Tuuma ahelreaktsioon

Tuuma ahelreaktsioon- üksikute tuumareaktsioonide jada, millest igaüks on põhjustatud osakesest, mis ilmus reaktsiooniproduktina järjestuse eelmises etapis. Tuuma ahelreaktsiooni näide on raskete elementide tuumade lõhustumise ahelreaktsioon, milles põhilise lõhustumissündmuste arvu algatavad neutronid, mis on saadud eelmise põlvkonna tuumade lõhustumisel.

Energia vabastamise mehhanism

Aine muundumisega kaasneb vaba energia vabanemine ainult siis, kui ainel on energiavaru. Viimane tähendab, et aine mikroosakesed on olekus, mille puhkeenergia on suurem kui teises võimalikus olekus, kuhu üleminek on olemas. Spontaanset üleminekut takistab alati energiabarjäär, mille ületamiseks peab mikroosake saama teatud koguse energiat väljast – ergastusenergiat. Eksoenergeetiline reaktsioon seisneb selles, et ergastusele järgnevas transformatsioonis vabaneb rohkem energiat, kui on vaja protsessi ergastamiseks. Energiabarjääri ületamiseks on kaks võimalust: kas põrkuvate osakeste kineetilise energia tõttu või liituva osakese sidumisenergia tõttu.

Kui pidada silmas energia vabanemise makroskoopilist skaalat, siis peab aine osakeste kõigil või esialgu vähemalt mõnel fraktsioonil olema reaktsioonide ergutamiseks vajalik kineetiline energia. See on saavutatav ainult keskkonna temperatuuri tõstmisega väärtuseni, mille juures soojusliikumise energia läheneb protsessi kulgu piiravale energialävele. Molekulaarsete transformatsioonide ehk keemiliste reaktsioonide puhul on selline tõus tavaliselt sadu kelvineid, kuid tuumareaktsioonide puhul on see vähemalt 10 7 K tänu väga suur kõrgus Põrkuvate tuumade kulonbarjäärid. Tuumareaktsioonide termiline ergastamine toimub praktikas ainult kõige kergemate tuumade sünteesi ajal, kus Coulombi tõkked on minimaalsed (termotuumasüntees).

Ergastamine osakeste ühendamise teel ei nõua suurt kineetilist energiat ja seetõttu ei sõltu see keskkonna temperatuurist, kuna see toimub osakeste külgetõmbejõududele omaste kasutamata sidemete tõttu. Kuid reaktsioonide ergutamiseks on osakesed ise vajalikud. Ja kui me jälle mõtleme mitte eraldiseisvat reaktsiooniakti, vaid energia tootmist makroskoopilisel skaalal, siis on see võimalik ainult siis, kui toimub ahelreaktsioon. Viimane tekib siis, kui reaktsiooni ergastavad osakesed ilmuvad uuesti eksoenergeetilise reaktsiooni produktidena.

Ahelreaktsioonid

Ahelreaktsioonid on levinud keemilised reaktsioonid, kus kasutamata sidemetega osakeste rolli mängivad vabad aatomid või radikaalid. Ahelreaktsiooni mehhanismi tuumatransformatsioonide ajal võivad pakkuda neutronid, millel puudub Coulombi barjäär ja mis ergastavad neeldumisel tuumasid. Vajaliku osakese ilmumine keskkonda põhjustab üksteisele järgnevate reaktsioonide ahela, mis jätkub kuni ahela katkemiseni reaktsioonikandjaosakese kadumise tõttu. Kadudel on kaks peamist põhjust: osakese neeldumine sekundaarset emissioonita ja osakese lahkumine ahelprotsessi toetava aine mahust. Kui igas reaktsiooniaktis ilmub ainult üks kandjaosake, siis nimetatakse ahelreaktsiooni hargnemata. Hargnemata ahelreaktsioon ei saa kaasa tuua suuremahulist energia vabanemist.

Kui igas reaktsiooniaktis või ahela mõnes lülis esineb rohkem kui üks osake, siis tekib hargnenud ahelreaktsioon, sest üks sekundaarsetest osakestest jätkab alustatud ahelat, teistest aga tekivad uued ahelad, mis hargnevad uuesti. Tõsi, protsessid, mis viivad ahela katkemiseni, konkureerivad hargnemisprotsessiga ja sellest tulenev olukord põhjustab hargnenud ahelreaktsioonidele omaseid piiravaid või kriitilisi nähtusi. Kui katkiste ahelate arv on suurem kui ilmuvate uute vooluringide arv, siis isemajandav ahelreaktsioon(SCR) osutub võimatuks. Isegi kui see ergastatakse kunstlikult, sisestades keskkonda teatud koguses vajalikke osakesi, siis kuna ahelate arv saab sel juhul ainult väheneda, hääbub alanud protsess kiiresti. Kui moodustunud uute ahelate arv ületab katkemiste arvu, levib ahelreaktsioon kiiresti kogu aine mahus, kui ilmub vähemalt üks algosake.

Aine olekute piirkond, kus areneb isemajandav ahelreaktsioon, eraldatakse piirkonnast, kus ahelreaktsioon on üldiselt võimatu, kriitiline seisund. Kriitilist olekut iseloomustab uute ahelate arvu ja katkestuste arvu võrdsus.

Kriitilise seisundi saavutamise määravad mitmed tegurid. Raske tuuma lõhustumist ergastab üks neutron ja lõhustumisakti tulemusel tekib rohkem kui üks neutron (näiteks 235 U korral on ühes lõhustumise aktis tekkivate neutronite arv keskmiselt 2,5). Järelikult võib lõhustumisprotsess põhjustada hargnenud ahelreaktsiooni, mille kandjateks on neutronid. Kui neutronikadude kiirus (püüab lõhustumata, väljub reaktsioonimahust jne) kompenseerib neutronite paljunemise kiirust nii, et efektiivne neutronite korrutustegur on täpselt võrdne ühtsusega, siis ahelreaktsioon kulgeb statsionaarne režiim. Negatiivse tagasiside sisseviimine efektiivse korrutusteguri ja energia vabanemise kiiruse vahel võimaldab kontrollitud ahelreaktsiooni, mida kasutatakse näiteks tuumaenergeetikas. Kui korrutustegur on suurem kui üks, areneb ahelreaktsioon eksponentsiaalselt; põgenevat lõhustumisahelreaktsiooni kasutatakse tuumarelvades.

Vaata ka

  • Keemiline ahelreaktsioon

Kirjandus

  • Klimov A. N. Tuumafüüsika ja tuumareaktorid.- M. Atomizdat, .
  • Levin V.E. Tuumafüüsika ja tuumareaktorid/ 4. väljaanne. - M.: Atomizdat, .
  • Petunin V.P. Tuumarajatiste soojusenergeetika.- M.: Atomizdat, .

Wikimedia sihtasutus. 2010. aasta.

Vaadake, mis on "tuumaahelreaktsioon" teistes sõnaraamatutes:

    Aheltuumareaktsioon on tuumareaktsioonide jada, mida ergastavad igas reaktsioonisündmuses sündinud osakesed (näiteks neutronid). Sõltuvalt ühele eelnevale järgnenud reaktsioonide keskmisest arvust on väiksem, võrdne või... ... Tuumaenergia terminid

    tuuma ahelreaktsioon- Tuumareaktsioonide jada, mida ergastavad igas reaktsioonisündmuses sündinud osakesed (näiteks neutronid). Olenevalt ühele eelmisele reaktsioonile järgnenud reaktsioonide keskmisest arvust väiksem, võrdne või suurem kui üks... ...

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

    Raskete elementide aatomituumade lõhustumisreaktsioon neutronite mõjul sülemi igas aktis suureneb neutronite arv, nii et võib toimuda isemajandav lõhustumisprotsess. Näiteks uraani isotoobi 235U ühe tuuma lõhustumise ajal ... Suur entsüklopeediline polütehniline sõnaraamat

    Tuuma ahelreaktsioon- aatomituumade lõhustumise reaktsioon neutronite mõjul, mille igas toimingus eraldub vähemalt üks neutron, mis tagab reaktsiooni säilimise. Kasutatakse energiaallikana tuumalaengutes (plahvatusohtlikes tuumareaktorites) ja tuumareaktorites... ... Sõjandusterminite sõnastik

    tuuma lõhustumise ahelreaktsioon neutronitega- - [A.S. Goldberg. Inglise-vene energiasõnastik. 2006] Teemad: energia üldiselt EN lahknev reaktsioon... Tehniline tõlkija juhend

    Isemajandav tuuma ahelreaktsioon- 7. Isemajandav tuuma ahelreaktsioon SCR Tuuma ahelreaktsioon, mida iseloomustab tõhus korrutustegur, mis on suurem või võrdne ühtsusega

See on protsess, mille käigus üks läbiviidud reaktsioon põhjustab järgnevaid sama tüüpi reaktsioone.

Ühe uraani tuuma lõhustumisel võivad tekkivad neutronid põhjustada teiste uraanituumade lõhustumist ning neutronite arv suureneb nagu laviin.

Ühes lõhustumissündmuses toodetud neutronite arvu suhet selliste neutronite arvuga eelmises lõhustumises nimetatakse neutronite korrutusteguriks k.

Kui k on väiksem kui 1, siis reaktsioon laguneb, sest neeldunud neutronite arv on suurem kui äsja moodustunud neutronite arv.
Kui k on suurem kui 1, toimub plahvatus peaaegu kohe.
Kui k on 1, toimub kontrollitud statsionaarne ahelreaktsioon.

Ahelreaktsiooniga kaasneb suure hulga energia vabanemine.

Ahelreaktsiooni läbiviimiseks ei ole võimalik kasutada tuumasid, mis lõhustuvad neutronite mõjul.

Kasutatakse tuumareaktorite kütusena keemiline element Uraan koosneb looduslikult kahest isotoobist: uraan-235 ja uraan-238.

Looduses moodustavad uraan-235 isotoobid vaid 0,7% uraani koguvarust, kuid just nemad sobivad ahelreaktsiooni läbiviimiseks, sest lõhustumine aeglaste neutronite mõjul.

Uraan-238 tuumad võivad lõhustada ainult suure energiaga neutronite (kiirete neutronite) mõjul. Seda energiat omab vaid 60% uraan-238 tuuma lõhustumisel tekkivatest neutronitest. Ligikaudu ainult 1 5-st toodetud neutronist põhjustab tuuma lõhustumist.

Uraan-235 ahelreaktsiooni tingimused:

Tuumareaktoris kontrollitud ahelreaktsiooni läbiviimiseks vajalik minimaalne kütusekogus (kriitiline mass).
- neutronite kiirus peaks põhjustama uraani tuumade lõhustumise
- neutroneid neelavate lisandite puudumine

Kriitiline mass:

Kui uraani mass on väike, lendavad neutronid sellest väljapoole reageerimata
- kui uraani mass on suur, on neutronite arvu tugeva suurenemise tõttu võimalik plahvatus
- kui mass vastab kriitilisele massile, toimub kontrollitud ahelreaktsioon

Uraan-235 puhul on kriitiline mass 50 kg (see on näiteks 9 cm läbimõõduga uraanikuul).



Esimene kontrollitud ahelreaktsioon – USA 1942. aastal (E. Fermi)
NSV Liidus - 1946 (I.V. Kurchatov).

Faraday elektromagnetilise induktsiooni seadus on elektrodünaamika põhiseadus, mis käsitleb trafode, drosselite ja mitut tüüpi elektrimootorite tööpõhimõtteid

Ja generaatorid. Seadus ütleb:

Faraday seadus kui kaks erinevat nähtust[redigeeri | muuda wiki teksti]

Mõned füüsikud märgivad, et Faraday seadus kirjeldab ühes võrrandis kahte erinevat nähtust: mootori EMF, mis tekib liikuvale juhtmele mõjuva magnetjõu toimel ja trafo EMF, mis tekib muutustest tingitud elektrijõu toimel magnetväli. James Clerk Maxwell juhtis sellele asjaolule oma töös tähelepanu Füüsilisest elektriliinid aastal 1861. Selle töö II osa teises pooles annab Maxwell eraldi füüsiline seletus nende kahe nähtuse jaoks. Mõnedes kaasaegsetes õpikutes on viited neile kahele elektromagnetilise induktsiooni aspektile. Nagu Richard Feynman kirjutab:

Lorentzi seadus[redigeeri | muuda wiki teksti]

Lae q silmuse vasakul küljel olev juht kogeb Lorentzi jõudu q v× B k = −q v B(x C − w / 2) j   (j,k - ühikvektorid suundades y Ja z; cm. vektorprodukt vektorid), mis põhjustab emf-i (töö ühikulaengu kohta) v ℓ B(x C − w / 2) kogu silmuse vasaku külje pikkuses. Silmuse paremal küljel näitavad sarnased põhjendused, et emf on võrdne v ℓ B(x C + w / 2). Kaks teineteise vastas olevat emfi suruvad positiivse laengu silmuse põhja poole. Juhul kui väli B suureneb piki x, on paremal küljel olev jõud suurem ja vool liigub päripäeva. Reegli kasutamine parem käsi, saame selle välja B, mis on loodud voolu poolt, on vastupidine rakendatavale väljale. Voolu tekitav emf peab suurenema vastupäeva (erinevalt voolust). Lisades emfi vastupäeva mööda silmust, leiame:

Faraday seadus[redigeeri | muuda wiki teksti]

Intuitiivselt atraktiivne, kuid vigane lähenemine voolureegli kasutamisele väljendab voolu läbi vooluringi kujul Φ B = Bwℓ, kus w- liikuva silmuse laius. See avaldis on ajast sõltumatu, seega järeldub ekslikult, et emf-i ei genereerita. Selle väite viga seisneb selles, et see ei võta arvesse kogu suletud ahela kaudu voolava voolu teed.

Voolureegli õigeks kasutamiseks peame arvestama kogu vooluteega, mis hõlmab ka ülemise ja alumise velje velgede läbimist. Saame valida suvalise suletud tee läbi velgede ja pöörleva ahela ning vooluseadust kasutades leida sellel teel emf. Iga tee, mis sisaldab pöörleva ahelaga külgnevat segmenti, võtab arvesse ahela osade suhtelist liikumist.

Vaatleme näiteks teed, mis kulgeb keti ülaosas ülemise ketta pöörlemissuunas ja ahela alumises osas - alumise ketta suhtes vastupidises suunas (näidatud nooltega joonisel fig. 4). Sel juhul, kui pöörlemisahel on kollektori ahelast kõrvale kaldunud nurga θ võrra, võib seda pidada silindri osaks, mille pindala A = rℓθ. See ala on põlluga risti B ja selle panus voogu on võrdne:

kus märk on negatiivne kuna parema käe reegli järgi väli B , mille genereerib vooluga silmus, mis on rakendatavale väljale vastupidises suunas B". Kuna see on ainult ajast sõltuv osa voost, on vooseaduse kohaselt emf:

vastavalt Lorentzi seaduse valemile.

Nüüd kaaluge teist teed, mille puhul valime läbida ketaste velgi läbi vastassuunaliste segmentide. Sel juhul on seotud lõim vähenema suureneva θ-ga, kuid parema käe reegli järgi vooluahel lisab lisatud väli B, seetõttu on selle tee EMF täpselt sama väärtus kui esimese tee puhul. Iga segatud tagastustee annab emf-i väärtuse jaoks sama tulemuse, seega pole tegelikult vahet, millise tee valite.

Termotuumareaktsioon on tuumareaktsiooni tüüp, mille käigus kerged aatomituumad ühinevad nende soojusliikumise kineetilise energia tõttu raskemateks tuumadeks. Termini päritolu[redigeeri | muuda wiki teksti]

Tuumareaktsiooni toimumiseks peavad algsed aatomituumad ületama niinimetatud "Coulombi barjääri" - nendevahelise elektrostaatilise tõukejõu. Selleks peab neil olema kõrge kineetiline energia. Vastavalt kineetiline teooria, saab aine liikuvate mikroosakeste (aatomite, molekulide või ioonide) kineetilist energiat esitada temperatuuri kujul ja seetõttu saab ainet kuumutades saavutada tuumareaktsiooni. Seda seost aine kuumutamise ja tuumareaktsiooni vahel kajastab termin "termotuumareaktsioon".

Coulombi barjäär[redigeeri | muuda wiki teksti]

Aatomituumadel on positiivne elektrilaeng. Suurtel vahemaadel saab nende laenguid varjestada elektronidega. Kuid selleks, et tuumade ühinemine toimuks, peavad nad lähenema üksteisele nii kaugele, et tugev interaktsioon toimib. See kaugus on suurusjärgus tuumade endi suurus ja mitu korda väiksem suurus aatom. Sellistel vahemaadel ei suuda aatomite elektronkestad (isegi kui need olid säilinud) enam varjestada tuumade laenguid, mistõttu kogevad nad tugevat elektrostaatilist tõrjumist. Selle tõukejõud on vastavalt Coulombi seadusele pöördvõrdeline laengute vahelise kauguse ruuduga. Tuumade suuruse suurusjärgus kaugustel väärtus tugev interaktsioon, mis kipub neid siduma, hakkab kiiresti suurenema ja muutub suuremaks kui Coulombi tõrjumise suurusjärk.

Seega peavad tuumad reageerimiseks ületama potentsiaalse barjääri. Näiteks deuteeriumi-triitiumi reaktsiooni puhul on selle barjääri väärtus ligikaudu 0,1 MeV. Võrdluseks, vesiniku ionisatsioonienergia on 13 eV. Seetõttu on termotuumareaktsioonis osalev aine peaaegu täielikult ioniseeritud plasma.

Temperatuur, mis vastab 0,1 MeV-le, on ligikaudu 10 9 K, kuid on kaks efekti, mis alandavad termotuumasünteesi reaktsiooniks vajalikku temperatuuri:

· Esiteks, temperatuur iseloomustab ainult keskmist kineetilist energiat, on nii väiksema kui ka suurema energiaga osakesi. Tegelikult termotuumareaktsioon ei hõlma suur hulk tuumad, mille energia on keskmisest palju suurem (nn Maxwelli jaotuse saba

Teiseks tänu kvantefektid, tuumade energia ei pruugi ületada Coulombi barjääri. Kui nende energia on veidi väiksem kui barjäär, tunnevad nad tõenäolisemalt sellest läbi. [ allikat pole täpsustatud 339 päeva]

Termotuumareaktsioonid[redigeeri | muuda wiki teksti]

Mõned kõige olulisemad suurte ristlõigetega eksotermilised termotuumareaktsioonid:

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

Muonikatalüüs[redigeeri | muuda wiki teksti]

Peamine artikkel: Muoni katalüüs

Termotuumareaktsiooni saab oluliselt hõlbustada, kui viia reaktsiooniplasmasse negatiivselt laetud müüonid.

Muonid µ − , interakteerudes termotuumakütusega, moodustavad mesomolekule, milles kütuseaatomite tuumade vaheline kaugus on mõnevõrra väiksem, mis hõlbustab nende lähenemist ja lisaks suurendab tuumade tunnelistumise tõenäosust läbi Coulombi barjääri.

Sünteesireaktsioonide arv X c, mille algatas üks müüon, piirab müüoni kleepumisteguri väärtus. Eksperimentaalselt oli võimalik saada väärtusi X c ~ 100, st üks müüon on võimeline vabastama energiat ~ 100 × X MeV, kus X on katalüüsitud reaktsiooni energiaväljund.

Seni on vabanenud energia hulk väiksem kui müüoni enda tootmise energiakulud (5-10 GeV). Seega on müonkatalüüs endiselt energeetiliselt ebasoodne protsess. Kaubanduslikult elujõuline energiatootmine müüonkatalüüsi abil on võimalik X c ~ 10 4 .

Rakendus[redigeeri | muuda wiki teksti]

Termotuumareaktsiooni kasutamine praktiliselt ammendamatu energiaallikana on seotud eelkõige juhitava termotehnoloogia omandamise väljavaatega. tuumasünteesi(UTS). Praegu ei võimalda teaduslik ja tehnoloogiline baas CTS-i kasutada tööstuslikus mastaabis.

Samal ajal on kontrollimatu termotuumareaktsioon leidnud rakendust sõjalistes küsimustes. Esimest termotuumalõhkeseadeldist katsetati 1952. aasta novembris USA-s ja juba augustis 1953 katsetati Nõukogude Liidus termotuumalõhkeseadeldist õhupommi kujul. Termotuumalõhkeseadeldise võimsust (erinevalt aatomi omast) piirab vaid selle loomiseks kasutatud materjali hulk, mistõttu on võimalik luua peaaegu igasuguse võimsusega lõhkeseadeldisi.

PILET 27 1. küsimus

Eneseinduktsiooni nähtus

Oleme juba uurinud, et voolu kandva juhi lähedal tekib magnetväli. Samuti uurisime, et vahelduv magnetväli tekitab voolu (elektromagnetilise induktsiooni nähtus). Mõelgem elektriahel. Kui selles vooluringis voolutugevus muutub, muutub magnetväli, mille tulemusena tekib täiendav indutseeritud vool. Seda nähtust nimetatakse eneseinduktsioon, ja sel juhul tekkivat voolu nimetatakse iseinduktsioonivool.

Iseinduktsiooni nähtus on elektromagnetväljade tekkimine juhtivas vooluringis, mis tekib voolutugevuse muutumise tagajärjel vooluahelas endas.

Ahela induktiivsus sõltub selle kujust ja suurusest, edasi magnetilised omadused keskkond ja ei sõltu voolutugevusest vooluringis.

Enese esilekutsutud emf määratakse valemiga:

Eneseinduktsiooni nähtus on sarnane inertsi nähtusega. Nii nagu mehaanikas on võimatu liikuvat keha koheselt peatada, ei saa ka vool iseinduktsiooni nähtuse tõttu hetkega teatud väärtust omandada. Kui mähis on teise lambiga järjestikku ühendatud vooluahelas, mis koosneb kahest identsest lambist, mis on paralleelselt ühendatud vooluallikaga, siis vooluahela sulgemisel süttib esimene lamp peaaegu kohe ja teine ​​märgatava viivitusega.

Ahela avamisel väheneb voolutugevus kiiresti ja sellest tulenev iseinduktsiooni emf takistab vähenemist magnetvoog. Sel juhul suunatakse indutseeritud vool samamoodi nagu algne. Enese tekitatud emf võib olla mitu korda suurem kui väline emf. Seetõttu põlevad lambipirnid tulede väljalülitamisel väga sageli läbi.

Magnetvälja energia

Voolu juhtiva ahela magnetvälja energia:

Radioaktiivne kiirgus on kiirgus, mida isotoop eraldab lagunemise käigus. Sellel on kolm sorti: alfakiired (heeliumi aatomituumade vool), beetakiired (elektronide voog) ja gammakiired ( elektromagnetiline kiirgus). Inimeste jaoks on kõige ohtlikum gammakiirgus.

Neeldunud kiirguse doos võrdub kehale vastuvõetud energia ja kehamassi suhtega. Imendumisannus on tähistatud tähega D ja seda mõõdetakse hallides.

Praktikas on mõõtühikuks ka röntgen (R), mis võrdub 2,58 korda 10 astmega miinus 4 kulonit, jagatud kilogrammiga.

Neeldunud kiirgus võib aja jooksul koguneda, seda suurem on selle doos pikem kestus kiiritamine.

Doosikiirus määratakse neeldunud kiirguse doosi ja kiiritusaja suhtega. Seda tähistatakse tähega N ja seda mõõdetakse hallides jagatuna sekundis.

Inimeste jaoks on neeldunud kiirguse surmav doos võrdne 6 Gy-ga. Inimese maksimaalne lubatud kiirgusdoos on 0,05 Gy aastas.

PILET 28 1. küsimus

Elementaarosake on koondnimetus, mis viitab subnukleaarses skaalas olevatele mikroobjektidele, mida ei saa jagada nende komponentideks.

Tuleb meeles pidada, et mõned elementaarosakesed ( elektron, neutriino, kvargid jne) sisse Sel hetkel peetakse struktuurituks ja neid peetakse esmaseks põhiosakesed . Muud elementaarosakesed (nn komposiitosakesed, sealhulgas tuuma moodustavad osakesed aatom - prootonid Ja neutronid) on kompleks sisemine struktuur, kuid siiski vastavalt kaasaegsed ideed, on efekti tõttu võimatu neid osadeks eraldada kinnipidamine.

Kokku koos antiosakesed Avastatud on üle 350 elementaarosakese. Neist footon, elektron ja müüon neutriino, elektron, prooton ja nende antiosakesed on stabiilsed. Ülejäänud elementaarosakesed lagunevad spontaanselt umbes 1000 sekundi jooksul (vaba neutroni puhul) sekundi tühise osani (10–24 kuni 10–22). resonantse).

Elektromagnetvõnkumiste korral toimuvad perioodilised elektrilaengu, voolu ja pinge muutused Elektromagnetilised võnked tasuta, hääbuv, sunnitud ja isevõnkumised.

Vaba vibratsioon nimetatakse võnkudeks, mis tekivad süsteemis (kondensaatoris ja mähises) pärast selle eemaldamist tasakaaluasendist (kui kondensaatorile antakse laeng). Täpsemalt, vabad elektromagnetilised võnked tekivad kondensaatori tühjenemisel läbi induktiivpooli. Sunnitud võnkumisteks nimetatakse võnkumisi ahelas välise perioodiliselt muutuva elektromotoorjõu mõjul.

Lihtsaim süsteem, milles vaadeldakse vabu elektromagnetilisi võnkumisi, on võnkeahel See koosneb induktiivpoolist ja kondensaatorist. Seda protsessi korratakse ikka ja jälle. tekib elektromagnetilised vibratsioonid energia muundamise tõttu elektriväli kondensaator.

· Akult laetav kondensaator saab esimesel ajahetkel maksimaalse laengu. Tema energia W e on maksimaalne (joonis a).

· Kui kondensaator on lühises pooliga, hakkab see sel hetkel tühjenema (joonis b). Vooluahelasse ilmub vool. Kondensaatori tühjenemisel suureneb voolutugevus ahelas ja mähises. Eneseinduktsiooni fenomeni tõttu ei juhtu see kohe. Mähise energia W m muutub maksimaalseks (joonis c).

· Induktsioonivool liigub samas suunas. Elektrilaengud kogunevad jällegi kondensaatorile. Kondensaator laetakse uuesti, st. Varem positiivselt laetud kondensaatoriplaat saab negatiivselt laetud. Kondensaatori energia muutub maksimaalseks. Sellesuunaline vool peatub ja protsess kordub vastupidises suunas (joonis d). Seda protsessi korratakse ikka ja jälle. tekib elektromagnetilised vibratsioonid kondensaatori elektrivälja energia muundamise tõttu voolupooli magnetvälja energiaks ja vastupidi. Kui kadusid pole (takistus R = 0), siis voolutugevus, laeng ja pinge muutuvad ajas harmoonilise seaduse järgi. Koosinuse või siinuse seaduse järgi toimuvaid võnkumisi nimetatakse harmoonilisteks. Võrrand harmooniline vibratsioon tasu: .

Ahel, milles energiakadu puudub, on ideaalne võnkeahel. Elektromagnetiliste võnkumiste periood ideaalses võnkeahelas sõltub mähise induktiivsusest ja kondensaatori mahtuvusest ning leitakse vastavalt Thomsoni valem kus L on pooli induktiivsus, C on kondensaatori mahtuvus, T on elektriliste võnkumiste periood.
Tõelises võnkeahelas on vabad elektromagnetilised võnked hääbuv energiakadude tõttu juhtmete kuumutamisel. Sest praktilise rakendamise Oluline on saada summutamata elektromagnetvõnkumisi ja selleks on vaja võnkeahelat elektriga täiendada, et kompenseerida isevõnkuva süsteemi näitel oleva summutamata võnkegeneraatori energiakadusid.

Pilet 29 1. küsimus

Antiosake – mõne teise kaksikosake elementaarosake , millel on sama mass ja sama keerutada, mis erineb sellest kõigi teiste interaktsioonitunnuste märkide poolest (tasud nagu elektriline Ja värvi laengud, barüon ja lepton kvantarvud).

Juba selle määratlus, mida osakeste-osakeste paaris "osakeseks" nimetada, on suures osas meelevaldne. Siiski, millal antud valik"osake" selle antiosake määratakse üheselt. Barüoniarvu säilimine nõrkades interaktsiooniprotsessides võimaldab barüoni lagunemise ahelast määrata igas barüon-antibaryon paaris oleva “osakese”. Elektroni valik "osakeseks" elektron-positroni paaris fikseerib (tänu leptoniarvu säilimisele protsessides nõrk interaktsioon) "osakese" oleku määramine elektronneutriino-antineutriino paaris. Üleminekuid erinevate põlvkondade (tüüp ) leptonite vahel ei ole täheldatud, seega saab "osakese" määratluse igas leptonite põlvkonnas üldiselt teha iseseisvalt. Tavaliselt nimetatakse "osakesi" analoogselt elektroniga negatiivselt laetud leptonid, mis leptoniarvu säilitades määrab vastava neutriino Ja antineutriino. Sest bosonid"osakese" mõistet saab definitsiooniga fikseerida, näiteks, hüperlaeng.

Ahelreaktsioon on isemajandav keemiline reaktsioon, mille käigus algselt ilmuvad tooted osalevad uute toodete moodustumisel. Ahelreaktsioonid toimuvad tavaliselt suurel kiirusel ja neil on sageli plahvatuse iseloom.

Ahelreaktsioonid läbivad kolm peamist etappi: päritolu (initsiatsioon), areng ja ahela lõpetamine.

Riis. 9.13. Reaktsiooni energiaprofiil (potentsiaalse energia ja reaktsiooni koordinaadi graafik), mis näitab miinimumi, mis vastab reaktsiooni vaheühendi moodustumisele.

Algatamise etapp. Selles etapis tekivad vahesaadused (vaheproduktid). Vaheühendid võivad olla aatomid, ioonid või neutraalsed molekulid. Initsiatsiooni saab teostada valguse, tuumakiirguse, soojus- (soojus)energia, anioonide või katalüsaatorite abil.

Arenguetapp. Selles etapis vahetooted reageerivad algsete reagentidega, moodustades uusi vahe- ja lõpptooteid. Ahelreaktsioonide arenguetapp kordub mitu korda, mis viib moodustumiseni suur number lõpp- ja vahetooted.

Ahela katkemise etapp. Selles etapis toimub vahetoodete lõpptarbimine või nende hävitamine. Selle tulemusena reaktsioon peatub. Ahelreaktsioon võib katkeda spontaanselt või spetsiaalsete ainete – inhibiitorite – mõjul.

Mängivad ahelreaktsioonid oluline roll paljudes keemiaharudes, eelkõige fotokeemias, põlemiskeemias, tuuma lõhustumise ja tuumasünteesi reaktsioonides (vt 1. peatükk), orgaanilises keemias (vt peatükid 17–20).

Fotokeemia

See keemiaharu hõlmab keemilisi protsesse, mis on seotud valguse mõjuga ainele. Fotokeemilise protsessi näide on fotosüntees.

Paljud ahelreaktsioonid saavad alguse valgusest. Initsiatiivosakeseks on sel juhul footon, millel on energia (vt punkt 1.2). Klassikaline näide on vesiniku ja kloori reaktsioon valguse juuresolekul

See reaktsioon kulgeb plahvatuslikult. See sisaldab kolme järgmist etappi.

Algatus. Selles etapis katkeb kloorimolekulis kovalentne side, mille tulemusena moodustub kaks aatomit, millest igaühel on paardumata elektron:

Seda tüüpi reaktsioon on homolüüs ehk hemolüütiline jagunemine (vt punkt 17.3). See on ka fotolüüsi näide. Termin fotolüüs tähendab fotokeemilist lagunemist. Kaks moodustunud klooriaatomit on vaheühendid. Nad on radikaalid. Radik on aatom (või aatomite rühm), millel on vähemalt üks paaritu elektron. Tuleb märkida, et kuigi initsiatsioonistaadium on ahelreaktsiooni kõige aeglasem etapp, ei määra see kogu ahelreaktsiooni kiirust.

Arenguetapp. Selles etapis reageerivad klooriaatomid vesiniku molekulidega, moodustades lõpptoote - vesinikkloriidi, aga ka vesiniku radikaale. Vesinikradikaalid reageerivad kloori molekulidega; Selle tulemusena moodustuvad toote uued osad ja uued klooriradikaalid:

Neid kahte reaktsiooni, mis koos moodustavad arenguetapi, korratakse miljoneid kordi.

Ahela katkemise etapp. Selle tulemusena ahelreaktsioon lõpuks peatub

reaktsioonid nagu

Nende ahela lõpetamise reaktsioonide käigus vabaneva energia neelamiseks on vajalik, et neis osaleks mõni kolmas keha. See kolmas keha on tavaliselt anuma seinad, milles reaktsioon läbi viiakse.

Kvantsaagis

Ühe valguse footoni neeldumine kloorimolekuli poolt ülalkirjeldatud ahelreaktsioonis võib põhjustada miljonite vesinikkloriidi molekulide moodustumist. Produkti molekulide arvu ja reaktsiooni algatavate valguskvantide (footonite) arvu suhet nimetatakse kvantsaagiseks. Fotokeemiliste reaktsioonide kvantsaagis võib ulatuda ühest kuni mitme miljonini. Kõrge kvantsaagis näitab toimuva reaktsiooni ahelloomust.

Impulssfotolüüs

See on tehnika nimetus, mida kasutatakse radikaalide saamiseks nende tuvastamiseks piisavalt kõrge kontsentratsiooniga. Joonisel fig. Joonis 9.14 näitab välkfotolüüsi jaoks kasutatava seadistuse lihtsustatud diagrammi. Reaktsioonisegu mõjutab

Riis. 9.14. Impulssfotolüüs.

spetsiaalse impulssallika võimsa valgussähvatusega. Selline allikas võimaldab tekitada valgussähvatusi energiaga kuni 105 J ja kestusega suurusjärgus s või vähem. Kaasaegsed tehnikad Impulssfotolüüsil kasutatakse impulsslasereid, mille välgu kestus on suurusjärgus nanosekund (10-9 s). Sellise valgussähvatuse tulemusena toimuvat reaktsiooni saab jälgida reaktsioonisegu optilise neeldumisspektrite järjestuse registreerimisega. Esimesele välgule järgneb väikese võimsusega impulssallika välkude jada. Need sähvatused järgnevad üksteisele millisekundite või mikrosekundite suurusjärgu intervallidega ja võimaldavad registreerida reaktsioonisegu neeldumisspektreid selliste ajavahemike järel.

Põlemine

Reaktsiooni hapnikuga, mille tulemusena vabaneb soojusenergia ja valgus, nimetatakse põlemiseks. Põlemine toimub tavaliselt radikaalsete reaktsioonide keeruka jadana.

Võtame näiteks vesiniku põletamise. Teatud tingimustel toimub see reaktsioon plahvatuslikult. Joonisel fig. Joonisel 9.15 on esitatud eksperimentaalsed andmed vesiniku ja hapniku stöhhiomeetrilise segu reaktsiooni kohta Pyrexi reaktoris. Diagrammi varjutatud ala vastab selle reaktsiooni plahvatusohtlikule piirkonnale. Vesiniku põlemisreaktsiooni jaoks on diagrammi see osa plahvatusohtliku poolsaare kuju. Plahvatuspiirkond on piiratud plahvatuse piiridega.

Riis. 9.15. Tingimused vesiniku põlemisreaktsiooni plahvatusohtlikuks toimumiseks:

Vaatleme lõhustumise ahelreaktsiooni mehhanismi. Raskete tuumade lõhustumisel neutronite mõjul tekivad uued neutronid. Näiteks iga uraan 92 U 235 tuuma lõhustumisega tekib keskmiselt 2,4 neutronit. Mõned neist neutronitest võivad taas põhjustada tuuma lõhustumist. Seda laviinilaadset protsessi nimetatakse ahelreaktsioon .
Lõhustumisahelreaktsioon toimub keskkonnas, kus toimub neutronite paljunemise protsess. Seda keskkonda nimetatakse tuum . Kõige olulisem neutronite paljunemise intensiivsust iseloomustav füüsikaline suurus on neutronite korrutustegur keskkonnas k ∞ . Korrutustegur võrdub neutronite arvu suhtega ühes põlvkonnas nende arvuga eelmises põlvkonnas. Alamindeks ∞ näitab seda me räägime lõpmatute mõõtmetega ideaalsest keskkonnast. Sarnaselt väärtusega k ∞ määratakse neutronite korrutustegur füüsikalises süsteemis k. Tegur k on konkreetse paigalduse omadus.
Lõplike mõõtmetega lõhustuvas keskkonnas pääsevad mõned neutronid tuumast väljapoole. Seetõttu sõltub koefitsient k ka tõenäosusest P, et neutron ei pääse tuumast välja. A-prioor

k = k ∞ P. (1)

P väärtus sõltub aktiivse tsooni koostisest, selle suurusest, kujust ja ka sellest, mil määral peegeldab aktiivset tsooni ümbritsev aine neutroneid.
Kriitilise massi ja kriitiliste mõõtmete olulised mõisted on seotud neutronite tuumast lahkumise võimalusega. Kriitiline suurus on aktiivse tsooni suurus, mille juures k = 1. Kriitiline mass nimetatakse kriitiliste mõõtmete tuuma massiks. On ilmne, et kui mass on alla kriitilise, siis ahelreaktsiooni ei toimu, isegi kui > 1. Vastupidi, massi märgatav liig üle kriitilise põhjustab kontrollimatu reaktsiooni - plahvatuse.
Kui esimeses põlvkonnas on N neutronit, siis n-ndas põlvkonnas on Nk n. Seega, kui k = 1, kulgeb ahelreaktsioon paigal, k< 1 реакция гаснет, а при k >1 reaktsiooni intensiivsus suureneb. Kui k = 1, kutsutakse reaktsioonirežiimi kriitiline , kui k > 1 – ülekriitiline ja kell k< 1 – alakriitiline .
Ühe põlvkonna neutronite eluiga sõltub tugevalt keskkonna omadustest ja jääb vahemikku 10–4 kuni 10–8 s. Selle aja lühikese aja tõttu on kontrollitud ahelreaktsiooni läbiviimiseks vaja säilitada võrdsus k = 1 suure täpsusega, kuna näiteks k = 1,01 korral plahvatab süsteem peaaegu koheselt. Vaatame, millised tegurid määravad koefitsiendid k ∞ ja k.
Esimene suurus, mis määrab k ∞ (või k), on keskmine neutronite arv, mis ühes lõhustumissündmuses emiteeritakse. Arv sõltub kütuse tüübist ja langeva neutroni energiast. Tabelis 1 näitab peamiste isotoopide väärtusi tuumaenergia nii termiliste kui ka kiirete (E = 1 MeV) neutronite jaoks.

Lõhustumisneutronite energiaspekter 235 U isotoobi jaoks on näidatud joonisel fig. 1. Seda tüüpi spektrid on kõikide lõhustuvate isotoopide puhul sarnased: energia hajumine on tugev, enamiku neutronite energia jääb vahemikku 1–3 MeV. Lõhustumisel tekkivad neutronid aeglustuvad, hajuvad teatud vahemaa tagant ja neelduvad kas lõhustumisega või ilma. Sõltuvalt keskkonna omadustest on neutronitel aega enne neeldumist aeglustuda erinevatele energiatele. Hea moderaatori juuresolekul on enamikul neutronitest aega aeglustuda soojusenergiani, mis on suurusjärgus 0,025 eV. Sel juhul nimetatakse ahelreaktsiooni aeglane, või mis on sama, soojus. Spetsiaalse moderaatori puudumisel on neutronitel aega aeglustuda vaid energiani 0,1–0,4 MeV, kuna kõik lõhustuvad isotoobid on rasked ja aeglustuvad seetõttu halvasti. Vastavaid ahelreaktsioone nimetatakse kiire(rõhutame, et epiteedid "kiire" ja "aeglane" iseloomustavad neutronite kiirust, mitte reaktsiooni kiirust). Ahelreaktsioone, mille käigus neutronid aeglustuvad energiani, mis ulatub kümnetest kuni ühe keVni, nimetatakse vahepealne .
Kui neutron põrkab kokku raske tuumaga, on neutroni (n, γ) kiirguslik püüdmine alati võimalik. See protsess konkureerib jagamisega ja vähendab seeläbi korrutamiskiirust. Sellest järeldub, et teine ​​füüsikaline suurus, mis mõjutab koefitsiente k ∞ , k on lõhustumise tõenäosus, kui lõhustuva isotoobi tuum haarab neutroni. See monoenergeetiliste neutronite tõenäosus on ilmselt võrdne

, (2)

kus nf, nγ on vastavalt lõhustumise ja kiirguse püüdmise ristlõiked. Selleks et võtta samaaegselt arvesse nii neutronite arvu lõhustumissündmuse kohta kui ka kiirguse püüdmise tõenäosust, võetakse kasutusele koefitsient η, mis on võrdne sekundaarsete neutronite keskmise arvuga lõhustuva tuuma poolt hõivatud neutronite kohta.

, (3)

η väärtus sõltub kütuse tüübist ja neutronite energiast. Termiliste ja kiirete neutronite kõige olulisemate isotoopide η väärtused on toodud samas tabelis. 1. η väärtus on kütuse tuumade kõige olulisem tunnus. Ahelreaktsioon saab toimuda ainult siis, kui η > 1. Mida suurem on η väärtus, seda kõrgem on kütuse kvaliteet.

Tabel 1. Lõhustuvate isotoopide ν, η väärtused

Tuum 92 U 233 92 U 235 94 Pu 239
Termilised neutronid
(E = 0,025 eV)		 ν 2.52 2.47 2.91
η 2.28 2.07 2.09
Kiired neutronid
(E = 1 MeV)		 ν 2.7 2.65 3.0
η 2.45 2.3 2.7

Tuumakütuse kvaliteedi määrab selle kättesaadavus ja koefitsient η. Looduses leidub ainult kolme isotoopi, mis võivad olla tuumakütuseks või selle tootmise tooraineks. Need on tooriumi isotoobid 232 Th ning uraani isotoobid 238 U ja 235 U. Nendest esimesed kaks ei anna ahelreaktsiooni, kuid neid saab töödelda isotoopideks, millel reaktsioon toimub. 235 U isotoop ise annab ahelreaktsiooni. IN maakoor tooriumi on mitu korda rohkem kui uraani. Looduslik toorium koosneb praktiliselt ainult ühest isotoobist, 232 Th. Looduslik uraan koosneb peamiselt 238 U isotoobist ja ainult 0,7% 235 U isotoobist.
Praktikas on küsimus ahelreaktsiooni teostatavuse kohta uraani isotoopide looduslikul segul, milles on 140 238 U tuuma 235 U tuuma kohta. Näitame, et looduslikul segul on aeglane reaktsioon võimalik , aga kiire mitte. Ahelreaktsiooni arvestamiseks looduslikus segus on mugav kasutusele võtta uus kogus - 235 U isotoobi keskmine neutronite neeldumise ristlõige

Termiliste neutronite puhul = 2,47, = 580 ait, = 112 ait, = 2,8 ait (pange tähele, kui väike on viimane ristlõige). Asendades need arvud (5), saame selle loodusliku segu aeglaste neutronite jaoks

See tähendab, et 100 termilist neutronit, mis neelduvad looduslikus segus, loovad 132 uut neutronit. Sellest tuleneb otseselt, et ahelreaktsioon aeglaste neutronitega on looduslikul uraanil põhimõtteliselt võimalik. Põhimõtteliselt sellepärast, et ahelreaktsiooni tegelikuks rakendamiseks peate suutma aeglustada neutroneid väikeste kadudega.
Kiirete neutronite puhul ν = 2,65, 2 ait, 0,1 ait. Kui võtta arvesse ainult 235 U isotoobi lõhustumist, saame

235 (kiire) 0,3. (7)

Kuid me peame ka arvestama, et kiired neutronid energiaga üle 1 MeV võivad märgatava suhtelise intensiivsusega jagada 238 U isotoobi tuumad, mida leidub looduslikus segus väga palju. 238 U-ga jagamisel on koefitsient ligikaudu 2,5. Lõhustumisspektris on ligikaudu 60% neutronitest energia, mis ületab 238 U võrra efektiivset 1,4 MeV lõhustumisläve. Kuid nendest 60% -st suudab ainult üks neutron viiest lõhustuda ilma aeglustumata energiani, mis jääb alla läve. elastne ja eriti mitteelastne hajumine. Siit saame koefitsiendi 238 (kiire) jaoks hinnangu

Seega ahelreaktsioon looduslikus segus (235 U + 238 U) kiirete neutronitega toimuda ei saa. Eksperimentaalselt on kindlaks tehtud, et puhta metallilise uraani korral saavutab korrutustegur 5,56% rikastusega ühikväärtuse. Praktikas selgub, et reaktsiooni kiirete neutronitega saab säilitada ainult rikastatud segus, mis sisaldab vähemalt 15% 235 U isotoopi.
Uraani isotoopide looduslikku segu saab rikastada 235 U isotoobiga Rikastamine on keeruline ja kulukas protsess, kuna Keemilised omadused Mõlemad isotoobid on peaaegu samad. Tuleb ära kasutada väikseid erinevusi keemiliste reaktsioonide, difusiooni jms kiirustes, mis tulenevad isotoopide masside erinevusest. Ahelreaktsioon 235 U-ga viiakse peaaegu alati läbi kõrge 238 U sisaldusega keskkonnas. Sageli kasutatakse looduslikku isotoopide segu, mille puhul η = 1,32 termilises neutronite piirkonnas, kuna kasulik on ka 238 U. Isotoop 238 U on lõhustuv neutronite poolt, mille energia on üle 1 MeV. Selle lõhustumise tulemuseks on neutronite väike täiendav paljunemine.
Võrdleme lõhustumise ahelreaktsioone termiliste ja kiirete neutronitega.
Termiliste neutronite puhul on püüdmise ristlõiked suured ja ühest tuumast teise üleminekul väga erinevad. Mõnede elementide (näiteks kaadmiumi) tuumade puhul on need ristlõiked sadu või rohkem kordi suuremad kui 235 U ristlõiked. Seetõttu on termiliste neutronite tuumadele kehtestatud kõrged puhtusnõuded seoses teatud lisanditega.
Kiirete neutronite puhul on kõik püüdmise ristlõiked väikesed ja ei erine üksteisest nii palju, seega ei teki materjalide kõrge puhtuse probleemi. Kiirete reaktsioonide teine ​​eelis on suurem paljunemiskiirus.
Termiliste reaktsioonide oluline eristav omadus on see, et südamikus on kütus palju rohkem lahjendatud, st ühe kütusetuuma kohta on oluliselt rohkem tuumasid, mis ei osale lõhustumises kui kiires reaktsioonis. Näiteks loodusliku uraani termilises reaktsioonis on 235 U kütusesüdamiku kohta 140 tuuma 238 U tuuma kohta ja kiire reaktsiooni korral ei saa 235 U tuuma kohta olla rohkem kui viis kuni kuus 238 U tuuma kütuse lahjendamine termilises reaktsioonis toob kaasa asjaolu, et soojusreaktsioonis vabaneb üks ja sama energia palju suuremas aine mahus kui kiirreaktsioonis. Seega on soojusreaktsiooni aktiivsest tsoonist lihtsam soojust eemaldada, mis võimaldab seda reaktsiooni läbi viia suurema intensiivsusega kui kiire.
Ühe põlvkonna neutronite eluiga kiirel reaktsioonil on mitu suurusjärku lühem kui termilisel. Seetõttu võib kiire reaktsiooni kiirus märgatavalt muutuda pärast väga lühikest aega pärast füüsiliste tingimuste muutumist tuumas. Kell normaalne töö Reaktoris on see mõju tähtsusetu, kuna sel juhul määrab töörežiimi pigem viivitatud kui kiire neutronite eluiga.
Homogeenses keskkonnas, mis koosneb ainult ühte tüüpi lõhustuvatest isotoopidest, oleks korrutustegur võrdne η-ga. Reaalsetes olukordades on aga lisaks lõhustuvatele tuumadele alati ka teisi, mittelõhustuvaid. Need kõrvalised tuumad püüavad kinni neutronid ja mõjutavad seeläbi korrutustegurit. Sellest järeldub, et kolmas koefitsiente k ∞ , k määrav suurus on tõenäosus, et neutronit ükski mittelõhustuvatest tuumadest kinni ei haara. Päris installatsioonides toimub "võõras" püüdmine moderaatori tuumadel, erinevate seadmete tuumadel. konstruktsioonielemendid, samuti lõhustumisproduktide ja püüdesaaduste tuumadel.
Aeglaste neutronitega ahelreaktsiooni läbiviimiseks sisestatakse tuumasse spetsiaalsed ained - moderaatorid, mis muudavad lõhustumise neutronid termilisteks. Praktikas viiakse aeglane neutroni ahelreaktsioon läbi loodusliku või 235 U isotoobiga veidi rikastatud uraaniga. Suure hulga isotoobi 238 U olemasolu tuumas raskendab modereerimisprotsessi ja muudab vajalikuks seada kõrged nõudmised moderaatori kvaliteedile. Ühe põlvkonna neutronite eluea moderaatoriga südamikus võib ligikaudu jagada kaheks etapiks: soojusenergia vähendamine ja difusioon. termilised kiirused enne imendumist. Selleks et enamik neutroneid saaks aeglustuda ilma neeldumiseta, peab tingimus olema täidetud

kus σ juhtimine, σ püüdmine on vastavalt elastse hajumise ja hõivamise energiakeskmised ristlõiked ning n on soojusenergia saavutamiseks vajalike neutronite kokkupõrgete arv moderaatori tuumadega. Arv n kasvab kiiresti moderaatori massinumbri suurenemisega. Uraani 238 U puhul on arv n suurusjärgus mitu tuhat. Ja selle isotoobi suhe σ kontroll /σ püüdmine, isegi kiirete neutronite suhteliselt soodsas energiapiirkonnas, ei ületa 50. Nn resonantspiirkond 1 keV kuni 1 eV on neutronite püüdmise suhtes eriti ohtlik. . Selles piirkonnas on neutroni ja 238 U tuumaga interaktsiooni koguristlõige suurel hulgal intensiivseid resonantse (joonis 2). Madala energia korral ületavad kiirguse laiused neutronite laiused. Seetõttu muutub resonantspiirkonnas suhe σ kontroll / σ püüdmine isegi väiksemaks kui ühtsus. See tähendab, et kui neutron satub ühe resonantsi piirkonda, neeldub see peaaegu sajaprotsendilise tõenäosusega. Ja kuna sellise raskema tuuma nagu uraan aeglustumine toimub "väikeste sammudena", siis resonantspiirkonna läbimisel "põrkub" aeglustuv neutron kindlasti ühte resonantsi ja neeldub. Sellest järeldub, et looduslikul uraanil ei saa ahelreaktsiooni läbi viia ilma võõrlisanditeta: kiiretel neutronitel ei toimu reaktsiooni koefitsiendi η väiksuse tõttu ja aeglased neutronid ei saa tekkida Resonantse neutronite kinnipüüdmise vältimiseks Nende aeglustamiseks on vaja kasutada väga kergeid tuumasid, mille puhul aeglustumine toimub "suurte sammudena", mis suurendab järsult tõenäosust, et neutron hüppab edukalt läbi resonantsenergia piirkonna. Parimad aeglustavad elemendid on vesinik, deuteerium, berüllium ja süsinik. Seetõttu taanduvad praktikas kasutatavad moderaatorid peamiselt raskele veele, berülliumile, berülliumoksiidile, grafiidile, aga ka tavalisele veele, mis aeglustab neutroneid mitte halvemini kui raske vesi, kuid neelab neid palju suuremates kogustes. Aeglusti peab olema hästi puhastatud. Pange tähele, et aeglase reaktsiooni läbiviimiseks peab moderaator olema kümneid või isegi sadu kordi suurem kui uraan, et vältida neutronite resonantskokkupõrkeid 238 U tuumadega.

Aktiivse keskkonna modereerivaid omadusi saab ligikaudselt kirjeldada kolme suurusega: tõenäosus, et neutron väldib moderaatori neeldumist modereerimise ajal, tõenäosus p vältida 238 U tuumade resonantspüüdmist ja termilise neutroni neeldumise tõenäosus f. pigem kütusetuuma kui moderaatori poolt. Suurust f nimetatakse tavaliselt koefitsiendiks termiline kasutamine. Nende koguste täpne arvutamine on keeruline. Tavaliselt kasutatakse nende arvutamiseks ligikaudseid poolempiirilisi valemeid.

P ja f väärtused ei sõltu mitte ainult moderaatori suhtelisest kogusest, vaid ka selle tuumas paiknemise geomeetriast. Aktiivset tsooni, mis koosneb uraani ja moderaatori homogeensest segust, nimetatakse homogeenseks ning nende vahelduvate uraani ja moderaatori plokkide süsteemi nimetatakse heterogeenseks (joonis 4). Kvalitatiivselt heterogeenset süsteemi eristab asjaolu, et selles õnnestub uraanis moodustunud kiire neutron minna moderaatorisse ilma resonantsenergiat saavutamata. Edasine aeglustumine toimub puhtas moderaatoris. See suurendab resonantspüüdmise vältimise tõenäosust p

p het > p homo.

Teisest küljest, vastupidi, olles muutunud moderaatoris termiliseks, peab neutron ahelreaktsioonis osalemiseks difundeeruma, ilma et see neelduks puhtas moderaatoris, oma piirini. Seetõttu on soojuskasutustegur f heterogeenses keskkonnas madalam kui homogeenses keskkonnas:

f saada< f гом.

Termilise reaktori korrutusteguri k ∞ hindamiseks on ligikaudne nelja teguri valem

k∞ = η pfε . (11)

Esimest kolme tegurit oleme juba varem kaalunud. Suurust ε nimetatakse kiire neutronite korrutustegur . See koefitsient on kasutusele võetud, et võtta arvesse, et mõned kiired neutronid võivad lõhustuda ilma, et neil oleks aega aeglustada. Oma tähenduses ületab koefitsient ε alati ühe. Kuid see ülejääk on tavaliselt väike. Tüüpiline termiliste reaktsioonide puhul on väärtus ε = 1,03. Kiirete reaktsioonide puhul ei ole nelja teguri valem rakendatav, kuna iga koefitsient sõltub energiast ja kiirete reaktsioonide energia levik on väga suur.
Kuna η väärtuse määrab kütuse tüüp ja aeglaste reaktsioonide ε väärtus peaaegu ei erine ühtsusest, määrab konkreetse aktiivse keskkonna kvaliteedi korrutis pf. Seega avaldub heterogeense keskkonna eelis homogeense keskkonna ees kvantitatiivselt selles, et näiteks süsteemis, kus loodusliku uraani tuuma kohta on 215 grafiidituuma, võrdub korrutis pf heterogeense keskkonna korral 0,823 ja 0,595 homogeense puhul. Ja kuna loodusliku segu η = 1,34 korral saame selle heterogeense keskkonna jaoks k ∞ > 1 ja homogeense keskkonna jaoks k ∞< 1.
Sest praktiline rakendamine Statsionaarses ahelreaktsioonis peab olema võimalik seda reaktsiooni kontrollida. See juhtimine on oluliselt lihtsustatud tänu hilinenud neutronite emissioonile lõhustumise ajal. Valdav enamus neutronitest pääseb tuumast välja peaaegu koheselt (st ajaga, mis on mitu suurusjärku lühem kui tuumas ühe põlvkonna neutronite eluiga), kuid mitu kümnendikku protsenti neutronitest viibib ja põgeneb tuumast. fragmendi tuumad pärast üsna pikka aega - murdosast sekunditest mitme ja isegi kümnete sekunditeni. Viivitatud neutronite mõju saab kvalitatiivselt selgitada järgmiselt. Suurenegu korrutustegur koheselt alakriitilisest väärtusest selliseks ülekriitiliseks väärtuseks, et 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.
Neutronite kinnipüüdmine ahelreaktsioonis mitteosalevate tuumade poolt vähendab reaktsiooni intensiivsust, kuid võib olla kasulik seoses uute lõhustuvate isotoopide tekkega. Seega, kui neutronid neelduvad uraani 238 U ja toorium 232 Th isotoopidest, tekivad (kahe järjestikuse β-lagunemise kaudu) plutoonium 239 Pu ja uraan 233 U isotoobid, mis on tuumakütus:

, (12)
. (13)

Need kaks reaktsiooni avavad tõelise võimaluse tuumakütuse taastootmine ahelreaktsiooni käigus. Ideaaljuhul, st neutronite tarbetute kadude puudumisel, saab reprodutseerimiseks kasutada keskmiselt 1 neutronit iga kütusetuuma neutroni neeldumise toimingu kohta.

Tuuma(tuuma)reaktorid

Reaktor on seade, milles toimub kontrollitud lõhustumise ahelreaktsioon. Kui reaktor töötab, eraldub lõhustumisreaktsiooni eksotermilise olemuse tõttu soojust. Reaktori peamine omadus on selle võimsus – ajaühikus vabanev soojusenergia hulk. Reaktori võimsust mõõdetakse megavattides (10 6 W). Võimsus 1 MW vastab ahelreaktsioonile, mille käigus toimub 3·1016 lõhustumissündmust sekundis. Erinevat tüüpi reaktoreid on suur hulk. Üks termoreaktori tüüpilisi skeeme on näidatud joonisel fig. 5.
Reaktori põhiosa moodustab aktiivne tsoon, kus reaktsioon toimub ja seeläbi energiat vabastab. Termilistes ja vahepealsetes neutronreaktorites koosneb südamik kütusest, mis on tavaliselt segatud mittelõhustuva isotoobiga (tavaliselt 238 U), ja moderaatorist. Kiirete neutronreaktorite tuumas pole moderaatorit.
Südamiku maht varieerub kümnendikest liitrist mõnes kiirneutronreaktoris kuni kümnete kuupmeetriteni suurtes termoreaktorites. Neutronite lekke vähendamiseks antakse südamikule sfääriline või peaaegu sfääriline kuju (näiteks silinder, mille kõrgus on ligikaudu võrdne läbimõõduga, või kuubik).
Sõltuvalt kütuse ja moderaatori suhtelisest asukohast eristatakse homogeenseid ja heterogeenseid reaktoreid. Homogeense aktiivse tsooni näide on uranüülsulfaadi soola ja U 2 SO 4 lahus tavalises või raskes vees. Heterogeensed reaktorid on levinumad. Heterogeensetes reaktorites koosneb südamik moderaatorist, millesse asetatakse kütust sisaldavad kassetid. Kuna nendes kassettides vabaneb energia, nimetatakse neid kütuseelemendid või lühidalt kütusevardad. Reflektoriga aktiivne tsoon on sageli suletud teraskestas.

  • Hilinenud neutronite roll tuumareaktori juhtimises

Kontrollitud ahelreaktsioon.

Kui ahelreaktsioon on oma arengus piiratud nii, et ajaühikus toodetud neutronite arv saavutab teatud suure tähtsusega, lakkaks siis suurenemast, siis toimuks rahulikult toimuv isemajandav lõhustumise ahelreaktsioon. Reaktsiooni on võimalik juhtida ainult siis, kui osutub võimalikuks reguleerida neutronite korrutusteguri keff piisavalt aeglaselt ja sujuvalt ning optimaalne süsteem k eff peaks ületama ühtsust vaid 0,5% võrra. Nõukogude füüsikud Ya.B. Zeldovitš ja Yu.B. Khariton näitas teoreetiliselt (1939), et looduslikul uraanil saab läbi viia kontrollitud ahelreaktsiooni.

Loodusliku uraani ahelprotsessi arendamiseks tuleb neutroneid aeglustada termiliste kiirusteni, kuna sel juhul suureneb järsult nende kinnipüüdmise tõenäosus U tuumade poolt koos järgneva lõhustumisega. Sel eesmärgil kasutatakse spetsiaalseid aineid - aeglustajad.

Statsionaarse voolu ahelreaktsiooni (k eff =1) juhtimine on olemasolu tõttu oluliselt lihtsustatud hilinenud neutronid(vt p 3.6). Selgub, et reaktsiooni "kiirenduse" aeg T (aeg, mille jooksul lõhustumiste arv suureneb e võrra 2,71 korda) madalal ülekriitilisuse astmel (k eff - 1<< 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T = t × b / (k eff - 1),

kus t z on viivitatud neutronite keskmine eluiga (t z ~14,4 s),

b on viivitatud neutronite osa (b ~ 0,68% U puhul).

Kuna väärtus t × b on suurusjärgus ~ 5 × 10 -2 s, suureneb reaktsiooni intensiivsus üsna aeglaselt ja reaktsioon on hästi reguleeritud.

Keffi väärtust saab kontrollida, sisestades tuuma automaatselt aineid, mis neelavad tugevalt neutroneid - absorbendid.

12.3.1. Tuumareaktor

Seadet, milles viiakse läbi ja hooldatakse statsionaarset tuumalõhustumise reaktsiooni, nimetatakse tuumareaktoriks või aatomikatlaks.

Esimene tuumareaktor ehitati E. Fermi juhtimisel 1942. aasta lõpus (USA). Esimene Euroopa reaktor loodi 1946. aastal Moskvas I. V. Kurtšatovi juhtimisel.

Praegu töötab maailmas umbes tuhat erinevat tüüpi tuumareaktorit, mis erinevad:

· vastavalt tööpõhimõttele (termilisi, kiireid jne neutroneid kasutavad reaktorid);

· moderaatori tüübi järgi (raske vesi, grafiit jne);

· vastavalt kasutatavale kütusele (uraan, toorium, plutoonium);

· vastavalt sihtotstarbele (teadus-, meditsiini-, energeetika-, tuumkütuse taastootmiseks jne)

Tuumareaktori põhiosad (vt joonis 4.5) on:

· aktiivne tsoon (1), kus asub tuumakütus, toimub lõhustumisahelreaktsioon ja vabaneb energia;

· südamikku ümbritsev neutronreflektor (2);

· ahelprotsessi reguleerimise süsteem neutroneid absorbeerivate varraste kujul (3);

· kiirguskaitse (4) kiirguse eest;

· jahutusvedelik (5).

IN homogeenne Reaktorites segatakse tuumkütus ja moderaator homogeenseks seguks (näiteks aktinouraanisoolad ja raske vesi). IN heterogeenne reaktorites (joon. 4.6) asetatakse tuumakütus kütusevarraste kujul ( kütuseelemendid) - väikese ristlõikega plokkvardad (1), mis on suletud hermeetilise kestaga, mis neelab nõrgalt neutroneid. Kütusevarraste vahel on moderaator (2).

Tuuma lõhustumise käigus tekkivad neutronid, ilma et neil oleks aega kütusevarrastesse neelduda, sisenevad moderaatorisse, kus nad kaotavad oma energia, aeglustudes termilise kiiruseni. Seejärel sattudes tagasi ühte kütusevardasse, on termilistel neutronitel suur tõenäosus neelduda lõhustumisvõimelistes tuumades (U, U, Pu). Positiivset rolli mängivad ka need neutronid, mida U tuumad kinni püüavad, täiendades teatud määral tuumkütuse tarbimist.

Head moderaatorid on kerged tuumad: deuteerium, berüllium, süsinik, hapnik. Parim neutronite moderaator on deuteeriumi ja hapniku kombinatsioon - raske vesi. Kuid selle kõrge hinna tõttu kasutatakse süsinikku sagedamini väga puhtana grafiit. Kasutatakse ka berülliumi ja selle oksiidi. Kütuseelemendid ja moderaator moodustavad tavaliselt tavalise võre (näiteks uraan-grafiit).

Lõhustumisenergia tõttu kütusevardad kuumenevad. Jahutamiseks asetatakse need voolu jahutusvedelik(õhk, vesi, veeaur, He, CO 2 jne).

Tulenevalt asjaolust, et neutronid lähevad kaduma moderaatoris ja lõhustumisfragmentide tuumades, peab reaktor olema ülekriitiliste mõõtmetega ja tootma liigseid neutroneid. Ahelprotsessi juhtimine (st liigsete neutronite kõrvaldamine) toimub neutroneid tugevalt neelavatest materjalidest (boorteras, kaadmium) valmistatud juhtvarrastega (3) (vt joonis 4.5 või 4.6).

Reaktori parameetrid arvutatakse nii, et kui neeldumisvardad on täielikult südamikusse sisestatud, siis reaktsiooni ei toimu. Varraste järkjärgulise eemaldamisega suureneb neutronite korrutustegur ja teatud asendis jõuab keff ühtsuseni, reaktor hakkab tööle. Absorbervarraste liikumine toimub juhtpaneelilt. Reguleerimine on hilinenud neutronite olemasolu tõttu lihtsustatud.

Tuumareaktori peamine omadus on selle võimsus. Võimsus 1 MW vastab ahelprotsessile, mille käigus toimub 3 × 10 16 lõhustumissündmust sekundis. Reaktoril on hädaolukord vardad, mille kasutuselevõtt reaktsiooni võimsuse järsu suurenemisega selle kohe lähtestab.

Tuumareaktori töötamise ajal astmeline tuumakütuse läbipõlemine, akumuleeruvad lõhustumise fragmendid, tekivad transuraanielemendid. Fragmentide kuhjumine põhjustab k eff vähenemise. Seda protsessi nimetatakse mürgistus reaktor (kui killud on radioaktiivsed) ja räbu(kui killud on stabiilsed). Mürgituse korral väheneb k eff (1¸3)%. Tagamaks, et reaktsioon ei peatuks, eemaldatakse südamikust järk-järgult (automaatselt) spetsiaalsed (kompenseerivad) vardad. Kui tuumkütus põleb täielikult läbi, eemaldatakse see (pärast reaktsiooni peatumist) ja laaditakse uus kütus.

Tuumareaktorite hulgas on eriline koht paljundusreaktorid kiiretel neutronitel - kasvatajad. Nendes kaasneb elektri tootmisega sekundaarse tuumkütuse (plutooniumi) taastootmine reaktsiooni (3.5) tõttu, mille tõttu kasutatakse efektiivselt mitte ainult U isotoopi, vaid ka U-d (vt §3.6). See võimaldab radikaalselt lahendada tuumkütuse tarnimise probleemi: iga 100 sellises reaktoris kasutatud tuuma kohta tekib 150 uut lõhustumisvõimelist tuuma. Kiirete neutronreaktorite tehnoloogia on parimate insenertehniliste lahenduste otsimise etapis. Esimest seda tüüpi tööstuslikku katsejaama (Ševtšenko) kasutatakse elektri tootmiseks ja merevee magestamiseks (Kaspia meri).