Reacția nucleară în lanț. Condiții pentru o reacție nucleară în lanț
Are loc fisiunea nucleelor de uraniu după cum urmează: Mai întâi, un neutron lovește nucleul, ca un glonț care lovește un măr. În cazul unui măr, un glonț fie face o gaură în el, fie îl sufla în bucăți. Când un neutron intră în nucleu, este capturat de forțele nucleare. Se știe că neutronul este neutru, deci nu este respins de forțele electrostatice.
Cum are loc fisiunea nucleului de uraniu?
Deci, după ce a intrat în nucleu, neutronul perturbă echilibrul, iar nucleul este excitat. Se întinde în lateral ca o ganteră sau un semn de infinit: ∞ . Forțele nucleare, după cum se știe, acționează la o distanță proporțională cu dimensiunea particulelor. Când miezul este întins, efectul forțelor nucleare devine nesemnificativ pentru particulele exterioare ale „ganterei”, în timp ce forte electrice Ei acționează foarte puternic la o astfel de distanță, iar miezul se rupe pur și simplu în două părți. În acest caz, mai sunt emiși doi sau trei neutroni.
Fragmentele nucleare și neutronii eliberați se împrăștie cu mare viteză în interior laturi diferite. Fragmentele încetinesc destul de repede mediu, cu toate acestea, energia lor cinetică este enormă. Se transformă în energie internă mediu care se încălzește. În acest caz, cantitatea de energie eliberată este enormă. Energia obținută din fisiunea completă a unui gram de uraniu este aproximativ egală cu energia obținută din arderea a 2,5 tone de petrol.
Reacția în lanț de fisiune a mai multor nuclee
Ne-am uitat la fisiunea unui nucleu de uraniu. În timpul fisiunii, mai mulți neutroni (de obicei doi sau trei) sunt eliberați. Se despart cu viteză mare și pot ajunge cu ușurință în nucleele altor atomi, provocând o reacție de fisiune în ei. Aceasta este o reacție în lanț.
Adică, neutronii obținuți ca urmare a fisiunii nucleare excită și forțează alte nuclee la fisiune, care, la rândul lor, emit neutroni, care continuă să stimuleze fisiunea în continuare. Și așa mai departe până când are loc fisiunea tuturor nucleelor de uraniu din imediata apropiere.
În acest caz, poate apărea o reacție în lanț ca o avalanșă, de exemplu, în cazul unei explozii bombă atomică. Numărul de fisiuni nucleare crește exponențial într-o perioadă scurtă de timp. Cu toate acestea, poate apărea și o reacție în lanț cu atenuare.
Cert este că nu toți neutronii întâlnesc nuclee în drumul lor, pe care îi induc la fisiune. După cum ne amintim, în interiorul unei substanțe volumul principal este ocupat de golul dintre particule. Prin urmare, unii neutroni zboară prin toată materia fără să se ciocnească de nimic pe parcurs. Și dacă numărul de fisiuni nucleare scade în timp, atunci reacția se estompează treptat.
Reacții nucleare și masa critică a uraniului
Ce determină tipul de reacție? Din masa uraniului. Cu cât masa este mai mare, cu atât neutronul zburător va întâlni mai multe particule pe calea sa și cu atât este mai mare șansa de a pătrunde în nucleu. Prin urmare, se distinge o „masă critică” de uraniu - aceasta este masa minimă la care este posibilă o reacție în lanț.
Numărul de neutroni produși va fi egal cu numărul de neutroni care zboară. Și reacția se va desfășura cu aproximativ aceeași viteză până când se produce întregul volum al substanței. Aceasta este folosită în practică în centralele nucleare și se numește reacție nucleară controlată.
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 neutroni obținuți din fisiunea nucleelor din generația anterioară.
YouTube enciclopedic
1 / 3
Fizica nucleară. Reacții nucleare. Reacție în lanț de fisiune nucleară. centrala nucleara
Forțe nucleare Energia de legare a particulelor din nucleu Fisiunea nucleelor de uraniu Reacție în lanț
Reacții nucleare
Subtitrări
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 la un act individual 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 comune printre reactii 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 la 2 la 3). 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 coeficientul 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 necontrolată este utilizată în
Reacție în lanț controlată.
Dacă o reacție în lanț este limitată în dezvoltarea ei, astfel încât numărul de neutroni produși pe unitatea de timp, ajungând la un anumit de mare importanță, ar înceta apoi să crească, apoi ar avea loc o reacție în lanț de fisiune auto-susținută, care se produce calm. Va fi posibil să se controleze reacția doar dacă se dovedește a fi posibilă reglarea coeficientului de multiplicare a neutronilor keff suficient de încet și fără probleme, iar pentru un sistem optim keff ar trebui să depășească unitatea cu doar 0,5%.
Fizicienii sovietici Ya.B. Zeldovich și Yu.B. Khariton a arătat teoretic (1939) că o reacție în lanț controlată poate fi efectuată pe uraniu natural. Pentru dezvoltarea unui proces în lanț în uraniu natural, neutronii trebuie să fie încetiniți la viteze termice, deoarece în acest caz probabilitatea captării lor de nucleele U cu fisiune ulterioară crește brusc. În acest scop, se folosesc substanțe speciale -.
retardante Controlul curentului staționar reacţie în lanţ (k eff =1) este simplificată semnificativ datorită prezenței neutroni întârziați<< 1) определятся только запаздывающими нейтронами:
(a se vedea clauza 3.6). Rezultă că timpul de „accelerare” a reacției T (timpul în care numărul de fisiuni crește cu e”2,71 ori) la un grad scăzut de supercriticitate (k eff – 1).
T = t ×b / (k eff - 1),
unde t z este durata medie de viață a neutronilor întârziați (t z ~14,4 s),
b este fracția de neutroni întârziați (b ~ 0,68% pentru U).
Deoarece valoarea t × b este de ordinul ~ 5 × 10 -2 s., intensitatea reacției va crește destul de lent, iar reacția este bine reglată. Valoarea keff-ului poate fi controlată prin introducerea automată în miez a unor substanțe care absorb puternic neutronii -
absorbante.
12.3.1. Reactorul nuclear
Dispozitivul în care se realizează și se menține o reacție staționară de fisiune nucleară se numește reactor nuclear sau cazan atomic.
Primul reactor nuclear a fost construit sub conducerea lui E. Fermi la sfârșitul anului 1942 (SUA). Primul reactor european a fost creat în 1946 la Moscova sub conducerea lui I.V. Kurchatov.
În prezent, în lume funcționează aproximativ o mie de reactoare nucleare de diferite tipuri, care diferă:
· după principiul de funcționare (reactoare care utilizează neutroni termici, rapizi etc.);
· după tipul de moderator (apă grea, grafit etc.);
· în funcție de combustibilul utilizat (uraniu, toriu, plutoniu);
· în funcție de scopul propus (cercetare, medical, energetic, pentru reproducerea combustibilului nuclear etc.)
Principalele părți ale unui reactor nuclear (vezi Fig. 4.5) sunt:
· zona activă (1), unde se află combustibilul nuclear, are loc o reacție în lanț de fisiune și se eliberează energie;
· sistem de reglare a procesului în lanț sub formă de tije absorbante de neutroni (3);
· radioprotecție (4) împotriva radiațiilor;
· lichid de răcire (5).
ÎN omogenÎn reactoare, combustibilul nuclear și moderatorul sunt amestecate pentru a forma un amestec omogen (de exemplu, săruri de actinouraniu și apă grea). ÎN eterogen reactoare (Fig. 4.6) combustibilul nuclear este plasat în miez sub formă de bare de combustibil ( elemente de combustibil) - blocuri de tije (1) de secțiune transversală mică, închise într-o înveliș ermetic care absoarbe slab neutronii. Există un moderator (2) între barele de combustibil.
Neutronii produși în timpul fisiunii nucleare, fără a avea timp să fie absorbiți în barele de combustibil, intră în moderator, unde își pierd energia, încetinind la viteze termice. Apoi, ajungând înapoi în una dintre barele de combustibil, neutronii termici au o probabilitate mare de a fi absorbiți de nucleele capabile de fisiune (U, U, Pu). Acei neutroni care sunt captati de nucleele U joaca si ei un rol pozitiv, completand intr-o oarecare masura consumul de combustibil nuclear.
Moderatorii buni sunt nucleele ușoare: deuteriu, beriliu, carbon, oxigen. Cel mai bun moderator de neutroni este o combinație de deuteriu și oxigen - apă grea. Cu toate acestea, datorită costului său ridicat, carbonul este folosit mai des sub formă de foarte pur grafit. De asemenea, se utilizează beriliu și oxidul său. Elementele de combustibil și moderatorul formează de obicei o rețea obișnuită (de exemplu, uraniu-grafit).
Datorită energiei de fisiune, barele de combustibil se încălzesc. Pentru răcire se pun în flux lichid de răcire(aer, apă, vapori de apă, He, CO 2 etc.).
Datorită faptului că neutronii se pierd în moderator și în nucleele fragmentelor de fisiune, reactorul trebuie să aibă dimensiuni supercritice și să producă neutroni în exces. Controlul procesului în lanț (adică eliminarea excesului de neutroni) se realizează prin tije de control (3) (vezi Fig. 4.5 sau 4.6) realizate din materiale care absorb puternic neutronii (oțel cu bor, cadmiu).
Parametrii reactorului sunt calculați în așa fel încât atunci când tijele de absorbție sunt introduse complet în miez, reacția să nu aibă loc.
Odată cu îndepărtarea treptată a tijelor, factorul de multiplicare a neutronilor crește, iar la o anumită poziție keff ajunge la unitate, reactorul începe să funcționeze. Mișcarea tijelor de absorbție se realizează din panoul de comandă. Reglarea este simplificată datorită prezenței neutronilor întârziați. Principala caracteristică a unui reactor nuclear este puterea sa. O putere de 1 MW corespunde unui proces în lanț în care au loc 3 × 10 16 evenimente de fisiune pe secundă. Reactorul are tije, a căror introducere, cu o creștere bruscă a puterii de reacție, o resetează imediat.
În timpul funcționării unui reactor nuclear, o treaptă epuizarea combustibilului nuclear, se acumulează fragmente de fisiune, se formează elemente transuraniu. Acumularea de fragmente determină o scădere a k eff. Acest proces se numește otrăvire reactor (dacă fragmentele sunt radioactive) și zgură(dacă fragmentele sunt stabile). Când este otrăvit, k eff scade cu (1¸3)%. Pentru a se asigura că reacția nu se oprește, tijele speciale (compensatoare) sunt îndepărtate treptat (automat) din miez. Când combustibilul nuclear se arde complet, acesta este îndepărtat (după ce reacția se oprește) și este încărcat combustibil nou.
Printre reactoarele nucleare, un loc aparte îl ocupă reactoare de reproducere pe neutroni rapizi - crescători. În ele, generarea de energie electrică este însoțită de reproducerea combustibilului nuclear secundar (plutoniu) datorită reacției (3.5), datorită căreia nu numai izotopul U este utilizat în mod eficient, ci și U. (vezi §3.6). Acest lucru face posibilă rezolvarea radicală a problemei furnizării combustibilului nuclear: pentru fiecare 100 de nuclee utilizate într-un astfel de reactor, sunt produse 150 de nuclee noi capabile de fisiune. Tehnologia reactoarelor cu neutroni rapidi este în stadiul de căutare a celor mai bune soluții de inginerie. Prima stație industrială pilot de acest tip (Shevchenko) este folosită pentru producerea de energie electrică și desalinizarea apei de mare (Marea Caspică).
Diagrama unei bombe nucleare
Reacție în lanț de fisiune
Neutronii secundari emiși în timpul fisiunii nucleare (2,5 pe act de fisiune) pot provoca noi acte de fisiune, ceea ce face posibilă o reacție în lanț. Reacția de fisiune în lanț este caracterizată de factorul de multiplicare a neutronilor K, care este egal cu raportul dintre numărul de neutroni dintr-o anumită generație și numărul lor din generația anterioară. O condiție necesară pentru dezvoltarea unei reacții în lanț de fisiune este. Cu mai puțin, reacția este imposibilă. Când reacția are loc la un număr constant de neutroni (putere constantă a energiei eliberate). Aceasta este o reacție care se autosusține. At - reacție amortizată. Factorul de multiplicare depinde de natura materialului fisionabil, de mărimea și forma miezului. Masa minimă de material fisionabil necesară pentru realizarea unei reacții în lanț se numește critică. Pentru masa critică este de 9 kg, în timp ce raza bilei de uraniu este de 4 cm.
Reacțiile în lanț pot fi controlate sau necontrolabile. Explozia unei bombe atomice este un exemplu de reacție necontrolată. Sarcina nucleară a unei astfel de bombe este de două sau mai multe bucăți de aproape pur sau. Masa fiecărei piese este mai mică decât critică, deci nu are loc o reacție în lanț. Prin urmare, pentru a avea loc o explozie, este suficient să combinați aceste piese într-o singură bucată, cu o masă mai mare decât cea critică. Acest lucru trebuie făcut foarte repede, iar legătura pieselor trebuie să fie foarte strânsă. În caz contrar, sarcina nucleară se va destrăma înainte de a avea timp să reacționeze. Pentru conectare se folosește un exploziv obișnuit. Învelișul servește ca un reflector de neutroni și, în plus, împiedică încărcarea nucleară să pulverizeze până când numărul maxim de nuclee eliberează toată energia în timpul fisiunii. Reacția în lanț într-o bombă atomică este condusă de neutroni rapizi. În timpul unei explozii, doar o parte din neutronii unei sarcini nucleare au timp să reacționeze. Reacția în lanț duce la eliberarea de energie colosală. Temperatura care se dezvoltă ajunge la grade. Forța distructivă a bombei aruncate asupra Hiroshima de către americani a fost echivalentă cu explozia a 20.000 de tone de trinitrotoluen. Puterea noii arme este de sute de ori mai mare decât cea a primei. Dacă adăugăm la aceasta că o explozie atomică produce un număr imens de fragmente de fisiune, inclusiv cele foarte longevive, atunci devine evident ce pericol teribil reprezintă aceste arme pentru omenire.
Prin schimbarea factorului de multiplicare a neutronilor, se poate realiza o reacție în lanț controlată. Dispozitivul în care are loc o reacție controlată se numește reactor nuclear. Materialul fisionabil este uraniu natural sau îmbogățit. Pentru a preveni captarea radiativă a neutronilor de către nucleele de uraniu, blocuri relativ mici de material fisionabil sunt plasate la o oarecare distanță unele de altele, iar golurile sunt umplute cu o substanță care moderează neutronii (moderator). Neutronii sunt încetiniți de împrăștierea elastică. În acest caz, energia pierdută de particulele care este încetinită depinde de raportul dintre masele particulelor care se ciocnesc. Cantitatea maximă de energie se pierde dacă particulele au aceeași masă. Deuteriul, grafitul și beriliul îndeplinesc această condiție. Primul reactor de uraniu-grafit a fost lansat în 1942 la Universitatea din Chicago sub conducerea remarcabilului fizician italian Fermi. Pentru a explica principiul de funcționare al reactorului, luați în considerare o diagramă tipică a unui reactor cu neutroni termici din Fig. 1.
 Fig.1. |
În miezul reactorului există elemente de combustibil 1 și moderator 2, care încetinește neutronii la viteze termice. Elementele de combustibil (barele de combustibil) sunt blocuri de material fisionabil închise într-o carcasă etanșă care absoarbe slab neutronii. Datorită energiei eliberate în timpul fisiunii nucleare, elementele de combustibil sunt încălzite și, prin urmare, pentru răcire, sunt plasate în fluxul de lichid de răcire (3-5 - canal de răcire). Miezul este înconjurat de un reflector care reduce scurgerea de neutroni. Reacția în lanț este controlată de tije speciale de control realizate din materiale care absorb puternic neutronii. Parametrii reactorului sunt calculați astfel încât atunci când tijele sunt introduse complet, reacția evident că nu are loc. Pe măsură ce tijele sunt îndepărtate treptat, factorul de multiplicare a neutronilor crește și la o anumită poziție ajunge la unitate. În acest moment reactorul începe să funcționeze. Pe măsură ce reactorul funcționează, cantitatea de material fisionabil din miez scade și devine contaminat cu fragmente de fisiune, care pot include absorbanți puternici de neutroni. Pentru a preveni oprirea reacției, tijele de control sunt îndepărtate treptat din miez folosind un dispozitiv automat. Un astfel de control al reacțiilor este posibil datorită existenței neutronilor întârziați emiși de nucleele fisionabile cu o întârziere de până la 1 minut. Când combustibilul nuclear se arde, reacția se oprește. Înainte ca reactorul să fie repornit, combustibilul nuclear ars este îndepărtat și este încărcat combustibil nou. Reactorul are și tije de urgență, a căror introducere oprește imediat reacția. Un reactor nuclear este o sursă puternică de radiații penetrante, de aproximativ ori mai mare decât standardele sanitare. Prin urmare, orice reactor are protecție biologică - un sistem de ecrane din materiale de protecție (de exemplu, beton, plumb, apă) - situat în spatele reflectorului său și o telecomandă.
Pentru prima dată energia nucleară a fost folosită în scopuri pașnice în URSS. La Obninsk, în 1954, sub conducerea lui Kurchatov, a fost pusă în funcțiune prima centrală nucleară cu o capacitate de 5 MW.
Cu toate acestea, reactoarele cu neutroni termici cu uraniu pot rezolva problema alimentării cu energie la o scară limitată, care este determinată de cantitatea de uraniu.
Cea mai promițătoare modalitate de a dezvolta energia nucleară este dezvoltarea reactoarelor cu neutroni rapizi, așa-numitele reactoare de reproducere. Un astfel de reactor produce mai mult combustibil nuclear decât consumă. Reacția se desfășoară cu neutroni rapizi, deci nu numai, ci și poate participa la ea, care se transformă în. Acesta din urmă poate fi separat chimic de. Acest proces se numește creșterea combustibilului nuclear. În reactoarele speciale de reproducere, factorul de generare a combustibilului nuclear depășește unu. Miezul reproducătorilor este un aliaj de uraniu îmbogățit cu izotopi cu un metal greu care absoarbe puțini neutroni. Reactoarele de reproducere nu au un moderator. Controlul unor astfel de reactoare prin deplasarea reflectorului sau modificarea masei materialului fisionabil.
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
O reacție nucleară în lanț este un proces care are loc atunci când particulele elementare sau nucleele se ciocnesc cu alte nuclee. De ce „lanț”? Acesta este un set 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 să vă ocupați mai întâi de reacții individuale.
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. Într-o reacție nucleară se respectă 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. În stadiul 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 detecta particulele încărcate care intră, pot fi utilizate diferite tipuri de reacții nucleare - atât fuziune, cât și 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. O caracteristică comună 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 emisia acestui 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 succesiunea părților sale constitutive. 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 reacțiile chimice, reacțiile în lanț au devenit larg răspândite. 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 o particulă 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 este excitat artificial prin introducerea numărului necesar de particule într-un mediu dat, procesul se va descompune 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 se caracterizează prin 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 alte substanțe chimice. 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.
Încărcare...
