Branduolinė grandininė reakcija

Branduolinė grandininė reakcija- pavienių branduolinių reakcijų seka, kurių kiekvieną sukelia dalelė, kuri pasirodė kaip reakcijos produktas ankstesniame sekos etape. Branduolinės grandininės reakcijos pavyzdys yra sunkiųjų elementų branduolių dalijimosi grandininė reakcija, kurioje daugiausia dalijimosi įvykių inicijuoja neutronai, gauti dalijant ankstesnės kartos branduolius.

Energijos išleidimo mechanizmas

Medžiagos virsmą lydi laisvos energijos išsiskyrimas tik tuo atveju, jei medžiaga turi energijos rezervą. Pastarasis reiškia, kad medžiagos mikrodalelės yra būsenoje, kurios ramybės energija yra didesnė nei kitoje galimoje būsenoje, į kurią vyksta perėjimas. Spontaniškam perėjimui visada trukdo energetinis barjeras, kurį įveikti mikrodalelė turi gauti tam tikrą energijos kiekį iš išorės – sužadinimo energijos. Egzoenergetinė reakcija susideda iš to, kad transformuojant po sužadinimo išsiskiria daugiau energijos, nei reikia procesui sužadinti. Energijos barjerą galima įveikti dviem būdais: arba dėl susidūrusių dalelių kinetinės energijos, arba dėl besijungiančios dalelės surišimo energijos.

Jei turėtume omenyje makroskopinį energijos išsiskyrimo mastą, tai visos arba iš pradžių bent dalis medžiagos dalelių turi turėti kinetinę energiją, reikalingą reakcijoms sužadinti. Tai pasiekiama tik padidinus terpės temperatūrą iki tokios vertės, kuriai esant šiluminio judėjimo energija artėja prie energijos slenksčio, ribojančio proceso eigą. Molekulinių virsmų, tai yra cheminių reakcijų, atveju toks padidėjimas dažniausiai siekia šimtus kelvinų, tačiau branduolinių reakcijų atveju jis yra ne mažesnis kaip 10 7 K dėl labai didelio susidūrusių branduolių Kulono barjerų aukščio. Branduolinių reakcijų terminis sužadinimas praktiškai vykdomas tik lengviausių branduolių sintezės metu, kuriuose Kulono barjerai yra minimalūs (termobrandulių sintezė).

Sužadinimas sujungiant daleles nereikalauja didelės kinetinės energijos, todėl nepriklauso nuo terpės temperatūros, nes tai vyksta dėl nepanaudotų ryšių, būdingų dalelių traukos jėgoms. Tačiau norint sužadinti reakcijas, reikalingos pačios dalelės. Ir jei vėl turime omenyje ne atskirą reakcijos veiksmą, o energijos gamybą makroskopiniu mastu, tai tai įmanoma tik tada, kai įvyksta grandininė reakcija. Pastaroji atsiranda tada, kai reakciją sužadinančios dalelės vėl pasirodo kaip egzoenergetinės reakcijos produktai.

Grandininės reakcijos

Grandininės reakcijos plačiai paplitę tarp cheminės reakcijos, kur dalelių su nepanaudotomis jungtimis vaidmenį atlieka laisvieji atomai arba radikalai. Grandininės reakcijos mechanizmą branduolinių transformacijų metu gali užtikrinti neutronai, kurie neturi Kulono barjero ir sužadina branduolius absorbuodami. Būtinos dalelės atsiradimas aplinkoje sukelia viena po kitos einančių reakcijų grandinę, kuri tęsiasi tol, kol grandinė nutrūksta dėl reakcijos nešiklio dalelės praradimo. Yra dvi pagrindinės nuostolių priežastys: dalelės absorbcija neišskiriant antrinės ir dalelės pasitraukimas už grandinės procesą palaikančios medžiagos tūrio. Jei kiekviename reakcijos veiksme atsiranda tik viena nešiklio dalelė, vadinama grandinine reakcija nešakotas. Neišsišakojusi grandininė reakcija negali sukelti didelio masto energijos išsiskyrimo.

Jei kiekviename reakcijos veiksme ar kai kuriose grandinės grandyse atsiranda daugiau nei viena dalelė, tada įvyksta šakotoji grandininė reakcija, nes viena iš antrinių dalelių tęsia pradėtą ​​grandinę, o iš kitų atsiranda naujos grandinės, kurios vėl išsišakoja. Tiesa, procesai, lemiantys grandinės pertraukas, konkuruoja su šakojimosi procesu, o susidariusi situacija sukelia ribojančius arba kritinius reiškinius, būdingus šakotoms grandinės reakcijoms. Jei nutrūkusių grandinių skaičius yra didesnis nei atsirandančių naujų grandinių, tada save palaikanti grandininė reakcija(SCR) pasirodo neįmanoma. Net jei jis sužadinamas dirbtinai, į terpę įvedant tam tikrą kiekį reikalingų dalelių, tai, kadangi grandinių skaičius tokiu atveju gali tik mažėti, prasidėjęs procesas greitai nublanksta. Jei susidariusių naujų grandinių skaičius viršija pertraukų skaičių, grandininė reakcija greitai išplinta per visą medžiagos tūrį, kai atsiranda bent viena pradinė dalelė.

Medžiagų būsenų regionas, kuriame išsivysto savaime išsilaikanti grandininė reakcija, yra atskirtas nuo regiono, kuriame grandininė reakcija paprastai neįmanoma, kritinės būklės. Kritinė būsena pasižymi lygybe tarp naujų grandinių skaičiaus ir pertraukų skaičiaus.

Pasiekimas kritinės būklės lemia daugybė veiksnių. Sunkaus branduolio dalijimasis sužadinamas vienu neutronu ir dėl dalijimosi akto atsiranda daugiau nei vienas neutronas (pavyzdžiui, 235 U per vieną dalijimosi veiksmą susidaro vidutiniškai 2,5 neutronų). Vadinasi, dalijimosi procesas gali sukelti šakotą grandininę reakciją, kurios nešėjai bus neutronai. Jei neutronų nuostolių greitis (pagaunamas be dalijimosi, išeina iš reakcijos tūrio ir pan.) kompensuoja neutronų dauginimosi greitį taip, kad efektyvusis neutronų dauginimo koeficientas yra tiksliai lygus vienetui, grandininė reakcija vyksta stacionarus režimas. Įvedus neigiamą grįžtamąjį ryšį tarp efektyvaus dauginimo koeficiento ir energijos išsiskyrimo greičio, galima kontroliuoti grandininę reakciją, kuri naudojama, pavyzdžiui, branduolinėje energetikoje. Jei dauginimo koeficientas didesnis už vieną, grandininė reakcija vystosi eksponentiškai; pabėgusi skilimo grandininė reakcija naudojama branduoliniuose ginkluose.

taip pat žr

• Cheminė grandininė reakcija

Literatūra

• Klimovas A. N. Branduolinė fizika ir branduoliniai reaktoriai.- M. Atomizdat, .
• Levinas V.E. Branduolinė fizika ir branduoliniai reaktoriai/ 4-asis leidimas. - M.: Atomizdat, .
• Petuninas V.P. Branduolinių įrenginių šiluminė energetika.- M.: Atomizdat, .

Wikimedia fondas. 2010 m.

Pažiūrėkite, kas yra „Branduolinė grandininė reakcija“ kituose žodynuose:

Grandininė branduolinė reakcija yra branduolinių reakcijų seka, sužadinama dalelių (pavyzdžiui, neutronų), gimusių kiekvieno reakcijos įvykio metu. Priklausomai nuo vidutinio reakcijų skaičiaus po vienos ankstesnės, yra mažesnis, lygus arba... ... Branduolinės energijos terminai

branduolinė grandininė reakcija- Branduolinių reakcijų seka, sužadinta dalelių (pavyzdžiui, neutronų), gimusių kiekvieno reakcijos įvykio metu. Priklausomai nuo vidutinio reakcijų skaičiaus po vienos ankstesnės reakcijos, mažesnis, lygus arba didesnis už vieną... ...

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

Sunkiųjų elementų atominių branduolių dalijimosi reakcija veikiant neutronams; kiekviename spiečiaus veiksme neutronų skaičius didėja, todėl gali įvykti savaime išsilaikantis dalijimosi procesas. Pavyzdžiui, vieno urano izotopo 235U branduolio dalijimosi metu, veikiant ... Didysis enciklopedinis politechnikos žodynas

Branduolinė grandininė reakcija- atomų branduolių dalijimosi reakcija veikiant neutronams, kurių kiekviename veiksme išsiskiria bent vienas neutronas, užtikrinantis reakcijos palaikymą. Naudojamas kaip energijos šaltinis branduoliniuose užtaisuose (sprogiuosiuose branduoliniuose reaktoriuose) ir branduoliniuose reaktoriuose... ... Karinių terminų žodynėlis

branduolio dalijimosi grandininė reakcija su neutronais- - [A.S. Goldbergas. Anglų-rusų energetikos žodynas. 2006] Temos: energija apskritai EN divergentinė reakcija... Techninis vertėjo vadovas

Savaime išsilaikanti branduolinė grandininė reakcija- 7. Savaime išsilaikanti branduolinė grandininė reakcija SCR Branduolinė grandininė reakcija, kuriai būdingas efektyvusis dauginimo koeficientas, didesnis arba lygus vienetui

Valdoma grandininė reakcija.

Jei grandininės reakcijos raida yra apribota, kad per laiko vienetą pagamintų neutronų skaičius pasiektų tam tikrą didelės svarbos, tada nustotų didėti, tada įvyktų ramiai vykstanti savaime išsilaikanti grandininė skilimo reakcija. Reakciją bus galima valdyti tik tuo atveju, jei pasirodys, kad neutronų dauginimo koeficientą keff galima reguliuoti pakankamai lėtai ir sklandžiai, o optimaliai sistemai kefas turėtų viršyti vienetą tik 0,5%. Sovietų fizikai Ya.B. Zeldovičius ir Yu.B. Kharitonas teoriškai (1939 m.) parodė, kad kontroliuojama grandininė reakcija gali būti vykdoma naudojant gamtinį uraną.

Norint plėtoti grandininį procesą gamtiniame urane, neutronai turi būti sulėtinti iki šiluminio greičio, nes tokiu atveju tikimybė, kad juos užfiksuos U branduoliai ir vėlesnis dalijimasis, smarkiai padidėja. Tam naudojamos specialios medžiagos - retarderiai.

Stacionarios grandininės reakcijos (k eff =1) valdymas žymiai supaprastėja dėl buvimo uždelsti neutronai(žr. 3.6 punktą). Pasirodo, reakcijos „pagreičio“ laikas T (laikas, per kurį skilimų skaičius padidėja e“2,71 karto) esant žemam superkritiškumo laipsniui (k eff – 1<< 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T = t ×b / (k eff - 1),

čia t z yra vidutinė uždelstų neutronų tarnavimo trukmė (t z ~ 14,4 s),

b yra uždelstų neutronų dalis (b ~ 0,68 % U).

Kadangi reikšmė t × b yra ~ 5 × 10 -2 s., reakcijos intensyvumas didės gana lėtai, o reakcija yra gerai reguliuojama.

Kefo vertę galima kontroliuoti automatiškai į šerdį įvedant medžiagas, kurios stipriai sugeria neutronus - sugėrikliai.

12.3.1. Branduolinis reaktorius

Įrenginys, kuriame atliekama ir palaikoma stacionari branduolio dalijimosi reakcija, vadinamas branduoliniu reaktoriumi arba atominiu katilu.

Pirmasis branduolinis reaktorius buvo pastatytas vadovaujant E. Fermi 1942 metų pabaigoje (JAV). Pirmasis Europos reaktorius buvo sukurtas 1946 m. ​​Maskvoje, vadovaujant I. V. Kurchatovui.

Šiuo metu pasaulyje veikia apie tūkstantis branduolinių reaktorių. įvairių tipų, kurios skiriasi:

· pagal veikimo principą (reaktoriai, naudojantys šiluminius, greituosius ir kt. neutronus);

· pagal moderatoriaus tipą (sunkusis vanduo, grafitas ir kt.);

· pagal naudojamą kurą (uranas, toris, plutonis);

· pagal paskirtį (moksliniai, medicinos, energetikos, branduolinio kuro atgaminimo ir kt.)

Pagrindinės branduolinio reaktoriaus dalys (žr. 4.5 pav.):

· aktyvioji zona (1), kurioje yra branduolinis kuras, vyksta dalijimosi grandininė reakcija, išsiskiria energija;

· neutronų reflektorius (2), supantis šerdį;

· grandinės proceso reguliavimo sistema neutronų sugėrimo strypų pavidalu (3);

· radiacinė apsauga (4) nuo radiacijos;

· aušinimo skystis (5).

IN vienalytis Reaktoriuose branduolinis kuras ir moderatorius sumaišomi, kad susidarytų vienalytis mišinys (pavyzdžiui, aktinourano druskos ir sunkusis vanduo). IN nevienalytis reaktoriuose (4.6 pav.) branduolinis kuras dedamas į aktyvią zoną kuro strypų pavidalu ( kuro elementai) - mažo skerspjūvio blokiniai strypai (1), uždengti hermetiškame apvalkale, kuris silpnai sugeria neutronus. Tarp kuro strypų yra moderatorius (2).

Branduolio dalijimosi metu susidarę neutronai, nespėję absorbuotis kuro strypuose, patenka į moderatorių, kur praranda energiją, sulėtėja iki šiluminio greičio. Tada, patekę į vieną iš kuro strypų, šiluminiai neutronai turi didelę tikimybę, kad juos sugers dalijimąsi galintys branduoliai (U, U, Pu). Tie neutronai, kuriuos užfiksuoja U branduoliai, taip pat atlieka teigiamą vaidmenį, tam tikru mastu papildydami branduolinio kuro suvartojimą.

Geri moderatoriai yra lengvieji branduoliai: deuteris, berilis, anglis, deguonis. Geriausias neutronų moderatorius yra deuterio ir deguonies derinys. sunkus vanduo. Tačiau dėl didelių sąnaudų anglis dažniau naudojama labai gryna grafitas. Taip pat naudojamas berilis ir jo oksidas. Kuro elementai ir moderatorius paprastai sudaro taisyklingą gardelę (pavyzdžiui, urano-grafito).

Dėl dalijimosi energijos kuro strypai įkaista. Aušinimui jie dedami į srautą aušinimo skystis(oras, vanduo, vandens garai, He, CO 2 ir kt.).

Dėl to, kad neutronai prarandami moderatoriuje ir dalijimosi fragmentų branduoliuose, reaktorius turi turėti superkritinius matmenis ir gaminti neutronų perteklių. Grandininio proceso valdymas (t.y. neutronų pertekliaus pašalinimas) vykdomas valdymo strypais (3) (žr. 4.5 arba 4.6 pav.), pagamintus iš stipriai neutronus sugeriančių medžiagų (boro plieno, kadmio).

Reaktoriaus parametrai apskaičiuojami taip, kad absorberinius strypus visiškai įkišus į aktyvią zoną, reakcija neįvyktų. Palaipsniui pašalinus strypus, neutronų dauginimo koeficientas didėja, o tam tikroje padėtyje kefas pasiekia vienybę, reaktorius pradeda veikti. Absorberių strypų judėjimas atliekamas iš valdymo pulto. Reguliavimas supaprastintas dėl uždelstų neutronų buvimo.

Pagrindinė branduolinio reaktoriaus savybė yra jo galia. 1 MW galia atitinka grandininį procesą, kurio metu per sekundę įvyksta 3 × 10 16 dalijimosi įvykių. Reaktorius turi Skubus atvėjis strypai, kuriuos įvedus, staiga padidėjus reakcijos galiai, ji iš karto atstatoma.

Branduolinio reaktoriaus veikimo metu laipsniškas branduolinio kuro perdegimas, kaupiasi dalijimosi fragmentai, susidaro transurano elementai. Dėl fragmentų kaupimosi sumažėja k eff. Šis procesas vadinamas apsinuodijimas reaktorius (jei skeveldros radioaktyvios) ir šlakavimas(jei fragmentai yra stabilūs). Apsinuodijus k eff sumažėja (1¸3)%. Kad reakcija nesustotų, iš šerdies palaipsniui (automatiškai) išimami specialūs (kompensaciniai) strypai. Branduoliniam kurui visiškai perdegus, jis pašalinamas (reakcijai sustojus) ir pakraunamas naujas kuras.

Tarp branduolinių reaktorių ypatingą vietą užima veisliniai reaktoriai ant greitųjų neutronų - veisėjai. Juose elektros generavimą lydi antrinio branduolinio kuro (plutonio) dauginimasis dėl reakcijos (3.5), dėl ko efektyviai naudojamas ne tik U izotopas, bet ir U. (žr. §3.6). Tai leidžia radikaliai išspręsti branduolinio kuro tiekimo problemą: kiekvienam 100 tokiame reaktoriuje panaudotų branduolių susidaro 150 naujų, galinčių dalytis. Greitųjų neutroninių reaktorių technologija yra geriausių inžinerinių sprendimų paieškos etape. Pirmoji tokio tipo bandomoji pramoninė stotis (Ševčenka) naudojama elektrai gaminti ir jūros vandeniui gėlinti (Kaspijos jūra).

Panagrinėkime dalijimosi grandininės reakcijos mechanizmą. Kai sunkieji branduoliai dalijasi veikiant neutronams, susidaro nauji neutronai. Pavyzdžiui, su kiekvienu urano 92 U 235 branduolio dalijimusi susidaro vidutiniškai 2,4 neutrono. Kai kurie iš šių neutronų vėl gali sukelti branduolio dalijimąsi. Šis laviną primenantis procesas vadinamas grandininė reakcija .
Skilimo grandininė reakcija vyksta aplinkoje, kurioje vyksta neutronų dauginimosi procesas. Ši aplinka vadinama šerdis . Svarbiausias fizikinis dydis, apibūdinantis neutronų dauginimosi intensyvumą neutronų dauginimo koeficientas terpėje k ∞ . Daugybos koeficientas yra lygus neutronų skaičiaus vienoje kartoje ir jų skaičiaus ankstesnėje kartoje santykiui. Rodyklė ∞ rodo, kad kalbame apie idealią begalinių matmenų aplinką. Panašiai kaip ir reikšmė k ∞ nustatoma neutronų dauginimo koeficientas fizikinėje sistemoje k. Koeficientas k yra konkretaus įrenginio charakteristika.
Ribinių matmenų skiliojoje terpėje kai kurie neutronai pabėgs iš šerdies į išorę. Todėl koeficientas k priklauso ir nuo tikimybės P, kad neutronas neištrūks iš šerdies. A-prioras

k = k ∞ P.

(1)

P reikšmė priklauso nuo aktyviosios zonos sudėties, jos dydžio, formos, taip pat nuo to, kiek aktyviąją zoną supanti medžiaga atspindi neutronus.
Svarbios kritinės masės ir kritinių matmenų sąvokos yra susijusios su galimybe neutronams palikti šerdį. Kritinis dydis yra aktyviosios zonos, kurioje k = 1, dydis. Kritinė masė vadinama kritinių matmenų šerdies mase. Akivaizdu, kad kai masė yra žemiau kritinės, grandininė reakcija neįvyksta, net jei > 1. Priešingai, pastebimas masės perteklius virš kritinės sukelia nekontroliuojamą reakciją – sprogimą.
Jei pirmoje kartoje yra N neutronų, tai n-oje kartoje bus Nk n. Todėl, kai k = 1, grandininė reakcija vyksta stacionariai, esant k< 1 реакция гаснет, а при k >1 reakcijos intensyvumas didėja. Kai k = 1, vadinamas reakcijos būdas kritiškas , k > 1 – superkritinis ir ties k< 1 – subkritinis .
Vienos kartos neutronų gyvavimo trukmė labai priklauso nuo terpės savybių ir yra 10–4–10–8 s. Dėl šio laiko trumpumo, norint atlikti valdomą grandininę reakciją, būtina labai tiksliai išlaikyti lygybę k = 1, nes, tarkime, esant k = 1,01, sistema beveik akimirksniu sprogs. Pažiūrėkime, kokie veiksniai lemia koeficientus k ∞ ir k.
Pirmasis dydis, nustatantis k ∞ (arba k), yra vidutinis neutronų, išmetamų per vieną dalijimosi įvykį, skaičius. Skaičius priklauso nuo kuro rūšies ir krintančio neutrono energijos. Lentelėje 1 parodytos pagrindinių izotopų vertės atominė energija tiek šiluminiams, tiek greitiesiems (E = 1 MeV) neutronams.

235 U izotopo dalijimosi neutronų energijos spektras parodytas Fig. 1. Šio tipo visų skiliųjų izotopų spektrai yra panašūs: yra stipri energijų sklaida, o didžiosios dalies neutronų energija yra 1–3 MeV. Skilimo metu susidarantys neutronai sulėtėja, pasklinda tam tikru atstumu ir yra absorbuojami dalijimosi metu arba be jo. Priklausomai nuo terpės savybių, prieš absorbciją neutronai turi laiko sulėtėti iki skirtingos energijos. Esant geram moderatoriui, dauguma neutronų turi laiko sulėtėti iki 0,025 eV dydžio šiluminės energijos. Šiuo atveju vadinama grandininė reakcija lėtas, arba kas tas pats, terminis. Jei nėra specialaus moderatoriaus, neutronai turi laiko sulėtėti tik iki 0,1–0,4 MeV energijos, nes visi skilintys izotopai yra sunkūs ir todėl prastai lėtėja. Atitinkamos grandininės reakcijos vadinamos greitai(pabrėžiame, kad epitetai „greitas“ ir „lėtas“ apibūdina neutronų greitį, o ne reakcijos greitį). Grandininės reakcijos, kurių metu neutronai sulėtėja iki energijos, kuri svyruoja nuo dešimčių iki vieno keV, vadinamos tarpinis .
Kai neutronas susiduria su sunkiuoju branduoliu, neutroną (n, γ) visada galima pagauti spinduliuote. Šis procesas konkuruos su padalijimu ir taip sumažins daugybos greitį. Iš to išplaukia, kad antrasis fizikinis dydis, turintis įtakos koeficientams k ∞ , k yra dalijimosi tikimybė, kai neutroną užfiksuoja skiliojo izotopo branduolys. Ši monoenergetinių neutronų tikimybė akivaizdžiai lygi

,

(2)

kur nf, nγ yra atitinkamai dalijimosi ir radiacijos gaudymo skerspjūviai. Siekiant vienu metu atsižvelgti ir į neutronų skaičių dalijimosi atveju, ir į spinduliuotės gaudymo tikimybę, įvedamas koeficientas η, lygus vidutiniam antrinių neutronų skaičiui vienam neutronui, kurį sugauna skilusis branduolys.

,

(3)

η reikšmė priklauso nuo kuro rūšies ir nuo neutronų energijos. Svarbiausių šiluminių ir greitųjų neutronų izotopų η reikšmės pateiktos toje pačioje lentelėje. 1. η reikšmė yra svarbiausia kuro branduolių charakteristika. Grandininė reakcija gali įvykti tik tada, kai η > 1. Kuo didesnė η reikšmė, tuo aukštesnė kuro kokybė.

1 lentelė. Daliųjų izotopų ν, η reikšmės

Šerdis		92 U 233	92 U 235	94 Pu 239
Šiluminiai neutronai (E = 0,025 eV)	ν	2.52	2.47	2.91
	η	2.28	2.07	2.09
Greitieji neutronai (E = 1 MeV)	ν	2.7	2.65	3.0
	η	2.45	2.3	2.7

Branduolinio kuro kokybę lemia jo prieinamumas ir koeficientas η. Gamtoje randami tik trys izotopai, kurie gali būti branduolinis kuras arba žaliavos jo gamybai. Tai torio izotopas 232 Th ir urano izotopai 238 U ir 235 U. Iš jų pirmieji du nesukelia grandininės reakcijos, bet gali būti perdirbami į izotopus, ant kurių vyksta reakcija. Pats 235 U izotopas sukelia grandininę reakciją. IN Žemės pluta torio yra kelis kartus daugiau nei urano. Natūralus toris praktiškai susideda tik iš vieno izotopo – 232 Th. Gamtinį uraną daugiausia sudaro 238 U izotopas ir tik 0,7 % 235 U izotopo.
Praktikoje nepaprastai svarbus yra grandininės reakcijos į natūralų urano izotopų mišinį, kuriame 235 U branduolyje yra 140 238 U branduoliai, pagrįstumo klausimas. Parodykime, kad natūraliame mišinyje galima lėta reakcija. , bet greitas nėra. Norint apsvarstyti grandininę reakciją natūraliame mišinyje, patogu įvesti naują dydį – vidutinį neutronų sugerties skerspjūvį vienam 235 U izotopo branduoliui.

Šiluminiams neutronams = 2,47, = 580 barn, = 112 barn, = 2,8 barn (atkreipkite dėmesį, koks mažas paskutinis skerspjūvis). Pakeitę šiuos skaičius į (5), gauname lėtiesiems neutronams natūraliame mišinyje

Tai reiškia, kad 100 šiluminių neutronų, absorbuotų natūraliame mišinyje, sukurs 132 naujus neutronus. Iš to tiesiogiai išplaukia, kad grandininė reakcija su lėtais neutronais iš principo yra įmanoma gamtiniame urane. Iš esmės, nes norint realiai įgyvendinti grandininę reakciją, reikia sugebėti sulėtinti neutronus su mažais nuostoliais.
Greitiesiems neutronams ν = 2,65, 2 barn, 0,1 barn. Jei atsižvelgsime į dalijimąsi tik 235 U izotopu, gautume

235 (greitai) 0,3.

(7)

Tačiau taip pat turime atsižvelgti į tai, kad greitieji neutronai, kurių energija didesnė nei 1 MeV, gali su pastebimu santykiniu intensyvumu padalyti 238 U izotopo branduolius, kurių natūraliame mišinyje yra labai daug. Padalijus iš 238 U koeficientas yra maždaug 2,5. Skilimo spektre maždaug 60 % neutronų energija viršija efektyviąją 1,4 MeV dalijimosi slenkstį 238 U. Tačiau iš šių 60 % tik vienas iš 5 neutronų sugeba dalytis nesulėtėdamas iki energijos, mažesnės už slenkstį. elastinga ir ypač neelastinga sklaida. Iš čia koeficientui 238 (greitai) gauname įvertį

Taigi grandininė reakcija natūraliame mišinyje (235 U + 238 U) negali įvykti su greitaisiais neutronais. Eksperimentiškai nustatyta, kad gryno metalinio urano dauginimo koeficientas pasiekia vieneto vertę, kai sodrinimas yra 5,56%. Praktiškai paaiškėja, kad reakcija su greitaisiais neutronais gali būti palaikoma tik praturtintame mišinyje, kuriame yra ne mažiau kaip 15% 235 U izotopo.
Natūralus urano izotopų mišinys gali būti prisodrintas izotopu 235 U. Sodrinimas yra sudėtingas ir brangus procesas dėl to, kad Cheminės savybės Abu izotopai yra beveik vienodi. Būtina pasinaudoti nedideliais cheminių reakcijų, difuzijos ir kt. greičių skirtumais, atsirandančiais dėl izotopų masių skirtumų. Grandininė reakcija esant 235 U beveik visada atliekama aplinkoje su didelis kiekis 238 U. Dažnai naudojamas natūralus izotopų mišinys, kurio šiluminėje neutroninėje srityje η = 1,32, nes naudinga ir 238 U. 238 U izotopas dalijasi neutronais, kurių energija viršija 1 MeV. Dėl šio dalijimosi atsiranda nedidelis papildomas neutronų dauginimasis.
Palyginkime dalijimosi grandinines reakcijas su šiluminiais ir greitaisiais neutronais.
Šiluminių neutronų gaudymo skerspjūviai yra dideli ir labai skiriasi pereinant iš vieno branduolio į kitą. Kai kurių elementų (pavyzdžiui, kadmio) branduoliuose šie skerspjūviai yra šimtus ar daugiau kartų didesni nei 235 U skerspjūviai. Todėl šiluminių neutronų įrenginių šerdims keliami aukšti grynumo reikalavimai, susiję su tam tikromis priemaišomis.
Greitiesiems neutronams visi gaudymo skerspjūviai yra maži ir ne taip skiriasi vienas nuo kito, todėl didelio medžiagų grynumo problema nekyla. Kitas greitų reakcijų privalumas – didesnis reprodukcijos greitis.
Svarbi išskirtinė šiluminių reakcijų savybė yra ta, kad šerdyje kuras yra daug labiau atskiestas, t.y., viename kuro branduolyje yra žymiai daugiau branduolių, kurie nedalyvauja skilimo procese nei greitoje reakcijoje. Pavyzdžiui, natūralaus urano šiluminėje reakcijoje 235 U kuro šerdyje yra 140 238 U žaliavos branduolių, o greitos reakcijos metu 235 U branduolyje gali būti ne daugiau kaip nuo penkių iki šešių 238 U branduolių. kuro praskiedimas šiluminėje reakcijoje lemia tai, kad viena ir ta pati energija šiluminėje reakcijoje išsiskiria daug didesniame medžiagos tūryje nei greitosios reakcijos metu. Taigi lengviau pašalinti šilumą iš aktyviosios šiluminės reakcijos zonos, todėl šią reakciją galima atlikti intensyviau nei greitą.
Vienos kartos neutronų gyvavimo laikas greitos reakcijos metu yra keliomis eilėmis trumpesnis nei šiluminės. Todėl greitos reakcijos greitis gali pastebimai pasikeisti po labai trumpam laikui pasikeitus fizinėms sąlygoms šerdyje. At normalus veikimas Reaktoryje šis poveikis yra nereikšmingas, nes šiuo atveju veikimo režimą lemia uždelstų, o ne greitųjų neutronų tarnavimo laikas.
Homogeninėje terpėje, susidedančioje tik iš vieno tipo skiliųjų izotopų, dauginimo koeficientas būtų lygus η. Tačiau realiose situacijose, be skiliųjų branduolių, visada yra ir kitų, neskilusių. Šie pašaliniai branduoliai užfiksuos neutronus ir taip paveiks dauginimo koeficientą. Iš to seka, kad trečiasis dydis, nustatantis koeficientus k ∞ , k, yra tikimybė, kad neutrono neužfiksuos vienas iš neskilusių branduolių. Realiuose įrenginiuose „svetimas“ gaudymas vyksta ant moderatoriaus šerdies, įvairių konstrukcinių elementų šerdies, taip pat skilimo produktų ir fiksavimo produktų šerdies.
Norėdami atlikti grandininę reakciją su lėtais neutronais, į šerdį įvedamos specialios medžiagos - moderatoriai, kurie dalijimosi neutronus paverčia šiluminiais. Praktiškai lėta neutronų grandininė reakcija vykdoma natūraliam arba šiek tiek prisodrintam uranui 235 U izotopu. Didelis 238 U izotopo kiekis šerdyje apsunkina moderavimo procesą ir todėl būtina kelti aukštus reikalavimus moderatoriaus kokybei. Vienos kartos neutronų gyvenimą šerdyje su moderatoriumi galima apytiksliai suskirstyti į du etapus: nuosaikumą iki šiluminės energijos ir difuziją. šiluminės normos prieš absorbciją. Kad dauguma neutronų spėtų sulėtėti be absorbcijos, turi būti įvykdyta sąlyga

kur σ kontrolė, σ gaudymas yra atitinkamai tamprios sklaidos ir gaudymo energijos vidurkis, o n yra neutronų susidūrimų su moderatoriaus branduoliais, reikalingų šiluminei energijai gauti, skaičius. Skaičius n sparčiai didėja didėjant moderatoriaus masės skaičiui. Urano 238 U skaičius n yra keli tūkstančiai. Ir šio izotopo santykis σ control /σ gaudymas net santykinai palankioje greitųjų neutronų energijos srityje neviršija 50. Vadinamoji rezonansinė sritis nuo 1 keV iki 1 eV yra ypač „pavojinga“ neutronų pagavimo atžvilgiu. . Šiame regione bendras neutrono sąveikos su 238 U branduoliais skerspjūvis turi daug intensyvių rezonansų (2 pav.). Esant žemai energijai, spinduliuotės plotis viršija neutronų plotį. Todėl rezonanso srityje santykis σ valdymo / σ gaudymas tampa net mažesnis už vienybę. Tai reiškia, kad neutronui patekus į vieno iš rezonansų sritį, jis sugeriamas beveik šimtaprocentine tikimybe. Ir kadangi tokio sunkesnio branduolio, kaip uranas, sulėtėjimas vyksta „mažais žingsneliais“, tada, eidamas per rezonansinę sritį, lėtėjantis neutronas tikrai „attrenks“ į vieną iš rezonansų ir bus absorbuojamas. Iš to išplaukia, kad grandininė reakcija ant gamtinio urano be pašalinių priemaišų negali būti vykdoma: ant greitųjų neutronų reakcija nevyksta dėl koeficiento η mažumo, o lėtųjų neutronų susidaryti nepavyksta, siekiant išvengti rezonansinio neutronų pagavimo, Norint juos sulėtinti, būtina naudoti labai lengvus branduolius, kuriuose lėtėjimas vyksta „dideliais žingsniais“, o tai smarkiai padidina tikimybę, kad neutronas sėkmingai „prašoks“ per rezonansinės energijos sritį. Geriausi moderatoriai yra vandenilis, deuteris, berilis ir anglis. Todėl praktikoje naudojami moderatoriai daugiausia nusileidžia sunkiajam vandeniui, beriliui, berilio oksidui, grafitui, taip pat paprastam vandeniui, kuris sulėtina neutronus ne blogiau nei sunkusis vanduo, bet sugeria juos daug didesniais kiekiais. Retarderis turi būti gerai išvalytas. Atkreipkite dėmesį, kad norint atlikti lėtą reakciją, moderatorius turi būti dešimtis ar net šimtus kartų didesnis nei urano, kad būtų išvengta rezonansinio neutronų susidūrimo su 238 U branduoliais.

Aktyvios terpės moderuojančias savybes galima apytiksliai apibūdinti trimis dydžiais: tikimybe, kad neutronas išvengs moderatoriaus sugerties moderatoriaus metu, tikimybe p išvengti rezonansinio gaudymo 238 U branduoliais ir tikimybe f, kad šiluminis neutronas bus absorbuojamas. kuro branduolys, o ne moderatorius. Reikšmė f paprastai vadinama šiluminio panaudojimo koeficientu. Sunku tiksliai apskaičiuoti šiuos kiekius. Paprastai joms apskaičiuoti naudojamos apytikslės pusiau empirinės formulės.

P ir f reikšmės priklauso ne tik nuo santykinio moderatoriaus kiekio, bet ir nuo jo išdėstymo šerdyje geometrijos. Aktyvioji zona, susidedanti iš homogeninio urano ir moderatoriaus mišinio, vadinama vienalyte, o jų besikeičiančių urano ir moderatoriaus blokų sistema – heterogeniška (4 pav.). Kokybiškai nevienalytė sistema išsiskiria tuo, kad joje greitasis neutronas, susidaręs urane, sugeba patekti į moderatorių nepasiekdamas rezonansinių energijų. Tolesnis lėtėjimas vyksta gryname moderatoriuje. Tai padidina tikimybę p išvengti rezonansinio gaudymo

p het > p homo.

Kita vertus, priešingai, neutronas, tapęs terminiu moderatoriuje, tam, kad dalyvautų grandininėje reakcijoje, turi išsklaidyti, nesugerdamas gryname moderatoriuje, iki jo ribos. Todėl šiluminio panaudojimo koeficientas f heterogeninėje aplinkoje yra mažesnis nei homogeninėje:

f gauti< f гом.

Norėdami įvertinti daugybos koeficientą k ∞ terminis reaktorius naudojamas apytikslis keturių faktorių formulė

k∞ = η pfε .

(11)

Pirmuosius tris veiksnius jau apsvarstėme anksčiau. Dydis ε vadinamas greitas neutronų dauginimo koeficientas . Šis koeficientas įvedamas siekiant atsižvelgti į tai, kad kai kurie greitieji neutronai gali dalytis nespėję sulėtėti. Savo prasme koeficientas ε visada viršija vienetą. Tačiau šis perteklius paprastai yra mažas. Šiluminėms reakcijoms būdinga reikšmė ε = 1,03. Greitoms reakcijoms keturių faktorių formulė netaikoma, nes kiekvienas koeficientas priklauso nuo energijos, o energijos sklaida greitose reakcijose yra labai didelė.
Kadangi η reikšmę lemia kuro rūšis, o ε reikšmė lėtoms reakcijoms beveik nesiskiria nuo vieneto, konkrečios aktyviosios terpės kokybę lemia sandauga pf. Taigi heterogeninės terpės pranašumas prieš homogeninę terpę kiekybiškai pasireiškia tuo, kad, pavyzdžiui, sistemoje, kurioje natūralaus urano branduolyje yra 215 grafito branduolių, sandauga pf yra lygi 0,823 heterogeninei terpei ir 0,595 už vienalytę. O kadangi natūraliam mišiniui η = 1,34, gauname, kad heterogeninei terpei k ∞ > 1, o homogeninei terpei k ∞< 1.
Norint praktiškai įgyvendinti stacionarią grandininę reakciją, reikia mokėti kontroliuoti šią reakciją. Šis valdymas yra labai supaprastintas dėl uždelstų neutronų emisijos dalijimosi metu. Didžioji dauguma neutronų išeina iš branduolio beveik akimirksniu (t. y. per laiką, kuris yra daug dydžių trumpesnis už neutronų kartos gyvavimo trukmę šerdyje), tačiau kelios dešimtosios procento neutronų vėluoja ir pabėga iš branduolio. fragmentų branduoliai po gana didelio laiko tarpo – nuo ​​sekundės dalių iki kelių ir net dešimčių sekundžių. Uždelstų neutronų poveikį galima kokybiškai paaiškinti taip. Tegul daugybos koeficientas akimirksniu padidėja nuo subkritinės reikšmės iki tokios superkritinės reikšmės, kad 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.
Neutronų gaudymas branduoliais, nedalyvaujančiais grandininėje reakcijoje, sumažina reakcijos intensyvumą, tačiau gali būti naudingas naujų daliųjų izotopų susidarymui. Taigi, kai neutronai yra absorbuojami iš urano 238 U ir torio 232 Th izotopų, susidaro plutonio 239 Pu ir urano 233 U izotopai (per du nuoseklius β skilimus), kurie yra branduolinis kuras:

,

(12)

.

(13)

Šios dvi reakcijos atveria realią galimybę branduolinio kuro atgaminimas grandininės reakcijos metu. Idealiu atveju, t.y., kai nėra nereikalingų neutronų nuostolių, kiekvienam kuro branduolio neutrono sugerties aktui reprodukcijai gali būti naudojamas vidutiniškai 1 neutronas.

Branduoliniai (branduoliniai) reaktoriai

Reaktorius yra įtaisas, kuriame palaikoma kontroliuojama dalijimosi grandininė reakcija. Kai reaktorius veikia, dėl egzoterminio dalijimosi reakcijos pobūdžio išsiskiria šiluma. Pagrindinė reaktoriaus charakteristika yra jo galia – per laiko vienetą išsiskiriančios šiluminės energijos kiekis. Reaktoriaus galia matuojama megavatais (10 6 W). 1 MW galia atitinka grandininę reakciją, kurios metu įvyksta 3·1016 dalijimosi įvykių per sekundę. Yra didelis skaičius skirtingi tipai reaktoriai. Viena iš tipiškų šiluminio reaktoriaus schemų parodyta fig. 5.
Pagrindinė reaktoriaus dalis yra aktyvioji zona, kurioje vyksta reakcija ir taip išsiskiria energija. Šiluminiuose ir tarpiniuose neutroniniuose reaktoriuose šerdį sudaro kuras, paprastai sumaišytas su neskilusiu izotopu (dažniausiai 238 U), ir moderatoriaus. Greitųjų neutroninių reaktorių šerdyje nėra moderatoriaus.
Šerdies tūris svyruoja nuo dešimtųjų litro dalių kai kuriuose greitųjų neutronų reaktoriuose iki dešimčių kubinių metrų dideliuose šiluminiuose reaktoriuose. Siekiant sumažinti neutronų nuotėkį, šerdies forma yra sferinė arba beveik sferinė (pavyzdžiui, cilindras, kurio aukštis maždaug lygus skersmeniui, arba kubas).
Atsižvelgiant į santykinę kuro ir moderatoriaus vietą, išskiriami vienarūšiai ir nevienalyčiai reaktoriai. Vienalytės aktyvios zonos pavyzdys yra uranilsulfato druskos ir U 2 SO 4 tirpalas paprastame arba sunkiajame vandenyje. Dažniau naudojami heterogeniniai reaktoriai. Heterogeniniuose reaktoriuose šerdį sudaro moderatorius, į kurį dedamos kuro kasetės. Kadangi šiose kasetėse išsiskiria energija, jos vadinamos kuro elementai arba trumpiau kuro strypai. Aktyvioji zona su atšvaitu dažnai yra uždaryta plieniniame korpuse.

• Uždelstų neutronų vaidmuo valdant branduolinį reaktorių

Kuriame jas sukeliančios dalelės taip pat susidaro kaip šių reakcijų produktai. Ši reakcija yra urano ir kai kurių trans-urano elementų (pvz., 23 9 Pu) veikiami neutronų. Pirmą kartą jį atliko E. Fermi 1942. Po atradimo branduolio dalijimasis W. Zinnas, L. Szilardas ir G. N. Flerovas parodė, kad dalijantis urano branduoliui U išspinduliuojamas daugiau nei vienas neutronas: n + U → A + B + v. Čia A Ir IN— dalijimosi fragmentai, kurių masės A yra nuo 90 iki 150, v— antrinių neutronų skaičius.

Neutronų dauginimo koeficientas. Kad įvyktų grandininė reakcija, būtina, kad vidutinis išleistų neutronų skaičius tam tikroje urano masėje laikui bėgant nesumažėtų arba neutronų dauginimo koeficientas k buvo didesnis arba lygus vienam.

Neutronų dauginimo koeficientas yra neutronų skaičiaus kartoje ir ankstesnės kartos neutronų skaičiaus santykis. Kartų kaita suprantama kaip branduolio dalijimasis, kurio metu absorbuojami senosios kartos neutronai ir gimsta nauji neutronai.

Jeigu k ≥ 1, tada neutronų skaičius laikui bėgant didėja arba išlieka pastovus, ir įvyksta grandininė reakcija. At k > 1 neutronų skaičius mažėja, o grandininė reakcija neįmanoma.

Dėl daugelio priežasčių iš visų gamtoje aptinkamų branduolių tik izotopų branduoliai yra tinkami branduolinei grandininei reakcijai vykdyti. Dauginimo koeficientas nustatomas pagal: 1) lėtųjų neutronų gaudymą branduoliais, vėlesnį skilimą ir greitųjų neutronų gaudymą branduoliais, taip pat su vėlesniu dalijimusi; 2) neutronų gaudymas be dalijimosi urano branduoliais; 3) neutronų gaudymas skilimo produktais, įrenginio moderatoriais ir konstrukciniais elementais; 4) neutronų emisija iš skiliosios medžiagos į išorę.

Tik pirmąjį procesą lydi neutronų skaičiaus padidėjimas. Stacionariai reakcijai k turi būti lygus 1. Jau prie k = 1,01 beveik akimirksniu įvyks sprogimas.

Plutonio susidarymas. Urano izotopu sugavus neutroną, susidaro radioaktyvus izotopas, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 23 minutės. Skilimo metu atsiranda pirmasis transura-naujas elementas neptūnas:

.

β-radioaktyvusis neptūnas (kurio pusinės eliminacijos laikas yra apie dvi dienas), išspinduliuojantis elektroną, virsta tokiu transurano elementu - plutonio:

Plutonio pusinės eliminacijos laikas yra 24 000 metų, o svarbiausia jo savybė yra gebėjimas dalytis veikiant lėtiems neutronams taip pat, kaip ir izotopo.. Plutonio pagalba gali būti vykdoma grandininė reakcija su išsiskyrimu. didelis kiekis energijos.

Grandininę reakciją lydi didžiulės energijos išsiskyrimas; Kai kiekvienas branduolys dalijasi, išsiskiria 200 MeV. Skilus 1 urano branduoliui, išsiskiria tokia pati energija, kaip ir deginant 3 anglis arba 2,5 tonos naftos.

Branduolinė grandininė reakcija- savaime išsilaikanti sunkiųjų branduolių dalijimosi reakcija, kurios metu nuolat gaminasi neutronai, dalijantys vis naujus branduolius.Urano-235 branduolys, veikiamas neutrono, yra padalintas į du nevienodos masės radioaktyvius fragmentus, skrendančius dideliu greičiu. į skirtingos pusės ir du ar trys neutronai. Kontroliuojamos grandininės reakcijos atliekami branduoliniuose reaktoriuose arba branduoliniuose katiluose. Šiuo metu kontroliuojamos grandininės reakcijos yra atliekami urano-235, urano-233 (dirbtinai gaunamo iš torio-232), plutonio-239 (dirbtinai iš urio-238), taip pat plutonio-241 izotopų. Labai svarbi užduotis – izoliuoti jo izotopą uraną-235 nuo natūralaus urano. Nuo pat pirmųjų branduolinės technologijos kūrimo žingsnių pradėtas naudoti uranas-235, kurio gamyba m gryna forma Tačiau buvo techniškai sudėtinga, nes uranas-238 ir uranas-235 yra chemiškai neatskiriami.

50.Branduoliniai reaktoriai. Termobranduolinės energijos panaudojimo perspektyvos.

Branduolinis reaktorius yra prietaisas, kuriame vyksta kontroliuojama branduolinė grandininė reakcija, lydima energijos išsiskyrimo. Pirmasis branduolinis reaktorius buvo pastatytas ir paleistas 1942 metų gruodį JAV vadovaujant E. Fermi. Pirmasis reaktorius, pastatytas už JAV ribų, buvo ZEEP, Kanadoje paleistas 1946 m. ​​gruodžio 25 d. Europoje pirmasis branduolinis reaktorius buvo 1946 metų gruodžio 25 dieną Maskvoje, vadovaujant I.V.Kurchatovui, pradėjęs dirbti įrenginys F-1, 1978 metais pasaulyje jau veikė apie šimtas įvairaus tipo branduolinių reaktorių. Bet kurio branduolinio reaktoriaus komponentai yra: aktyvioji zona su branduoliniu kuru, dažniausiai apsupta neutronų reflektoriaus, aušinimo skystis, grandininės reakcijos valdymo sistema, radiacinė apsauga ir nuotolinio valdymo sistema. Reaktoriaus indas susidėvi (ypač veikiamas jonizuojančiosios spinduliuotės). Pagrindinė branduolinio reaktoriaus savybė yra jo galia. 1 MW galia atitinka grandininę reakciją, kurios metu per 1 sekundę įvyksta 3·1016 dalijimosi įvykių. Aukštos temperatūros plazmos fizikos tyrimai daugiausia atliekami dėl termobranduolinio reaktoriaus sukūrimo. Arčiausiai reaktoriaus esantys parametrai yra tokamako tipo įrenginiai. 1968 metais buvo paskelbta, kad T-3 instaliacija pasiekė dešimties milijonų laipsnių plazmos temperatūrą, būtent šios krypties plėtrai per pastaruosius dešimtmečius sutelkė daugelio šalių mokslininkai. Pirmasis savęs demonstravimas - Prancūzijoje statomame objekte turėtų būti atlikta palaikomoji termobranduolinė reakcija skirtingos salys tokamak ITER. Viso termobranduolinių reaktorių panaudojimas energetikos sektoriuje numatomas XXI amžiaus antroje pusėje.Be tokamakų, yra ir kitų tipų magnetinių gaudyklių, skirtų sulaikyti aukštos temperatūros plazmą, pavyzdžiui, vadinamosios atvirosios gaudyklės. Dėl daugelio savybių jie gali išlaikyti aukšto slėgio plazmą, todėl turi geras perspektyvas kaip galingi termobranduolinių neutronų šaltiniai, o ateityje ir kaip termobranduoliniai reaktoriai.

Pažanga pasiekta m pastaraisiais metais Branduolinės fizikos institute SB RAS šiuolaikinių ašiesimetrinių atvirų spąstų tyrimai rodo šio požiūrio pažadą. Šie tyrimai tebevyksta, o tuo pačiu metu BINP rengia naujos kartos įrenginio projektą, kuris jau galės parodyti plazmos parametrus, artimus reaktoriaus parametrams.

Panašūs straipsniai