Reacción en cadena nuclear

Reacción nuclear en cadena- una secuencia de reacciones nucleares individuales, cada una de las cuales es causada por una partícula que apareció como producto de reacción en el paso anterior de la secuencia. Un ejemplo de reacción en cadena nuclear es una reacción en cadena de fisión de núcleos de elementos pesados, en la que la mayoría de los eventos de fisión son iniciados por neutrones obtenidos de la fisión nuclear en la generación anterior.

Mecanismo de liberación de energía

La transformación de una sustancia va acompañada de la liberación de energía libre solo si la sustancia tiene una reserva de energía. Esto último significa que las micropartículas de la sustancia se encuentran en un estado con una energía de reposo mayor que en otro estado posible, cuya transición existe. Una transición espontánea siempre se ve obstaculizada por una barrera de energía, para superar la cual una micropartícula debe recibir del exterior una cierta cantidad de energía: energía de excitación. La reacción exoenergética consiste en que en la transformación que sigue a la excitación se libera más energía de la necesaria para excitar el proceso. Hay dos formas de superar la barrera energética: debido a la energía cinética de las partículas en colisión o debido a la energía de enlace de la partícula que se une.

Si tenemos en cuenta las escalas macroscópicas de liberación de energía, entonces la energía cinética necesaria para la excitación de reacciones debe tener todas o, primero, al menos alguna fracción de las partículas de la sustancia. Esto se puede lograr solo cuando la temperatura del medio se eleva a un valor en el que la energía del movimiento térmico se acerca al valor del umbral de energía que limita el curso del proceso. En el caso de las transformaciones moleculares, es decir, las reacciones químicas, dicho aumento suele ser de cientos de kelvin, en el caso de las reacciones nucleares es un mínimo de 10 7 K debido a la misma gran altura Barreras de Coulomb de núcleos en colisión. La excitación térmica de las reacciones nucleares se realiza en la práctica solo en la síntesis de los núcleos más ligeros, para los cuales las barreras de Coulomb son mínimas (fusión termonuclear).

La excitación mediante la unión de partículas no requiere una gran energía cinética y, por lo tanto, no depende de la temperatura del medio, ya que se produce debido a los enlaces no utilizados inherentes a las partículas de las fuerzas de atracción. Pero, por otro lado, las partículas mismas son necesarias para excitar las reacciones. Y si de nuevo no tenemos en mente un acto de reacción separado, sino la producción de energía a escala macroscópica, esto solo es posible cuando se produce una reacción en cadena. Este último surge cuando las partículas que excitan la reacción reaparecen como productos de una reacción exoenergética.

Reacciones en cadena

Las reacciones en cadena están muy extendidas entre reacciones químicas, donde el papel de las partículas con enlaces no utilizados lo juegan los átomos libres o los radicales. El mecanismo de reacción en cadena durante las transformaciones nucleares puede ser proporcionado por neutrones que no tienen una barrera de Coulomb y excitan los núcleos al ser absorbidos. La aparición de la partícula necesaria en el medio provoca una cadena de reacciones posteriores, una tras otra, que continúa hasta que se termina la cadena debido a la pérdida de la partícula portadora de la reacción. Hay dos razones principales para las pérdidas: la absorción de una partícula sin la emisión de una secundaria y la salida de la partícula fuera del volumen de la sustancia que soporta el proceso en cadena. Si en cada acto de reacción solo aparece una partícula portadora, entonces la reacción en cadena se llama no ramificado... Una reacción en cadena no ramificada no puede conducir a una liberación de energía a gran escala.

Si en cada acto de reacción o en algunos eslabones de la cadena aparece más de una partícula, entonces surge una reacción en cadena ramificada, porque una de las partículas secundarias continúa la cadena que se inició, mientras que las otras dan nuevas cadenas que vuelven a ramificarse. Es cierto que los procesos que conducen a la rotura de la cadena compiten con el proceso de ramificación, y la situación emergente da lugar a fenómenos limitantes o críticos específicos de las reacciones en cadena ramificada. Si el número de circuitos abiertos es mayor que el número de circuitos nuevos que aparecen, entonces reacción en cadena autosostenida(SCR) resulta imposible. Incluso si se excita artificialmente introduciendo una cierta cantidad de partículas necesarias en el medio, entonces, dado que el número de cadenas en este caso solo puede disminuir, el proceso que ha comenzado se extingue rápidamente. Si el número de nuevas cadenas formadas supera el número de roturas, la reacción en cadena se extiende rápidamente por todo el volumen de la sustancia cuando aparece al menos una partícula inicial.

La región de estados de la materia con el desarrollo de una reacción en cadena autosostenida se separa de la región donde una reacción en cadena es generalmente imposible, condición crítica... Una condición crítica se caracteriza por la igualdad entre el número de circuitos nuevos y el número de roturas.

El logro de un estado crítico está determinado por una serie de factores. La fisión de un núcleo pesado es excitada por un neutrón y, como resultado del acto de fisión, aparece más de un neutrón (por ejemplo, para 235 U, el número de neutrones nacidos en un acto de fisión es en promedio 2,5). En consecuencia, el proceso de fisión puede dar lugar a una reacción en cadena ramificada, que será transportada por neutrones. Si la tasa de pérdida de neutrones (capturas sin fisión, desviaciones del volumen de reacción, etc.) compensa la tasa de multiplicación de neutrones de tal manera que el factor de multiplicación de neutrones efectivo es exactamente la unidad, entonces la reacción en cadena procede en un modo estacionario. . La introducción de retroalimentaciones negativas entre el factor de multiplicación efectivo y la tasa de liberación de energía permite una reacción en cadena controlada, que se utiliza, por ejemplo, en la energía nuclear. Si el factor de multiplicación es mayor que uno, la reacción en cadena se desarrolla exponencialmente; La reacción en cadena de fisión no guiada se utiliza en armas nucleares.

ver también

  • Reacción química en cadena

Literatura

  • A. N. Klimov Física nuclear y reactores nucleares.- M. Atomizdat ,.
  • V.E. Levin Física nuclear y reactores nucleares/ 4ª ed. - M.: Atomizdat ,.
  • Petunin V.P. Ingeniería térmica de instalaciones nucleares.- M.: Atomizdat ,.

Fundación Wikimedia. 2010.

Vea qué es "Reacción en cadena nuclear" en otros diccionarios:

    Reacción nuclear en cadena una secuencia de reacciones nucleares excitadas por partículas (por ejemplo, neutrones) generadas en cada acto de reacción. Dependiendo del número medio de reacciones siguientes a una anterior menos, igual o ... ... Términos de energía nuclear

    reacción en cadena nuclear- La secuencia de reacciones nucleares, excitadas por partículas (por ejemplo, neutrones), nacidas en cada acto de reacción. Dependiendo del número medio de reacciones que siguen a una anterior menor, igual o mayor que una reacción ... ...

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

    La reacción de fisión de núcleos atómicos de elementos pesados ​​bajo la acción de neutrones, en cada acto del enjambre aumenta el número de neutrones, por lo que puede surgir un proceso de fisión autosostenida. Por ejemplo, en la fisión de un núcleo del isótopo de uranio 235U bajo la acción de ... Gran Diccionario Politécnico Enciclopédico

    Reacción en cadena nuclear- la reacción de fisión de núcleos atómicos bajo la acción de neutrones, en cada acto de los cuales se emite al menos un neutrón, lo que asegura el mantenimiento de la reacción. Se utiliza como fuente de energía en cargas nucleares (reactor nuclear central explosivo) y reactores nucleares ... ... Diccionario de términos militares

    reacción en cadena de fisión nuclear- - [A.S. Goldberg. El Diccionario de Energía Inglés Ruso. 2006] Temas energía en general EN reacción divergente ... Guía del traductor técnico

    Reacción en cadena nuclear autosuficiente- 7. Reacción nuclear en cadena autosostenida SCR Una reacción nuclear en cadena caracterizada por un factor de multiplicación efectivo mayor o igual a uno.

Es un proceso en el que una reacción llevada a cabo provoca reacciones posteriores del mismo tipo.

Durante la fisión de un núcleo de uranio, los neutrones resultantes pueden causar la fisión de otros núcleos de uranio, mientras que el número de neutrones crece como una avalancha.

La relación entre el número de neutrones producidos en un acto de fisión y el número de tales neutrones en el acto de fisión anterior se denomina factor de multiplicación de neutrones k.

Cuando k es menor que 1, la reacción se extingue, porque el número de neutrones absorbidos es mayor que el número de neutrones recién formados.
Cuando k es mayor que 1, se produce una explosión casi instantáneamente.
Cuando k es igual a 1, se produce una reacción en cadena estacionaria controlada.

La reacción en cadena va acompañada de la liberación de una gran cantidad de energía.

Para la implementación de una reacción en cadena, es imposible utilizar cualquier núcleo de fisión bajo la influencia de neutrones.

Utilizado como combustible para reactores nucleares. elemento químico El uranio consta naturalmente de dos isótopos: uranio-235 y uranio-238.

En la naturaleza, los isótopos de uranio-235 constituyen solo el 0,7% de la reserva total de uranio, sin embargo, son adecuados para llevar a cabo una reacción en cadena, ya que fisión bajo la influencia de neutrones lentos.

Los núcleos de uranio-238 solo pueden fisionarse bajo la influencia de neutrones de alta energía (neutrones rápidos). Solo el 60% de los neutrones producidos por la fisión del núcleo de uranio-238 tienen esa energía. Solo alrededor de 1 de cada 5 de los neutrones generados causa fisión nuclear.

Condiciones para la reacción en cadena en el uranio-235:

La cantidad mínima de combustible (masa crítica) requerida para una reacción en cadena controlada en un reactor nuclear.
- la velocidad de los neutrones debería causar la fisión de los núcleos de uranio
- sin impurezas que absorben neutrones

Masa critica:

Si la masa de uranio es pequeña, los neutrones volarán sin reaccionar.
- si la masa de uranio es grande, es posible una explosión debido a un fuerte aumento en el número de neutrones
- si la masa corresponde a la crítica, se produce una reacción en cadena controlada

Para el uranio-235, la masa crítica es de 50 kg (esto es, por ejemplo, una bola de uranio con un diámetro de 9 cm).



La primera reacción en cadena controlada - EE. UU. En 1942 (E. Fermi)
En la URSS - 1946 (I.V. Kurchatov).

Ley de Faraday de inducción electromagnética es la ley básica de la electrodinámica relativa a los principios de funcionamiento de transformadores, estranguladores, muchos tipos de motores eléctricos

Y generadores. La ley establece:

La ley de Faraday como dos fenómenos diferentes [editar | editar texto wiki]

Algunos físicos señalan que la ley de Faraday en una ecuación describe dos fenómenos diferentes: motor emf generado por la acción de una fuerza magnética sobre un cable en movimiento, y transformador EMF generado por la acción de una fuerza eléctrica debido a un cambio campo magnético... James Clerk Maxwell llamó la atención sobre este hecho en su trabajo Sobre las líneas físicas de fuerza en 1861. En la segunda mitad de la Parte II de este trabajo, Maxwell proporciona una explicación física separada para cada uno de estos dos fenómenos. Hay referencias a estos dos aspectos de la inducción electromagnética en algunos libros de texto modernos. Como escribe Richard Feynman:

Ley de Lorentz [editar | editar texto wiki]

Cargar q en el conductor en el lado izquierdo del bucle experimenta la fuerza de Lorentz q v × B k = −q v B (x C - w / 2) j   (j, k - vectores unitarios en direcciones y y z; cm. producto cruzado vectores), lo que causa EMF (trabajo por unidad de carga) v ℓ B (x C - w / 2) a lo largo de toda la longitud del lado izquierdo del bucle. En el lado derecho del ciclo, un razonamiento similar muestra que el EMF es igual a v ℓ B (x C + w / 2)... Dos campos electromagnéticos opuestos empujan la carga positiva hacia la parte inferior del bucle. En el caso de que el campo B aumenta a lo largo de x, la fuerza en el lado derecho será mayor y la corriente fluirá en el sentido de las agujas del reloj. Usando la regla mano derecha, conseguimos que el campo B creado por una corriente opuesta al campo aplicado. El EMF que causa la corriente debe aumentar en sentido antihorario (a diferencia de la corriente). Añadiendo el EMF en sentido antihorario a lo largo del bucle, encontramos:

Ley de Faraday [editar | editar texto wiki]

Un enfoque intuitivo pero defectuoso para usar la regla de flujo expresa el flujo a través de una cadena como Φ B = B wℓ, donde w- el ancho del bucle móvil. Esta expresión no depende del tiempo, por lo que se deduce incorrectamente de esto que no se genera EMF. El error de esta afirmación es que no tiene en cuenta todo el trayecto de la corriente a través del circuito cerrado.

Para usar la regla de flujo correctamente, debemos considerar la ruta de corriente completa, que incluye la ruta a través de las llantas en los discos superior e inferior. Podemos elegir un camino cerrado arbitrario a través de las llantas y un bucle giratorio y, de acuerdo con la ley del flujo, encontrar el EMF a lo largo de este camino. Cualquier camino que incluya un segmento adyacente a un bucle giratorio permite el movimiento relativo de partes de la cadena.

Como ejemplo, considere un camino en la parte superior de la cadena en la dirección de rotación del disco superior y en la parte inferior de la cadena en la dirección opuesta al disco inferior (mostrado por flechas en la Figura 4). En este caso, si el bucle giratorio se desvía en un ángulo θ del bucle colector, entonces se puede considerar como parte de un cilindro con un área A = rℓ θ. Esta área es perpendicular al campo. B y su contribución a la transmisión es:

donde el signo es negativo porque, de acuerdo con la regla de la mano derecha, el campo B generado por el bucle de corriente es opuesto en dirección al campo aplicado B "... Dado que esta es solo una parte del flujo que depende del tiempo, de acuerdo con la ley del flujo, el EMF es igual a:

de acuerdo con la fórmula de la ley de Lorentz.

Ahora consideremos otra forma, en la que elegimos el paso a lo largo de los bordes de los discos a través de los segmentos opuestos. En este caso, el hilo asociado será disminución con θ creciente, pero de acuerdo con la regla de la mano derecha, el bucle actual agrega campo adjunto B, por lo tanto, el EMF para esta ruta será exactamente el mismo valor que para la primera ruta. Cualquier ruta de retorno mixta conduce al mismo resultado para el valor EMF, por lo que realmente no importa qué ruta tome.

Una reacción termonuclear es un tipo de reacción nuclear en la que los núcleos atómicos ligeros se combinan en otros más pesados ​​debido a la energía cinética de su movimiento térmico. Origen del término [editar | editar texto wiki]

Para que ocurra una reacción nuclear, los núcleos atómicos iniciales deben superar la llamada "barrera de Coulomb", la fuerza de repulsión electrostática entre ellos. Para hacer esto, deben tener una alta energía cinética. De acuerdo a Teoría cinética, la energía cinética de las micropartículas en movimiento de una sustancia (átomos, moléculas o iones) se puede representar en forma de temperatura y, por lo tanto, al calentar la sustancia, se puede lograr una reacción nuclear. Es esta relación entre el calentamiento de la materia y una reacción nuclear la que se refleja en el término "reacción termonuclear".

Barrera de Coulomb [editar | editar texto wiki]

Los núcleos atómicos tienen carga eléctrica positiva. A grandes distancias, sus cargas pueden ser protegidas por electrones. Sin embargo, para que los núcleos se fusionen, deben acercarse entre sí a una distancia en la que actúa una fuerte interacción. Esta distancia es del orden del tamaño de los propios núcleos y muchas veces menorátomo. A tales distancias, las capas de electrones de los átomos (incluso si se conservaron) ya no pueden filtrar las cargas de los núcleos, por lo que experimentan una fuerte repulsión electrostática. La fuerza de esta repulsión, de acuerdo con la ley de Coulomb, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas. A distancias del orden del tamaño de los núcleos, la cantidad fuerte interacción, que busca conectarlos, comienza a aumentar rápidamente y se vuelve mayor que el valor de la repulsión de Coulomb.

Por tanto, para reaccionar, los núcleos deben superar una barrera potencial. Por ejemplo, para la reacción deuterio-tritio, esta barrera es de aproximadamente 0,1 MeV. A modo de comparación, la energía de ionización del hidrógeno es de 13 eV. Por tanto, la sustancia que participa en la reacción termonuclear será plasma ionizado casi por completo.

La temperatura equivalente a 0,1 MeV es aproximadamente 10 9 K, pero hay dos efectos que reducen la temperatura requerida para una reacción termonuclear:

· Primero, la temperatura caracteriza solo la energía cinética promedio, hay partículas con menor y mayor energía. De hecho, un pequeño número de núcleos con energías mucho más altas que la media (la llamada "cola de la distribución maxwelliana

En segundo lugar, gracias a efectos cuánticos, los núcleos no necesitan tener una energía que exceda la barrera de Coulomb. Si su energía es ligeramente menor que la barrera, lo más probable es que puedan atravesarla. [ fuente no especificada 339 días]

Reacciones termonucleares [editar | editar texto wiki]

Algunas de las reacciones termonucleares exotérmicas más importantes con grandes secciones transversales:

(1) D + T → 4He (3,5 MeV) + norte (14,1 MeV)
(2) D + D → T (1,01 MeV) + pag (3,02 MeV) (50 %)
(3) → 3He (0,82 MeV) + norte (2,45 MeV) (50 %)
(4) D + 3He → 4He (3,6 MeV) + pag (14,7 MeV)
(5) T + T → 4He + norte + 11,3 MeV
(6) 3He + 3He → 4He + pag
(7) 3He + T → 4He + pag + norte + 12,1 MeV (51 %)
(8) → 4He (4,8 MeV) + D (9,5 MeV) (43 %)
(9) → 4He (0,5 MeV) + norte (1,9 MeV) + pag (11,9 MeV) (6 %)
(10) D + 6Li → 4He + 22,4 MeV -
(11) pag + 6Li → 4He (1,7 MeV) + 3He (2,3 MeV) -
(12) 3He + 6Li → 4He + pag + 16,9 MeV
(13) pag + 11B → 4He + 8,7 MeV
(14) norte + 6Li → 4He + T + 4,8 MeV

Catálisis muónica [editar | editar texto wiki]

Articulo principal: Catálisis de muones

Una reacción termonuclear se puede facilitar significativamente mediante la introducción de muones cargados negativamente en el plasma de reacción.

Muones µ - interactuando con el combustible termonuclear forman mesomoléculas, en las que la distancia entre los núcleos de los átomos de combustible es algo menor, lo que facilita su acercamiento y, además, aumenta la probabilidad de que los núcleos formen túneles a través de la barrera de Coulomb.

El número de reacciones de síntesis. X c iniciado por un muón está limitado por el valor del coeficiente de adherencia del muón. Experimentalmente, fue posible obtener valores de X c ~ 100, es decir, un muón es capaz de liberar energía ~ 100 × X MeV, donde X es el rendimiento energético de la reacción catalizada.

Mientras que el valor de la energía liberada es menor que el consumo de energía para la producción del propio muón (5-10 GeV). Por tanto, la catálisis muónica sigue siendo un proceso energéticamente desfavorable. La producción de energía comercialmente viable usando catálisis de muones es posible con X c ~ 10 4 .

Aplicación [editar | editar texto wiki]

El uso de una reacción termonuclear como una fuente de energía prácticamente inagotable se asocia principalmente con la perspectiva de dominar la tecnología de termocontrol controlado. fusión nuclear(TCB). En la actualidad, la base científica y tecnológica no permite el uso de TCB a escala industrial.

Al mismo tiempo, la reacción termonuclear incontrolada ha encontrado su aplicación en asuntos militares. Por primera vez, se probó un artefacto explosivo termonuclear en noviembre de 1952 en los Estados Unidos, y ya en agosto de 1953, se probó un artefacto explosivo termonuclear en forma de bomba aérea en la Unión Soviética. El poder de un artefacto explosivo termonuclear (a diferencia de uno atómico) está limitado solo por la cantidad de material utilizado para crearlo, lo que hace posible crear artefactos explosivos de casi cualquier poder.

TEMPORADA 27 pregunta 1

Fenómeno de autoinducción

Ya hemos estudiado que un campo magnético surge cerca de un conductor con corriente. También estudiaron que un campo magnético alterno genera una corriente (el fenómeno de inducción electromagnética). Considerar circuito eléctrico... Cuando cambia la intensidad de la corriente en este circuito, el campo magnético cambiará, como resultado de lo cual una corriente de inducción... Este fenómeno se llama autoinducción, y la corriente que surge en este caso se llama corriente de autoinducción.

El fenómeno de la autoinducción es la aparición de un EMF en un circuito conductor, creado como resultado de un cambio en la intensidad de la corriente en el circuito mismo.

La inductancia del circuito depende de su forma y tamaño, de propiedades magnéticas medio ambiente y no depende de la corriente en el circuito.

EMF de autoinducción determinado por la fórmula:

El fenómeno de la autoinducción es similar al fenómeno de la inercia. Así como en la mecánica es imposible detener instantáneamente un cuerpo en movimiento, la corriente no puede adquirir instantáneamente un cierto valor debido al fenómeno de autoinducción. Si una bobina está conectada en serie con la segunda lámpara en un circuito que consta de dos lámparas idénticas conectadas en paralelo a la fuente de corriente, cuando el circuito está cerrado, la primera lámpara se enciende casi de inmediato y la segunda con un retraso notable.

Cuando se abre el circuito, la corriente disminuye rápidamente y el EMF emergente de la autoinducción evita una disminución en flujo magnético... En este caso, la corriente inducida se dirige de la misma forma que la inicial. El EMF de la autoinducción puede exceder el EMF externo muchas veces. Por lo tanto, las bombillas se queman muy a menudo cuando se apaga la luz.

Energía de campo magnético

La energía del campo magnético del circuito con corriente:

Radiación radiactiva: radiación que emite un isótopo durante la desintegración. Tiene tres tipos: rayos alfa (una corriente de núcleos de helio), rayos beta (una corriente de electrones) y rayos gamma ( radiación electromagnética). Para los humanos, la más peligrosa es la radiación gamma.

La dosis de radiación absorbida es igual a la relación entre la energía recibida por el cuerpo y el peso corporal. La dosis de absorción se indica con la letra D y se mide en grises.

En la práctica, también utilizan la unidad de medida de rayos X (P), igual a 2,58 multiplicado por 10 a la potencia menos 4 del culombio, dividido por el kilogramo.

La radiación absorbida puede acumularse con el tiempo, su dosis es mayor, la mayor duración irradiación.

La tasa de dosis está determinada por la relación entre la dosis de radiación absorbida y el tiempo de exposición. Se designa con la letra N y se mide en grises divididos por un segundo.

Para los humanos, la dosis letal de radiación absorbida es equivalente a 6 Gy. La dosis de radiación máxima permitida para los seres humanos es de 0,05 Gy por año.

TEMPORADA 28 Pregunta 1

Partícula elemental es un término colectivo que se refiere a microobjetos en una escala subnuclear que no se puede dividir en sus partes constituyentes.

Hay que tener en cuenta que algunas partículas elementales ( electrón, neutrino, quarks etc.) en este momento se consideran sin estructura y se consideran primarios partículas fundamentales ... Otras partículas elementales (las llamadas partículas compuestas, incluidas las partículas que forman el núcleo átomo - protones y neutrones) tienen un complejo estructura interna pero, sin embargo, según ideas modernas, es imposible dividirlos en partes debido al efecto confinamiento.

Juntos con antipartículas Se han descubierto más de 350 partículas elementales. De estos, el fotón, el electrón y el neutrino muón, el electrón, el protón y sus antipartículas son estables. El resto de las partículas elementales se desintegran espontáneamente en un tiempo de aproximadamente 1000 segundos (para un neutrón libre) a una fracción insignificante de un segundo (de 10-24 a 10-22, para resonancias).

Con las oscilaciones electromagnéticas, hay cambios periódicos en la carga eléctrica, la corriente y el voltaje. Las oscilaciones electromagnéticas se dividen en gratis decadente forzado y auto-oscilaciones.

Vibraciones libres Se denominan oscilaciones que surgen en el sistema (condensador y bobina) después de sacarlo de la posición de equilibrio (cuando la carga se imparte al condensador). Más precisamente, Las oscilaciones electromagnéticas libres ocurren cuando el condensador se descarga a través del inductor. Forzado Las oscilaciones se denominan oscilaciones en un circuito bajo la influencia de una fuerza electromotriz externa que cambia periódicamente.

El sistema más simple en el que se observan oscilaciones electromagnéticas libres es un circuito oscilatorio. Consiste en un inductor y un capacitor Este proceso se repetirá una y otra vez. Surgirá vibraciones electromagnéticas debido a la transformación de la energía campo eléctrico condensador.

· El condensador, siendo cargado desde la batería, en el momento inicial adquirirá la carga máxima. Su energía Nosotros será máximo (Fig. a).

· Si el condensador está cerrado a la bobina, en este momento comenzará a descargarse (Fig. B). Aparecerá una corriente en el circuito. A medida que se descarga el condensador, aumenta la corriente en el circuito y en la bobina. Debido al fenómeno de la autoinducción, esto no ocurre instantáneamente. Energía de la bobina W m se convierte en máximo (Fig. c).

· La corriente de inducción fluye en la misma dirección. Las cargas eléctricas se acumulan nuevamente en el condensador. El condensador se está recargando, es decir la placa del condensador, previamente cargada positivamente, se cargará negativamente. La energía del condensador se vuelve máxima. La corriente en esta dirección se detendrá y el proceso se repetirá en la dirección opuesta (Fig. D). Este proceso se repetirá una y otra vez. Surgirá vibraciones electromagnéticas debido a la transformación de la energía del campo eléctrico del condensador en la energía del campo magnético de la bobina de corriente, y viceversa. Si no hay pérdidas (resistencia R = 0), entonces la intensidad de la corriente, la carga y el voltaje cambian con el tiempo de acuerdo con una ley de armónicos. Las oscilaciones que ocurren según la ley del coseno o del seno se denominan armónicas. La ecuacion oscilación armónica cargar: .

Un circuito en el que no hay pérdida de energía es un circuito oscilante ideal. Periodo de oscilaciones electromagnéticas. en un circuito oscilatorio ideal depende de la inductancia de la bobina y la capacitancia del condensador y se encuentra a lo largo de Fórmula de Thomson donde L es la inductancia de la bobina, C es la capacitancia del capacitor, T es el período de las oscilaciones e / m.
En un circuito oscilatorio real, las oscilaciones electromagnéticas libres serán decadente debido a las pérdidas de energía al calentar cables. Para aplicación práctica es importante obtener oscilaciones electromagnéticas continuas, y para ello es necesario reponer el circuito oscilatorio con electricidad para compensar las pérdidas de energía del oscilador continuo, que es un ejemplo de sistema auto-oscilante.

Ticket 29 Pregunta 1

Antipartícula - partícula gemela de algún otro partícula elemental poseyendo lo mismo masa y el mismo girar, que se diferencia de él en signos de todas las demás características de interacción (cargos como eléctrico y color cargas, bariónicas y leptónicas números cuánticos).

La definición misma de qué llamar una "partícula" en un par partícula-antipartícula es en gran medida arbitraria. Sin embargo, con esta elección"Partículas", su antipartícula se determina sin ambigüedades. La conservación del número bariónico en los procesos de interacción débil permite determinar la "partícula" en cualquier par bariónico-antibiótico por la cadena de desintegración bariónica. La elección de un electrón como "partícula" en un par electrón-positrón es fija (debido a la conservación del número de leptones en los procesos interacción débil) determinación del estado de la "partícula" en un par de electrones neutrino-antineutrino. No se han observado transiciones entre leptones de diferentes generaciones (tipo), por lo que la definición de una "partícula" en cada generación de leptones, en general, se puede hacer de forma independiente. Por lo general, por analogía con el electrón, las "partículas" se denominan cargadas negativamente. leptones, que, conservando el número de leptones, determina el correspondiente neutrino y antineutrino... Para bosones el concepto de "partícula" se puede fijar mediante una definición, por ejemplo, hipercarga.

Una reacción en cadena es una reacción química autosostenida en la que los productos que aparecen inicialmente participan en la formación de nuevos productos. Las reacciones en cadena generalmente se desarrollan a gran velocidad y, a menudo, tienen el carácter de una explosión.

Las reacciones en cadena pasan por tres etapas principales: nucleación (iniciación), desarrollo y terminación de la cadena.

Arroz. 9.13. El perfil de energía de la reacción (un gráfico de la energía potencial frente a la coordenada de reacción) que muestra un mínimo que corresponde a la formación de un intermedio de reacción.

Etapa de iniciación. En esta etapa, ocurre la formación de intermedios (productos intermedios). Los intermedios pueden ser átomos, iones o moléculas neutras. La iniciación puede realizarse mediante luz, radiación nuclear, energía térmica (térmica), aniones o catalizadores.

Etapa de desarrollo. En este punto productos intermedios reaccionan con los reactivos de partida, formando nuevos productos intermedios y finales. La etapa de desarrollo en las reacciones en cadena se repite muchas veces, lo que conduce a la formación de una gran cantidad de productos finales e intermedios.

Etapa de rotura de cadena. En esta etapa se produce el consumo final de los productos intermedios o su destrucción. Como resultado, la reacción se detiene. La reacción en cadena puede romperse espontáneamente o bajo la influencia de sustancias especiales: inhibidores.

Juego de reacciones en cadena papel importante en muchas ramas de la química, en particular en fotoquímica, química de combustión, fisión nuclear y reacciones de fusión nuclear (ver capítulo 1), en química orgánica (ver cap. 17-20).

Fotoquímica

Esta sección de química cubre los procesos químicos asociados con la acción de la luz sobre una sustancia. La fotosíntesis es un ejemplo de procesos fotoquímicos.

Muchas reacciones en cadena se inician con la luz. En este caso, la partícula iniciadora es un fotón, que tiene energía (consulte la Sección 1.2). Un ejemplo clásico es la reacción entre hidrógeno y cloro en presencia de luz.

Esta reacción es explosiva. Incluye las siguientes tres etapas.

Iniciación. En esta etapa, el enlace covalente en la molécula de cloro se rompe, como resultado de lo cual se forman dos átomos, cada uno con un electrón desapareado:

Este tipo de reacción es la homólisis o división hemolítica (consulte la Sección 17.3). También es un ejemplo de fotólisis. El término "fotólisis" significa degradación fotoquímica. Los dos átomos de cloro resultantes son productos intermedios (intermedios). Son radicales. Un radical es un átomo (o grupo de átomos) con al menos un electrón desapareado. Cabe señalar que aunque el paso de inicio es el paso más lento en la reacción en cadena, no determina la velocidad de la reacción en cadena completa.

Etapa de desarrollo. En esta etapa, los átomos de cloro reaccionan con moléculas de hidrógeno, formando el producto final: cloruro de hidrógeno, así como radicales de hidrógeno. Los radicales de hidrógeno reaccionan con moléculas de cloro; como resultado, se forman nuevas porciones del producto y nuevos radicales de cloro:

Estas dos reacciones, que juntas forman la etapa de desarrollo, se repiten millones de veces.

Etapa de rotura de cadena. La reacción en cadena finalmente termina como resultado

reacciones como

Para absorber la energía que se libera durante estas reacciones de terminación de cadena, es necesario que algún otro tercer cuerpo participe en ellas. Este tercer cuerpo suele ser las paredes del recipiente en el que se lleva a cabo la reacción.

Salida cuántica

La absorción de un fotón de luz por una molécula de cloro en la reacción en cadena descrita anteriormente puede conducir a la formación de millones de moléculas de cloruro de hidrógeno. La relación entre el número de moléculas de producto y el número de cuantos de luz (fotones) que inician la reacción se denomina rendimiento cuántico. El rendimiento cuántico de las reacciones fotoquímicas puede oscilar entre uno y varios millones. Un alto rendimiento cuántico indica que la reacción tiene lugar en forma de cadena.

Fotólisis de pulso

Este es el nombre de la técnica utilizada para obtener radicales con una concentración lo suficientemente alta como para detectarlos. En la Fig. 9.14 muestra un diagrama simplificado de la configuración utilizada para la fotólisis pulsada. La mezcla de reacción se ve afectada.

Arroz. 9.14. Fotólisis pulsada.

un poderoso destello de luz de una fuente pulsada especial. Tal fuente permite crear destellos de luz con energías de hasta 105 J y con una duración del orden de so menos. Técnicas modernas La fotólisis pulsada utiliza láseres pulsados ​​con una duración de flash del orden de un nanosegundo (10-9 s). La reacción resultante de tal destello de luz se puede seguir registrando una secuencia de espectros de absorción óptica de la mezcla de reacción. El primer destello es seguido por una serie de destellos de una fuente pulsada de baja potencia. Estos destellos se suceden a intervalos del orden de milisegundos o microsegundos y permiten registrar los espectros de absorción de la mezcla de reacción en dichos intervalos de tiempo.

Combustión

La reacción con el oxígeno, que conduce a la liberación de energía térmica y luz, se denomina combustión. La combustión generalmente procede como una secuencia compleja de reacciones de radicales.

Tomemos como ejemplo la combustión de hidrógeno. En determinadas condiciones, esta reacción procede con una explosión. En la Fig. 9.15 presenta datos experimentales para la reacción de una mezcla estequiométrica de hidrógeno y oxígeno en un reactor Pyrex. La sección sombreada del diagrama corresponde a la región explosiva de esta reacción. Para la reacción de combustión de hidrógeno, esta sección del diagrama tiene la forma de una península explosiva. El área de la explosión está limitada por los límites de la explosión.

Arroz. 9.15. Condiciones para la ocurrencia explosiva de la reacción de combustión de hidrógeno:

Considere el mecanismo de reacción en cadena de fisión. Cuando los núcleos pesados ​​se fisionan bajo la acción de neutrones, se producen nuevos neutrones. Por ejemplo, con cada fisión del núcleo de uranio 92 U 235, aparecen en promedio 2,4 neutrones. Algunos de estos neutrones pueden volver a causar fisión nuclear. Un proceso semejante a una avalancha se llama reacción en cadena .
La reacción en cadena de fisión tiene lugar en un medio en el que tiene lugar el proceso de multiplicación de neutrones. Este entorno se llama zona activa ... La cantidad física más importante que caracteriza la intensidad de la multiplicación de neutrones es factor de multiplicación de neutrones medio k ∞. El factor de multiplicación es igual a la relación entre el número de neutrones en una generación y su número en la generación anterior. El índice ∞ indica que Viene sobre un entorno ideal de infinitas dimensiones. De manera similar al valor de k ∞, definimos factor de multiplicación de neutrones en un sistema físico k. El factor k es una característica de una instalación específica.
En un medio fisible de dimensiones finitas, algunos de los neutrones escaparán del núcleo al exterior. Por lo tanto, el coeficiente k también depende de la probabilidad P de que un neutrón no salga del núcleo. Priorato

k = k ∞ P. (1)

El valor de P depende de la composición del núcleo, su tamaño, forma y también de la medida en que la sustancia que rodea al núcleo refleja neutrones.
Conceptos importantes de masa crítica y dimensiones críticas están asociados con la posibilidad de que los neutrones abandonen el núcleo. Tamaño crítico es el tamaño del núcleo en el que k = 1. Masa critica llamado la masa del núcleo de dimensiones críticas. Obviamente, a una masa por debajo de la crítica, la reacción en cadena no ocurre, incluso si> 1. Por el contrario, un exceso notable de la masa sobre la crítica conduce a una reacción incontrolable: una explosión.
Si hay N neutrones en la primera generación, entonces en la enésima generación habrá Nk n. Por lo tanto, para k = 1, la reacción en cadena procede de forma estacionaria, para k< 1 реакция гаснет, а при k >1, la intensidad de la reacción aumenta. Para k = 1, el modo de reacción se llama crítico , para k> 1 - supercrítico y para k< 1 – subcrítico .
La vida útil de una generación de neutrones depende en gran medida de las propiedades del medio y es del orden de 10 –4 a 10 –8 s. Debido a la pequeñez de este tiempo, para la implementación de una reacción en cadena controlada, es necesario mantener la igualdad k = 1 con gran precisión, ya que, digamos, en k = 1.01, el sistema explotará casi instantáneamente. Veamos qué factores determinan los coeficientes k ∞ y k.
La primera cantidad que determina k ∞ (o k) es el número promedio de neutrones emitidos en un evento de fisión. El número depende del tipo de combustible y de la energía del neutrón incidente. Mesa 1 muestra los valores de los principales isótopos la energía nuclear para neutrones térmicos y rápidos (E = 1 MeV).

El espectro de energía de los neutrones de fisión para el isótopo 235 U se muestra en la Fig. 1. Los espectros de este tipo son similares para todos los isótopos fisionables: hay una fuerte dispersión de energías, y la mayor parte de los neutrones tienen energías en el rango de 1-3 MeV. Los neutrones generados durante la fisión se ralentizan, se difunden a una cierta distancia y se absorben con o sin fisión. Dependiendo de las propiedades del medio, los neutrones tienen tiempo para reducir su velocidad a diferentes energías antes de la absorción. En presencia de un buen moderador, la mayor parte de los neutrones tiene tiempo para disminuir a energías térmicas del orden de 0,025 eV. En este caso, la reacción en cadena se llama lento, o, que es lo mismo, térmico... En ausencia de un moderador especial, los neutrones tienen tiempo para disminuir su velocidad solo a energías de 0,1 a 0,4 MeV, ya que todos los isótopos fisionables son pesados ​​y, por lo tanto, reducen la velocidad de manera deficiente. Las reacciones en cadena correspondientes se denominan rápido(Destacamos que los epítetos "rápido" y "lento" caracterizan la velocidad de los neutrones, no la velocidad de la reacción). Las reacciones en cadena en las que los neutrones se ralentizan a energías de decenas a un keV se denominan intermedio .
Cuando un neutrón choca con un núcleo pesado, siempre es posible la captura radiativa de un neutrón (n, γ). Este proceso competirá con la fisión y, por lo tanto, reducirá el factor de multiplicación. Por tanto, se deduce que la segunda cantidad física que afecta a los coeficientes k ∞, k es la probabilidad de fisión cuando un neutrón es capturado por un núcleo isotópico fisible. Esta probabilidad de neutrones monoenergéticos es obviamente igual a

, (2)

donde nf, nγ son las secciones transversales de fisión y captura radiativa, respectivamente. Para tener en cuenta simultáneamente tanto el número de neutrones por acto de fisión como la probabilidad de captura radiativa, se introduce un coeficiente η, que es igual al número medio de neutrones secundarios por captura de neutrones por un núcleo fisionable.

, (3)

el valor de η depende del tipo de combustible y de la energía neutrónica. Los valores de η para los isótopos más importantes de neutrones térmicos y rápidos se dan en la misma tabla. 1. La cantidad η es la característica más importante de los núcleos de combustible. Una reacción en cadena solo puede tener lugar en η> 1. Cuanto mayor sea el valor de η, mayor será la calidad del combustible.

Cuadro 1. Valores de ν, η para isótopos fisionables

Centro 92 U 233 92 U 235 94 Pu 239
Neutrones termales
(E = 0,025 eV)		 ν 2.52 2.47 2.91
η 2.28 2.07 2.09
Neutrones rápidos
(E = 1 MeV)		 ν 2.7 2.65 3.0
η 2.45 2.3 2.7

La calidad del combustible nuclear está determinada por su disponibilidad y el coeficiente η. En la naturaleza, solo hay tres isótopos que pueden servir como combustible nuclear o materias primas para su producción. Este es el isótopo de torio 232 Th e isótopos de uranio 238 U y 235 U. De estos, los dos primeros no dan una reacción en cadena, pero pueden procesarse en isótopos en los que tiene lugar la reacción. El isótopo 235 U en sí mismo da lugar a una reacción en cadena. V corteza de la Tierra el torio es varias veces más que el uranio. El torio natural prácticamente consta de un solo isótopo, 232 Th. El uranio natural se compone principalmente del isótopo 238 U y solo el 0,7% del isótopo 235 U.
En la práctica, la cuestión de la viabilidad de una reacción en cadena sobre una mezcla natural de isótopos de uranio es extremadamente importante, en la que hay 140 238 U núcleos por 235 U. Demostremos que una reacción lenta es posible en una mezcla natural, pero uno rápido no lo es. Para considerar la reacción en cadena en una mezcla natural, es conveniente introducir un nuevo valor: la sección transversal de absorción de neutrones promedio, referida a un núcleo del isótopo 235 U. Por definición

Para neutrones térmicos, = 2,47, = 580 granero, = 112 granero, = 2,8 granero (observe la pequeñez de la última sección transversal). Sustituyendo estos números en (5), encontramos que para los neutrones lentos en una mezcla natural

Esto significa que 100 neutrones térmicos, absorbidos en la mezcla natural, crearán 132 neutrones nuevos. De esto se deduce directamente que una reacción en cadena con neutrones lentos es, en principio, posible con uranio natural. En principio, porque para la implementación real de una reacción en cadena, se debe poder ralentizar neutrones con bajas pérdidas.
Para neutrones rápidos ν = 2,65, 2 granero, 0,1 granero. Si tomamos en cuenta la fisión solo en el isótopo 235 U, obtenemos

235 (rápido) 0.3. (7)

Pero también hay que tener en cuenta que los neutrones rápidos con energías superiores a 1 MeV también pueden fisión de núcleos del isótopo 238 U con una notable intensidad relativa, de los cuales hay mucho en una mezcla natural. Para la división por 238 U, el factor es aproximadamente 2,5. En el espectro de fisión, alrededor del 60% de los neutrones tienen energías por encima del umbral efectivo de 1,4 MeV para la fisión en 238 U. Pero de este 60%, solo uno de cada 5 neutrones tiene tiempo para producir fisión sin reducir su velocidad a una energía por debajo del umbral debido a la dispersión elástica y especialmente inelástica. Por tanto, para el coeficiente 238 (rápido), obtenemos la estimación

Por tanto, una reacción en cadena en una mezcla natural (235 U + 238 U) no puede proceder con neutrones rápidos. Se ha establecido experimentalmente que para el uranio metálico puro, el factor de multiplicación alcanza la unidad con un enriquecimiento del 5,56%. En la práctica, resulta que la reacción de neutrones rápidos solo se puede mantener en una mezcla enriquecida que contenga al menos el 15% del isótopo 235 U.
Una mezcla natural de isótopos de uranio puede enriquecerse con el isótopo 235 U. El enriquecimiento es un proceso complejo y costoso debido a que Propiedades químicas ambos isótopos son casi iguales. Tenemos que aprovechar las pequeñas diferencias en las tasas de reacciones químicas, difusión, etc., derivadas de la diferencia en las masas de los isótopos. La reacción en cadena para 235 U casi siempre se lleva a cabo en un ambiente con un alto contenido de 238 U. A menudo se usa una mezcla natural de isótopos, para lo cual η = 1.32 en el rango de neutrones térmicos, ya que 238 U también es útil. El isótopo 238 U está fisionado por neutrones con energías superiores a 1 MeV. Esta fisión da como resultado una pequeña multiplicación adicional de neutrones.
Comparemos las reacciones en cadena de fisión en neutrones térmicos y rápidos.
Para los neutrones térmicos, las secciones transversales de captura son grandes y varían mucho al pasar de un núcleo a otro. En los núcleos de algunos elementos (por ejemplo, en el cadmio), estas secciones transversales son cientos y más veces mayores que las secciones transversales en 235 U. Por lo tanto, se imponen requisitos de alta pureza en el núcleo de las instalaciones de neutrones térmicos con respecto a algunas impurezas. .
Para los neutrones rápidos, todas las secciones transversales de captura son pequeñas y no se diferencian tanto entre sí, por lo que no surge el problema de la alta pureza de los materiales. Otra ventaja de las reacciones rápidas es la mayor tasa de reproducción.
Una característica distintiva importante de las reacciones térmicas es que el combustible en el núcleo está mucho más diluido, es decir, hay muchos más núcleos que no participan en la fisión por un núcleo de combustible que en una reacción rápida. Por ejemplo, en una reacción térmica con uranio natural, 140 núcleos de materia prima de 238 U caen sobre el núcleo del combustible de 235 U, y en una reacción rápida, no más de cinco a seis núcleos de 238 U pueden caer sobre el núcleo de 235 U .y la misma energía se libera en una reacción térmica en un volumen de materia mucho mayor que en una rápida. Así, es más fácil sacar calor de la zona activa de la reacción térmica, lo que permite realizar esta reacción con mayor intensidad que una rápida.
La vida útil de una generación de neutrones para una reacción rápida es varios órdenes de magnitud más corta que para una térmica. Por lo tanto, la velocidad de la reacción rápida puede cambiar notablemente a través de una un tiempo corto después de un cambio en las condiciones físicas en el núcleo. Durante el funcionamiento normal del reactor, este efecto es insignificante, ya que en este caso el modo de funcionamiento está determinado por la vida útil de los neutrones retardados en lugar de los rápidos.
En un medio homogéneo formado únicamente por isótopos fisionables del mismo tipo, el factor de multiplicación sería igual a η. Sin embargo, en situaciones reales, además de los núcleos fisionables, siempre existen otros no fisionables. Estos núcleos extraños capturarán neutrones y, por lo tanto, afectarán el factor de multiplicación. Por tanto, se deduce que la tercera cantidad que determina los coeficientes k ∞, k es la probabilidad de que un neutrón no sea capturado por uno de los núcleos no fisionados. En instalaciones reales, la captura “extraña” ocurre en los núcleos moderadores, en los núcleos de varios elementos estructurales, así como en los núcleos de productos de fisión y productos de captura.
Para llevar a cabo una reacción en cadena con neutrones lentos, se introducen sustancias especiales en el núcleo, moderadores, que convierten los neutrones de fisión en térmicos. En la práctica, la reacción en cadena de neutrones lentos se lleva a cabo en uranio natural o ligeramente enriquecido en el isótopo 235 U. La presencia de una gran cantidad del isótopo 238 U en el núcleo complica el proceso de desaceleración y hace necesario imponer altos requisitos a la calidad del moderador. La vida de una generación de neutrones en un núcleo moderado se puede dividir aproximadamente en dos etapas: desaceleración a energías térmicas y difusión c. tasas térmicas antes de la absorción. Para que la parte principal de los neutrones tenga tiempo de desacelerar sin absorción, es necesario satisfacer la condición

donde σ el, σ captura son las secciones transversales promediadas en energía para la dispersión y captura elásticas, respectivamente, yn es el número de colisiones de un neutrón con los núcleos moderadores necesarios para lograr la energía térmica. El número n crece rápidamente con un aumento en el número de masa del moderador. Para el uranio 238 U, el número n es del orden de varios miles. Y la relación σ el / σ captura para este isótopo, incluso en una región relativamente favorable de energías de neutrones rápidos, no supera los 50. La denominada región de resonancia de 1 keV a 1 eV es especialmente "peligrosa" con respecto al neutrón capturar. En esta región, la sección transversal total para la interacción de un neutrón con núcleos de 238 U tiene un gran número de resonancias intensas (Fig. 2). A bajas energías, los anchos de radiación superan los de neutrones. Por lo tanto, en la región de resonancias, la relación σ el / σ captura se vuelve incluso menor que la unidad. Esto significa que cuando entra en la región de una de las resonancias, el neutrón se absorbe con casi un cien por ciento de probabilidad. Y dado que la desaceleración en un núcleo tan pesado como el uranio avanza en "pequeños pasos", al pasar a través de la región de resonancia, el neutrón moderador seguramente "tropezará" con una de las resonancias y será absorbido. De ahí que no se pueda llevar a cabo una reacción en cadena con uranio natural sin impurezas: la reacción no se produce en neutrones rápidos debido a la pequeñez del coeficiente η y no se pueden formar neutrones lentos. Deben utilizarse núcleos muy ligeros para reducir la velocidad, en los que la desaceleración da "grandes pasos", lo que aumenta drásticamente la probabilidad de un "deslizamiento" exitoso de un neutrón a través de la región de energía de resonancia. Los mejores elementos moderadores son el hidrógeno, el deuterio, el berilio y el carbono. Por lo tanto, los moderadores utilizados en la práctica se reducen principalmente a agua pesada, berilio, óxido de berilio, grafito, así como agua corriente, que ralentiza los neutrones no peor que el agua pesada, pero los absorbe en cantidades mucho mayores. El retardador debe limpiarse bien. Tenga en cuenta que para que se produzca una reacción lenta, el moderador debe ser decenas o incluso cientos de veces más grande que el del uranio para evitar colisiones resonantes de neutrones con núcleos de 238 U.

Las propiedades de desaceleración del medio activo se pueden describir aproximadamente mediante tres cantidades: la probabilidad de que un neutrón evite la absorción por parte del moderador durante la desaceleración, la probabilidad p de evitar la captura de resonancia por núcleos de 238 U y la probabilidad f de que un neutrón térmico sea absorbido. por el núcleo de combustible en lugar del moderador. El valor f generalmente se denomina coeficiente de utilización térmica. El cálculo exacto de estas cantidades es difícil. Por lo general, se utilizan fórmulas semiempíricas aproximadas para calcularlos.

Los valores p y f dependen no solo de la cantidad relativa del moderador, sino también de la geometría de su ubicación en el núcleo. La zona activa, que consiste en una mezcla homogénea de uranio y moderador, se llama homogénea, y el sistema de sus bloques alternos de uranio y moderador se llama heterogéneo (Fig. 4). Un sistema cualitativamente heterogéneo se distingue por el hecho de que en él el neutrón rápido formado en el uranio logra escapar al moderador sin alcanzar energías de resonancia. La desaceleración adicional se lleva a cabo en un moderador puro. Esto aumenta la probabilidad p de evitar el atrapamiento resonante.

p het> p hom.

Por otro lado, por el contrario, habiéndose convertido en térmico en el moderador, el neutrón debe difundirse para participar en la reacción en cadena, sin ser absorbido en el moderador puro, hasta su límite. Por tanto, el factor de utilización térmica f en un entorno heterogéneo es menor que en uno homogéneo:

f gett< f гом.

Para estimar el factor de multiplicación k ∞ de un reactor térmico, un fórmula de cuatro factores

k ∞ = η pfε . (11)

Ya hemos considerado los primeros tres factores antes. La cantidad ε se llama factor de multiplicación de neutrones rápidos ... Este coeficiente se introduce para tener en cuenta que algunos de los neutrones rápidos pueden producir fisión sin tener tiempo de frenar. Por su significado, el coeficiente ε siempre excede a uno. Pero este exceso suele ser pequeño. Típico para las reacciones térmicas es ε = 1.03. Para reacciones rápidas, la fórmula de cuatro factores es inaplicable, ya que cada coeficiente depende de la energía y la dispersión de energías durante las reacciones rápidas es muy grande.
Dado que el valor de η está determinado por el tipo de combustible, y el valor de ε para reacciones lentas casi no difiere de la unidad, la calidad de un medio activo específico está determinada por el producto pf. Así, la ventaja de un medio heterogéneo sobre uno homogéneo se manifiesta cuantitativamente en el hecho de que, por ejemplo, en un sistema en el que hay 215 núcleos de grafito por núcleo de uranio natural, el producto pf es 0,823 para un medio heterogéneo y 0,595 por uno homogéneo. Y como η = 1.34 para una mezcla natural, obtenemos eso para un medio heterogéneo k ∞> 1, y para un k ∞ homogéneo< 1.
Para implementación práctica una reacción en cadena de corriente estacionaria debe poder controlar esta reacción. Este control se simplifica enormemente debido a la emisión de neutrones retardados durante la fisión. La inmensa mayoría de los neutrones se emiten desde el núcleo casi instantáneamente (es decir, en un tiempo que es muchos órdenes de magnitud más corto que la vida útil de una generación de neutrones en el núcleo), pero varias décimas de un porcentaje de neutrones se retrasan y se emiten. desde núcleos de fragmentos después de un intervalo de tiempo bastante largo, desde fracciones de segundo hasta varios o incluso decenas de segundos. El efecto de los neutrones retardados se puede explicar cualitativamente de la siguiente manera. Deje que el factor de multiplicación aumente instantáneamente de un valor subcrítico a un valor supercrítico tal que 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.
La captura de neutrones por núcleos que no participan en la reacción en cadena reduce la intensidad de la reacción, pero puede ser útil en relación con la formación de nuevos isótopos fisionables. Así, cuando los neutrones son absorbidos por los isótopos de uranio 238 U y torio 232 Th, se forman isótopos de plutonio 239 Pu y uranio 233 U (a través de dos desintegraciones β sucesivas), que son combustible nuclear:

, (12)
. (13)

Estas dos reacciones presentan una verdadera oportunidad reproducción de combustible nuclear en el curso de una reacción en cadena. En el caso ideal, es decir, en ausencia de pérdidas innecesarias de neutrones, se puede gastar un promedio de 1 neutrón en reproducción por cada acto de absorción de un neutrón por un núcleo de combustible.

Reactores nucleares (atómicos)

Un reactor es un dispositivo en el que se mantiene una reacción en cadena de fisión controlada. Durante el funcionamiento del reactor, se libera calor debido a la exotermicidad de la reacción de fisión. La característica principal de un reactor es su potencia: la cantidad de energía térmica liberada por unidad de tiempo. La potencia del reactor se mide en megavatios (10 6 W). Una potencia de 1 MW corresponde a una reacción en cadena en la que ocurren 3 × 10 16 eventos de fisión por segundo. Existe una gran cantidad de tipos diferentes de reactores. Uno de los esquemas típicos de un reactor térmico se muestra en la Fig. 5.
La parte principal del reactor es el núcleo, en el que tiene lugar la reacción y, por tanto, se libera energía. En los reactores de neutrones térmicos e intermedios, el núcleo consta de un combustible, generalmente mezclado con un isótopo no fisionable (generalmente 238 U), y un moderador. No hay moderador en el núcleo de los reactores rápidos.
El volumen del núcleo varía desde décimas de litro en algunos reactores rápidos hasta decenas de metros cúbicos en grandes reactores térmicos. Para reducir la fuga de neutrones, el núcleo es esférico o casi esférico (por ejemplo, un cilindro con una altura aproximadamente igual al diámetro, o un cubo).
Dependiendo de la posición relativa del combustible y el moderador, se distinguen reactores homogéneos y heterogéneos. Un ejemplo de un núcleo homogéneo es una solución de una sal de sulfato de uranilo y U 2 SO 4 en agua ordinaria o pesada. Los reactores heterogéneos son más comunes. En los reactores heterogéneos, el núcleo consta de un moderador en el que se colocan casetes que contienen combustible. Dado que la energía se libera precisamente en estos casetes, se denominan elementos combustibles o abreviado barras de combustible... El núcleo del reflector suele estar encerrado en una carcasa de acero.

  • El papel de los neutrones retardados en el control de reactores nucleares

Reacción en cadena controlada.

Si la reacción en cadena está limitada en su desarrollo de modo que el número de neutrones generados por unidad de tiempo, alcance un cierto de gran importancia, luego dejaría de aumentar, entonces se producirá una reacción en cadena autosostenida de fisión que se desarrolla con calma. Será posible controlar la reacción solo si resulta que es posible regular el coeficiente k eff de la multiplicación de neutrones con bastante lentitud y suavidad, y para un sistema óptimo, k eff debería exceder la unidad solo en un 0,5%. Los físicos soviéticos Ya.B. Zeldovich y Yu.B. Khariton mostró teóricamente (1939) que se puede llevar a cabo una reacción en cadena controlada con uranio natural.

Para el desarrollo de un proceso en cadena en el uranio natural, los neutrones deben ralentizarse a velocidades térmicas, ya que en este caso la probabilidad de su captura por núcleos U con posterior fisión aumenta drásticamente. Para este propósito, se utilizan sustancias especiales: retardadores.

El control de una reacción en cadena fluida estacionaria (k eff = 1) se simplifica enormemente debido a la presencia neutrones retardados(ver cláusula 3.6). Resulta que el tiempo T de "aceleración" de la reacción (el tiempo durante el cual el número de divisiones aumenta en e "2,71 veces) con un pequeño grado de supercriticidad (k eff - 1<< 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T = t s × b / (k eff - 1),

donde t s es la vida media de los neutrones retardados (t s ~ 14,4 s),

b es la fracción de neutrones retardados (b ~ 0,68% para U).

Dado que el valor de t z × b es del orden de ~ 5 × 10 -2 s., La intensidad de la reacción aumentará con bastante lentitud y la reacción estará bien regulada.

El valor de k eff se puede controlar introduciendo automáticamente en la zona activa sustancias que absorben fuertemente neutrones - absorbentes.

12.3.1. Reactor nuclear

El dispositivo en el que se lleva a cabo y se mantiene una reacción de fisión nuclear estacionaria se llama reactor nuclear o caldera atómica.

El primer reactor nuclear se construyó bajo el liderazgo de E. Fermi a finales de 1942 (EE. UU.). El primer reactor europeo se construyó en 1946 en Moscú bajo el liderazgo de I. V. Kurchatov.

Actualmente, existen alrededor de mil reactores nucleares de varios tipos en el mundo, que se diferencian:

· Por el principio de funcionamiento (reactores de neutrones térmicos, rápidos, etc.);

· Por el tipo de moderadores (para agua pesada, grafito, etc.);

· Combustible utilizado (uranio, torio, plutonio);

Para el fin previsto (investigación, medicina, energía, para la reproducción de combustible nuclear, etc.)

Las partes principales de un reactor nuclear (ver Fig. 4.5) son:

· El núcleo (1), donde se encuentra el combustible nuclear, procede la reacción en cadena de fisión, se libera energía;

· Un reflector de neutrones (2) que rodea el núcleo;

· Sistema de control del proceso en cadena en forma de barras-absorbentes (3) de neutrones;

· Protección radiológica (4) de la radiación;

Portador de calor (5).

V homogéneo En los reactores, el combustible nuclear y el moderador se mezclan y forman una mezcla homogénea (por ejemplo, sales de actinouran y agua pesada). V heterogéneo reactores (Fig. 4.6), el combustible nuclear se coloca en el núcleo en forma de barras de combustible ( elementos combustibles) - barras de bloque (1) de pequeña sección, encerradas en una capa hermética que absorbe débilmente los neutrones. Hay un moderador (2) entre las barras de combustible.

Los neutrones formados durante la fisión nuclear, al no tener tiempo para ser absorbidos en los elementos combustibles, ingresan al moderador, donde pierden su energía, disminuyendo su velocidad a velocidades térmicas. Luego, volviendo a caer en una de las barras de combustible, los neutrones térmicos tienen una alta probabilidad de ser absorbidos por núcleos fisionables (U, U, Pu). Los neutrones que son capturados por los núcleos U también juegan un papel positivo, reponiendo en cierta medida el consumo de combustible nuclear.

Los núcleos ligeros son buenos moderadores: deuterio, berilio, carbono, oxígeno. El mejor moderador de neutrones es la combinación de deuterio con oxígeno. agua pesada... Sin embargo, debido a su alto costo, el carbono se usa con mayor frecuencia en forma de grafito... También se utilizan berilio y su óxido. Las barras de combustible y un moderador suelen formar una red regular (por ejemplo, uranio-grafito).

Debido a la energía de fisión, las barras de combustible se calientan. Para enfriar, se colocan en la corriente. refrigerante(aire, agua, vapor, He, CO 2, etc.).

Debido a que los neutrones se pierden en el moderador y en los fragmentos de fisión, el reactor debe tener dimensiones supercríticas y generar un exceso de neutrones. El proceso en cadena se controla (es decir, la eliminación del exceso de neutrones) se lleva a cabo mediante barras de control (3) (ver Fig. 4.5 o 4.6) hechas de materiales que absorben fuertemente los neutrones (acero al boro, cadmio).

Los parámetros del reactor se calculan para que cuando las varillas absorbentes estén completamente insertadas en el núcleo, la reacción no tenga lugar. Con la retirada gradual de las varillas, el factor de multiplicación de neutrones aumenta, y en cierta posición, k eff alcanza la unidad, el reactor comienza a funcionar. Las varillas absorbentes se mueven desde el panel de control. La regulación se simplifica por la presencia de neutrones retardados.

La principal característica de un reactor nuclear es su potencia. Una potencia de 1 MW corresponde a un proceso en cadena en el que ocurren 3 × 10 16 eventos de fisión en 1 segundo. El reactor contiene emergencia varillas, cuya introducción, con un aumento repentino en el poder de reacción, lo cae inmediatamente.

Durante el funcionamiento de un reactor nuclear, un quema de combustible nuclear, se acumulan fragmentos de fisión, se forman elementos transuránicos. La acumulación de fragmentos provoca una disminución de k eff. Este proceso se llama envenenamiento reactor (si los fragmentos son radiactivos) y escoria(si los fragmentos son estables). En caso de intoxicación, k eff disminuye en un (1-3)%. Para que la reacción no se detenga, las varillas especiales (de compensación) se retiran gradualmente (automáticamente) del núcleo. Cuando el combustible nuclear se quema por completo, se retira (después de la terminación de la reacción) y se carga con uno nuevo.

Entre los reactores nucleares, un lugar especial lo ocupan reactores reproductores en neutrones rápidos - criadores... En ellos, la generación de electricidad va acompañada de la reproducción de combustible nuclear secundario (plutonio) debido a la reacción (3.5), por lo que no solo el isótopo U, sino también U se usa de manera efectiva (ver §3.6). Esto permite resolver radicalmente el problema del suministro de combustible nuclear: por cada 100 núcleos utilizados en un reactor de este tipo, se producen 150 nuevos capaces de fisión. La tecnología de reactores rápidos está en proceso de buscar las mejores soluciones de ingeniería. La primera estación industrial experimental de este tipo (Shevchenko) se utiliza para la producción de electricidad y desalación de agua de mar (Mar Caspio).