Spaltung von Urankernen und Kettenreaktion. Nukleare Kettenreaktion

Die Relativitätstheorie besagt, dass Masse eine besondere Form von Energie ist. Daraus folgt, dass es möglich ist, Masse in Energie und Energie in Masse umzuwandeln. Auf intraatomarer Ebene finden solche Reaktionen statt. Insbesondere kann durchaus eine gewisse Menge an Masse selbst in Energie umgewandelt werden. Dies geschieht auf verschiedene Weise. Erstens kann ein Kern in eine Reihe kleinerer Kerne zerfallen, eine Reaktion, die als „Zerfall“ bezeichnet wird. Zweitens können sich kleinere Kerne leicht zu einem größeren verbinden – das ist eine Fusionsreaktion. Solche Reaktionen kommen im Universum sehr häufig vor. Es genügt zu sagen, dass die Fusionsreaktion eine Energiequelle für Sterne ist. Aber die Zerfallsreaktion wird von der Menschheit genutzt, weil die Menschen gelernt haben, diese komplexen Prozesse zu kontrollieren. Aber was ist eine nukleare Kettenreaktion? Wie geht man damit um?

Was passiert im Atomkern?

Eine nukleare Kettenreaktion ist ein Prozess, der auftritt, wenn Elementarteilchen oder Kerne mit anderen Kernen kollidieren. Warum „verketten“? Dies ist eine Sammlung aufeinanderfolgender einzelner Kernreaktionen. Als Ergebnis dieses Prozesses kommt es zu einer Änderung des Quantenzustands und der nukleonischen Zusammensetzung des ursprünglichen Kerns, und es entstehen sogar neue Teilchen – Reaktionsprodukte. Die Kernkettenreaktion, deren Physik es ermöglicht, die Mechanismen der Wechselwirkung von Kernen mit Kernen und mit Teilchen zu untersuchen, ist die wichtigste Methode zur Gewinnung neuer Elemente und Isotope. Um den Ablauf einer Kettenreaktion zu verstehen, muss man sich zunächst mit einzelnen Reaktionen auseinandersetzen.

Was für eine Reaktion benötigt wird

Um einen Prozess wie eine nukleare Kettenreaktion durchzuführen, ist es notwendig, Teilchen (einen Kern und ein Nukleon, zwei Kerne) näher an den Abstand des starken Wechselwirkungsradius (ungefähr ein Fermi) zu bringen. Wenn die Abstände groß sind, erfolgt die Wechselwirkung geladener Teilchen rein nach Coulomb. Bei einer Kernreaktion werden alle Gesetze beachtet: Energieerhaltung, Impuls, Impuls, Baryonenladung. Eine nukleare Kettenreaktion wird durch die Symbole a, b, c, d bezeichnet. Das Symbol a bezeichnet den ursprünglichen Kern, b das eintretende Teilchen, c das neu emittierte Teilchen und d bezeichnet den resultierenden Kern.

Reaktionsenergie

Eine nukleare Kettenreaktion kann sowohl bei der Absorption als auch bei der Freisetzung von Energie auftreten, die dem Unterschied in den Teilchenmassen nach und vor der Reaktion entspricht. Die absorbierte Energie bestimmt die minimale kinetische Energie des Stoßes, die sogenannte Schwelle einer Kernreaktion, bei der diese ungehindert ablaufen kann. Dieser Schwellenwert hängt von den an der Wechselwirkung beteiligten Partikeln und ihren Eigenschaften ab. Im Anfangsstadium befinden sich alle Teilchen in einem vorgegebenen Quantenzustand.

Durchführung der Reaktion

Die Hauptquelle geladener Teilchen, mit denen der Kern bombardiert wird, sind Strahlen aus Protonen, schweren Ionen und leichten Kernen. Langsame Neutronen werden durch den Einsatz von Kernreaktoren erzeugt. Um einfallende geladene Teilchen zu erkennen, können verschiedene Arten von Kernreaktionen genutzt werden – sowohl Fusion als auch Zerfall. Ihre Wahrscheinlichkeit hängt von den Parametern der kollidierenden Teilchen ab. Diese Wahrscheinlichkeit ist mit einem Merkmal wie dem Reaktionsquerschnitt verbunden – dem Wert der effektiven Fläche, der den Kern als Ziel für einfallende Teilchen charakterisiert und ein Maß für die Wahrscheinlichkeit ist, dass Teilchen und Kern in Wechselwirkung treten. Wenn an der Reaktion Teilchen mit einem Spinwert ungleich Null teilnehmen, hängt der Wirkungsquerschnitt direkt von ihrer Orientierung ab. Da die Spins der einfallenden Teilchen nicht völlig chaotisch, sondern mehr oder weniger geordnet sind, sind alle Teilchen polarisiert. Die quantitative Charakteristik der orientierten Strahlspins wird durch den Polarisationsvektor beschrieben.

Reaktionsmechanismus

Was ist eine nukleare Kettenreaktion? Wie bereits erwähnt, handelt es sich hierbei um eine Abfolge einfacherer Reaktionen. Die Eigenschaften des einfallenden Teilchens und seine Wechselwirkung mit dem Kern hängen von Masse, Ladung und kinetischer Energie ab. Die Wechselwirkung wird durch den Freiheitsgrad der Kerne bestimmt, die beim Stoß angeregt werden. Die Kontrolle über all diese Mechanismen ermöglicht einen Prozess wie eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion.

Direkte Reaktionen

Wenn ein geladenes Teilchen, das auf einen Zielkern trifft, diesen nur berührt, ist die Dauer des Zusammenstoßes gleich der Dauer, die erforderlich ist, um den Radius des Kerns abzudecken. Diese Kernreaktion wird als direkt bezeichnet. Ein gemeinsames Merkmal aller Reaktionen dieser Art ist die Anregung einer geringen Anzahl von Freiheitsgraden. Bei einem solchen Prozess verfügt das Teilchen nach der ersten Kollision noch über genügend Energie, um die nukleare Anziehungskraft zu überwinden. Beispielsweise werden Wechselwirkungen wie inelastische Neutronenstreuung und Ladungsaustausch als direkt klassifiziert. Der Beitrag solcher Prozesse zum Merkmal „Gesamtquerschnitt“ ist völlig vernachlässigbar. Die Verteilung der Produkte einer direkten Kernreaktion ermöglicht es jedoch, die Fluchtwahrscheinlichkeit aus dem Strahlrichtungswinkel, die Selektivität besiedelter Zustände und deren Struktur zu bestimmen.

Emission vor dem Gleichgewicht

Wenn das Teilchen nach der ersten Kollision den Bereich der Kernwechselwirkung nicht verlässt, wird es in eine ganze Kaskade aufeinanderfolgender Kollisionen verwickelt. Dies ist eigentlich das, was man eine nukleare Kettenreaktion nennt. Aufgrund dieser Situation wird die kinetische Energie des Teilchens auf die Bestandteile des Kerns verteilt. Der Zustand des Kerns selbst wird nach und nach viel komplizierter. Dabei kann die für die Emission dieses Nukleons aus dem Kern ausreichende Energie auf ein bestimmtes Nukleon oder einen ganzen Cluster (Gruppe von Nukleonen) konzentriert werden. Eine weitere Entspannung führt zur Bildung eines statistischen Gleichgewichts und zur Bildung eines zusammengesetzten Kerns.

Kettenreaktionen

Was ist eine nukleare Kettenreaktion? Dies ist die Reihenfolge seiner Bestandteile. Das heißt, mehrere aufeinanderfolgende einzelne Kernreaktionen, die durch geladene Teilchen verursacht werden, erscheinen als Reaktionsprodukte in vorherigen Schritten. Was ist eine nukleare Kettenreaktion? Zum Beispiel die Spaltung schwerer Kerne, wenn mehrere Spaltereignisse durch Neutronen ausgelöst werden, die aus früheren Zerfällen stammen.

Merkmale einer nuklearen Kettenreaktion

Unter allen chemischen Reaktionen haben sich Kettenreaktionen weit verbreitet. Teilchen mit ungenutzten Bindungen wirken als freie Atome oder Radikale. In einem Prozess wie einer nuklearen Kettenreaktion wird der Mechanismus für sein Auftreten durch Neutronen bereitgestellt, die keine Coulomb-Barriere haben und den Kern bei Absorption anregen. Wenn das erforderliche Partikel im Medium erscheint, löst es eine Kette nachfolgender Transformationen aus, die so lange andauert, bis die Kette aufgrund des Verlusts des Trägerpartikels abbricht.

Warum gehen die Medien verloren?

Für den Verlust eines Trägerpartikels in einer kontinuierlichen Reaktionskette gibt es nur zwei Gründe. Das erste ist die Absorption eines Teilchens ohne den Prozess der Emission eines sekundären Teilchens. Das zweite ist die Abweichung eines Partikels über die Volumengrenze der Substanz hinaus, die den Kettenprozess unterstützt.

Zwei Arten von Prozessen

Wenn in jeder Periode einer Kettenreaktion ein ausschließlich einzelnes Trägerteilchen entsteht, kann dieser Prozess als unverzweigt bezeichnet werden. Es kann nicht zu einer Energiefreisetzung im großen Maßstab führen. Treten viele Trägerpartikel auf, spricht man von einer verzweigten Reaktion. Was ist eine verzweigte nukleare Kettenreaktion? Eines der im vorherigen Akt erhaltenen Sekundärteilchen setzt die zuvor begonnene Kette fort, andere lösen jedoch neue Reaktionen aus, die sich ebenfalls verzweigen. Prozesse, die zu einem Bruch führen, konkurrieren mit diesem Prozess. Die daraus resultierende Situation wird spezifische kritische und einschränkende Phänomene hervorrufen. Wenn es beispielsweise mehr Brüche als rein neue Ketten gibt, ist eine Selbsterhaltung der Reaktion unmöglich. Selbst wenn es künstlich angeregt wird, indem man die erforderliche Anzahl von Teilchen in eine bestimmte Umgebung einbringt, wird der Prozess mit der Zeit immer noch abklingen (normalerweise ziemlich schnell). Übersteigt die Zahl der neuen Ketten die Zahl der Brüche, breitet sich die nukleare Kettenreaktion in der gesamten Substanz aus.

Kritischer Zustand

Der kritische Zustand trennt den Zustandsbereich eines Stoffes mit einer entwickelten selbsterhaltenden Kettenreaktion von dem Bereich, in dem diese Reaktion überhaupt nicht möglich ist. Dieser Parameter ist durch die Gleichheit zwischen der Anzahl neuer Stromkreise und der Anzahl möglicher Unterbrechungen gekennzeichnet. Wie das Vorhandensein eines freien Trägerteilchens ist der kritische Zustand der Hauptpunkt einer solchen Liste wie „Bedingungen für eine nukleare Kettenreaktion“. Das Erreichen dieses Zustands kann durch eine Reihe möglicher Faktoren bestimmt werden. eines schweren Elements wird von nur einem Neutron angeregt. Durch einen Prozess namens Kettenreaktion der Kernspaltung werden mehr Neutronen erzeugt. Folglich kann dieser Prozess eine verzweigte Reaktion hervorrufen, bei der Neutronen als Träger fungieren. Wenn die Rate des Neutroneneinfangs ohne Spaltung oder Emission (Verlustrate) durch die Vermehrungsrate der Trägerteilchen kompensiert wird, läuft die Kettenreaktion im stationären Modus ab. Diese Gleichheit charakterisiert den Reproduktionskoeffizienten. Im obigen Fall ist es gleich eins. Dank der Einführung zwischen der Energiefreisetzungsrate und dem Multiplikationsfaktor ist es möglich, den Verlauf einer Kernreaktion zu steuern. Wenn dieser Koeffizient größer als eins ist, verläuft die Reaktion exponentiell. Bei Atomwaffen kommen unkontrollierte Kettenreaktionen zum Einsatz.

Kernkettenreaktion in der Energie

Die Reaktivität eines Reaktors wird durch eine Vielzahl von Prozessen bestimmt, die in seinem Kern ablaufen. Alle diese Einflüsse werden durch den sogenannten Reaktivitätskoeffizienten bestimmt. Der Einfluss von Temperaturänderungen von Graphitstäben, Kühlmitteln oder Uran auf die Reaktivität des Reaktors und die Intensität eines Prozesses wie einer nuklearen Kettenreaktion wird durch einen Temperaturkoeffizienten (für Kühlmittel, für Uran, für Graphit) charakterisiert. Es gibt auch abhängige Merkmale für Leistung, barometrische Indikatoren und Dampfindikatoren. Um eine Kernreaktion in einem Reaktor aufrechtzuerhalten, ist es notwendig, einige Elemente in andere umzuwandeln. Dazu müssen die Bedingungen für das Auftreten einer nuklearen Kettenreaktion berücksichtigt werden – das Vorhandensein einer Substanz, die in der Lage ist, beim Zerfall eine bestimmte Anzahl von Elementarteilchen zu teilen und aus sich selbst freizusetzen, was zur Folge hat , wird zur Spaltung anderer Kerne führen. Als solche Stoffe werden häufig Uran-238, Uran-235 und Plutonium-239 verwendet. Während einer nuklearen Kettenreaktion zerfallen Isotope dieser Elemente und bilden zwei oder mehr andere Chemikalien. Dabei werden sogenannte „Gamma“-Strahlen emittiert, es kommt zu einer intensiven Energiefreisetzung und es entstehen zwei bis drei Neutronen, die die Reaktionsschritte fortsetzen können. Es gibt langsame und schnelle Neutronen, denn damit der Atomkern zerfällt, müssen diese Teilchen mit einer bestimmten Geschwindigkeit fliegen.

Nukleare Kettenreaktion

Nukleare Kettenreaktion- eine Folge einzelner Kernreaktionen, die jeweils durch ein Teilchen verursacht werden, das im vorherigen Schritt der Folge als Reaktionsprodukt aufgetreten ist. Ein Beispiel für eine nukleare Kettenreaktion ist eine Kettenreaktion der Kernspaltung schwerer Elemente, bei der der Großteil der Spaltereignisse durch Neutronen ausgelöst wird, die bei der Kernspaltung in der vorherigen Generation gewonnen wurden.

Energiefreisetzungsmechanismus

Die Umwandlung eines Stoffes geht nur dann mit der Freisetzung freier Energie einher, wenn der Stoff über eine Energiereserve verfügt. Letzteres bedeutet, dass sich Mikropartikel eines Stoffes in einem Zustand befinden, dessen Ruheenergie größer ist als in einem anderen möglichen Zustand, in den ein Übergang besteht. Ein spontaner Übergang wird immer durch eine Energiebarriere verhindert, zu deren Überwindung das Mikropartikel eine bestimmte Energiemenge von außen erhalten muss – Anregungsenergie. Die exoenergetische Reaktion besteht darin, dass bei der der Anregung folgenden Umwandlung mehr Energie freigesetzt wird, als zur Anregung des Prozesses erforderlich ist. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Energiebarriere zu überwinden: entweder durch die kinetische Energie kollidierender Teilchen oder durch die Bindungsenergie des sich verbindenden Teilchens.

Wenn wir das makroskopische Ausmaß der Energiefreisetzung berücksichtigen, müssen alle oder zunächst zumindest ein Teil der Partikel der Substanz über die kinetische Energie verfügen, die zur Anregung von Reaktionen erforderlich ist. Dies ist nur erreichbar, indem die Temperatur des Mediums auf einen Wert erhöht wird, bei dem sich die Energie der thermischen Bewegung der Energieschwelle nähert, die den Prozessablauf begrenzt. Bei molekularen Umwandlungen, also chemischen Reaktionen, beträgt ein solcher Anstieg meist Hunderte Kelvin, bei Kernreaktionen beträgt er aufgrund der sehr hohen Coulomb-Barrieren kollidierender Kerne jedoch mindestens 10 7 K. Die thermische Anregung von Kernreaktionen wird in der Praxis nur bei der Synthese der leichtesten Kerne durchgeführt, bei denen die Coulomb-Barrieren minimal sind (thermonukleare Fusion).

Die Anregung durch die Verbindung von Partikeln erfordert keine große kinetische Energie und hängt daher nicht von der Temperatur des Mediums ab, da sie aufgrund ungenutzter Bindungen erfolgt, die den Anziehungskräften der Partikel innewohnen. Aber um Reaktionen anzuregen, sind die Teilchen selbst notwendig. Und wenn wir wieder nicht einen separaten Reaktionsakt meinen, sondern die Energieerzeugung im makroskopischen Maßstab, dann ist dies nur möglich, wenn eine Kettenreaktion stattfindet. Letzteres tritt auf, wenn die Teilchen, die die Reaktion anregen, als Produkte einer exoenergetischen Reaktion wieder auftauchen.

Kettenreaktionen

Kettenreaktionen sind unter chemischen Reaktionen weit verbreitet, bei denen freie Atome oder Radikale die Rolle von Teilchen mit ungenutzten Bindungen übernehmen. Der Kettenreaktionsmechanismus bei Kernumwandlungen kann durch Neutronen bereitgestellt werden, die keine Coulomb-Barriere haben und bei der Absorption Kerne anregen. Das Auftauchen des notwendigen Partikels in der Umgebung löst eine Kette nacheinander aufeinanderfolgender Reaktionen aus, die so lange andauert, bis die Kette durch den Verlust des Reaktionsträgerpartikels abbricht. Es gibt zwei Hauptgründe für Verluste: die Absorption eines Partikels ohne die Emission eines sekundären Partikels und das Verlassen des Partikels über das Volumen der Substanz hinaus, die den Kettenprozess unterstützt. Tritt bei jedem Reaktionsvorgang nur ein Trägerteilchen auf, spricht man von einer Kettenreaktion unverzweigt. Eine unverzweigte Kettenreaktion kann nicht zu einer Energiefreisetzung im großen Maßstab führen.

Wenn in jedem Reaktionsvorgang oder in einigen Gliedern der Kette mehr als ein Teilchen auftritt, kommt es zu einer verzweigten Kettenreaktion, da eines der Sekundärteilchen die begonnene Kette fortsetzt, während die anderen neue Ketten entstehen lassen, die sich erneut verzweigen. Zwar konkurrieren Prozesse, die zu Kettenbrüchen führen, mit dem Verzweigungsprozess, und die daraus resultierende Situation führt zu limitierenden oder kritischen Phänomenen, die für verzweigte Kettenreaktionen spezifisch sind. Wenn die Anzahl der unterbrochenen Stromkreise größer ist als die Anzahl der neu auftretenden Stromkreise, dann selbsterhaltende Kettenreaktion(SCR) erweist sich als unmöglich. Selbst wenn es künstlich angeregt wird, indem man eine bestimmte Menge notwendiger Teilchen in das Medium einbringt, dann verblasst der begonnene Prozess schnell, da die Anzahl der Ketten in diesem Fall nur abnehmen kann. Wenn die Anzahl der neu gebildeten Ketten die Anzahl der Brüche übersteigt, breitet sich die Kettenreaktion schnell über das gesamte Volumen des Stoffes aus, wenn mindestens ein Ausgangspartikel auftritt.

Der Bereich der Materiezustände, in dem sich eine selbsterhaltende Kettenreaktion entwickelt, wird von dem Bereich getrennt, in dem eine Kettenreaktion im Allgemeinen unmöglich ist. kritischer Zustand. Der kritische Zustand ist dadurch gekennzeichnet, dass die Anzahl der Neuschaltungen mit der Anzahl der Unterbrechungen gleich ist.

Das Erreichen eines kritischen Zustands wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt. Die Spaltung eines schweren Kerns wird durch ein Neutron angeregt, und infolge des Spaltvorgangs entsteht mehr als ein Neutron (für 235 U beträgt beispielsweise die Anzahl der in einem Spaltvorgang erzeugten Neutronen durchschnittlich 2,5). Folglich kann der Spaltungsprozess zu einer verzweigten Kettenreaktion führen, deren Träger Neutronen sind. Wenn die Rate der Neutronenverluste (Einfang ohne Spaltung, Entweichen aus dem Reaktionsvolumen usw.) die Rate der Neutronenvervielfachung so kompensiert, dass der effektive Neutronenvervielfachungsfaktor genau gleich eins ist, dann läuft die Kettenreaktion in a ab stationärer Modus. Die Einführung einer negativen Rückkopplung zwischen dem effektiven Multiplikationsfaktor und der Energiefreisetzungsrate ermöglicht eine kontrollierte Kettenreaktion, die beispielsweise in der Kernenergie eingesetzt wird. Ist der Multiplikationsfaktor größer als eins, verläuft die Kettenreaktion exponentiell; Die außer Kontrolle geratene Kettenreaktion wird in Atomwaffen eingesetzt.

siehe auch

• Chemische Kettenreaktion

Literatur

• Klimov A. N. Kernphysik und Kernreaktoren.- M. Atomizdat, .
• Levin V. E. Kernphysik und Kernreaktoren/ 4. Aufl. - M.: Atomizdat, .
• Petunin V. P. Wärmeenergietechnik kerntechnischer Anlagen.- M.: Atomizdat, .

Wikimedia-Stiftung. 2010.

Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was „Kernkettenreaktion“ ist:

Eine Kettenkernreaktion ist eine Abfolge von Kernreaktionen, die durch Teilchen (z. B. Neutronen) angeregt werden, die bei jedem Reaktionsereignis entstehen. Abhängig von der durchschnittlichen Anzahl der Reaktionen nach einer vorherigen ist weniger als, gleich oder... ... Begriffe zur Kernenergie

nukleare Kettenreaktion- Eine Folge von Kernreaktionen, die durch Teilchen (z. B. Neutronen) angeregt werden, die bei jedem Reaktionsereignis entstehen. Abhängig von der durchschnittlichen Anzahl der Reaktionen nach einer vorherigen Reaktion kleiner, gleich oder größer als eins... ...

nukleare Kettenreaktion- grandininė branduolinė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. nukleare Kettenreaktion vok. Kettenkernreaktion, f rus. nukleare Kettenreaktion, f pranc. Reaktion in der Nuklearkette, f; Kernreaktion in der Kette, f … Fizikos terminų žodynas

Die Spaltungsreaktion von Atomkernen schwerer Elemente unter dem Einfluss von Neutronen; bei jedem Akt des Schwarms erhöht sich die Anzahl der Neutronen, so dass ein sich selbst erhaltender Spaltungsprozess stattfinden kann. Zum Beispiel bei der Spaltung eines Kerns des Uranisotops 235U unter dem Einfluss von ... Großes enzyklopädisches polytechnisches Wörterbuch

Nukleare Kettenreaktion- die Reaktion der Spaltung von Atomkernen unter dem Einfluss von Neutronen, bei der bei jedem Akt mindestens ein Neutron emittiert wird, was die Aufrechterhaltung der Reaktion gewährleistet. Wird als Energiequelle in Kernladungen (explosive Kernreaktoren) und Kernreaktoren verwendet... ... Glossar militärischer Begriffe

Kettenreaktion der Kernspaltung mit Neutronen- - [A. S. Goldberg. Englisch-Russisches Energiewörterbuch. 2006] Themen: Energie im Allgemeinen EN divergente Reaktion... Leitfaden für technische Übersetzer

Selbsterhaltende nukleare Kettenreaktion- 7. Selbsterhaltende nukleare Kettenreaktion SCR Eine nukleare Kettenreaktion, die durch einen effektiven Multiplikationsfaktor größer oder gleich eins gekennzeichnet ist

Dabei entstehen auch die Partikel, die sie verursachen, als Produkte dieser Reaktionen. Bei dieser Reaktion handelt es sich um die Spaltung von Uran und einigen Transuranelementen (z. B. 23 9 Pu) unter dem Einfluss von Neutronen. Es wurde erstmals 1942 von E. Fermi durchgeführt. Nach der Entdeckung Kernspaltung W. Zinn, L. Szilard und G. N. Flerov zeigten dies bei der Spaltung eines Urankerns U Es wird mehr als ein Neutron emittiert: N + U → A + B + v. Hier A Und IN— Spaltfragmente mit Massenzahlen A von 90 bis 150, v— Anzahl sekundärer Neutronen.

Neutronenmultiplikationsfaktor. Damit eine Kettenreaktion stattfinden kann, ist es notwendig, dass die durchschnittliche Anzahl freigesetzter Neutronen in einer bestimmten Uranmasse mit der Zeit nicht abnimmt Neutronenmultiplikationsfaktor k war größer oder gleich eins.

Der Neutronenmultiplikationsfaktor ist das Verhältnis der Neutronenzahl einer Generation zur Neutronenzahl der vorherigen Generation. Unter Generationswechsel versteht man die Kernspaltung, bei der Neutronen der alten Generation absorbiert und neue Neutronen entstehen.

Wenn k ≥ 1, dann nimmt die Zahl der Neutronen mit der Zeit zu oder bleibt konstant und es kommt zu einer Kettenreaktion. Bei k > 1 die Zahl der Neutronen nimmt ab und eine Kettenreaktion ist unmöglich.

Aus mehreren Gründen sind von allen in der Natur vorkommenden Kernen nur Isotopenkerne für die Durchführung einer nuklearen Kettenreaktion geeignet. Der Multiplikationsfaktor wird bestimmt durch: 1) den Einfang langsamer Neutronen durch Kerne, die anschließende Spaltung und den Einfang schneller Neutronen durch Kerne sowie die anschließende Spaltung; 2) Einfangen von Neutronen ohne Spaltung durch Urankerne; 3) Einfangen von Neutronen durch Spaltprodukte, Moderator und Strukturelemente der Anlage; 4) die Emission von Neutronen aus der spaltbaren Substanz nach außen.

Nur der erste Prozess geht mit einer Zunahme der Neutronenzahl einher. Für eine stationäre Reaktion k muss gleich 1 sein. Bereits bei k = 1,01 Es kommt fast augenblicklich zu einer Explosion.

Plutoniumbildung. Durch den Einfang eines Neutrons durch ein Uranisotop entsteht ein radioaktives Isotop mit einer Halbwertszeit von 23 Minuten. Während des Zerfalls erscheint das erste transura-neue Element Neptunium:

.

β-radioaktives Neptunium (mit einer Halbwertszeit von etwa zwei Tagen), das ein Elektron emittiert, verwandelt sich in das folgende Transuranelement - Plutonium:

Die Halbwertszeit von Plutonium beträgt 24.000 Jahre und seine wichtigste Eigenschaft ist die Fähigkeit, sich unter dem Einfluss langsamer Neutronen wie ein Isotop zu spalten. Mit Hilfe von Plutonium kann eine Kettenreaktion mit Freisetzung durchgeführt werden von riesigen Energiemengen.

Die Kettenreaktion geht mit der Freisetzung enormer Energie einher; Bei der Spaltung jedes Kerns werden 200 MeV freigesetzt. Bei der Spaltung von 1 Urankern wird die gleiche Energie freigesetzt wie bei der Verbrennung von 3 Kohle oder 2,5 Tonnen Öl.

Betrachten wir den Mechanismus der Spaltkettenreaktion. Bei der Spaltung schwerer Kerne unter dem Einfluss von Neutronen entstehen neue Neutronen. Beispielsweise werden bei jeder Spaltung des Uran-92-U-235-Kerns durchschnittlich 2,4 Neutronen erzeugt. Einige dieser Neutronen können wiederum eine Kernspaltung verursachen. Man nennt diesen lawinenartigen Vorgang Kettenreaktion .
Die Spaltkettenreaktion findet in einer Umgebung statt, in der der Prozess der Neutronenvervielfachung stattfindet. Diese Umgebung heißt Kern . Die wichtigste physikalische Größe, die die Intensität der Neutronenvervielfachung charakterisiert, ist Neutronenvervielfachungsfaktor im Medium k ∞ . Der Multiplikationskoeffizient ist gleich dem Verhältnis der Anzahl der Neutronen in einer Generation zu ihrer Anzahl in der vorherigen Generation. Der Index ∞ zeigt an, dass es sich um eine ideale Umgebung mit unendlichen Dimensionen handelt. Ebenso wird der Wert k ∞ bestimmt Neutronenmultiplikationsfaktor in einem physikalischen System k. Der k-Faktor ist ein Merkmal einer bestimmten Installation.
In einem spaltbaren Medium mit endlichen Abmessungen entweichen einige Neutronen aus dem Kern nach außen. Daher hängt der Koeffizient k auch von der Wahrscheinlichkeit P ab, dass ein Neutron nicht aus dem Kern entweicht. A-Priorat

Der Wert von P hängt von der Zusammensetzung der aktiven Zone, ihrer Größe, Form und auch davon ab, inwieweit die die aktive Zone umgebende Substanz Neutronen reflektiert.
Die wichtigen Konzepte der kritischen Masse und der kritischen Dimensionen hängen mit der Möglichkeit zusammen, dass Neutronen den Kern verlassen. Kritische Größe ist die Größe der aktiven Zone, bei der k = 1. Kritische Masse wird die Masse des Kerns kritischer Dimensionen genannt. Es ist offensichtlich, dass die Kettenreaktion nicht stattfindet, wenn die Masse unter dem kritischen Wert liegt, selbst wenn > 1. Im Gegenteil, ein merklicher Überschuss der Masse über dem kritischen Wert führt zu einer unkontrollierten Reaktion – einer Explosion.
Wenn es in der ersten Generation N Neutronen gibt, dann wird es in der n-ten Generation Nk n geben. Daher verläuft die Kettenreaktion bei k = 1 stationär, bei k< 1 реакция гаснет, а при k >1 Die Intensität der Reaktion nimmt zu. Bei k = 1 wird der Reaktionsmodus aufgerufen kritisch , für k > 1 – überkritisch und bei k< 1 – unterkritisch .
Die Lebensdauer einer Neutronengeneration hängt stark von den Eigenschaften des Mediums ab und liegt in der Größenordnung von 10–4 bis 10–8 s. Aufgrund der Kürze dieser Zeit ist es zur Durchführung einer kontrollierten Kettenreaktion notwendig, die Gleichheit k = 1 mit großer Genauigkeit einzuhalten, da beispielsweise bei k = 1,01 das System fast augenblicklich explodiert. Sehen wir uns an, welche Faktoren die Koeffizienten k ∞ und k bestimmen.
Die erste Größe, die k ∞ (oder k) bestimmt, ist die durchschnittliche Anzahl der bei einem Spaltungsereignis emittierten Neutronen. Die Anzahl hängt von der Art des Brennstoffs und der Energie des einfallenden Neutrons ab. In der Tabelle Tabelle 1 zeigt die Werte der Hauptisotope der Kernenergie sowohl für thermische als auch für schnelle (E = 1 MeV) Neutronen.

Das Energiespektrum der Spaltneutronen für das 235 U-Isotop ist in Abb. dargestellt. 1. Spektren dieser Art sind für alle spaltbaren Isotope ähnlich: Es gibt eine starke Streuung der Energien, wobei der Großteil der Neutronen Energien im Bereich von 1–3 MeV aufweist. Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen verlangsamen sich, diffundieren über eine bestimmte Distanz und werden entweder mit oder ohne Spaltung absorbiert. Abhängig von den Eigenschaften des Mediums haben Neutronen Zeit, sich vor der Absorption auf unterschiedliche Energien zu verlangsamen. In Gegenwart eines guten Moderators haben die meisten Neutronen Zeit, auf thermische Energien in der Größenordnung von 0,025 eV abzubremsen. In diesem Fall spricht man von einer Kettenreaktion langsam, oder, was ist dasselbe, Thermal-. Ohne einen speziellen Moderator haben Neutronen nur Zeit, auf Energien von 0,1–0,4 MeV abzubremsen, da alle spaltbaren Isotope schwer sind und daher schlecht abbremsen. Die entsprechenden Kettenreaktionen werden aufgerufen schnell(Wir betonen, dass die Beinamen „schnell“ und „langsam“ die Geschwindigkeit von Neutronen charakterisieren und nicht die Geschwindigkeit der Reaktion). Man spricht von Kettenreaktionen, bei denen Neutronen auf Energien im Bereich von zehn bis zu einem keV abgebremst werden dazwischenliegend .
Wenn ein Neutron mit einem schweren Kern kollidiert, ist der Strahlungseinfang eines Neutrons (n, γ) immer möglich. Dieser Prozess konkurriert mit der Division und verringert dadurch die Multiplikationsrate. Daraus folgt, dass die zweite physikalische Größe, die die Koeffizienten k ∞ , k beeinflusst, die Spaltungswahrscheinlichkeit ist, wenn ein Neutron vom Kern eines spaltbaren Isotops eingefangen wird. Diese Wahrscheinlichkeit für monoenergetische Neutronen ist offensichtlich gleich

wobei nf, nγ die Spaltungs- bzw. Strahlungseinfangquerschnitte sind. Um gleichzeitig sowohl die Anzahl der Neutronen pro Spaltereignis als auch die Wahrscheinlichkeit des Strahlungseinfangs zu berücksichtigen, wird ein Koeffizient η eingeführt, der der durchschnittlichen Anzahl sekundärer Neutronen pro Neutroneneinfang durch einen spaltbaren Kern entspricht.

der Wert von η hängt von der Art des Brennstoffs und von der Neutronenenergie ab. Die Werte von η für die wichtigsten Isotope für thermische und schnelle Neutronen sind in derselben Tabelle angegeben. 1. Der Wert von η ist das wichtigste Merkmal von Brennstoffkernen. Eine Kettenreaktion kann nur stattfinden, wenn η > 1. Je höher der Wert von η ist, desto höher ist die Qualität des Kraftstoffs.

Tabelle 1. Werte von ν, η für spaltbare Isotope

Die Qualität des Kernbrennstoffs wird durch seine Verfügbarkeit und den Koeffizienten η bestimmt. In der Natur kommen nur drei Isotope vor, die als Kernbrennstoff oder Rohstoffe für dessen Herstellung dienen können. Dies sind das Thorium-Isotop 232 Th und die Uran-Isotope 238 U und 235 U. Die ersten beiden führen zu keiner Kettenreaktion, können aber zu Isotopen verarbeitet werden, an denen die Reaktion stattfindet. Das 235 U-Isotop selbst löst eine Kettenreaktion aus. In der Erdkruste gibt es ein Vielfaches mehr Thorium als Uran. Natürliches Thorium besteht praktisch nur aus einem Isotop, 232 Th. Natürliches Uran besteht hauptsächlich aus dem 238 U-Isotop und nur 0,7 % des 235 U-Isotops.
In der Praxis ist die Frage nach der Durchführbarkeit einer Kettenreaktion an einem natürlichen Gemisch von Uranisotopen, in dem es 140 238 U-Kerne pro 235 U-Kern gibt, äußerst wichtig. Zeigen wir, dass an einem natürlichen Gemisch eine langsame Reaktion möglich ist , aber ein schneller ist es nicht. Um eine Kettenreaktion in einer natürlichen Mischung zu betrachten, ist es zweckmäßig, eine neue Größe einzuführen – den durchschnittlichen Neutronenabsorptionsquerschnitt pro Kern des 235 U-Isotops. Per Definition

Für thermische Neutronen = 2,47, = 580 Barn, = 112 Barn, = 2,8 Barn (beachten Sie, wie klein der letzte Querschnitt ist). Wenn wir diese Zahlen in (5) einsetzen, erhalten wir das für langsame Neutronen in einer natürlichen Mischung

Das bedeutet, dass 100 thermische Neutronen, absorbiert in der natürlichen Mischung, 132 neue Neutronen erzeugen. Daraus folgt direkt, dass eine Kettenreaktion mit langsamen Neutronen auf natürlichem Uran prinzipiell möglich ist. Im Prinzip, denn um eine Kettenreaktion tatsächlich umzusetzen, muss man Neutronen verlustarm abbremsen können.
Für schnelle Neutronen ist ν = 2,65, 2 barn, 0,1 barn. Wenn wir nur die Spaltung des 235 U-Isotops berücksichtigen, erhalten wir

Aber wir müssen auch berücksichtigen, dass schnelle Neutronen mit Energien über 1 MeV mit spürbarer relativer Intensität die Kerne des 238 U-Isotops spalten können, das in der natürlichen Mischung sehr häufig vorkommt. Bei Division durch 238 U beträgt der Koeffizient etwa 2,5. Im Spaltungsspektrum haben etwa 60 % der Neutronen Energien über der effektiven Spaltungsschwelle von 1,4 MeV um 238 U. Aber von diesen 60 % gelingt nur einem von fünf Neutronen die Spaltung, ohne dass sie auf eine Energie unterhalb der Schwelle abgebremst wird elastische und insbesondere inelastische Streuung. Von hier aus erhalten wir für den Koeffizienten 238 (schnell) die Schätzung

Somit kann es bei schnellen Neutronen nicht zu einer Kettenreaktion in einem natürlichen Gemisch (235 U + 238 U) kommen. Es wurde experimentell festgestellt, dass für reines metallisches Uran der Multiplikationsfaktor bei einer Anreicherung von 5,56 % einen Wert von eins erreicht. In der Praxis zeigt sich, dass die Reaktion mit schnellen Neutronen nur in einer angereicherten Mischung aufrechterhalten werden kann, die mindestens 15 % des 235 U-Isotops enthält.
Eine natürliche Mischung von Uranisotopen kann mit dem 235 U-Isotop angereichert werden. Die Anreicherung ist ein komplexer und teurer Prozess, da die chemischen Eigenschaften beider Isotope nahezu gleich sind. Es ist notwendig, kleine Unterschiede in der Geschwindigkeit chemischer Reaktionen, der Diffusion usw. auszunutzen, die sich aus Unterschieden in den Isotopenmassen ergeben. Die Kettenreaktion mit 235 U findet fast immer in einer Umgebung mit einem hohen Gehalt an 238 U statt. Häufig wird ein natürliches Isotopengemisch verwendet, für das im thermischen Neutronenbereich η = 1,32 gilt, da auch 238 U sinnvoll ist. Das 238 U-Isotop ist für Neutronen mit Energien über 1 MeV spaltbar. Diese Spaltung führt zu einer kleinen zusätzlichen Neutronenvervielfachung.
Vergleichen wir Spaltkettenreaktionen mit thermischen und schnellen Neutronen.
Bei thermischen Neutronen sind die Einfangquerschnitte groß und variieren stark beim Übergang von einem Kern zum anderen. Bei den Kernen einiger Elemente (z. B. Cadmium) sind diese Wirkungsquerschnitte hundertfach oder sogar noch größer als die Wirkungsquerschnitte bei 235 U. Daher werden an den Kern thermischer Neutronenanlagen hohe Reinheitsanforderungen in Bezug auf bestimmte Verunreinigungen gestellt.
Bei schnellen Neutronen sind alle Einfangquerschnitte klein und unterscheiden sich kaum voneinander, sodass das Problem einer hohen Reinheit der Materialien nicht auftritt. Ein weiterer Vorteil schneller Reaktionen ist eine höhere Reproduktionsrate.
Eine wichtige Besonderheit thermischer Reaktionen besteht darin, dass der Brennstoff im Kern viel stärker verdünnt ist, d. h. pro Brennstoffkern gibt es deutlich mehr Kerne, die nicht an der Spaltung beteiligt sind als bei einer schnellen Reaktion. Beispielsweise gibt es bei einer thermischen Reaktion auf natürlichem Uran 140 Kerne aus 238 U-Rohmaterial pro 235 U-Brennstoffkern, und bei einer schnellen Reaktion können es nicht mehr als fünf bis sechs 238 U-Kerne pro 235 U-Kern sein Die Verdünnung des Brennstoffs bei einer thermischen Reaktion führt dazu, dass ein und dieselbe Energie bei einer thermischen Reaktion in einem viel größeren Materievolumen freigesetzt wird als bei einer schnellen Reaktion. Somit ist es einfacher, der aktiven Zone einer thermischen Reaktion Wärme zu entziehen, wodurch diese Reaktion mit größerer Intensität durchgeführt werden kann als eine schnelle.
Die Lebensdauer einer Neutronengeneration ist bei einer schnellen Reaktion um mehrere Größenordnungen kürzer als bei einer thermischen. Daher kann sich die Geschwindigkeit einer schnellen Reaktion nach einer Änderung der physikalischen Bedingungen im Kern innerhalb kürzester Zeit merklich ändern. Im Normalbetrieb des Reaktors ist dieser Effekt unbedeutend, da in diesem Fall die Betriebsweise durch die Lebensdauer verzögerter und nicht sofortiger Neutronen bestimmt wird.
In einem homogenen Medium, das nur aus spaltbaren Isotopen einer Art besteht, wäre der Multiplikationsfaktor gleich η. In realen Situationen gibt es jedoch neben spaltbaren Kernen immer auch andere, nicht spaltbare Kerne. Diese Fremdkerne fangen Neutronen ein und beeinflussen dadurch den Multiplikationsfaktor. Daraus folgt, dass die dritte Größe, die die Koeffizienten k ∞ , k, bestimmt, die Wahrscheinlichkeit ist, dass das Neutron nicht von einem der nicht spaltbaren Kerne eingefangen wird. In realen Anlagen erfolgt der „fremde“ Einfang an den Moderatorkernen, an den Kernen verschiedener Strukturelemente sowie an den Kernen von Spaltprodukten und Einfangprodukten.
Um eine Kettenreaktion mit langsamen Neutronen durchzuführen, werden spezielle Stoffe in den Kern eingebracht – Moderatoren, die Spaltneutronen in thermische umwandeln. In der Praxis wird die langsame Neutronenkettenreaktion an natürlichem oder leicht angereichertem Uran mit dem 235 U-Isotop durchgeführt. Das Vorhandensein einer großen Menge des 238 U-Isotops im Kern erschwert den Moderierungsprozess und macht es erforderlich, hohe Anforderungen an die Qualität des Moderators zu stellen. Die Lebensdauer einer Neutronengeneration in einem Kern mit Moderator kann grob in zwei Phasen unterteilt werden: Moderierung gegenüber thermischen Energien und Diffusion. Wärmeraten vor der Absorption. Damit die Mehrheit der Neutronen Zeit hat, ohne Absorption abzubremsen, muss die Bedingung erfüllt sein

Dabei sind σ-Kontrolle und σ-Einfang die energiegemittelten Querschnitte für elastische Streuung bzw. Einfang und n die Anzahl der Neutronenkollisionen mit Moderatorkernen, die zum Erreichen thermischer Energie erforderlich sind. Die Zahl n nimmt mit zunehmender Massenzahl des Moderators schnell zu. Für Uran 238 U liegt die Zahl n in der Größenordnung von mehreren Tausend. Und das Verhältnis σ-Kontrolle /σ-Einfang für dieses Isotop überschreitet selbst im relativ günstigen Energiebereich schneller Neutronen nicht 50. Der sogenannte Resonanzbereich von 1 keV bis 1 eV ist in Bezug auf den Neutroneneinfang besonders „gefährlich“. . In diesem Bereich weist der Gesamtwirkungsquerschnitt für die Wechselwirkung eines Neutrons mit 238 U-Kernen eine große Anzahl intensiver Resonanzen auf (Abb. 2). Bei niedrigen Energien übersteigen die Strahlungsbreiten die Neutronenbreiten. Daher wird im Resonanzbereich das Verhältnis σ-Kontrolle/σ-Einfang sogar kleiner als eins. Das heißt, wenn ein Neutron in den Bereich einer der Resonanzen gelangt, wird es mit nahezu hundertprozentiger Wahrscheinlichkeit absorbiert. Und da die Verlangsamung eines so schwereren Kerns wie Uran in „kleinen Schritten“ erfolgt, wird das verlangsamte Neutron beim Durchgang durch den Resonanzbereich definitiv auf eine der Resonanzen „stoßen“ und absorbiert. Daraus folgt, dass eine Kettenreaktion auf natürlichem Uran ohne fremde Verunreinigungen nicht durchgeführt werden kann: Bei schnellen Neutronen findet die Reaktion aufgrund der Kleinheit des Koeffizienten η nicht statt und langsame Neutronen können nicht gebildet werden. Um einen resonanten Neutroneneinfang zu vermeiden, ist es nicht möglich, eine Kettenreaktion durchzuführen Es ist notwendig, sehr leichte Kerne zu verwenden, um sie abzubremsen, wobei die Abbremsung in „großen Schritten“ erfolgt, was die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron erfolgreich durch den Resonanzenergiebereich „überspringt“, stark erhöht. Die besten moderierenden Elemente sind Wasserstoff, Deuterium, Beryllium und Kohlenstoff. Daher bestehen die in der Praxis verwendeten Moderatoren hauptsächlich aus schwerem Wasser, Beryllium, Berylliumoxid, Graphit sowie gewöhnlichem Wasser, das Neutronen nicht schlechter verlangsamt als schweres Wasser, sie aber in viel größeren Mengen absorbiert. Der Retarder muss gut gereinigt sein. Beachten Sie, dass zur Durchführung einer langsamen Reaktion der Moderator zehn- oder sogar hundertmal größer sein muss als Uran, um resonante Kollisionen von Neutronen mit 238 U-Kernen zu verhindern.

Die moderierenden Eigenschaften des aktiven Mediums können näherungsweise durch drei Größen beschrieben werden: die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron während der Moderation der Absorption durch einen Moderator entgeht, die Wahrscheinlichkeit p, resonanten Einfang durch 238 U-Kerne zu vermeiden, und die Wahrscheinlichkeit f, dass ein thermisches Neutron absorbiert wird durch einen Brennstoffkern und nicht durch einen Moderator. Der Wert f wird üblicherweise als thermischer Ausnutzungskoeffizient bezeichnet. Eine genaue Berechnung dieser Mengen ist schwierig. Zur Berechnung werden in der Regel semiempirische Näherungsformeln verwendet.

Die Werte von p und f hängen nicht nur von der relativen Menge des Moderators ab, sondern auch von der Geometrie seiner Platzierung im Kern. Die aktive Zone, die aus einer homogenen Mischung aus Uran und Moderator besteht, wird als homogen bezeichnet, und das System ihrer abwechselnden Blöcke aus Uran und Moderator wird als heterogen bezeichnet (Abb. 4). Ein qualitativ heterogenes System zeichnet sich dadurch aus, dass es dem im Uran gebildeten schnellen Neutron gelingt, in den Moderator zu gelangen, ohne Resonanzenergien zu erreichen. Eine weitere Verzögerung erfolgt in einem reinen Moderator. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit p, resonanten Einfang zu vermeiden

p het > p homo.

Andererseits muss das Neutron, nachdem es im Moderator thermisch geworden ist, um an der Kettenreaktion teilzunehmen, bis zu seiner Grenze diffundieren, ohne im reinen Moderator absorbiert zu werden. Daher ist der thermische Nutzungsfaktor f in einer heterogenen Umgebung niedriger als in einer homogenen:

f bekommen< f гом.

Um den Multiplikationsfaktor k ∞ eines thermischen Reaktors abzuschätzen, eine Näherung Vier-Faktoren-Formel

Die ersten drei Faktoren haben wir bereits früher berücksichtigt. Die Größe ε heißt Multiplikationsfaktor für schnelle Neutronen . Dieser Koeffizient wird eingeführt, um zu berücksichtigen, dass einige schnelle Neutronen spalten können, ohne Zeit zum Abbremsen zu haben. In seiner Bedeutung ist der Koeffizient ε immer größer als eins. Dieser Überschuss ist jedoch normalerweise gering. Typisch für thermische Reaktionen ist der Wert ε = 1,03. Für schnelle Reaktionen ist die Formel der vier Faktoren nicht anwendbar, da jeder Koeffizient von der Energie abhängt und die Energiestreuung bei schnellen Reaktionen sehr groß ist.
Da der Wert von η durch die Art des Brennstoffs bestimmt wird und der Wert von ε für langsame Reaktionen fast nicht von Eins abweicht, wird die Qualität eines bestimmten aktiven Mediums durch das Produkt pf bestimmt. Somit zeigt sich der Vorteil eines heterogenen Mediums gegenüber einem homogenen Medium quantitativ darin, dass beispielsweise in einem System, in dem es 215 Graphitkerne pro Natururankern gibt, das Produkt pf für ein heterogenes Medium gleich 0,823 ist und 0,595 für ein homogenes. Und da für eine natürliche Mischung η = 1,34 gilt, erhalten wir für ein heterogenes Medium k ∞ > 1 und für ein homogenes Medium k ∞< 1.
Für die praktische Umsetzung einer stationären Kettenreaktion muss man diese Reaktion kontrollieren können. Diese Steuerung wird aufgrund der Emission verzögerter Neutronen während der Spaltung erheblich vereinfacht. Die überwiegende Mehrheit der Neutronen entweicht fast augenblicklich aus dem Kern (d. h. in einer Zeit, die um viele Größenordnungen kürzer ist als die Lebensdauer einer Neutronengeneration im Kern), aber mehrere Zehntel Prozent der Neutronen entweichen verzögert fragmentieren Kerne nach einer ziemlich langen Zeitspanne – von Bruchteilen von Sekunden bis zu mehreren und sogar zehn Sekunden. Die Wirkung verzögerter Neutronen lässt sich qualitativ wie folgt erklären. Lassen Sie den Multiplikationsfaktor sofort von einem unterkritischen Wert auf einen solchen überkritischen Wert ansteigen, dass 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.
Das Einfangen von Neutronen durch Kerne, die nicht an der Kettenreaktion teilnehmen, verringert die Intensität der Reaktion, kann jedoch im Hinblick auf die Bildung neuer spaltbarer Isotope von Vorteil sein. Wenn also Neutronen aus den Isotopen von Uran 238 U und Thorium 232 Th absorbiert werden, entstehen (durch zwei aufeinanderfolgende β-Zerfälle) die Isotope von Plutonium 239 Pu und Uran 233 U, die Kernbrennstoff sind:

Diese beiden Reaktionen eröffnen eine echte Möglichkeit Reproduktion von Kernbrennstoff während einer Kettenreaktion. Im Idealfall, d. h. ohne unnötige Neutronenverluste, kann für jeden Akt der Absorption eines Neutrons durch einen Brennstoffkern durchschnittlich 1 Neutron zur Reproduktion verwendet werden.

Kernreaktoren (Atomreaktoren).

Ein Reaktor ist eine Vorrichtung, in der eine kontrollierte Spaltkettenreaktion aufrechterhalten wird. Beim Betrieb des Reaktors wird aufgrund der exothermen Natur der Spaltreaktion Wärme freigesetzt. Das Hauptmerkmal eines Reaktors ist seine Leistung – die Menge an Wärmeenergie, die pro Zeiteinheit freigesetzt wird. Die Reaktorleistung wird in Megawatt (10 6 W) gemessen. Eine Leistung von 1 MW entspricht einer Kettenreaktion, bei der 3·1016 Spaltereignisse pro Sekunde auftreten. Es gibt eine Vielzahl unterschiedlicher Reaktortypen. Eines der typischen Schemata eines thermischen Reaktors ist in Abb. dargestellt. 5.
Der Hauptteil des Reaktors ist die aktive Zone, in der die Reaktion stattfindet und dabei Energie freisetzt. In thermischen und intermediären Neutronenreaktoren besteht der Kern aus einem Brennstoff, meist gemischt mit einem nicht spaltbaren Isotop (meist 238 U), und einem Moderator. Im Kern schneller Neutronenreaktoren befindet sich kein Moderator.
Das Kernvolumen variiert von Zehntellitern in einigen schnellen Neutronenreaktoren bis zu mehreren Dutzend Kubikmetern in großen thermischen Reaktoren. Um den Neutronenaustritt zu reduzieren, erhält der Kern eine kugelförmige oder nahezu kugelförmige Form (z. B. ein Zylinder mit einer Höhe, die ungefähr dem Durchmesser entspricht, oder ein Würfel).
Abhängig von der relativen Lage von Brennstoff und Moderator werden homogene und heterogene Reaktoren unterschieden. Ein Beispiel für eine homogene aktive Zone ist eine Lösung von Uranylsulfatsalz und U 2 SO 4 in normalem oder schwerem Wasser. Heterogene Reaktoren sind häufiger anzutreffen. Bei heterogenen Reaktoren besteht der Kern aus einem Moderator, in dem Kassetten mit Brennstoff untergebracht sind. Da in diesen Kassetten Energie freigesetzt wird, nennt man sie Brennelemente oder kurz Brennstäbe. Die aktive Zone mit Reflektor ist häufig in einem Stahlgehäuse eingeschlossen.

• Die Rolle verzögerter Neutronen bei der Kernreaktorsteuerung

Kettenreaktion

Kettenreaktion- eine chemische und nukleare Reaktion, bei der das Auftreten eines aktiven Teilchens (ein freies Radikal oder Atom in einem chemischen Prozess, ein Neutron in einem Kernprozess) eine große Anzahl (Kette) aufeinanderfolgender Umwandlungen inaktiver Moleküle oder Kerne verursacht. Freie Radikale und viele Atome haben im Gegensatz zu Molekülen freie ungesättigte Valenzen (ungepaarte Elektronen), was zu ihrer Wechselwirkung mit den ursprünglichen Molekülen führt. Wenn ein freies Radikal (R) mit einem Molekül kollidiert, wird eine seiner Valenzbindungen aufgebrochen und so entsteht durch die Reaktion ein neues freies Radikal, das wiederum mit einem anderen Molekül reagiert – Es kommt zu einer Kettenreaktion.

Zu den Kettenreaktionen in der Chemie zählen die Prozesse Oxidation (Verbrennung, Explosion), Cracken, Polymerisation und andere, die in der Chemie- und Ölindustrie weit verbreitet sind.

Wikimedia-Stiftung. 2010.

Sehen Sie in anderen Wörterbüchern, was „Kettenreaktion“ ist:

KETTENREAKTION, ein sich selbst erhaltender Prozess der Kernspaltung, bei dem eine Reaktion zum Beginn einer zweiten, eine zweite zu einer dritten usw. führt. Damit die Reaktion beginnen kann, sind kritische Bedingungen erforderlich, also eine spaltungsfähige Materialmasse... ... Wissenschaftliches und technisches Enzyklopädisches Wörterbuch

Kettenreaktion- Jeder biologische (oder chemisch-physikalische) Prozess, der aus einer Reihe miteinander verbundener Prozesse besteht, bei dem das Produkt (oder die Energie) jeder Stufe an der nächsten Stufe beteiligt ist, was zur Aufrechterhaltung und (oder) Beschleunigung der Kette führt. .. ... Leitfaden für technische Übersetzer

Kettenreaktion- 1) Eine Reaktion, die eine große Anzahl von Umwandlungen der Moleküle der ursprünglichen Substanz verursacht. 2) Selbsterhaltende Reaktion der Spaltung von Atomkernen schwerer Elemente unter dem Einfluss von Neutronen. 3) Zersetzung Über eine Reihe von Aktionen, Zuständen usw., bei denen einer oder einer... ... Wörterbuch vieler Ausdrücke

Kettenreaktion Jeder biologische (oder chemisch-physikalische) Prozess, der aus einer Reihe miteinander verbundener Prozesse besteht, bei dem das Produkt (oder die Energie) jeder Stufe an der nächsten Stufe beteiligt ist, was zur Aufrechterhaltung und (oder) ... ... führt. Molekularbiologie und Genetik. Wörterbuch.

Kettenreaktion- Grandininė Reakcija Statusas T sritis chemija apibrėžtis Cheminė a branduolinė reakcija, Kurios aktyvusis centres sukelia ilgą kitimų grandinę. atitikmenys: engl. Kettenreaktion rus. Kettenreaktion … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

Kettenreaktion- grandininė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. Kettenreaktionsvok. Kettenkernreaktion, f; Kettenreaktion, f rus. Kettenreaktion, f pranc. Reaktion in der Kette, f … Fizikos terminų žodynas

Razg. Über den andauernden, unkontrollierten Prozess, jemanden oder etwas einzubeziehen. Was? BMS 1998, 489; BTS, 1462… Großes Wörterbuch russischer Sprichwörter

Wissenschaftliches Konzept der Kettenreaktion. Und auch „Chain Reaction“ ist der Name mehrerer Spielfilme: „Chain Reaction“ ist ein Film der UdSSR aus dem Jahr 1962. „Chain Reaction“ ist eine französische Krimikomödie aus dem Jahr 1963. „Kette... ... Wikipedia

Wissenschaftliches Konzept der Kettenreaktion. Und auch „Chain Reaction“ ist der Name mehrerer Spielfilme: „Chain Reaction“ ist ein Film der UdSSR aus dem Jahr 1962. „Chain Reaction“ ist eine französische Krimikomödie aus dem Jahr 1963. „Chain Reaction“ Australischer Film... ... Wikipedia

Kettenreaktion (Film, 1963) Dieser Begriff hat andere Bedeutungen, siehe Kettenreaktion (Definitionen). Kettenreaktion Karambolagen ... Wikipedia

Bücher

• Kettenreaktion, Elkeles Simone. Ab 18 Jahren 3 Features: - Der Bestseller der New York Times, Amazon - Vom Autor der Weltbestseller „Perfekte Chemie“ und „Das Gesetz der Anziehung“ – Für diejenigen, die glauben, dass Liebe alles verändert „Ausgezeichnet…“