi do promjene kvantnog stanja i nukleonskog sastava originalnog jezgra, pa se čak pojavljuju i nove čestice - produkti reakcije. Nuklearna lančana reakcija, čija fizika omogućava proučavanje mehanizama interakcije jezgri s jezgrima i česticama, glavna je metoda za dobivanje novih elemenata i izotopa. Da biste razumjeli tok lančane reakcije, prvo se morate pozabaviti pojedinačnim.

Šta je potrebno za reakciju

Da bi se izveo proces kao što je nuklearna lančana reakcija, potrebno je čestice (jezgro i nukleon, dvije jezgre) približiti udaljenosti polumjera jake interakcije (otprilike jedan Fermi). Ako su udaljenosti velike, tada će interakcija nabijenih čestica biti čisto kulonska. U nuklearnoj reakciji se poštuju svi zakoni: očuvanje energije, impuls, impuls, barionski naboj. Nuklearna lančana reakcija je označena simbolima a, b, c, d. Simbol a označava originalno jezgro, b dolazeću česticu, c novu emitovanu česticu, a d označava rezultirajuću jezgru.

Energija reakcije

Nuklearna lančana reakcija može se dogoditi i sa apsorpcijom i oslobađanjem energije, koja je jednaka razlici u masama čestica nakon reakcije i prije nje. Apsorbirana energija određuje minimalnu kinetičku energiju sudara, takozvani prag nuklearne reakcije, na kojoj ona može slobodno teći. Ovaj prag zavisi od čestica koje učestvuju u interakciji i njihovih karakteristika. U početnoj fazi, sve čestice su u unaprijed određenom kvantnom stanju.

Sprovođenje reakcije

Glavni izvor nabijenih čestica kojima je jezgro bombardirano je onaj koji proizvodi snopove protona, teških jona i lakih jezgara. Spori neutroni se proizvode upotrebom nuklearnih reaktora. Za otkrivanje dolazećih nabijenih čestica mogu se koristiti različite vrste nuklearnih reakcija - i fuzije i raspadanja. Njihova vjerovatnoća zavisi od parametara čestica koje se sudaraju. Ova vjerovatnoća je povezana sa takvom karakteristikom kao što je presjek reakcije - vrijednost efektivne površine, koja karakteriše jezgro kao metu za upadne čestice i koja je mjera vjerovatnoće da čestica i jezgro uđu u interakciju. Ako u reakciji učestvuju čestice sa spin vrijednošću koja nije nula, tada poprečni presjek direktno ovisi o njihovoj orijentaciji. Pošto spinovi upadnih čestica nisu potpuno haotično orijentisani, već manje-više uređeni, sve će korpuskule biti polarizovane. Kvantitativna karakteristika spinova orijentisanog snopa opisana je vektorom polarizacije.

Mehanizam reakcije

Šta je nuklearna lančana reakcija? Kao što je već spomenuto, ovo je niz jednostavnijih reakcija. Karakteristike upadne čestice i njena interakcija sa jezgrom zavise od mase, naboja i kinetičke energije. Interakcija je određena stepenom slobode jezgara, koja su pobuđena tokom sudara. Stjecanje kontrole nad svim ovim mehanizmima omogućava proces kao što je kontrolirana nuklearna lančana reakcija.

Direktne reakcije

Ako nabijena čestica koja udari u ciljno jezgro samo ga dodirne, tada će trajanje sudara biti jednako potrebnom da se pokrije polumjer jezgra. Ova nuklearna reakcija se naziva direktna. Zajednička karakteristika za sve reakcije ovog tipa je pobuđivanje malog broja stupnjeva slobode. U takvom procesu, nakon prvog sudara, čestica još uvijek ima dovoljno energije da prevlada nuklearno privlačenje. Na primjer, interakcije kao što su neelastično raspršivanje neutrona i razmjena naboja klasificiraju se kao direktne. Doprinos ovakvih procesa karakteristici zvanoj „ukupni poprečni presek“ je prilično zanemarljiv. Međutim, raspodjela produkata direktne nuklearne reakcije omogućava određivanje vjerojatnosti izlaska iz kuta smjera snopa, selektivnost naseljenih stanja i određivanje njihove strukture.

Predravnotežna emisija

Ako čestica ne napusti područje nuklearne interakcije nakon prvog sudara, tada će biti uključena u cijelu kaskadu uzastopnih sudara. To je zapravo ono što se zove nuklearna lančana reakcija. Kao rezultat ove situacije, kinetička energija čestice se distribuira između sastavnih dijelova jezgra. Stanje samog jezgra postupno će postati mnogo komplikovanije. Tokom ovog procesa, energija dovoljna za emisiju ovog nukleona iz jezgra može biti koncentrisana na određeni nukleon ili čitav klaster (grupu nukleona). Dalje opuštanje će dovesti do formiranja statističke ravnoteže i formiranja složenog jezgra.

Lančane reakcije

Šta je nuklearna lančana reakcija? Ovo je redoslijed njegovih sastavnih dijelova. To jest, višestruke uzastopne pojedinačne nuklearne reakcije uzrokovane nabijenim česticama pojavljuju se kao produkti reakcije u prethodnim koracima. Šta je nuklearna lančana reakcija? Na primjer, fisija teških jezgara, kada su višestruki događaji fisije inicirani neutronima dobivenim iz prethodnih raspada.

Karakteristike nuklearne lančane reakcije

Među svim hemijskim reakcijama, lančane reakcije su postale široko rasprostranjene. Čestice s neiskorištenim vezama djeluju kao slobodni atomi ili radikali. U procesu kao što je nuklearna lančana reakcija, mehanizam za njen nastanak osiguravaju neutroni, koji nemaju Kulonovsku barijeru i pobuđuju jezgro pri apsorpciji. Ako se potrebna čestica pojavi u mediju, to uzrokuje lanac naknadnih transformacija koji će se nastaviti sve dok se lanac ne prekine zbog gubitka čestice nosača.

Zašto su mediji izgubljeni?

Postoje samo dva razloga za gubitak čestice nosača u kontinuiranom lancu reakcija. Prvi je apsorpcija čestice bez procesa emitovanja sekundarne. Drugi je odlazak čestice izvan granice volumena tvari koja podržava lančani proces.

Dvije vrste procesa

Ako se u svakom periodu lančane reakcije rodi isključivo jedna čestica nosača, onda se ovaj proces može nazvati nerazgranatim. To ne može dovesti do oslobađanja energije u velikim razmjerima. Ako se pojavi mnogo čestica nosača, onda se to naziva razgranatom reakcijom. Šta je razgranata nuklearna lančana reakcija? Jedna od sekundarnih čestica dobijenih u prethodnom činu nastavit će ranije započeti lanac, ali će druge stvoriti nove reakcije koje će se također granati. Procesi koji vode do prekida će se takmičiti sa ovim procesom. Nastala situacija će dovesti do specifičnih kritičnih i ograničavajućih pojava. Na primjer, ako ima više prekida nego čisto novih lanaca, tada će samoodržavanje reakcije biti nemoguće. Čak i ako se veštački pobuđuje unošenjem potrebnog broja čestica u dato okruženje, proces će se i dalje raspasti tokom vremena (obično prilično brzo). Ako broj novih lanaca premašuje broj prekida, tada će se nuklearna lančana reakcija početi širiti po cijeloj tvari.

Kritično stanje

Kritično stanje odvaja područje stanja tvari s razvijenom samoodrživom lančanom reakcijom i područje u kojem je ta reakcija uopće nemoguća. Ovaj parametar karakterizira jednakost između broja novih kola i broja mogućih prekida. Poput prisutnosti slobodne čestice nosača, kritično stanje je glavna stavka na takvoj listi kao što je "uslovi za nuklearnu lančanu reakciju". Postizanje ovog stanja može se odrediti brojnim mogućim faktorima. teškog elementa pobuđuje samo jedan neutron. Kao rezultat procesa koji se naziva lančana reakcija nuklearne fisije, proizvodi se više neutrona. Posljedično, ovaj proces može proizvesti razgranatu reakciju, gdje neutroni djeluju kao nosioci. U slučaju kada se brzina hvatanja neutrona bez fisije ili emisije (stopa gubitka) kompenzira brzinom umnožavanja čestica nosača, lančana reakcija će se odvijati u stacionarnom režimu. Ova jednakost karakterizira koeficijent reprodukcije. U gornjem slučaju jednak je jedan. Zahvaljujući uvođenju između brzine oslobađanja energije i faktora umnožavanja, moguće je kontrolisati tok nuklearne reakcije. Ako je ovaj koeficijent veći od jedan, tada će se reakcija razvijati eksponencijalno. Nekontrolisane lančane reakcije se koriste u nuklearnom oružju.

Nuklearna lančana reakcija u energiji

Reaktivnost reaktora određena je velikim brojem procesa koji se odvijaju u njegovoj jezgri. Svi ovi utjecaji određeni su takozvanim koeficijentom reaktivnosti. Utjecaj promjene temperature grafitnih šipki, rashladnih tečnosti ili uranijuma na reaktivnost reaktora i intenzitet procesa kao što je nuklearna lančana reakcija karakterizira temperaturni koeficijent (za rashladno sredstvo, za uran, za grafit). Postoje i zavisne karakteristike za snagu, barometrijske indikatore i indikatore pare. Da bi se održala nuklearna reakcija u reaktoru, potrebno je neke elemente transformirati u druge. Da biste to učinili, potrebno je uzeti u obzir uslove za nastanak nuklearne lančane reakcije - prisustvo supstance koja je sposobna da se tokom raspadanja podeli i oslobodi iz sebe određeni broj elementarnih čestica, što kao posledica , uzrokovaće fisiju drugih jezgara. Uran-238, uranijum-235 i plutonijum-239 se često koriste kao takve supstance. Tokom nuklearne lančane reakcije, izotopi ovih elemenata će se raspasti i formirati dvije ili više drugih kemikalija. Tokom ovog procesa emituju se takozvani “gama” zraci, dolazi do intenzivnog oslobađanja energije i formiraju se dva ili tri neutrona koji su sposobni da nastave radnje reakcije. Postoje spori i brzi neutroni, jer da bi se jezgro atoma raspalo, te čestice moraju letjeti određenom brzinom.

Nuklearna lančana reakcija

Nuklearna lančana reakcija- niz pojedinačnih nuklearnih reakcija, od kojih je svaka uzrokovana česticom koja se pojavila kao produkt reakcije u prethodnom koraku sekvence. Primjer nuklearne lančane reakcije je lančana reakcija fisije jezgara teških elemenata, u kojoj glavni broj fisionih događaja iniciraju neutroni dobiveni tijekom fisije jezgara u prethodnoj generaciji.

Mehanizam oslobađanja energije

Transformacija tvari je praćena oslobađanjem slobodne energije samo ako supstanca ima rezervu energije. Ovo posljednje znači da su mikročestice tvari u stanju s energijom mirovanja većom nego u drugom mogućem stanju u koje postoji prijelaz. Spontani prijelaz je uvijek spriječen energetskom barijerom, za savladavanje koje mikročestica mora primiti određenu količinu energije izvana – energiju pobude. Egzoenergetska reakcija se sastoji u činjenici da se u transformaciji koja slijedi nakon pobuđivanja oslobađa više energije nego što je potrebno za pobuđivanje procesa. Postoje dva načina za prevazilaženje energetske barijere: ili zbog kinetičke energije sudarajućih čestica, ili zbog energije vezivanja čestica koje se spajaju.

Ako imamo na umu makroskopsku skalu oslobađanja energije, tada sve ili u početku barem neki dio čestica tvari moraju imati kinetičku energiju potrebnu za pobuđivanje reakcija. To je moguće postići samo povećanjem temperature medija na vrijednost pri kojoj se energija toplinskog kretanja približava energetskom pragu koji ograničava tok procesa. U slučaju molekularnih transformacija, odnosno kemijskih reakcija, takav porast obično iznosi stotine kelvina, ali u slučaju nuklearnih reakcija iznosi najmanje 10 7 K zbog vrlo velike visine Kulombovih barijera sudarajućih jezgara. Termičko pobuđivanje nuklearnih reakcija u praksi se provodi samo pri sintezi najlakših jezgara, u kojima su Kulonove barijere minimalne (termonuklearna fuzija).

Pobuđivanje spajanjem čestica ne zahtijeva veliku kinetičku energiju, pa stoga ne ovisi o temperaturi medija, jer nastaje zbog neiskorištenih veza svojstvenih privlačnim silama čestica. Ali da bi se izazvale reakcije, potrebne su same čestice. A ako opet ne mislimo na poseban čin reakcije, već na proizvodnju energije u makroskopskoj skali, onda je to moguće samo kada dođe do lančane reakcije. Potonje se događa kada se čestice koje pobuđuju reakciju ponovo pojave kao produkti egzoenergetske reakcije.

Lančane reakcije

Lančane reakcije su široko rasprostranjene među kemijskim reakcijama, gdje ulogu čestica s neiskorištenim vezama imaju slobodni atomi ili radikali. Mehanizam lančane reakcije tokom nuklearnih transformacija mogu da obezbede neutroni koji nemaju Kulonovu barijeru i pobuđuju jezgra pri apsorpciji. Pojava potrebne čestice u okolini izaziva lanac reakcija koje slijede jedna za drugom, a koji se nastavlja sve dok se lanac ne prekine zbog gubitka čestice nosioca reakcije. Dva su glavna razloga za gubitke: apsorpcija čestice bez emisije sekundarne i odlazak čestice izvan zapremine supstance koja podržava lančani proces. Ako se u svakom činu reakcije pojavi samo jedna čestica nosača, tada se naziva lančana reakcija nerazgranat. Nerazgranana lančana reakcija ne može dovesti do oslobađanja energije u velikim razmjerima.

Ako se u svakom činu reakcije ili u nekim karikama lanca pojavi više od jedne čestice, dolazi do razgranate lančane reakcije, jer jedna od sekundarnih čestica nastavlja započeti lanac, dok druge stvaraju nove lance koji se ponovo granaju. Istina, procesi koji dovode do prekida lanca nadmeću se sa procesom grananja, a rezultirajuća situacija dovodi do ograničavajućih ili kritičnih pojava specifičnih za razgranate lančane reakcije. Ako je broj prekinutih kola veći od broja novih kola koja se pojavljuju, onda samoodrživa lančana reakcija(SCR) se ispostavilo da je nemoguće. Čak i ako se umjetno pobuđuje unošenjem određene količine potrebnih čestica u medij, onda, budući da se broj lanaca u ovom slučaju može samo smanjiti, proces koji je započeo brzo se gasi. Ako broj novih formiranih lanaca premašuje broj prekida, lančana reakcija se brzo širi po cijelom volumenu tvari kada se pojavi barem jedna početna čestica.

Područje stanja materije s razvojem samoodržive lančane reakcije odvojeno je od područja gdje je lančana reakcija općenito nemoguća, kritično stanje. Kritično stanje karakterizira jednakost između broja novih kola i broja prekida.

Postizanje kritičnog stanja određeno je brojnim faktorima. Fisiju teškog jezgra pobuđuje jedan neutron, a kao rezultat čina fisije pojavljuje se više od jednog neutrona (na primjer, za 235 U broj neutrona proizvedenih u jednom aktu fisije je u prosjeku 2,5). Shodno tome, proces fisije može dovesti do razgranate lančane reakcije, čiji će nosioci biti neutroni. Ako brzina gubitaka neutrona (zahvaća bez fisije, izlazi iz reakcionog volumena, itd.) kompenzira brzinu umnožavanja neutrona na takav način da je efektivni faktor umnožavanja neutrona tačno jednak jedinici, tada se lančana reakcija odvija u stacionarni način rada. Uvođenje negativne povratne sprege između efektivnog faktora množenja i brzine oslobađanja energije omogućava kontroliranu lančanu reakciju, koja se koristi, na primjer, u nuklearnoj energiji. Ako je faktor množenja veći od jedan, lančana reakcija se razvija eksponencijalno; lančana reakcija odbjegle fisije koristi se u nuklearnom oružju.

vidi takođe

• Hemijska lančana reakcija

Književnost

• Klimov A. N. Nuklearna fizika i nuklearni reaktori.- M. Atomizdat, .
• Levin V. E. Nuklearna fizika i nuklearni reaktori/ 4. izd. - M.: Atomizdat, .
• Petunin V. P. Termoenergetika nuklearnih instalacija.- M.: Atomizdat, .

Wikimedia Foundation. 2010.

Pogledajte šta je "nuklearna lančana reakcija" u drugim rječnicima:

Lančana nuklearna reakcija je niz nuklearnih reakcija koje pobuđuju čestice (na primjer, neutroni) rođene u svakom reakcijskom događaju. U zavisnosti od prosječnog broja reakcija koje slijede jednu prethodnu je manji od, jednak ili ... ... Termini nuklearne energije

nuklearna lančana reakcija- Niz nuklearnih reakcija koje pobuđuju čestice (na primjer, neutroni) rođene u svakom reakcijskom događaju. Ovisno o prosječnom broju reakcija nakon jedne prethodne reakcije manje od, jednako ili veće od jedan... ...

nuklearna lančana reakcija- grandininė branduolinė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. nuklearna lančana reakcija vok. Kettenkernreaktion, f rus. nuklearna lančana reakcija, f pranc. reakcija en chaîne nucléaire, f; réaction nucléaire en chaîne, f … Fizikos terminų žodynas

Reakcija fisije atomskih jezgara teških elemenata pod utjecajem neutrona; u svakom činu roja broj neutrona se povećava, tako da može doći do samoodrživog procesa fisije. Na primjer, tokom fisije jednog jezgra izotopa uranijuma 235U pod utjecajem ... Veliki enciklopedijski politehnički rječnik

Nuklearna lančana reakcija- reakcija fisije atomskih jezgara pod uticajem neutrona, u čijem se činu emituje najmanje jedan neutron, čime se obezbeđuje održavanje reakcije. Koristi se kao izvor energije u nuklearnim nabojima (eksplozivni nuklearni reaktori) i nuklearnim reaktorima. Pojmovnik vojnih pojmova

lančana reakcija nuklearne fisije sa neutronima- - [A.S. Goldberg. Englesko-ruski energetski rječnik. 2006] Teme: energija uopšte EN divergentna reakcija... Vodič za tehnički prevodilac

Samoodrživa nuklearna lančana reakcija- 7. Samoodrživa nuklearna lančana reakcija SCR Nuklearna lančana reakcija koju karakterizira efektivni faktor množenja veći ili jednak jedinici

U kojima čestice koje ih uzrokuju također nastaju kao produkti ovih reakcija. Ova reakcija je fisija uranijuma i nekih trans-uranijskih elemenata (npr. 23 9 Pu) pod uticajem neutrona. Prvi ga je izveo E. Fermi 1942. Nakon otkrića nuklearna fisija W. Zinn, L. Szilard i G. N. Flerov su pokazali da je tokom fisije jezgra uranijuma U emituje se više od jednog neutrona: n + U → A + B + v. Evo A I IN— fisioni fragmenti s masenim brojevima A od 90 do 150, v— broj sekundarnih neutrona.

Faktor umnožavanja neutrona. Da bi došlo do lančane reakcije potrebno je da prosječan broj oslobođenih neutrona u datoj masi uranijuma ne opada s vremenom, odnosno da se faktor multiplikacije neutrona k bio veći ili jednak jedinici.

Faktor umnožavanja neutrona je omjer broja neutrona u generaciji prema broju neutrona u prethodnoj generaciji. Generacijska promjena se podrazumijeva kao nuklearna fisija, tokom koje se apsorbuju neutroni stare generacije i rađaju novi neutroni.

Ako k ≥ 1, tada se broj neutrona vremenom povećava ili ostaje konstantan i dolazi do lančane reakcije. At k > 1 broj neutrona se smanjuje, a lančana reakcija je nemoguća.

Iz više razloga, od svih jezgara koje se nalaze u prirodi, samo su jezgra izotopa pogodna za izvođenje nuklearne lančane reakcije. Faktor umnožavanja je određen: 1) hvatanjem sporih neutrona jezgrama, naknadnom fisijom i hvatanjem brzih neutrona jezgrima i, takođe, naknadnom fisijom; 2) hvatanje neutrona bez fisije jezgrima uranijuma; 3) zahvatanje neutrona produktima fisije, moderatorom i konstruktivnim elementima instalacije; 4) emisija neutrona iz fisione supstance ka spolja.

Samo prvi proces je praćen povećanjem broja neutrona. Za stacionarnu reakciju k mora biti jednako 1. Već na k = 1,01 eksplozija će se dogoditi gotovo trenutno.

Formiranje plutonijuma. Kao rezultat hvatanja neutrona izotopom urana, nastaje radioaktivni izotop s vremenom poluraspada od 23 minute. Tokom raspada, pojavljuje se prvi transura-novi element neptunijum:

.

β-radioaktivni neptunijum (sa poluživotom od oko dva dana), emitujući elektron, pretvara se u sledeći transuranski element - plutonijum:

Period poluraspada plutonijuma je 24.000 godina, a njegovo najvažnije svojstvo je sposobnost fisije pod uticajem sporih neutrona na isti način kao i izotop.Uz pomoć plutonijuma može se izvesti lančana reakcija sa oslobađanjem ogromne količine energije.

Lančana reakcija je praćena oslobađanjem ogromne energije; Kada se svako jezgro fisije, oslobađa se 200 MeV. Fisija 1 jezgra uranijuma oslobađa istu energiju kao sagorevanje 3 uglja ili 2,5 tone nafte.

Razmotrimo mehanizam lančane reakcije fisije. Prilikom fisije teških jezgara pod uticajem neutrona nastaju novi neutroni. Na primjer, sa svakom fisijom jezgra uranijuma 92 U 235 proizvodi se u prosjeku 2,4 neutrona. Neki od ovih neutrona mogu opet uzrokovati nuklearnu fisiju. Ovaj proces sličan lavini naziva se lančana reakcija .
Lančana reakcija fisije odvija se u okruženju u kojem se odvija proces umnožavanja neutrona. Ovo okruženje se zove jezgro . Najvažnija fizička veličina koja karakteriše intenzitet umnožavanja neutrona je faktor umnožavanja neutrona u mediju k ∞ . Koeficijent množenja jednak je omjeru broja neutrona u jednoj generaciji prema njihovom broju u prethodnoj generaciji. Indeks ∞ ukazuje da je riječ o idealnom okruženju beskonačnih dimenzija. Slično se određuje vrijednost k ∞ faktor umnožavanja neutrona u fizičkom sistemu k. K faktor je karakteristika određene instalacije.
U fisivnom mediju konačnih dimenzija, neki neutroni će pobjeći iz jezgre prema van. Dakle, koeficijent k zavisi i od vjerovatnoće P da neutron ne pobjegne iz jezgra. A-prioritet

Vrijednost P zavisi od sastava aktivne zone, njene veličine, oblika, kao i od toga koliko supstanca koja okružuje aktivnu zonu odbija neutrone.
Važni koncepti kritične mase i kritičnih dimenzija povezani su sa mogućnošću da neutroni napuste jezgro. Kritična veličina je veličina aktivne zone na kojoj je k = 1. Kritična masa naziva se masa jezgra kritičnih dimenzija. Očigledno je da kada je masa ispod kritične, lančana reakcija ne dolazi, čak i ako je > 1. Naprotiv, primjetan višak mase iznad kritične dovodi do nekontrolirane reakcije - eksplozije.
Ako u prvoj generaciji ima N neutrona, onda će u n-oj generaciji biti Nk n. Prema tome, pri k = 1 lančana reakcija teče stacionarno, na k< 1 реакция гаснет, а при k >1 intenzitet reakcije se povećava. Kada je k = 1, poziva se mod reakcije kritičan , za k > 1 – superkritičan i na k< 1 – podkritični .
Životni vijek jedne generacije neutrona jako ovisi o svojstvima medija i kreće se od 10–4 do 10–8 s. Zbog kratkoće tog vremena, da bi se izvela kontrolisana lančana reakcija, potrebno je sa velikom tačnošću održavati jednakost k = 1, jer će, recimo, kod k = 1,01 sistem eksplodirati skoro trenutno. Pogledajmo koji faktori određuju koeficijente k ∞ i k.
Prva veličina koja određuje k ∞ (ili k) je prosječan broj neutrona emitiranih u jednom događaju fisije. Broj zavisi od vrste goriva i energije upadnog neutrona. U tabeli U tabeli 1 prikazane su vrijednosti glavnih izotopa nuklearne energije i za toplinske i za brze (E = 1 MeV) neutrone.

Energetski spektar fisionih neutrona za izotop 235 U prikazan je na Sl. 1. Spektri ove vrste su slični za sve fisijske izotope: postoji snažno rasipanje energija, pri čemu većina neutrona ima energiju u rasponu od 1-3 MeV. Neutroni nastali tokom fisije usporavaju se, difundiraju na određenoj udaljenosti i apsorbuju se sa ili bez fisije. Ovisno o svojstvima medija, neutroni imaju vremena da se uspore na različite energije prije apsorpcije. U prisustvu dobrog moderatora, većina neutrona ima vremena da se uspori do toplotne energije reda veličine 0,025 eV. U ovom slučaju se naziva lančana reakcija sporo, ili, šta je isto, termalni. U nedostatku posebnog moderatora, neutroni imaju vremena da se uspore samo do energije od 0,1–0,4 MeV, jer su svi fisijski izotopi teški i stoga se slabo usporavaju. Odgovarajuće lančane reakcije se nazivaju brzo(naglašavamo da epiteti "brz" i "spor" karakteriziraju brzinu neutrona, a ne brzinu reakcije). Lančane reakcije u kojima se neutroni usporavaju na energije u rasponu od desetina do jednog keV nazivaju se srednji .
Kada se neutron sudari sa teškim jezgrom, radijacijsko hvatanje neutrona (n, γ) je uvijek moguće. Ovaj proces će se takmičiti s dijeljenjem i time smanjiti stopu množenja. Iz ovoga slijedi da je druga fizička veličina koja utječe na koeficijente k ∞, k vjerovatnoća fisije kada jezgro fisijskog izotopa uhvati neutron. Ova vjerovatnoća za monoenergetske neutrone je očigledno jednaka

gdje su nf, nγ poprečni presjeci fisije i hvatanja zračenja. Da bi se istovremeno uzeo u obzir i broj neutrona po događaju fisije i vjerovatnoća radijacijskog hvatanja, uvodi se koeficijent η, jednak prosječnom broju sekundarnih neutrona po hvatanju neutrona fisijskim jezgrom.

vrijednost η zavisi od vrste goriva i energije neutrona. Vrijednosti η za najvažnije izotope za toplinske i brze neutrone date su u istoj tabeli. 1. Vrijednost η je najvažnija karakteristika jezgri goriva. Lančana reakcija se može dogoditi samo kada je η > 1. Što je veća vrijednost η, to je veći kvalitet goriva.

Tabela 1. Vrijednosti ν, η za fisijske izotope

Kvalitet nuklearnog goriva je određen njegovom dostupnošću i koeficijentom η. U prirodi se nalaze samo tri izotopa koji mogu poslužiti kao nuklearno gorivo ili sirovina za njegovu proizvodnju. To su izotopi torija 232 Th i izotopi uranijuma 238 U i 235 U. Od toga, prva dva ne daju lančanu reakciju, već se mogu preraditi u izotope na kojima se reakcija odvija. Sam izotop 235 U daje lančanu reakciju. U zemljinoj kori ima nekoliko puta više torijuma nego uranijuma. Prirodni torij se praktično sastoji od samo jednog izotopa, 232 Th. Prirodni uranijum se uglavnom sastoji od izotopa 238 U i samo 0,7% izotopa 235 U.
U praksi je izuzetno važno pitanje izvodljivosti lančane reakcije na prirodnoj mješavini izotopa uranijuma, u kojoj se nalazi 140 238 jezgara U na jezgro 235 U. Pokažimo da je na prirodnoj smjesi moguća spora reakcija , ali brzi nije. Da bismo razmotrili lančanu reakciju u prirodnoj mješavini, zgodno je uvesti novu veličinu - prosječni presjek apsorpcije neutrona po jednom jezgru izotopa 235 U. Po definiciji

Za termalne neutrone = 2,47, = 580 barn, = 112 barn, = 2,8 barn (obratite pažnju koliko je mali posljednji poprečni presjek). Zamjenjujući ove brojke u (5), dobijamo to za spore neutrone u prirodnoj smjesi

To znači da će 100 termičkih neutrona, apsorbiranih u prirodnoj mješavini, stvoriti 132 nova neutrona. Iz ovoga direktno proizlazi da je lančana reakcija sa sporim neutronima u principu moguća na prirodnom uranijumu. U principu, jer da biste stvarno implementirali lančanu reakciju, morate biti u mogućnosti da usporite neutrone uz male gubitke.
Za brze neutrone ν = 2,65, 2 barn, 0,1 barn. Ako uzmemo u obzir fisiju samo na izotopu 235 U, dobićemo

Ali moramo uzeti u obzir i to da brzi neutroni sa energijama većim od 1 MeV mogu, sa primjetnim relativnim intenzitetom, podijeliti jezgra izotopa 238 U, koji je vrlo bogat u prirodnoj smjesi. Za dijeljenje sa 238 U, koeficijent je približno 2,5. U spektru fisije, otprilike 60% neutrona ima energiju iznad efektivnog praga od 1,4 MeV fisije za 238 U. Ali od ovih 60%, samo jedan od 5 neutrona uspije da se fisije bez usporavanja na energiju ispod praga zbog elastično i posebno neelastično rasipanje. Odavde za koeficijent 238 (brzo) dobijamo procjenu

Dakle, lančana reakcija u prirodnoj mješavini (235 U + 238 U) ne može se dogoditi s brzim neutronima. Eksperimentalno je utvrđeno da za čisti metalni uranijum faktor multiplikacije dostiže vrednost jedinice sa obogaćenjem od 5,56%. U praksi se ispostavlja da se reakcija s brzim neutronima može održati samo u obogaćenoj smjesi koja sadrži najmanje 15% izotopa 235 U.
Prirodna mješavina izotopa uranijuma može se obogatiti izotopom 235 U. Obogaćivanje je složen i skup proces zbog činjenice da su hemijska svojstva oba izotopa gotovo ista. Potrebno je iskoristiti male razlike u brzinama hemijskih reakcija, difuzije itd., koje nastaju zbog razlika u masama izotopa. Lančana reakcija sa 235 U se skoro uvek odvija u okruženju sa visokim sadržajem od 238 U. Često se koristi prirodna mešavina izotopa, za koju je η = 1,32 u oblasti termalnih neutrona, jer je 238 U takođe koristan. Izotop 238 U je fisilan neutronima sa energijama iznad 1 MeV. Ova fisija rezultira malim dodatnim umnožavanjem neutrona.
Uporedimo fisione lančane reakcije sa termalnim i brzim neutronima.
Za termičke neutrone, poprečni presjeci hvatanja su veliki i jako variraju pri prelasku iz jednog jezgra u drugo. Na jezgrima nekih elemenata (na primjer, kadmijuma) ovi presjeci su stotine ili više puta veći od presjeka na 235 U. Zbog toga se na jezgru termoneutronskih instalacija postavljaju visoki zahtjevi za čistoćom u odnosu na određene nečistoće.
Za brze neutrone, svi presjeci hvatanja su mali i međusobno se ne razlikuju tako da se ne javlja problem visoke čistoće materijala. Još jedna prednost brzih reakcija je veća stopa reprodukcije.
Važna karakteristična osobina termičkih reakcija je da je gorivo u jezgru mnogo razrijeđenije, tj. po jezgri goriva ima znatno više jezgara koje ne učestvuju u fisiji nego u brzoj reakciji. Na primjer, u termalnoj reakciji na prirodni uran, postoji 140 jezgara sirovine od 238 U na jezgro goriva od 235 U, au brzoj reakciji ne može biti više od pet do šest jezgri 238 U na jezgro od 235 U. razrjeđivanje goriva u termalnoj reakciji dovodi do toga da se jedna te ista energija u toplinskoj reakciji oslobađa u mnogo većoj zapremini materije nego u brzoj reakciji. Tako je lakše ukloniti toplinu iz aktivne zone termičke reakcije, što omogućava da se ova reakcija odvija većim intenzitetom od brze.
Životni vijek jedne generacije neutrona za brzu reakciju je nekoliko redova veličine kraći nego za termičku. Stoga se brzina brze reakcije može primjetno promijeniti u vrlo kratkom vremenu nakon promjene fizičkih uslova u jezgru. Tokom normalnog rada reaktora, ovaj efekat je beznačajan, jer je u ovom slučaju način rada određen životnim vijekom odloženih, a ne brzih neutrona.
U homogenom mediju koji se sastoji samo od fisionih izotopa jednog tipa, faktor umnožavanja bi bio jednak η. Međutim, u stvarnim situacijama, osim fisionih jezgara, uvijek postoje i druga, necijepljiva. Ove strane jezgre će uhvatiti neutrone i na taj način uticati na faktor umnožavanja. Iz toga slijedi da je treća veličina koja određuje koeficijente k ∞ , k vjerovatnoća da neutron neće biti zahvaćen jednim od necijepih jezgara. U stvarnim instalacijama, „strano“ zahvaćanje se događa na jezgrama moderatora, na jezgri različitih strukturnih elemenata, kao i na jezgrama proizvoda fisije i produkata hvatanja.
Za izvođenje lančane reakcije sa sporim neutronima, u jezgro se uvode posebne tvari - moderatori, koji pretvaraju fisijske neutrone u toplinske. U praksi se spora neutronska lančana reakcija izvodi na prirodnom ili blago obogaćenom uranijumu sa izotopom 235 U. Prisustvo velike količine izotopa 238 U u jezgru komplikuje proces moderiranja i čini neophodnim postavljanje visokih zahtjeva za kvalitet moderatora. Život jedne generacije neutrona u jezgru sa moderatorom može se približno podijeliti u dva stupnja: umjerenje do toplinske energije i difuziju. toplinske brzine prije apsorpcije. Da bi većina neutrona imala vremena da se uspori bez apsorpcije, mora biti ispunjen uslov

gdje su σ kontrola, σ capture su energetski prosječni poprečni presjeci za elastično raspršenje i hvatanje, respektivno, a n je broj sudara neutrona sa jezgrima moderatora potrebnih za postizanje toplinske energije. Broj n brzo raste sa povećanjem masenog broja moderatora. Za uranijum 238 U, broj n je reda veličine nekoliko hiljada. A omjer σ kontrola / σ hvatanje za ovaj izotop, čak ni u relativno povoljnom energetskom području brzih neutrona, ne prelazi 50. Takozvano rezonantno područje od 1 keV do 1 eV je posebno "opasno" u odnosu na hvatanje neutrona. . U ovom području, ukupni poprečni presjek interakcije neutrona sa jezgrima 238 U ima veliki broj intenzivnih rezonancija (slika 2). Pri niskim energijama, širine zračenja premašuju širinu neutrona. Stoga, u rezonantnom području, omjer σ kontrola/σ zahvat postaje čak manji od jedinice. To znači da kada neutron uđe u područje jedne od rezonancija, on se apsorbuje sa skoro stopostotnom vjerovatnoćom. A budući da se usporavanje na tako težem jezgru kao što je uranijum događa „malim koracima“, onda će pri prolasku kroz rezonantno područje neutron koji usporava svakako „naletjeti“ na jednu od rezonancija i biti apsorbiran. Slijedi da se lančana reakcija ne može izvesti na prirodnom uraniju bez stranih nečistoća: na brzim neutronima do reakcije ne dolazi zbog malog koeficijenta η, a spori neutroni ne mogu nastati.Da bi se izbjeglo rezonantno hvatanje neutrona, potrebno je koristiti vrlo lagana jezgra da ih uspori, pri čemu se usporavanje događa u "velikim koracima", što naglo povećava vjerovatnoću da neutron uspješno "preskoči" kroz područje rezonantne energije. Najbolji moderirajući elementi su vodonik, deuterijum, berilijum i ugljenik. Stoga se moderatori koji se koriste u praksi uglavnom svode na tešku vodu, berilijum, berilijum oksid, grafit, kao i na običnu vodu, koja usporava neutrone ništa gore od teške vode, ali ih apsorbuje u mnogo većim količinama. Retarder mora biti dobro očišćen. Imajte na umu da za izvođenje spore reakcije moderator mora biti desetine ili čak stotine puta veći od uranijuma kako bi se spriječili rezonantni sudari neutrona sa jezgrima od 238 U.

Umjerena svojstva aktivnog medija mogu se približno opisati s tri veličine: vjerovatnoćom da neutron izbjegne apsorpciju od strane moderatora tokom moderacije, vjerovatnoćom p izbjegavanja rezonantnog hvatanja od strane 238 U jezgara i vjerovatnoćom f apsorbiranja toplinskog neutrona jezgrom goriva, a ne moderatorom. Vrijednost f se obično naziva koeficijent iskorištenja topline. Precizno izračunavanje ovih količina je teško. Obično se za njihovo izračunavanje koriste približne polu-empirijske formule.

Vrijednosti p i f zavise ne samo od relativnog iznosa moderatora, već i od geometrije njegovog smještaja u jezgru. Aktivna zona, koja se sastoji od homogene mješavine uranijuma i moderatora, naziva se homogena, a sistem njihovih naizmjeničnih blokova uranijuma i moderatora naziva se heterogen (slika 4). Kvalitativno heterogeni sistem odlikuje se činjenicom da u njemu brzi neutron formiran u uranijumu uspeva da uđe u moderator bez dostizanja rezonantnih energija. Dalje usporavanje se dešava u čistom moderatoru. Ovo povećava vjerovatnoću p izbjegavanja rezonantnog hvatanja

p het > p homo.

S druge strane, naprotiv, pošto je postao termički u moderatoru, neutron mora, da bi učestvovao u lančanoj reakciji, difundirati, a da se ne apsorbuje u čistom moderatoru, do svoje granice. Stoga je faktor iskorištenja topline f u heterogenom okruženju manji nego u homogenom:

f get< f гом.

Za procjenu faktora množenja k ∞ termičkog reaktora, približno formula sa četiri faktora

Već smo ranije razmotrili prva tri faktora. Količina ε se naziva faktor umnožavanja brzih neutrona . Ovaj koeficijent je uveden kako bi se uzelo u obzir da se neki brzi neutroni mogu fisirati bez vremena da se uspore. U svom značenju, koeficijent ε uvijek prelazi jedan. Ali ovaj višak je obično mali. Tipična za termičke reakcije je vrijednost ε = 1,03. Za brze reakcije formula od četiri faktora nije primjenjiva, jer svaki koeficijent ovisi o energiji, a rasprostranjenost energije u brzim reakcijama je vrlo velika.
Budući da je vrijednost η određena vrstom goriva, a vrijednost ε za spore reakcije gotovo se ne razlikuje od jedinice, kvalitet određenog aktivnog medija određuje se umnoškom pf. Dakle, prednost heterogenog medija u odnosu na homogeni medij se kvantitativno očituje u činjenici da je, na primjer, u sistemu u kojem postoji 215 grafitnih jezgri po prirodnom jezgru uranijuma, proizvod pf jednak 0,823 za heterogeni medij i 0,595 za homogenu. A kako za prirodnu smjesu η = 1,34, dobijamo da je za heterogenu sredinu k ∞ > 1, a za homogenu sredinu k ∞< 1.
Za praktičnu implementaciju stacionarne lančane reakcije, mora se biti u stanju kontrolisati ovu reakciju. Ova kontrola je znatno pojednostavljena zbog emisije odgođenih neutrona tokom fisije. Ogromna većina neutrona pobjegne iz jezgra gotovo trenutno (tj. u vremenu koje je mnogo redova veličine kraće od životnog vijeka generacije neutrona u jezgru), ali nekoliko desetina procenta neutrona kasni i pobjegne iz fragmentirati jezgre nakon prilično dugog vremenskog perioda - od djelića sekunde do nekoliko, pa čak i desetina sekundi. Učinak odgođenih neutrona može se kvalitativno objasniti na sljedeći način. Neka faktor množenja trenutno poraste sa podkritične vrijednosti na takvu superkritičnu vrijednost da je 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.
Hvatanje neutrona od strane jezgara koje ne učestvuju u lančanoj reakciji smanjuje intenzitet reakcije, ali može biti korisno u odnosu na stvaranje novih fisijskih izotopa. Dakle, kada se neutroni apsorbuju iz izotopa uranijuma 238 U i torija 232 Th, nastaju izotopi plutonijuma 239 Pu i uranijuma 233 U (kroz dva uzastopna β-raspada), koji su nuklearno gorivo:

Ove dvije reakcije otvaraju realnu mogućnost reprodukcija nuklearnog goriva tokom lančane reakcije. U idealnom slučaju, tj. u nedostatku nepotrebnih gubitaka neutrona, prosječno 1 neutron može se iskoristiti za reprodukciju za svaki čin apsorpcije neutrona jezgrom goriva.

Nuklearni (nuklearni) reaktori

Reaktor je uređaj u kojem se održava kontrolirana lančana reakcija fisije. Kada reaktor radi, oslobađa se toplina zbog egzotermne prirode reakcije fisije. Glavna karakteristika reaktora je njegova snaga - količina toplotne energije koja se oslobađa u jedinici vremena. Snaga reaktora se mjeri u megavatima (10 6 W). Snaga od 1 MW odgovara lančanoj reakciji u kojoj se dešava 3·1016 fisionih događaja u sekundi. Postoji veliki broj različitih tipova reaktora. Jedna od tipičnih shema termičkog reaktora prikazana je na Sl. 5.
Glavni dio reaktora je aktivna zona u kojoj se reakcija odvija i pritom oslobađa energiju. U termalnim i intermedijernim neutronskim reaktorima, jezgro se sastoji od goriva, obično pomiješanog s nefisijskim izotopom (obično 238 U), i moderatora. U jezgru reaktora na brzim neutronima nema moderatora.
Zapremina jezgra varira od desetinki litre u nekim reaktorima na brzim neutronima do desetina kubnih metara u velikim termalnim reaktorima. Da bi se smanjilo curenje neutrona, jezgri se daje sferni ili gotovo sferni oblik (na primjer, cilindar visine približno jednake promjeru, ili kocka).
U zavisnosti od relativnog položaja goriva i moderatora, razlikuju se homogeni i heterogeni reaktori. Primjer homogene aktivne zone je otopina soli uranil sulfata i U 2 SO 4 u običnoj ili teškoj vodi. Heterogeni reaktori su češći. U heterogenim reaktorima, jezgro se sastoji od moderatora u koji su postavljene kasete koje sadrže gorivo. Pošto se energija oslobađa u ovim kasetama, one se nazivaju gorivi elementi ili skraćeno gorivne šipke. Aktivna zona sa reflektorom često je zatvorena u čelično kućište.

• Uloga odgođenih neutrona u kontroli nuklearnog reaktora

Lančana reakcija

Lančana reakcija- kemijska i nuklearna reakcija u kojoj pojava aktivne čestice (slobodni radikal ili atom u kemijskom procesu, neutron u nuklearnom procesu) uzrokuje veliki broj (lanac) uzastopnih transformacija neaktivnih molekula ili jezgara. Slobodni radikali i mnogi atomi, za razliku od molekula, imaju slobodne nezasićene valencije (nespareni elektron), što dovodi do njihove interakcije s izvornim molekulima. Kada se slobodni radikal (R) sudari s molekulom, jedna od valentnih veza potonjeg se raskida i tako, kao rezultat reakcije, nastaje novi slobodni radikal, koji zauzvrat reagira s drugom molekulom - dolazi do lančane reakcije.

Lančane reakcije u hemiji obuhvataju procese oksidacije (sagorevanja, eksplozije), pucanja, polimerizacije i druge, koji se široko koriste u hemijskoj i naftnoj industriji.

Wikimedia Foundation. 2010.

Pogledajte šta je "lančana reakcija" u drugim rječnicima:

LANČANA REAKCIJA, samoodrživi proces nuklearne fisije, u kojem jedna reakcija dovodi do početka druge, druga do treće, itd. Da bi reakcija započela, potrebni su kritični uslovi, odnosno masa materijala sposobnog za cijepanje... ... Naučno-tehnički enciklopedijski rečnik

lančana reakcija- Svaki biološki (ili hemijsko-fizički) proces sastavljen od niza međusobno povezanih procesa, pri čemu je proizvod (ili energija) svake faze učesnik u sledećoj fazi, što dovodi do održavanja i (ili) ubrzanja lanca. ... ... Vodič za tehnički prevodilac

lančana reakcija- 1) Reakcija koja izaziva veliki broj transformacija molekula izvorne supstance. 2) Samoodrživa reakcija fisije atomskih jezgara teških elemenata pod uticajem neutrona. 3) razlaganje O nizu radnji, stanja itd., u kojima jedan ili jedan ... ... Rečnik mnogih izraza

Lančana reakcija Svaki biološki (ili hemijsko-fizički) proces sastavljen od niza međusobno povezanih procesa, pri čemu je proizvod (ili energija) svake faze učesnik u sledećoj fazi, što dovodi do održavanja i (ili) ... ... Molekularna biologija i genetika. Rječnik.

lančana reakcija- grandininė reakcija statusas T sritis chemija apibrėžtis Cheminė ar branduolinė reakcija, kurios aktyvusis centras sukelia ilgą kitimų grandinę. atitikmenys: engl. lančana reakcija rus. lančana reakcija … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

lančana reakcija- grandininė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. lančana reakcija vok. Kettenkernreaktion, f; Kettenreaktion, f rus. lančana reakcija, f pranc. réaction en chaîne, f … Fizikos terminų žodynas

Razg. O tekućem, nekontrolisanom procesu uključivanja nekoga ili nečega. šta? BMS 1998, 489; BTS, 1462… Veliki rječnik ruskih izreka

Naučni koncept lančane reakcije. Takođe, "Lančana reakcija" je naziv za nekoliko igranih filmova: "Lančana reakcija" je SSSR film iz 1962. godine. "Lančana reakcija" je francuska kriminalistička komedija iz 1963. godine. “Lanac... ... Wikipedia

Naučni koncept lančane reakcije. Takođe, "Lančana reakcija" je naziv za nekoliko igranih filmova: "Lančana reakcija" je SSSR film iz 1962. godine. "Lančana reakcija" je francuska kriminalistička komedija iz 1963. godine. "Lančana reakcija" australski film... ... Wikipedia

Lančana reakcija (film, 1963.) Ovaj izraz ima druga značenja, pogledajte Lančana reakcija (definicije). Lančana reakcija Karambolaže ... Wikipedia

Knjige

• Lančana reakcija, Elkeles Simone. Uzrast 18+ 3 sadrži: - Bestseler New York Timesa, Amazon - Od autora svjetskih bestselera "Savršena hemija" i "Zakon privlačnosti" - Za one koji vjeruju da ljubav mijenja sve "Odlično…