Reacția nucleară în lanț. Condiții pentru o reacție nucleară în lanț

Teoria relativității spune că masa este o formă specială de energie. De aici rezultă că este posibil să se transforme masa în energie și energia în masă. La nivel intraatomic au loc astfel de reacții. În special, o anumită cantitate de masă în sine poate fi convertită în energie. Acest lucru se întâmplă în mai multe moduri. În primul rând, un nucleu se poate descompune într-un număr de nuclee mai mici, o reacție numită „dezintegrare”. În al doilea rând, nucleele mai mici se pot combina cu ușurință pentru a forma unul mai mare - aceasta este o reacție de fuziune. Astfel de reacții sunt foarte frecvente în Univers. Este suficient să spunem că reacția de fuziune este o sursă de energie pentru stele. Dar reacția de degradare este folosită de umanitate pentru că oamenii au învățat să controleze aceste procese complexe. Dar ce este o reacție nucleară în lanț? Cum să o gestionezi?

Ce se întâmplă în nucleul unui atom

Reacția nucleară în lanț - un proces care are loc în timpul unei coliziuni particule elementare sau sâmburi cu alte sâmburi. De ce „lanț”? Aceasta este o colecție de reacții nucleare unice secvențiale. Ca urmare a acestui proces, are loc o schimbare a stării cuantice și a compoziției nucleonice a nucleului original și chiar apar particule noi - produse de reacție. Reacția nucleară în lanț, a cărei fizică face posibilă studierea mecanismelor de interacțiune a nucleelor ​​cu nucleele și cu particulele, este metoda principală pentru obținerea de noi elemente și izotopi. Pentru a înțelege cursul unei reacții în lanț, trebuie mai întâi să te ocupi de cele singure.

Ce este necesar pentru o reacție

Pentru a realiza un proces precum o reacție nucleară în lanț, este necesar să se apropie particulele (un nucleu și un nucleon, două nuclee) de distanța razei de interacțiune puternică (aproximativ un Fermi). Dacă distanțele sunt mari, atunci interacțiunea particulelor încărcate va fi pur Coulomb. ÎN reacție nucleară sunt respectate toate legile: conservarea energiei, impuls, impuls, sarcină barionică. O reacție nucleară în lanț este desemnată prin simbolurile a, b, c, d. Simbolul a denotă nucleul inițial, b particula care vine, c noua particulă emisă și d denotă nucleul rezultat.

Energia de reacție

O reacție nucleară în lanț poate avea loc atât cu absorbția, cât și cu eliberarea de energie, care este egală cu diferența de mase de particule după reacție și înaintea acesteia. Energia absorbită determină energia cinetică minimă a ciocnirii, așa-numitul prag al unei reacții nucleare, la care se poate desfășura liber. Acest prag depinde de particulele care participă la interacțiune și de caracteristicile acestora. Pe stadiu inițial toate particulele sunt într-o stare cuantică predeterminată.

Efectuarea reacției

Principala sursă de particule încărcate cu care este bombardat nucleul este cea care produce fascicule de protoni, ioni grei și nuclee ușoare. Neutronii lenți sunt produși prin utilizarea reactoarelor nucleare. Pentru a capta particulele încărcate care intră pot fi folosite diferite tipuri reacții nucleare – atât de fuziune, cât și de descompunere. Probabilitatea lor depinde de parametrii particulelor care se ciocnesc. Această probabilitate este asociată cu o caracteristică precum secțiunea transversală de reacție - valoarea ariei efective, care caracterizează nucleul ca țintă pentru particulele incidente și care este o măsură a probabilității ca particule și nucleu să intre în interacțiune. Dacă particulele cu o valoare de spin diferită de zero iau parte la reacție, atunci secțiunea transversală depinde direct de orientarea lor. Deoarece spinurile particulelor incidente nu sunt complet orientate haotic, ci mai mult sau mai puțin ordonate, toți corpusculii vor fi polarizați. Caracteristica cantitativă a spinurilor fasciculului orientat este descrisă de vectorul de polarizare.

Mecanismul de reacție

Ce este o reacție nucleară în lanț? După cum am menționat deja, aceasta este o secvență de reacții mai simple. Caracteristicile particulei incidente și interacțiunea acesteia cu nucleul depind de masă, sarcină și energia cinetică. Interacțiunea este determinată de gradul de libertate al nucleelor, care sunt excitate în timpul ciocnirii. Obținerea controlului asupra tuturor acestor mecanisme permite un proces precum o reacție nucleară controlată în lanț.

Reacții directe

Dacă o particulă încărcată care lovește un nucleu țintă îl atinge doar, atunci durata coliziunii va fi egală cu cea necesară pentru a acoperi raza nucleului. Această reacție nucleară se numește directă. Caracteristici generale pentru toate reacțiile de acest tip este excitarea unui număr mic de grade de libertate. Într-un astfel de proces, după prima coliziune, particula mai are suficientă energie pentru a depăși atracția nucleară. De exemplu, interacțiunile precum împrăștierea neutronilor inelastici și schimbul de sarcină sunt clasificate drept directe. Contribuția unor astfel de procese la caracteristica numită „secțiune transversală totală” este destul de neglijabilă. Cu toate acestea, distribuția produselor unei reacții nucleare directe face posibilă determinarea probabilității de evadare din unghiul de direcție al fasciculului, selectivitatea stărilor populate și determinarea structurii acestora.

Emisia pre-echilibru

Dacă particula nu părăsește regiunea de interacțiune nucleară după prima ciocnire, atunci va fi implicată într-o întreagă cascadă de coliziuni succesive. Aceasta este de fapt ceea ce se numește o reacție nucleară în lanț. Ca urmare a acestei situații, energia cinetică a particulei este distribuită între părțile constitutive ale nucleului. Starea nucleului în sine va deveni treptat mult mai complicată. În timpul acestui proces, energia suficientă pentru a emite acest nucleon din nucleu poate fi concentrată pe un anumit nucleon sau pe un întreg cluster (grup de nucleoni). O relaxare ulterioară va duce la formarea unui echilibru statistic și formarea unui nucleu compus.

Reacții în lanț

Ce este o reacție nucleară în lanț? Aceasta este secvența ei componente. Adică, reacțiile nucleare unice secvențiale multiple cauzate de particulele încărcate apar ca produse de reacție în etapele anterioare. Ce este o reacție nucleară în lanț? De exemplu, fisiunea nucleelor ​​grele, când mai multe evenimente de fisiune sunt inițiate de neutroni obținuți din dezintegrari anterioare.

Caracteristicile unei reacții nucleare în lanț

Printre toate reactii chimice Cele în lanț s-au răspândit. Particulele cu legături neutilizate acționează ca atomi liberi sau radicali. Într-un proces precum o reacție nucleară în lanț, mecanismul pentru apariția acestuia este asigurat de neutroni, care nu au o barieră Coulomb și excită nucleul la absorbție. Dacă în mediu apare particula necesară, aceasta provoacă un lanț de transformări ulterioare care va continua până când lanțul se rupe din cauza pierderii particulei purtătoare.

De ce se pierde mass-media?

Există doar două motive pentru pierderea unei particule purtătoare într-un lanț continuu de reacții. Prima este absorbția unei particule fără procesul de emitere a uneia secundare. Al doilea este plecarea unei particule dincolo de limita de volum a substanței care susține procesul în lanț.

Două tipuri de proces

Dacă în fiecare perioadă a unei reacții în lanț se naște o particulă purtătoare exclusiv unică, atunci acest proces poate fi numit neramificat. Nu poate duce la eliberarea de energie pe scară largă. Dacă apar multe particule purtătoare, atunci aceasta se numește o reacție ramificată. Ce este o reacție nucleară în lanț ramificată? Una dintre particulele secundare obținute în actul anterior va continua lanțul început mai devreme, dar altele vor crea reacții noi care se vor ramifica și ele. Procesele care conduc la o pauză vor concura cu acest proces. Situația rezultată va da naștere unor fenomene critice și limitative specifice. De exemplu, dacă există mai multe întreruperi decât lanțuri pur noi, atunci auto-susținerea reacției va fi imposibilă. Chiar dacă îl excitați artificial introducându-l într-un mediu dat cantitatea necesară particule, atunci procesul se va degrada în timp (de obicei destul de repede). Dacă numărul de lanțuri noi depășește numărul de pauze, atunci reacția nucleară în lanț va începe să se răspândească în întreaga substanță.

Stare critică

Starea critică separă regiunea stării unei substanțe cu o reacție în lanț autosusținută dezvoltată și regiunea în care această reacție este deloc imposibilă. Acest parametru este caracterizat de egalitatea între numărul de circuite noi și numărul de întreruperi posibile. La fel ca prezența unei particule purtătoare libere, starea critică este elementul principal pe o listă precum „condițiile pentru o reacție nucleară în lanț”. Atingerea acestei stări poate fi determinată de o serie de factori posibili. a unui element greu este excitat de un singur neutron. Ca rezultat al unui proces numit reacție în lanț de fisiune nucleară, sunt produși mai mulți neutroni. În consecință, acest proces poate produce o reacție ramificată, în care neutronii acționează ca purtători. În cazul în care rata de captare a neutronilor fără fisiune sau emisie (rata de pierdere) este compensată de rata de multiplicare a particulelor purtătoare, reacția în lanț se va desfășura într-un mod staționar. Această egalitate caracterizează coeficientul de reproducere. În cazul de mai sus este egal cu unu. Datorită introducerii între rata de eliberare a energiei și factorul de multiplicare, este posibil să se controleze cursul unei reacții nucleare. Dacă acest coeficient este mai mare de unu, atunci reacția se va dezvolta exponențial. Reacțiile în lanț necontrolate sunt folosite în armele nucleare.

Reacția nucleară în lanț în energie

Reactivitatea unui reactor este determinată de un număr mare de procese care au loc în miezul său. Toate aceste influențe sunt determinate de așa-numitul coeficient de reactivitate. Efectul schimbărilor de temperatură a tijelor de grafit, a lichidelor de răcire sau a uraniului asupra reactivității reactorului și a intensității unui proces precum o reacție nucleară în lanț se caracterizează printr-un coeficient de temperatură (pentru lichid de răcire, pentru uraniu, pentru grafit). Există, de asemenea, caracteristici dependente de putere, indicatoare barometrice și indicatoare de abur. Pentru a menține o reacție nucleară într-un reactor, este necesară transformarea unor elemente în altele. Pentru a face acest lucru, este necesar să se ia în considerare condițiile pentru apariția unei reacții nucleare în lanț - prezența unei substanțe care este capabilă să se împartă și să elibereze din ea însăși în timpul dezintegrarii un anumit număr de particule elementare, care, ca o consecință. , va provoca fisiunea altor nuclee. Uraniul-238, uraniul-235 și plutoniul-239 sunt adesea folosite ca astfel de substanțe. În timpul unei reacții nucleare în lanț, izotopii acestor elemente se vor descompune și vor forma două sau mai multe altele chimicale. În timpul acestui proces, sunt emise așa-numitele raze „gamma”, are loc o eliberare intensă de energie și se formează doi sau trei neutroni capabili să continue actele de reacție. Există neutroni lenți și rapidi, deoarece pentru ca nucleul unui atom să se descompună, aceste particule trebuie să zboare cu o anumită viteză.

În care particulele care le provoacă se formează și ca produse ale acestor reacții. Această reacție este fisiunea uraniului și a unor elemente transuraniu (de exemplu, 23 9 Pu) sub influența neutronilor. A fost realizat pentru prima dată de E. Fermi în 1942. După descoperire fisiune nucleară W. Zinn, L. Szilard și G. N. Flerov au arătat că în timpul fisiunii unui nucleu de uraniu U este emis mai mult de un neutron: n + U → A + B + v. Aici OŞi ÎN— fragmente de fisiune cu numere de masă A de la 90 la 150; v— numărul de neutroni secundari.

Factorul de multiplicare a neutronilor. Pentru ca o reacție în lanț să aibă loc, este necesar ca numărul mediu de neutroni eliberați într-o anumită masă de uraniu să nu scadă în timp sau ca factor de multiplicare a neutronilor k a fost mai mare sau egal cu unu.

Factorul de multiplicare a neutronilor este raportul dintre numărul de neutroni dintr-o generație și numărul de neutroni din generația anterioară. Schimbarea generațională este înțeleasă ca fisiune nucleară, în timpul căreia neutronii din vechea generație sunt absorbiți și se nasc noi neutroni.

Dacă k ≥ 1, apoi numărul de neutroni crește în timp sau rămâne constant și are loc o reacție în lanț. La k > 1 numărul de neutroni scade, iar o reacție în lanț este imposibilă.

Din mai multe motive, dintre toate nucleele găsite în natură, numai nucleele izotopice sunt potrivite pentru realizarea unei reacții nucleare în lanț. Factorul de multiplicare este determinat de: 1) captarea neutronilor lenți pe nuclee, fisiunea ulterioară și captarea neutronilor rapizi pe nuclee și, de asemenea, cu fisiunea ulterioară; 2) captarea neutronilor fără fisiune de către nucleele de uraniu; 3) captarea neutronilor de către produsele de fisiune, moderatorul și elementele structurale ale instalației; 4) emisia de neutroni din substanța fisionabilă în exterior.

Doar primul proces este însoțit de o creștere a numărului de neutroni. Pentru o reacție staționară k trebuie să fie egal cu 1. Deja la k = 1,01 o explozie va avea loc aproape instantaneu.

Formarea plutoniului. Ca urmare a captării unui neutron de către un izotop de uraniu, se formează un izotop radioactiv cu un timp de înjumătățire de 23 de minute. În timpul dezintegrarii, apare primul element transura-nou neptuniu:

.

Neptuniul β-radioactiv (cu un timp de înjumătățire de aproximativ două zile), care emite un electron, se transformă în următorul element transuraniu - plutoniu:

Timpul de înjumătățire al plutoniului este de 24.000 de ani, iar proprietatea sa cea mai importantă este capacitatea de a fisiune sub influența neutronilor lenți în același mod ca un izotop. Cu ajutorul plutoniului, se poate realiza o reacție în lanț de cantități uriașe de energie.

Reacția în lanț este însoțită de eliberarea de energie enormă; Când fiecare nucleu fisiune, se eliberează 200 MeV. Fisiunea unui nucleu de uraniu eliberează aceeași energie ca și arderea a 3 cărbuni sau a 2,5 tone de petrol.

Reacţie în lanţ

Reacţie în lanţ- o reacție chimică și nucleară în care apariția unei particule active (radical liber sau atom într-un proces chimic, neutroni într-un proces nuclear) provoacă număr mare(lanț) de transformări succesive ale moleculelor sau nucleelor ​​inactive. Radicalii liberi și mulți atomi, spre deosebire de molecule, au valențe nesaturate libere (electron nepereche), ceea ce duce la interacțiunea lor cu moleculele originale. Când un radical liber (R) se ciocnește cu o moleculă, una dintre legăturile de valență ale acesteia din urmă este ruptă și, astfel, în urma reacției, se formează un nou radical liber, care, la rândul său, reacționează cu o altă moleculă - are loc o reacție în lanț.

Reacțiile în lanț din chimie includ procesele de oxidare (combustie, explozie), cracare, polimerizare și altele, care sunt utilizate pe scară largă în industria chimică și petrolieră.

Fundația Wikimedia.

2010.

Vedeți ce este „reacția în lanț” în alte dicționare: REACȚIA ÎN LAN, un proces auto-susținut de fisiune nucleară, în care o reacție duce la începutul unei secunde, o secundă la o a treia și așa mai departe. Pentru ca reacția să înceapă, sunt necesare condiții critice, adică o masă de material capabilă să se desprindă... ...

Dicționar enciclopedic științific și tehnic reacţie în lanţ - Orice proces biologic (sau chimico-fizic) compus dintr-o serie de procese interconectate, în care produsul (sau energia) fiecărei etape este un participant la etapa următoare, ceea ce duce la menținerea și (sau) accelerarea lanțului. .. ...

Dicționar enciclopedic științific și tehnic Ghidul tehnic al traducătorului - 1) O reacție care provoacă un număr mare de transformări ale moleculelor substanței inițiale. 2) Reacție autosusținută de fisiune a nucleelor ​​atomice ale elementelor grele sub influența neutronilor. 3) descompunere Despre o serie de acțiuni, stări etc., în care una sau una... ...

Dicționar cu multe expresii Reacţie în lanţ Orice proces biologic (sau chimico-fizic) compus dintr-o serie de procese interconectate, în care produsul (sau energia) fiecărei etape este un participant în etapa următoare, care duce la menținerea și (sau) ... ...

Dicționar enciclopedic științific și tehnic Biologie moleculară și genetică. Dicționar explicativ. - grandininė reakcija statusas T sritis chemija apibrėžtis Cheminė ar branduolinė reakcija, kurios aktyvusis centras sukelia ilgą kitimų grandinę. atitikmenys: engl. reacție în lanț rus. reacţie în lanţ...

Dicționar enciclopedic științific și tehnic Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

- grandininė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. reacție în lanț vok. Kettenkernreaktion, f; Kettenreaktion, f rus. reacție în lanț, f pranc. réaction en chaîne, f … Fizikos terminų žodynas Razg. Despre procesul continuu, necontrolat de a implica pe cineva sau ceva. ce? BMS 1998, 489; BTS, 1462... Dicționar mare

zicale rusești

Concept științific de reacție în lanț. Și, de asemenea, „Chain Reaction” este numele mai multor lungmetraje: „Chain Reaction” este un film din 1962 din URSS. „Reacția în lanț” este un film francez de comedie criminală din 1963. „Lanț... ... Wikipedia

Concept științific de reacție în lanț. Și, de asemenea, „Chain Reaction” este numele mai multor lungmetraje: „Chain Reaction” este un film din 1962 din URSS. „Reacția în lanț” este un film francez de comedie criminală din 1963. Filmul australian „Reacția în lanț”... ... Wikipedia

Reacție în lanț (film, 1963) Acest termen are alte semnificații, vezi Reacția în lanț (definiții). Carambolaje cu reacție în lanț ... Wikipedia

• Reacție în lanț, Elkeles Simone. 18+ 3 caracteristici: - Bestsellerul The New York Times, Amazon - De la autorul bestsellerurilor mondiale „Chimia perfectă” și „Legea atracției” - Pentru cei care cred că dragostea schimbă totul „Excelent...

Reacția nucleară în lanț

Reacția nucleară în lanț- o secvență de reacții nucleare individuale, fiecare dintre acestea fiind cauzată de o particulă care a apărut ca produs de reacție la etapa anterioară a secvenței. Un exemplu de reacție nucleară în lanț este o reacție în lanț de fisiune a nucleelor ​​elementelor grele, în care numărul principal de evenimente de fisiune este inițiat de neutronii obținuți în timpul fisiunii nucleelor ​​din generația anterioară.

Mecanism de eliberare a energiei

Transformarea unei substanțe este însoțită de eliberarea de energie liberă numai dacă substanța are o rezervă de energie. Aceasta din urmă înseamnă că microparticulele unei substanțe se află într-o stare cu o energie de repaus mai mare decât într-o altă stare posibilă la care există o tranziție. O tranziție spontană este întotdeauna împiedicată de o barieră energetică, pentru a o depăși microparticula trebuie să primească o anumită cantitate de energie din exterior - energie de excitație. Reacția exoenergetică constă în faptul că în transformarea care urmează excitării se eliberează mai multă energie decât este necesară pentru excitarea procesului. Există două moduri de a depăși bariera energetică: fie datorită energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc, fie datorită energiei de legare a particulei care se unește.

Dacă ținem cont de scara macroscopică a eliberării de energie, atunci toate sau inițial cel puțin o parte din particulele substanței trebuie să aibă energia cinetică necesară pentru a excita reacțiile. Acest lucru este realizabil doar prin creșterea temperaturii mediului până la o valoare la care energia mișcării termice se apropie de pragul de energie care limitează cursul procesului. În cazul transformărilor moleculare, adică al reacțiilor chimice, o astfel de creștere este de obicei de sute de kelvin, dar în cazul reacțiilor nucleare este de cel puțin 10 7 K datorită înălțimii foarte mari a barierelor Coulomb a nucleelor ​​care se ciocnesc. Excitarea termică a reacțiilor nucleare se realizează în practică numai în timpul sintezei celor mai ușoare nuclee, în care barierele Coulomb sunt minime (fuziune termonucleară).

Excitarea prin unirea particulelor nu necesită energie cinetică mare și, prin urmare, nu depinde de temperatura mediului, deoarece apare din cauza legăturilor neutilizate inerente forțelor atractive ale particulelor. Dar pentru a excita reacțiile, particulele în sine sunt necesare. Și dacă ne referim din nou nu la un act separat de reacție, ci la producerea de energie la scară macroscopică, atunci acest lucru este posibil numai atunci când are loc o reacție în lanț. Acesta din urmă apare atunci când particulele care excită reacția reapar ca produse ale unei reacții exoenergetice.

Reacții în lanț

Reacțiile în lanț sunt larg răspândite printre reacțiile chimice, unde rolul particulelor cu legături neutilizate este jucat de atomii liberi sau radicalii. Mecanismul de reacție în lanț în timpul transformărilor nucleare poate fi asigurat de neutroni care nu au o barieră Coulomb și excită nucleii la absorbție. Apariția particulei necesare în mediu determină un lanț de reacții care urmează una după alta, care continuă până când lanțul se rupe din cauza pierderii particulei purtătoare de reacție. Există două motive principale pentru pierderi: absorbția unei particule fără emisia uneia secundare și plecarea unei particule dincolo de volumul substanței care susține procesul în lanț. Dacă în fiecare act de reacție apare o singură particulă purtătoare, atunci se numește reacția în lanț neramificată. O reacție în lanț neramificată nu poate duce la eliberarea de energie pe scară largă.

Dacă în fiecare act de reacție sau în unele verigi ale lanțului apare mai mult de o particulă, atunci are loc o reacție în lanț ramificat, deoarece una dintre particulele secundare continuă lanțul început, în timp ce celelalte dau naștere la noi lanțuri care se ramifică din nou. Adevărat, procesele care duc la rupere în lanț concurează cu procesul de ramificare, iar situația rezultată dă naștere unor fenomene limitative sau critice specifice reacțiilor ramificate în lanț. Dacă numărul de circuite întrerupte este mai mare decât numărul de circuite noi care apar, atunci reacție în lanț auto-susținută(SCR) se dovedește a fi imposibil. Chiar dacă este excitat artificial prin introducerea unei anumite cantități de particule necesare în mediu, atunci, deoarece numărul de lanțuri în acest caz poate doar să scadă, procesul care a început se estompează rapid. Dacă numărul de lanțuri noi formate depășește numărul de rupturi, reacția în lanț se răspândește rapid în întregul volum al substanței atunci când apare cel puțin o particulă inițială.

Regiunea stărilor materiei cu dezvoltarea unei reacții în lanț autosusținută este separată de regiunea în care o reacție în lanț este în general imposibilă, stare critică. Starea critică este caracterizată de egalitatea între numărul de circuite noi și numărul de întreruperi.

Atingerea unei stări critice este determinată de o serie de factori. Fisiunea unui nucleu greu este excitată de un neutron, iar în urma actului de fisiune apar mai mult de un neutron (de exemplu, pentru 235 U numărul de neutroni produși într-un act de fisiune este în medie de 2,5). În consecință, procesul de fisiune poate da naștere unei reacții în lanț ramificat, ai cărei purtători vor fi neutronii. Dacă rata pierderilor de neutroni (captură fără fisiune, scăpare din volumul de reacție etc.) compensează viteza de multiplicare a neutronilor în așa fel încât factorul efectiv de multiplicare a neutronilor să fie exact egal cu unitatea, atunci reacția în lanț are loc într-un modul staționar. Introducerea feedback-ului negativ între factorul de multiplicare efectiv și rata de eliberare a energiei permite o reacție în lanț controlată, care este utilizată, de exemplu, în energia nucleară. Dacă factorul de multiplicare este mai mare de unu, reacția în lanț se dezvoltă exponențial; reacția în lanț de fisiune fugitivă este utilizată în armele nucleare.

Vezi de asemenea

• Reacție chimică în lanț

Literatură

• Klimov A.N. Fizică nucleară și reactoare nucleare.- M. Atomizdat, .
• Levin V. E. Fizică nucleară și reactoare nucleare/ a 4-a ed. - M.: Atomizdat, .
• Petunin V.P. Ingineria termoenergetica a instalatiilor nucleare.- M.: Atomizdat, .

Fundația Wikimedia.

Vedeți ce este „reacția nucleară în lanț” în alte dicționare:

Reacția nucleară în lanț este o secvență de reacții nucleare excitate de particule (de exemplu, neutroni) născute în fiecare eveniment de reacție. În funcție de numărul mediu de reacții care urmează uneia anterioară, este mai mic decât, egal cu sau... ... Termenii energiei nucleare

reacție nucleară în lanț- O secvență de reacții nucleare excitate de particule (de exemplu, neutroni) născute în fiecare eveniment de reacție. În funcție de numărul mediu de reacții care urmează unei reacții anterioare, mai puțin, egal sau mai mare decât unul... ...

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

Reacția de fisiune a nucleelor ​​atomice ale elementelor grele sub influența neutronilor, în fiecare act al roiului, crește numărul de neutroni, astfel încât se poate produce un proces de fisiune autosusținut. De exemplu, în timpul fisiunii unui nucleu al izotopului de uraniu 235U sub influența ... Big Enciclopedic Polytechnic Dictionary

Reacția nucleară în lanț- reacţia de fisiune a nucleelor ​​atomice sub influenţa neutronilor, în fiecare act din care se emite cel puţin un neutron, care asigură menţinerea reacţiei. Folosit ca sursă de energie în încărcături nucleare (arme nucleare explozive) și reactoare nucleare… … Glosar de termeni militari

reacție în lanț de fisiune nucleară cu neutroni- - [A.S. Goldberg. Dicționar energetic englez-rus. 2006] Subiecte: energie în general EN reacție divergentă... - Orice proces biologic (sau chimico-fizic) compus dintr-o serie de procese interconectate, în care produsul (sau energia) fiecărei etape este un participant la etapa următoare, ceea ce duce la menținerea și (sau) accelerarea lanțului. .. ...

Reacție nucleară în lanț autosusținută- 7. Reacție nucleară în lanț autosusținută SCR O reacție nucleară în lanț caracterizată printr-un factor de multiplicare efectiv mai mare sau egal cu unitatea

Să luăm în considerare mecanismul reacției în lanț de fisiune. La fisiunea nucleelor ​​grele sub influența neutronilor, se produc noi neutroni. De exemplu, cu fiecare fisiune a nucleului de uraniu 92 U 235, se produc în medie 2,4 neutroni. Unii dintre acești neutroni pot provoca din nou fisiunea nucleară. Acest proces asemănător avalanșei se numește reacţie în lanţ .
Reacția de fisiune în lanț are loc într-un mediu în care are loc procesul de multiplicare a neutronilor. Acest mediu se numește miez . Cel mai important mărime fizică, care caracterizează intensitatea înmulțirii neutronilor, este factor de multiplicare a neutronilor în mediu k ∞ . Coeficientul de multiplicare este egal cu raportul dintre numărul de neutroni dintr-o generație și numărul lor din generația anterioară. Indicele ∞ indică faptul că vorbim despre un mediu ideal de dimensiuni infinite. Similar cu valoarea k ∞ se determină factor de multiplicare a neutronilor într-un sistem fizic k. Factorul k este o caracteristică a unei instalații specifice.
Într-un mediu fisionabil de dimensiuni finite, unii neutroni vor scăpa din miez în exterior. Prin urmare, coeficientul k depinde și de probabilitatea P ca un neutron să nu iasă din miez. Prin definiție

Valoarea lui P depinde de compoziția zonei active, dimensiunea, forma acesteia și, de asemenea, de măsura în care substanța din jurul zonei active reflectă neutronii.
Conceptele importante de masă critică și dimensiuni critice sunt asociate cu posibilitatea ca neutronii să părăsească nucleul. Dimensiunea critică este dimensiunea zonei active la care k = 1. Masa critica se numește masa miezului de dimensiuni critice. Evident, cu o masă sub valoarea critică, reacția în lanț nu are loc, chiar dacă > 1. Dimpotrivă, un exces vizibil de masă peste cea critică duce la o reacție necontrolată - o explozie.
Dacă în prima generație există N neutroni, atunci în a n-a generație va exista Nk n. Prin urmare, la k = 1 reacția în lanț decurge staționar, la k< 1 реакция гаснет, а при k >1 intensitatea reacției crește. Când k = 1 se numește modul de reacție critic , pentru k > 1 – supercritic iar la k< 1 – subcritic .
Durata de viață a unei generații de neutroni depinde în mare măsură de proprietățile mediului și este de ordinul 10–4 până la 10–8 s. Datorită scurtității acestui timp, pentru a realiza o reacție în lanț controlată, este necesar să se mențină egalitatea k = 1 cu mare precizie, deoarece, să zicem, la k = 1,01 sistemul va exploda aproape instantaneu. Să vedem ce factori determină coeficienții k ∞ și k.
Prima cantitate care determină k ∞ (sau k) este numărul mediu de neutroni emiși într-un eveniment de fisiune. Numărul depinde de tipul de combustibil și de energia neutronului incident. În tabel Tabelul 1 prezintă valorile principalilor izotopi ai energiei nucleare atât pentru neutroni termici, cât și pentru cei rapizi (E = 1 MeV).

Spectrul de energie al neutronilor de fisiune pentru izotopul 235 U este prezentat în Fig. 1. Spectrele de acest fel sunt similare pentru toți izotopii fisionali: există o împrăștiere puternică a energiilor, cea mai mare parte a neutronilor având energii în intervalul 1–3 MeV. Neutronii produși în timpul fisiunii încetinesc, difuzează pe o anumită distanță și sunt absorbiți cu sau fără fisiune. În funcție de proprietățile mediului, neutronii au timp să încetinească la diferite energii înainte de absorbție. În prezența unui moderator bun, majoritatea neutronilor au timp să încetinească la energii termice de ordinul a 0,025 eV. În acest caz se numește reacția în lanț lent, sau, ce este la fel, termic. În absența unui moderator special, neutronii au timp să încetinească doar la energii de 0,1–0,4 MeV, deoarece toți izotopii fisionali sunt grei și, prin urmare, încetinesc slab. Reacțiile în lanț corespunzătoare se numesc rapid(subliniem că epitetele „rapid” și „lent” caracterizează viteza neutronilor, și nu viteza reacției). Reacțiile în lanț în care neutronii sunt încetiniți la energii cuprinse între zeci și un keV se numesc intermediar .
Când un neutron se ciocnește cu un nucleu greu, captarea radiativă a unui neutron (n, γ) este întotdeauna posibilă. Acest proces va concura cu diviziunea și, prin urmare, va reduce rata de înmulțire. Rezultă de aici că a doua mărime fizică care afectează coeficienții k ∞ , k este probabilitatea de fisiune atunci când un neutron este captat de nucleul unui izotop fisionabil. Această probabilitate pentru neutronii monoenergetici este în mod evident egală cu

unde nf, nγ sunt secțiunile transversale de fisiune și, respectiv, de captare a radiațiilor. Pentru a lua în considerare simultan atât numărul de neutroni pe eveniment de fisiune, cât și probabilitatea captării radiative, se introduce un coeficient η, egal cu numărul mediu de neutroni secundari pe captură de neutroni de către un nucleu fisionabil.

valoarea lui η depinde de tipul de combustibil și de energia neutronilor. Valorile lui η pentru cei mai importanți izotopi pentru neutronii termici și rapizi sunt date în același tabel. 1. Valoarea lui η este cea mai importantă caracteristică a nucleelor ​​de combustibil. O reacție în lanț poate avea loc numai atunci când η > 1. Cu cât valoarea lui η este mai mare, cu atât calitatea combustibilului este mai mare.

Tabelul 1. Valorile lui ν, η pentru izotopii fisionali

Calitatea combustibilului nuclear este determinată de disponibilitatea acestuia și de coeficientul η. În natură se găsesc doar trei izotopi care pot servi drept combustibil nuclear sau materii prime pentru producerea acestuia. Aceștia sunt izotopii toriului 232 Th și izotopii uraniului 238 U și 235 U. Dintre aceștia, primii doi nu dau o reacție în lanț, dar pot fi procesați în izotopi pe care are loc reacția. Izotopul 235 U în sine dă o reacție în lanț. În scoarța terestră există de câteva ori mai mult toriu decât uraniu. Toriul natural constă practic dintr-un singur izotop, 232 mii. Uraniul natural constă în principal din izotopul 238 U și doar 0,7% din izotopul 235 U.
În practică, problema fezabilității unei reacții în lanț pe un amestec natural de izotopi de uraniu, în care există 140 238 nuclee U pe 235 nucleu U, este extrem de importantă. Să arătăm că pe un amestec natural este posibilă o reacție lentă , dar unul rapid nu este. Pentru a considera o reacție în lanț într-un amestec natural, este convenabil să se introducă o nouă cantitate - secțiunea transversală medie de absorbție a neutronilor pe un nucleu al izotopului 235 U

Pentru neutroni termici = 2,47, = 580 barn, = 112 barn, = 2,8 barn (rețineți cât de mică este ultima secțiune transversală). Înlocuind aceste cifre în (5), obținem că pentru neutronii lenți într-un amestec natural

Aceasta înseamnă că 100 de neutroni termici, absorbiți în amestecul natural, vor crea 132 de neutroni noi. Rezultă direct de aici că o reacție în lanț cu neutroni lenți este, în principiu, posibilă pe uraniul natural. În principiu, pentru că pentru a implementa efectiv o reacție în lanț, trebuie să fii capabil să încetinești neutronii cu pierderi mici.
Pentru neutroni rapizi ν = 2,65, 2 barn, 0,1 barn. Dacă luăm în considerare fisiunea doar pe izotopul 235 U, obținem

Dar trebuie să ținem cont și de faptul că neutronii rapizi cu energii mai mari de 1 MeV pot, cu o intensitate relativă notabilă, să divizeze nucleele izotopului 238 U, care este foarte abundent în amestecul natural. Pentru împărțirea cu 238 U, coeficientul este de aproximativ 2,5. În spectrul de fisiune, aproximativ 60% dintre neutroni au energii peste pragul efectiv de fisiune de 1,4 MeV cu 238 U. Dar dintre acești 60%, doar un neutron din 5 reușește să fisiune fără a încetini până la o energie sub pragul din cauza împrăştiere elastică şi mai ales neelastică. De aici, pentru coeficientul 238 (rapid) obținem estimarea

Astfel, o reacție în lanț într-un amestec natural (235 U + 238 U) nu poate avea loc cu neutroni rapizi. S-a stabilit experimental că pentru uraniul metalic pur factorul de multiplicare atinge o valoare de unitate cu o îmbogățire de 5,56%. În practică, se dovedește că reacția cu neutroni rapizi poate fi menținută doar într-un amestec îmbogățit care conține cel puțin 15% din izotopul 235 U.
Un amestec natural de izotopi de uraniu poate fi îmbogățit cu izotopul 235 U. Îmbogățirea este un proces complex și costisitor datorită faptului că proprietăți chimice ambii izotopi sunt aproape la fel. Este necesar să se profite de micile diferențe ale vitezei reacțiilor chimice, difuziei etc., care apar din cauza diferențelor în masele izotopilor. Reacția în lanț cu 235 U se desfășoară aproape întotdeauna într-un mediu cu un conținut ridicat de 238 U. Este adesea folosit un amestec natural de izotopi, pentru care η = 1,32 în regiunea neutronilor termici, deoarece 238 U este de asemenea util. Izotopul 238 U este fisionabil de neutroni cu energii de peste 1 MeV. Această fisiune are ca rezultat o mică multiplicare suplimentară a neutronilor.
Să comparăm reacțiile în lanț de fisiune cu neutronii termici și rapidi.
Pentru neutronii termici, secțiunile transversale de captare sunt mari și variază foarte mult la trecerea de la un nucleu la altul. Pe nucleele unor elemente (de exemplu, cadmiul), aceste secțiuni transversale sunt de sute sau mai multe ori mai mari decât secțiunile transversale pe 235 U. Prin urmare, miezului instalațiilor de neutroni termici se impun cerințe de puritate ridicată în raport cu unele impurități.
Pentru neutronii rapizi, toate secțiunile transversale de captare sunt mici și nu atât de diferite unele de altele, astfel încât problema purității ridicate a materialelor nu se pune. Un alt avantaj al reacțiilor rapide este o rată mai mare de reproducere.
O proprietate distinctivă importantă a reacțiilor termice este aceea că în miez combustibilul este mult mai diluat, adică, per miez de combustibil există semnificativ mai multe nuclee care nu participă la fisiune decât într-o reacție rapidă. De exemplu, într-o reacție termică pe uraniu natural, există 140 de nuclee de 238 U materie primă pentru 235 U nucleu de combustibil, iar într-o reacție rapidă, nu pot exista mai mult de cinci până la șase 238 U nuclee pe 235 U diluarea combustibilului într-o reacție termică duce la faptul că una și aceeași energie într-o reacție termică este eliberată într-un volum mult mai mare de materie decât într-o reacție rapidă. Astfel, este mai ușor să eliminați căldura din zona activă a unei reacții termice, ceea ce permite ca această reacție să fie efectuată cu o intensitate mai mare decât una rapidă.
Durata de viață a unei generații de neutroni pentru o reacție rapidă este cu câteva ordine de mărime mai scurtă decât pentru una termică. Prin urmare, viteza unei reacții rapide se poate schimba semnificativ după foarte timp scurt după o schimbare a condiţiilor fizice din miez. În timpul funcționării normale a reactorului, acest efect este nesemnificativ, deoarece în acest caz modul de funcționare este determinat de durata de viață a neutronilor întârziați, mai degrabă decât prompti.
Într-un mediu omogen format doar din izotopi fisionali de un tip, factorul de multiplicare ar fi egal cu η. Totuși, în situații reale, pe lângă nucleele fisionabile, există întotdeauna și altele, nefisionabile. Aceste nuclee străine vor capta neutroni și, prin urmare, vor afecta factorul de multiplicare. Rezultă că a treia mărime care determină coeficienții k ∞ , k, este probabilitatea ca neutronul să nu fie captat de unul dintre nucleele nefisionabile. În instalațiile reale, captarea „străină” are loc pe nucleele moderatorului, pe nucleele diverselor elemente structurale, precum si asupra nucleelor ​​produselor de fisiune si produselor de captare.
Pentru a efectua o reacție în lanț cu neutroni lenți, în miez sunt introduse substanțe speciale - moderatori, care transformă neutronii de fisiune în cei termici. În practică, reacția lentă a neutronilor în lanț este efectuată pe uraniu natural sau ușor îmbogățit cu izotopul 235 U. Prezența unei cantități mari de izotop 238 U în miez complică procesul de moderare și face necesar să se impună cerințe mari asupra calității moderatorului. Viața unei generații de neutroni într-un nucleu cu moderator poate fi împărțită aproximativ în două etape: moderarea la energii termice și difuzie. ratele termice înainte de absorbție. Pentru ca majoritatea neutronilor să aibă timp să încetinească fără absorbție, condiția trebuie îndeplinită

unde controlul σ, captarea σ sunt secțiunile transversale cu medie de energie pentru împrăștierea elastică și, respectiv, captarea, și n este numărul de ciocniri de neutroni cu nucleele moderatoare necesare pentru a obține energie termică. Numărul n crește rapid odată cu creșterea numărului de masă al moderatorului. Pentru uraniul 238 U, numărul n este de ordinul a câteva mii. Iar raportul σ control /σ captarea pentru acest izotop, chiar și în regiunea energetică relativ favorabilă a neutronilor rapizi, nu depășește 50. Așa-numita regiune de rezonanță de la 1 keV la 1 eV este deosebit de „periculoasă” în raport cu captarea neutronilor. . În această regiune, secțiunea transversală totală pentru interacțiunea unui neutron cu 238 de nuclee U are un număr mare de rezonanțe intense (Fig. 2). La energii joase, lățimile radiațiilor depășesc lățimile neutronilor. Prin urmare, în regiunea de rezonanță, raportul σ control/σ captarea devine chiar mai mic decât unitatea. Aceasta înseamnă că atunci când un neutron intră în regiunea uneia dintre rezonanțe, acesta este absorbit cu o probabilitate de aproape sută la sută. Și deoarece încetinirea unui nucleu atât de greu precum uraniul are loc în „pași mici”, atunci când trece prin regiunea rezonantă, neutronul care încetinește cu siguranță se va „locui” de una dintre rezonanțe și va fi absorbit. Rezultă că o reacție în lanț nu poate fi efectuată pe uraniul natural fără impurități străine: la neutronii rapizi reacția nu are loc din cauza micșorării coeficientului η, iar neutronii lenți nu pot fi formați pentru a evita captarea neutronilor rezonanță este necesar să se utilizeze nuclee foarte ușoare pentru a le încetini, în care încetinirea are loc în „pași mari”, ceea ce crește brusc probabilitatea ca un neutron să „sare” cu succes prin regiunea energiei rezonante. Cele mai bune elemente de moderare sunt hidrogenul, deuteriul, beriliul și carbonul. Prin urmare, moderatorii utilizați în practică se limitează în principal la apă grea, beriliu, oxid de beriliu, grafit, precum și apă obișnuită, care încetinește neutronii nu mai rău decât apa grea, dar îi absoarbe în cantități mult mai mari. Retarderul trebuie curățat bine. Rețineți că pentru a efectua o reacție lentă, moderatorul trebuie să fie de zeci sau chiar de sute de ori mai mult decât uraniul pentru a preveni ciocnirile rezonante ale neutronilor cu 238 de nuclee U.

Proprietățile de moderare ale mediului activ pot fi descrise aproximativ prin trei mărimi: probabilitatea ca un neutron să evite absorbția de către un moderator în timpul moderarii, probabilitatea p de a evita captarea rezonante de către 238 nuclee U și probabilitatea f ca un neutron termic să fie absorbit de un nucleu de combustibil mai degrabă decât de un moderator. Mărimea f se numește de obicei coeficient utilizare termică. Calculul precis al acestor cantități este dificil. De obicei, se folosesc formule semi-empirice aproximative pentru a le calcula.

Valorile lui p și f depind nu numai de cantitatea relativă a moderatorului, ci și de geometria plasării acestuia în miez. Zona activă, constând dintr-un amestec omogen de uraniu și moderator, se numește omogenă, iar sistemul de blocuri alternante de uraniu și moderator este numit eterogen (Fig. 4). Un sistem calitativ eterogen se distinge prin faptul că în el neutronul rapid format în uraniu reușește să intre în moderator fără a ajunge la energii de rezonanță. Decelerația ulterioară are loc într-un moderator pur. Aceasta crește probabilitatea p de a evita captarea rezonantă

p het > p homo.

Pe de altă parte, dimpotrivă, devenind termic în moderator, neutronul trebuie, pentru a participa la reacția în lanț, să difuzeze, fără a fi absorbit în moderatorul pur, până la limita sa. Prin urmare, factorul de utilizare termică f într-un mediu eterogen este mai mic decât într-unul omogen:

f obține< f гом.

Pentru a estima factorul de multiplicare k ∞ al unui reactor termic, o aproximativă formula cu patru factori

Am luat în considerare deja primii trei factori mai devreme. Se numește mărimea ε factor de multiplicare rapidă a neutronilor . Acest coeficient este introdus pentru a ține cont de faptul că unii neutroni rapizi pot fi fisiune fără să aibă timp să încetinească. În sensul său, coeficientul ε depășește întotdeauna unu. Dar acest exces este de obicei mic. Tipic pentru reacțiile termice este valoarea ε = 1,03. Pentru reacțiile rapide, formula celor patru factori nu este aplicabilă, deoarece fiecare coeficient depinde de energie, iar răspândirea energiei în reacțiile rapide este foarte mare.
Deoarece valoarea lui η este determinată de tipul de combustibil, iar valoarea lui ε pentru reacțiile lente aproape nu diferă de unitate, calitatea unui anumit mediu activ este determinată de produsul pf. Astfel, avantajul unui mediu eterogen față de un mediu omogen se manifestă cantitativ prin faptul că, de exemplu, într-un sistem în care există 215 nuclee de grafit per nucleu de uraniu natural, produsul pf este egal cu 0,823 pentru un mediu heterogen și 0,595 pentru unul omogen. Și deoarece pentru un amestec natural η = 1,34, obținem că pentru un mediu eterogen k ∞ > 1, iar pentru un mediu omogen k ∞< 1.
Pentru implementarea practică a unei reacții în lanț staționare, trebuie să fii capabil să controlezi această reacție. Acest control este mult simplificat datorită emisiei de neutroni întârziați în timpul fisiunii. Majoritatea covârșitoare a neutronilor scapă din nucleu aproape instantaneu (adică într-un timp care este cu multe ordine de mărime mai scurt decât durata de viață a unei generații de neutroni în nucleu), dar câteva zecimi de neutroni sunt întârziate și scapă din nucleu. fragmentează nucleele după o perioadă de timp destul de mare - de la fracțiuni de secunde la câteva și chiar zeci de secunde. Efectul neutronilor întârziați poate fi explicat calitativ după cum urmează. Lăsați factorul de multiplicare să crească instantaneu de la o valoare subcritică la o astfel de valoare supercritică încât 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.
Captarea neutronilor de către nucleele care nu participă la reacția în lanț reduce intensitatea reacției, dar poate fi benefică în raport cu formarea de noi izotopi fisionali. Astfel, atunci când neutronii sunt absorbiți din izotopii uraniului 238 U și ai toriului 232 Th, se formează izotopii plutoniului 239 Pu și uraniului 233 U (prin două dezintegrari β succesive), care sunt combustibil nuclear:

Aceste două reacții deschid o posibilitate reală reproducerea combustibilului nuclear în timpul unei reacții în lanț. În cazul ideal, adică în absența pierderilor inutile de neutroni, se poate folosi o medie de 1 neutron pentru reproducere pentru fiecare act de absorbție a unui neutron de către un nucleu de combustibil.

Reactoare nucleare (atomice).

Un reactor este un dispozitiv în care se menține o reacție în lanț de fisiune controlată. Când reactorul funcționează, căldura este eliberată din cauza naturii exoterme a reacției de fisiune. Principala caracteristică a unui reactor este puterea sa - cantitatea de energie termică eliberată pe unitatea de timp. Puterea reactorului este măsurată în megawați (10 6 W). O putere de 1 MW corespunde unei reacții în lanț în care au loc 3·1016 evenimente de fisiune pe secundă. Disponibil număr mare diferite tipuri reactoare. Una dintre schemele tipice ale unui reactor termic este prezentată în Fig. 5.
Partea principală a reactorului este zona activă în care are loc reacția și, prin urmare, eliberează energie. În reactoarele cu neutroni termici și intermediari, miezul constă dintr-un combustibil, de obicei amestecat cu un izotop nefisil (de obicei 238 U) și un moderator. Nu există un moderator în miezul reactoarelor cu neutroni rapizi.
Volumul miezului variază de la zecimi de litru în unele reactoare cu neutroni rapidi până la zeci de metri cubi în reactoarele termice mari. Pentru a reduce scurgerea de neutroni, miezului i se dă o formă sferică sau aproape sferică (de exemplu, un cilindru cu o înălțime aproximativ egală cu diametrul sau un cub).
În funcție de locația relativă a combustibilului și a moderatorului, se disting reactoarele omogene și eterogene. Un exemplu de zonă activă omogenă este o soluție de sare de sulfat de uranil și U2S04 în apă obișnuită sau grea. Reactoarele eterogene sunt mai frecvente. În reactoarele eterogene, miezul este format dintr-un moderator în care sunt plasate casetele care conțin combustibil. Deoarece energia este eliberată în aceste casete, ele sunt numite elemente de combustibil sau pe scurt tije de combustibil. Zona activă cu reflector este adesea închisă într-o carcasă de oțel.

• Rolul neutronilor întârziați în controlul reactorului nuclear