Réaction nucléaire en chaîne

Réaction nucléaire en chaîne- une séquence de réactions nucléaires uniques, dont chacune est provoquée par une particule apparue comme produit de réaction à l'étape précédente de la séquence. Un exemple de réaction nucléaire en chaîne est une réaction en chaîne de fission de noyaux d'éléments lourds, dans laquelle la plupart des événements de fission sont initiés par des neutrons obtenus lors de la fission de noyaux de la génération précédente.

Mécanisme de libération d'énergie

La transformation d'une substance s'accompagne de la libération d'énergie libre uniquement si la substance dispose d'une réserve d'énergie. Ce dernier signifie que les microparticules d'une substance sont dans un état avec une énergie de repos supérieure à celle d'un autre état possible vers lequel il existe une transition. Une transition spontanée est toujours empêchée par une barrière énergétique, pour surmonter laquelle la microparticule doit recevoir une certaine quantité d'énergie de l'extérieur - l'énergie d'excitation. La réaction exoénergétique consiste dans le fait que lors de la transformation suivant l'excitation, plus d'énergie est libérée qu'il n'en faut pour exciter le processus. Il existe deux manières de surmonter la barrière énergétique : soit grâce à l'énergie cinétique des particules en collision, soit grâce à l'énergie de liaison de la particule qui se joint.

Si nous gardons à l’esprit l’échelle macroscopique de libération d’énergie, alors toutes ou initialement au moins une partie des particules de la substance doivent avoir l’énergie cinétique nécessaire pour exciter des réactions. Ceci n'est réalisable qu'en augmentant la température du milieu jusqu'à une valeur à laquelle l'énergie du mouvement thermique se rapproche du seuil énergétique limitant le déroulement du processus. Dans le cas de transformations moléculaires, c'est-à-dire de réactions chimiques, une telle augmentation est généralement de plusieurs centaines de kelvins, mais dans le cas de réactions nucléaires, elle est d'au moins 10 7 K en raison de la très grande haute altitude Barrières coulombiennes de noyaux en collision. L'excitation thermique des réactions nucléaires n'est réalisée en pratique que lors de la synthèse des noyaux les plus légers, dans lesquels les barrières coulombiennes sont minimes (fusion thermonucléaire).

L'excitation en joignant des particules ne nécessite pas une grande énergie cinétique et ne dépend donc pas de la température du milieu, car elle se produit en raison de liaisons inutilisées inhérentes aux forces d'attraction des particules. Mais pour susciter des réactions, les particules elles-mêmes sont nécessaires. Et si encore une fois nous n'entendons pas un acte de réaction séparé, mais la production d'énergie à l'échelle macroscopique, alors cela n'est possible que lorsqu'une réaction en chaîne se produit. Cette dernière se produit lorsque les particules qui excitent la réaction réapparaissent comme produits d’une réaction exoénergétique.

Réactions en chaîne

Les réactions en chaîne sont fréquentes parmi réactions chimiques, où le rôle des particules avec des liaisons inutilisées est joué par des atomes libres ou des radicaux. Le mécanisme de réaction en chaîne lors des transformations nucléaires peut être assuré par des neutrons qui n'ont pas de barrière coulombienne et excitent les noyaux lors de leur absorption. L'apparition de la particule nécessaire dans l'environnement provoque une chaîne de réactions qui se succèdent et se poursuivent jusqu'à ce que la chaîne se brise en raison de la perte de la particule porteuse de réaction. Il existe deux raisons principales aux pertes : l'absorption d'une particule sans émission de particule secondaire et le départ de la particule au-delà du volume de la substance qui supporte le processus en chaîne. Si dans chaque acte de réaction, une seule particule porteuse apparaît, alors la réaction en chaîne est appelée non ramifié. Une réaction en chaîne non ramifiée ne peut pas conduire à une libération d’énergie à grande échelle.

Si dans chaque acte de réaction ou dans certains maillons de la chaîne plus d'une particule apparaît, alors une réaction en chaîne ramifiée se produit, car l'une des particules secondaires continue la chaîne commencée, tandis que les autres donnent naissance à de nouvelles chaînes qui se ramifient à nouveau. Certes, les processus qui conduisent à des ruptures de chaîne entrent en compétition avec le processus de branchement, et la situation qui en résulte donne lieu à des phénomènes limitants ou critiques spécifiques aux réactions en chaîne ramifiée. Si le nombre de circuits interrompus est supérieur au nombre de nouveaux circuits apparaissant, alors réaction en chaîne auto-entretenue(SCR) s'avère impossible. Même s'il est excité artificiellement en introduisant une certaine quantité de particules nécessaires dans le milieu, alors, comme le nombre de chaînes dans ce cas ne peut que diminuer, le processus qui a commencé s'estompe rapidement. Si le nombre de nouvelles chaînes formées dépasse le nombre de ruptures, la réaction en chaîne se propage rapidement dans tout le volume de la substance lorsqu'au moins une particule initiale apparaît.

La région des états de la matière avec développement d'une réaction en chaîne auto-entretenue est séparée de la région où une réaction en chaîne est généralement impossible, un état critique. L'état critique est caractérisé par l'égalité entre le nombre de nouveaux circuits et le nombre de coupures.

L’atteinte d’un état critique est déterminée par un certain nombre de facteurs. La fission d'un noyau lourd est excitée par un neutron et, à la suite de l'acte de fission, plusieurs neutrons apparaissent (par exemple, pour 235 U, le nombre de neutrons produits dans un acte de fission est en moyenne de 2,5). Par conséquent, le processus de fission peut donner lieu à une réaction en chaîne ramifiée dont les porteurs seront des neutrons. Si le taux de pertes de neutrons (captures sans fission, fuites du volume de réaction, etc.) compense le taux de multiplication des neutrons de telle sorte que le facteur de multiplication effectif des neutrons soit exactement égal à l'unité, alors la réaction en chaîne se déroule de manière mode stationnaire. L'introduction d'une rétroaction négative entre le facteur de multiplication effectif et le taux de libération d'énergie permet une réaction en chaîne contrôlée, utilisée par exemple dans l'énergie nucléaire. Si le facteur de multiplication est supérieur à un, la réaction en chaîne se développe de manière exponentielle ; La réaction en chaîne de fission incontrôlée est utilisée dans les armes nucléaires.

voir également

Réaction chimique en chaîne

Littérature

Klimov A.N. Physique nucléaire et réacteurs nucléaires.- M. Atomizdat, .
Levin V.E. Physique nucléaire et réacteurs nucléaires/ 4e éd. - M. : Atomizdat, .
Pétounine V.P. Ingénierie thermique des installations nucléaires.- M. : Atomizdat, .

Fondation Wikimédia. 2010.

Voyez ce qu’est « Réaction nucléaire en chaîne » dans d’autres dictionnaires :

La réaction nucléaire en chaîne est une séquence de réactions nucléaires excitées par des particules (par exemple des neutrons) nées lors de chaque événement de réaction. En fonction du nombre moyen de réactions consécutives à la précédente, celui-ci est inférieur, égal ou... ... Termes de l'énergie nucléaire

réaction nucléaire en chaîne- Une séquence de réactions nucléaires excitées par des particules (par exemple des neutrons) nées de chaque événement réactionnel. En fonction du nombre moyen de réactions consécutives à une réaction précédente inférieur, égal ou supérieur à un... ...

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

Réaction de fission des noyaux atomiques d'éléments lourds sous l'influence de neutrons ; à chaque acte de l'essaim, le nombre de neutrons augmente, de sorte qu'un processus de fission autonome peut se produire. Par exemple, lors de la fission d'un noyau de l'isotope de l'uranium 235U sous l'influence de... Grand dictionnaire polytechnique encyclopédique

Réaction nucléaire en chaîne- la réaction de fission des noyaux atomiques sous l'influence de neutrons, à chaque acte duquel au moins un neutron est émis, ce qui assure le maintien de la réaction. Utilisé comme source d'énergie dans les charges nucléaires (réacteurs nucléaires explosifs) et les réacteurs nucléaires... ... Glossaire de termes militaires

réaction en chaîne de fission nucléaire avec des neutrons- - [A.S. Goldberg. Dictionnaire de l'énergie anglais-russe. 2006] Thèmes : l'énergie en général FR réaction divergente... Guide du traducteur technique

Réaction nucléaire en chaîne autonome- 7. Réaction nucléaire en chaîne auto-entretenue SCR Réaction nucléaire en chaîne caractérisée par un facteur de multiplication effectif supérieur ou égal à l'unité.

Il s’agit d’un processus dans lequel une réaction effectuée provoque des réactions ultérieures du même type.

Lors de la fission d'un noyau d'uranium, les neutrons résultants peuvent provoquer la fission d'autres noyaux d'uranium et le nombre de neutrons augmente comme une avalanche.

Le rapport entre le nombre de neutrons produits lors d’un événement de fission et le nombre de ces neutrons lors de l’événement de fission précédent est appelé facteur de multiplication des neutrons k.

Lorsque k est inférieur à 1, la réaction décroît, car le nombre de neutrons absorbés est supérieur au nombre de neutrons nouvellement formés.
Lorsque k est supérieur à 1, une explosion se produit presque instantanément.
Lorsque k est égal à 1, une réaction en chaîne stationnaire contrôlée se produit.

La réaction en chaîne s'accompagne de la libération d'une grande quantité d'énergie.

Pour réaliser une réaction en chaîne, il n'est pas possible d'utiliser des noyaux qui se divisent sous l'influence de neutrons.

Utilisé comme combustible pour les réacteurs nucléaires élément chimique L'uranium est naturellement constitué de deux isotopes : l'uranium 235 et l'uranium 238.

Dans la nature, les isotopes de l'uranium 235 ne représentent que 0,7 % de la réserve totale d'uranium, mais ce sont eux qui conviennent pour réaliser une réaction en chaîne, car fission sous l'influence de neutrons lents.

Les noyaux d'uranium 238 ne peuvent fissionner que sous l'influence de neutrons de haute énergie (neutrons rapides). Seuls 60 % des neutrons produits lors de la fission du noyau d’uranium 238 possèdent cette énergie. Environ seulement 1 neutron produit sur 5 provoque une fission nucléaire.

Conditions d'une réaction en chaîne dans l'uranium-235 :

La quantité minimale de combustible (masse critique) nécessaire pour réaliser une réaction en chaîne contrôlée dans un réacteur nucléaire
- la vitesse des neutrons devrait provoquer la fission des noyaux d'uranium
- absence d'impuretés absorbant les neutrons

Masse critique:

Si la masse d’uranium est petite, les neutrons voleront à l’extérieur sans réagir
- si la masse d'uranium est importante, une explosion est possible en raison d'une forte augmentation du nombre de neutrons
- si la masse correspond à la masse critique, une réaction en chaîne contrôlée se produit

Pour l'uranium 235, la masse critique est de 50 kg (il s'agit par exemple d'une boule d'uranium de 9 cm de diamètre).

La première réaction en chaîne contrôlée - USA en 1942 (E. Fermi)
En URSS - 1946 (I.V. Kurchatov).

Loi de Faraday sur l'induction électromagnétique est la loi fondamentale de l'électrodynamique concernant les principes de fonctionnement des transformateurs, des selfs et de nombreux types de moteurs électriques

Et des générateurs. La loi précise :

La loi de Faraday comme deux phénomènes différents[modifier | modifier le texte wiki]

Certains physiciens notent que la loi de Faraday décrit deux phénomènes différents dans une seule équation : CEM du moteur, généré par l'action d'une force magnétique sur un fil en mouvement, et CEM du transformateur, généré par l'action de la force électrique due aux changements champ magnétique. James Clerk Maxwell a attiré l'attention sur ce fait dans son travail À propos des lignes de force physiques en 1861. Dans la seconde moitié de la deuxième partie de cet ouvrage, Maxwell donne une explication physique distincte pour chacun de ces deux phénomènes. Des références à ces deux aspects de l’induction électromagnétique sont disponibles dans certains manuels modernes. Comme l'écrit Richard Feynman :

Loi de Lorentz modifier le texte wiki]

Charge q dans le conducteur du côté gauche de la boucle subit la force de Lorentz q v × B k = −q v B(x C − w / 2) j (j,k - vecteurs unitaires dans les directions oui Et z; cm. produit vectoriel vecteurs), ce qui provoque une force électromotrice (travail par unité de charge) v ℓ B(x C − w / 2) sur toute la longueur du côté gauche de la boucle. Du côté droit de la boucle, un raisonnement similaire montre que la FEM est égale à v ℓ B(x C + w / 2). Deux FEM opposées poussent la charge positive vers le bas de la boucle. Au cas où le champ B augmente le long de x, la force sur le côté droit sera plus grande et le courant circulera dans le sens des aiguilles d’une montre. Utiliser la règle main droite, on obtient que le champ B, créé par le courant, est opposé au champ appliqué. La force électromotrice provoquant le courant doit augmenter dans le sens inverse des aiguilles d'une montre (par opposition au courant). En ajoutant la force électromotrice dans le sens inverse des aiguilles d'une montre le long de la boucle, nous trouvons :

Loi de Faraday[modifier | modifier le texte wiki]

Une approche intuitivement attrayante mais imparfaite de l'utilisation de la règle de flux exprime le flux à travers un circuit comme Φ B = PCℓ, où w- largeur de la boucle mobile. Cette expression est indépendante du temps, il s'ensuit donc à tort qu'aucune force électromotrice n'est générée. L’erreur de cette affirmation est qu’elle ne prend pas en compte l’intégralité du trajet du courant à travers la boucle fermée.

Pour utiliser correctement la règle de débit, nous devons considérer l’ensemble du trajet du courant, qui inclut le trajet à travers les rebords supérieurs et inférieurs. Nous pouvons choisir un chemin fermé arbitraire à travers les jantes et la boucle rotative, et en utilisant la loi d'écoulement, trouver la force électromotrice le long de ce chemin. Tout chemin comprenant un segment adjacent à une boucle rotative prend en compte le mouvement relatif des parties de la chaîne.

A titre d'exemple, considérons un chemin passant dans la partie supérieure de la chaîne dans le sens de rotation du disque supérieur, et dans la partie inférieure de la chaîne - dans le sens opposé par rapport au disque inférieur (indiqué par les flèches sur la Fig. .4). Dans ce cas, si la boucle tournante s'est écartée d'un angle θ par rapport à la boucle collectrice, alors elle peut être considérée comme faisant partie d'un cylindre d'aire UN = rℓθ. Cette zone est perpendiculaire au champ B, et sa contribution au flux est égale à :

où le signe est négatif car selon la règle de droite le champ B , généré par une boucle avec du courant, dans la direction opposée au champ appliqué B". Puisqu’il ne s’agit que de la partie du flux dépendant du temps, selon la loi du flux, la force électromotrice est :

conformément à la formule de la loi de Lorentz.

Considérons maintenant un autre chemin, dans lequel nous choisissons de parcourir les bords des disques à travers des segments opposés. Dans ce cas le fil de discussion associé sera diminuer avec θ croissant, mais selon la règle de droite, la boucle de courant ajoute champ attaché B, donc l'EMF pour ce chemin sera exactement la même valeur que pour le premier chemin. Tout chemin de retour mixte produit le même résultat pour la valeur emf, le chemin que vous empruntez n'a donc pas vraiment d'importance.

Une réaction thermonucléaire est un type de réaction nucléaire dans laquelle des noyaux atomiques légers se combinent en noyaux plus lourds en raison de l'énergie cinétique de leur mouvement thermique. Origine du terme modifier le texte wiki]

Pour qu’une réaction nucléaire se produise, les noyaux atomiques d’origine doivent surmonter ce que l’on appelle la « barrière coulombienne » – la force de répulsion électrostatique entre eux. Pour ce faire, ils doivent disposer d’une énergie cinétique élevée. Selon théorie cinétique, l'énergie cinétique des microparticules en mouvement d'une substance (atomes, molécules ou ions) peut être représentée sous forme de température et, par conséquent, en chauffant la substance, une réaction nucléaire peut être réalisée. C’est cette relation entre le chauffage d’une substance et une réaction nucléaire qui est reflétée par le terme « réaction thermonucléaire ».

Barrière coulombienne modifier le texte wiki]

Les noyaux atomiques ont une charge électrique positive. À grande distance, leurs charges peuvent être protégées par des électrons. Cependant, pour que la fusion des noyaux se produise, ils doivent se rapprocher les uns des autres jusqu'à une distance à laquelle s'opère une forte interaction. Cette distance est de l'ordre de la taille des noyaux eux-mêmes et plusieurs fois taille plus petite atome. À de telles distances, les couches électroniques des atomes (même si elles étaient préservées) ne peuvent plus protéger les charges des noyaux, elles subissent donc une forte répulsion électrostatique. La force de cette répulsion, conformément à la loi de Coulomb, est inversement proportionnelle au carré de la distance entre les charges. A des distances de l'ordre de la taille des noyaux, la valeur forte interaction, qui tend à les lier, commence à augmenter rapidement et devient supérieure à l'ampleur de la répulsion coulombienne.

Ainsi, pour réagir, les noyaux doivent surmonter une barrière de potentiel. Par exemple, pour la réaction deutérium-tritium, la valeur de cette barrière est d'environ 0,1 MeV. A titre de comparaison, l'énergie d'ionisation de l'hydrogène est de 13 eV. Par conséquent, la substance participant à la réaction thermonucléaire sera un plasma presque entièrement ionisé.

La température équivalente à 0,1 MeV est d'environ 10 9 K, mais il existe deux effets qui abaissent la température requise pour une réaction de fusion :

· Premièrement, la température caractérise uniquement l'énergie cinétique moyenne ; il existe des particules avec une énergie à la fois inférieure et supérieure. En fait, une réaction thermonucléaire implique un petit nombre de noyaux qui ont une énergie bien supérieure à la moyenne (ce qu'on appelle la « queue de la distribution maxwellienne »).

Deuxièmement, grâce à effets quantiques, les noyaux n'ont pas nécessairement une énergie dépassant la barrière coulombienne. Si leur énergie est légèrement inférieure à la barrière, ils sont plus susceptibles de la traverser. [ source non précisée 339 jours]

Réactions thermonucléaires modifier le texte wiki]

Certaines des réactions thermonucléaires exothermiques les plus importantes avec de grandes sections efficaces :

(1)

→

4Il

(3,5 MeV)

(14,1 MeV)

(2)

→

(1,01 MeV)

(3,02 MeV)

(50 %)

(3)

→

3Il

(0,82 MeV)

(2,45 MeV)

(50 %)

(4)

3Il

→

4Il

(3,6 MeV)

(14,7 MeV)

(5)

→

4Il

+ 11,3 MeV

(6)

3Il

→

4Il

(7)

3Il

→

4Il

+ 12,1 MeV

(51 %)

(8)

→

4Il

(4,8 MeV)

(9,5 MeV)

(43 %)

(9)

→

4Il

(0,5 MeV)

(1,9 MeV)

(11,9 MeV)

(6 %)

(10)

6Li

→

4Il

+ 22,4 MeV -

(11)

6Li

→

4Il

(1,7 MeV)

3Il

(2,3 MeV)-

(12)

3Il

6Li

→

4Il

+ 16,9 MeV

(13)

11B

→

4Il

+ 8,7 MeV

(14)

6Li

→

4Il

+ 4,8 MeV

Catalyse muonique modifier le texte wiki]

Article principal : Catalyse muonique

La réaction thermonucléaire peut être considérablement facilitée en introduisant des muons chargés négativement dans le plasma réactionnel.

Les muons µ − , interagissant avec le combustible thermonucléaire, forment des mésomolécules dans lesquelles la distance entre les noyaux des atomes de combustible est légèrement plus petite, ce qui facilite leur approche et, en outre, augmente la probabilité de tunnelage des noyaux à travers la barrière coulombienne.

Nombre de réactions de synthèse Xc, initié par un muon, est limité par la valeur du coefficient de collage du muon. Expérimentalement, il a été possible d'obtenir des valeurs de X c ~ 100, c'est-à-dire qu'un muon est capable de libérer de l'énergie ~ 100 × X MeV, où X est la production d'énergie de la réaction catalysée.

Jusqu'à présent, la quantité d'énergie libérée est inférieure aux coûts énergétiques nécessaires à la production du muon lui-même (5 à 10 GeV). Ainsi, la catalyse des muons reste un processus énergétiquement défavorable. Une production d'énergie commercialement viable par catalyse muonique est possible avec Xc ~ 10 4 .

Application[modifier | modifier le texte wiki]

L'utilisation de la réaction thermonucléaire comme source d'énergie pratiquement inépuisable est avant tout associée à la perspective de maîtriser la technologie de la thermonucléaire contrôlée. la fusion nucléaire(UTS). Actuellement, la base scientifique et technologique ne permet pas l'utilisation du CTS à l'échelle industrielle.

Dans le même temps, la réaction thermonucléaire incontrôlée a trouvé son application dans les affaires militaires. Le premier engin explosif thermonucléaire a été testé en novembre 1952 aux États-Unis, et déjà en août 1953, un engin explosif thermonucléaire sous la forme d'une bombe aérienne a été testé en Union soviétique. La puissance d'un engin explosif thermonucléaire (contrairement à un engin atomique) n'est limitée que par la quantité de matériau utilisé pour le créer, ce qui permet de créer des engins explosifs de presque toutes les puissances.

BILLET 27 question 1

Phénomène d'auto-induction

Nous avons déjà étudié qu'un champ magnétique apparaît à proximité d'un conducteur transportant du courant. Nous avons également étudié qu'un champ magnétique alternatif génère un courant (phénomène d'induction électromagnétique). Considérons circuit électrique. Lorsque l'intensité du courant change dans ce circuit, le champ magnétique change, ce qui entraîne un courant induit. Ce phénomène est appelé auto-induction, et le courant résultant dans ce cas est appelé courant d'auto-induction.

Le phénomène d'auto-induction est l'apparition d'une CEM dans un circuit conducteur, créée à la suite d'une modification de l'intensité du courant dans le circuit lui-même.

L'inductance du circuit dépend de sa forme et de sa taille, de Propriétés magnétiques environnement et ne dépend pas de l'intensité du courant dans le circuit.

FEM auto-induite déterminé par la formule :

Le phénomène d’auto-induction est similaire au phénomène d’inertie. Tout comme en mécanique il est impossible d’arrêter instantanément un corps en mouvement, de même un courant ne peut pas acquérir instantanément une certaine valeur en raison du phénomène d’auto-induction. Si une bobine est connectée en série avec la deuxième lampe dans un circuit composé de deux lampes identiques connectées en parallèle à une source de courant, alors lorsque le circuit est fermé, la première lampe s'allume presque immédiatement et la seconde avec un retard notable.

Lorsque le circuit est ouvert, l'intensité du courant diminue rapidement et la force électromotrice d'auto-induction qui en résulte empêche la diminution Flux magnétique. Dans ce cas, le courant induit est dirigé de la même manière que celui d'origine. La force électromotrice auto-induite peut être plusieurs fois supérieure à la force électromotrice externe. C’est pourquoi les ampoules grillent très souvent lorsque les lumières sont éteintes.

Énergie du champ magnétique

Énergie du champ magnétique d'un circuit porteur de courant :

Le rayonnement radioactif est le rayonnement qu'un isotope libère lors de sa désintégration. Il en existe trois variétés : les rayons alpha (le flux des noyaux atomiques d'hélium), les rayons bêta (le flux d'électrons) et les rayons gamma ( un rayonnement électromagnétique). Pour l'homme, le plus dangereux est le rayonnement gamma.

La dose de rayonnement absorbée est égale au rapport entre l’énergie reçue par le corps et la masse corporelle. La dose d'absorption est désignée par la lettre D et se mesure en grays.

En pratique, l'unité de mesure est aussi le roentgen (R), égal à 2,58 fois 10 puissance moins 4 coulomb, divisé par kilogramme.

Le rayonnement absorbé peut s'accumuler avec le temps, sa dose étant d'autant plus élevée durée plus longue irradiation.

Le débit de dose est déterminé par le rapport entre la dose de rayonnement absorbée et la durée d'irradiation. Il est désigné par la lettre N et se mesure en gris divisé par seconde.

Pour l’homme, la dose mortelle de rayonnement absorbé équivaut à 6 Gy. La dose de rayonnement maximale admissible pour l'homme est de 0,05 Gy par an.

BILLET 28 Question 1

Une particule élémentaire est un terme collectif qui fait référence à des micro-objets à l’échelle subnucléaire qui ne peuvent être divisés en leurs composants.

Il convient de garder à l'esprit que certaines particules élémentaires ( électron, neutrino, quarks etc.) sur ce moment sont considérés comme sans structure et sont considérés comme primaires particules fondamentales . D'autres particules élémentaires (appelées particules composites, y compris les particules qui composent le noyau atome - protons Et neutrons) ont un complexe structure interne, mais néanmoins, selon idées modernes, il est impossible de les séparer en parties en raison de l'effet confinement.

Au total avec antiparticules Plus de 350 particules élémentaires ont été découvertes. Parmi ceux-ci, les neutrinos photoniques, électroniques et muoniques, les électrons, les protons et leurs antiparticules sont stables. Les particules élémentaires restantes se désintègrent spontanément en un temps allant d'environ 1000 secondes (pour un neutron libre) à une fraction négligeable de seconde (de 10 −24 à 10 −22, pour résonances).

Avec les oscillations électromagnétiques, des changements périodiques dans la charge électrique, le courant et la tension se produisent. Les oscillations électromagnétiques sont divisées en gratuit, décoloration, forcé et les auto-oscillations.

Vibrations gratuites sont appelées oscillations qui se produisent dans le système (condensateur et bobine) après qu'il soit retiré de la position d'équilibre (lorsqu'une charge est transmise au condensateur). Plus précisément, des oscillations électromagnétiques libres se produisent lorsqu'un condensateur est déchargé à travers un inducteur. Forcé les oscillations sont appelées oscillations dans un circuit sous l'influence d'une force électromotrice externe changeant périodiquement.

Le système le plus simple dans lequel des oscillations électromagnétiques libres sont observées est circuit oscillatoire. se compose d’une inductance et d’un condensateur. Ce processus sera répété encore et encore. surgira vibrations électromagnétiques grâce à la conversion d'énergie champ électrique condensateur.

· Le condensateur, chargé à partir de la batterie, acquerra une charge maximale au moment initial. Son énergie Nous sera maximum (Fig. a).

· Si le condensateur est court-circuité avec une bobine, il commencera à se décharger à ce moment-là (Fig. b). Du courant apparaîtra dans le circuit. À mesure que le condensateur se décharge, le courant dans le circuit et dans la bobine augmente. En raison du phénomène d’auto-induction, cela ne se produit pas instantanément. Énergie de la bobine Wm devient maximale (Fig. c).

· Le courant d'induction circule dans le même sens. Des charges électriques s'accumulent à nouveau sur le condensateur. Le condensateur est rechargé, c'est-à-dire La plaque du condensateur, précédemment chargée positivement, deviendra chargée négativement. L'énergie du condensateur devient maximale. Le courant dans cette direction s'arrêtera et le processus se répétera dans la direction opposée (Fig. d). Ce processus sera répété encore et encore. surgira vibrations électromagnétiques en raison de la conversion de l'énergie du champ électrique du condensateur en énergie du champ magnétique de la bobine de courant, et vice versa. S'il n'y a pas de pertes (résistance R = 0), alors l'intensité du courant, la charge et la tension changent avec le temps selon une loi harmonique. Les oscillations qui se produisent selon la loi du cosinus ou du sinus sont appelées harmoniques. L'équation vibration harmonique charge: .

Un circuit dans lequel il n’y a pas de perte d’énergie est un circuit oscillatoire idéal. Période d'oscillations électromagnétiques dans un circuit oscillatoire idéal dépend de l'inductance de la bobine et de la capacité du condensateur et se trouve selon La formule de Thomson où L est l'inductance de la bobine, C est la capacité du condensateur, T est la période des oscillations électriques.
Dans un circuit oscillatoire réel, les oscillations électromagnétiques libres seront décoloration en raison de la perte d'énergie lors du chauffage des fils. Pour application pratique Il est important d'obtenir des oscillations électromagnétiques non amorties, et pour cela il est nécessaire de reconstituer le circuit oscillatoire en électricité afin de compenser les pertes d'énergie du générateur d'oscillations non amorties, qui est un exemple de système auto-oscillant.

Billet 29 question 1

Antiparticule - une particule jumelle d'une autre particule élémentaire, ayant le même masse et le même rotation, qui en diffère par les signes de toutes les autres caractéristiques d'interaction (des frais tels que électrique Et couleur charges, baryon et lepton nombres quantiques).

La définition même de ce qu’il faut appeler une « particule » dans une paire particule-antiparticule est largement arbitraire. Cependant, quand choix donné«particule», son antiparticule est déterminée de manière unique. La conservation du nombre de baryons dans les processus d'interaction faible permet de déterminer la « particule » dans n'importe quelle paire baryon-antibaryon de la chaîne des désintégrations baryoniques. Le choix d'un électron comme « particule » dans la paire électron-positon fixe (en raison de la conservation du nombre de leptons dans les processus interaction faible) détermination de l'état d'une « particule » dans une paire neutrino-antineutrino électronique. Les transitions entre leptons de différentes générations (type ) n'ont pas été observées, donc la définition d'une « particule » dans chaque génération de leptons, d'une manière générale, peut être faite indépendamment. Habituellement, par analogie avec un électron, les « particules » sont appelées chargées négativement. leptons, qui, tout en préservant le nombre de leptons, détermine le correspondant neutrino Et antineutrino. Pour bosons la notion de « particule » peut être fixée par définition, par exemple, hypercharge.

Une réaction en chaîne est une réaction chimique autonome dans laquelle des produits apparaissant initialement participent à la formation de nouveaux produits. Les réactions en chaîne se produisent généralement à grande vitesse et ressemblent souvent à une explosion.

Les réactions en chaîne passent par trois étapes principales : l'origine (initiation), le développement et la fin de la chaîne.

Riz. 9.13. Le profil énergétique d'une réaction (un tracé de l'énergie potentielle en fonction des coordonnées de la réaction) montrant un minimum qui correspond à la formation d'un intermédiaire de réaction.

Étape initiatique. A ce stade, la formation d'intermédiaires (produits intermédiaires) se produit. Les intermédiaires peuvent être des atomes, des ions ou des molécules neutres. L'initiation peut être réalisée par la lumière, le rayonnement nucléaire, l'énergie thermique (thermique), les anions ou les catalyseurs.

Stade de développement. À ce stade Produits intermédiaires réagir avec les réactifs d'origine, formant de nouveaux intermédiaires et produits finaux. L'étape de développement des réactions en chaîne se répète plusieurs fois, ce qui conduit à la formation d'un grand nombre de produits finaux et intermédiaires.

Étape de coupure de circuit. A ce stade, intervient la consommation finale des produits intermédiaires ou leur destruction. En conséquence, la réaction s'arrête. La réaction en chaîne peut se rompre spontanément ou sous l'influence de substances spéciales - des inhibiteurs.

Les réactions en chaîne jouent rôle important dans de nombreuses branches de la chimie, notamment en photochimie, chimie de combustion, réactions de fission nucléaire et de fusion nucléaire (voir chapitre 1), en chimie organique (voir chapitres 17 à 20).

Photochimie

Cette branche de la chimie couvre les processus chimiques associés à l'effet de la lumière sur la matière. Un exemple de processus photochimique est la photosynthèse.

De nombreuses réactions en chaîne sont initiées par la lumière. La particule initiatrice dans ce cas est un photon, qui possède de l'énergie (voir section 1.2). Un exemple classique est la réaction entre l’hydrogène et le chlore en présence de lumière.

Cette réaction se déroule de manière explosive. Il comprend les trois étapes suivantes.

Initiation. À ce stade, la liaison covalente dans la molécule de chlore est rompue, entraînant la formation de deux atomes, chacun avec un électron non apparié :

Une réaction de ce type est l'homolyse, ou division hémolytique (voir section 17.3). C'est aussi un exemple de photolyse. Le terme photolyse signifie décomposition photochimique. Les deux atomes de chlore formés sont des intermédiaires. Ce sont des radicaux. Un radical est un atome (ou un groupe d’atomes) qui possède au moins un électron non apparié. Il convient de noter que bien que l’étape d’initiation soit l’étape la plus lente de la réaction en chaîne, elle ne détermine pas la vitesse de l’ensemble de la réaction en chaîne.

Stade de développement. À ce stade, les atomes de chlore réagissent avec les molécules d'hydrogène pour former le produit final - le chlorure d'hydrogène, ainsi que les radicaux hydrogène. Les radicaux hydrogène réagissent avec les molécules de chlore ; en conséquence, de nouvelles portions du produit et de nouveaux radicaux chlorés se forment :

Ces deux réactions, qui constituent ensemble le stade de développement, se répètent des millions de fois.

Étape de coupure de circuit. La réaction en chaîne s’arrête finalement

des réactions telles que

Pour absorber l'énergie libérée lors de ces réactions de terminaison de chaîne, il est nécessaire qu'un tiers corps y participe. Ce troisième corps est généralement constitué des parois de la cuve dans laquelle s'effectue la réaction.

Rendement quantique

L'absorption d'un photon de lumière par une molécule de chlore dans la réaction en chaîne décrite ci-dessus peut entraîner la formation de millions de molécules de chlorure d'hydrogène. Le rapport entre le nombre de molécules du produit et le nombre de quanta de lumière (photons) initiant la réaction est appelé rendement quantique. Le rendement quantique des réactions photochimiques peut aller de un à plusieurs millions. Un rendement quantique élevé indique la nature en chaîne de la réaction qui se produit.

Photolyse pulsée

C'est le nom de la technique utilisée pour obtenir des radicaux à une concentration suffisamment élevée pour les détecter. En figue. La figure 9.14 montre un schéma simplifié de la configuration utilisée pour la photolyse flash. Le mélange réactionnel est affecté

Riz. 9.14. Photolyse pulsée.

avec un puissant flash de lumière provenant d’une source pulsée spéciale. Une telle source permet de créer des éclairs lumineux d'une énergie allant jusqu'à 105 J et d'une durée de l'ordre de s ou inférieure. Techniques modernes La photolyse pulsée utilise des lasers pulsés avec une durée d'éclair de l'ordre de la nanoseconde (10-9 s). La réaction se produisant à la suite d'un tel éclair de lumière peut être surveillée en enregistrant une séquence de spectres d'absorption optique du mélange réactionnel. Le premier flash est suivi d'une série de flashs provenant d'une source pulsée de faible puissance. Ces flashs se succèdent à des intervalles de l'ordre de la milliseconde ou de la microseconde et permettent d'enregistrer les spectres d'absorption du mélange réactionnel à de tels intervalles de temps.

La combustion

La réaction avec l’oxygène, entraînant la libération d’énergie thermique et de lumière, est appelée combustion. La combustion se produit généralement comme une séquence complexe de réactions radicalaires.

Prenons comme exemple la combustion de l'hydrogène. Dans certaines conditions, cette réaction se produit de manière explosive. En figue. La figure 9.15 présente des données expérimentales pour la réaction d'un mélange stœchiométrique d'hydrogène et d'oxygène dans un réacteur Pyrex. La zone grisée du diagramme correspond à la région explosive de cette réaction. Pour la réaction de combustion de l'hydrogène, cette section du diagramme a la forme d'une péninsule explosive. La zone d'explosion est limitée par les limites de l'explosion.

Riz. 9h15. Conditions d'apparition explosive de la réaction de combustion de l'hydrogène :

Considérons le mécanisme de la réaction en chaîne de fission. Lors de la fission de noyaux lourds sous l’influence de neutrons, de nouveaux neutrons sont produits. Par exemple, à chaque fission du noyau d'uranium 92 U 235, 2,4 neutrons en moyenne sont produits. Certains de ces neutrons peuvent à nouveau provoquer une fission nucléaire. Ce processus semblable à une avalanche est appelé réaction en chaîne .
La réaction de fission en chaîne se produit dans un environnement dans lequel se produit le processus de multiplication des neutrons. Cet environnement est appelé cœur . La grandeur physique la plus importante caractérisant l’intensité de la multiplication des neutrons est facteur de multiplication des neutrons dans le milieu k ∞ . Le coefficient de multiplication est égal au rapport entre le nombre de neutrons dans une génération et leur nombre dans la génération précédente. L'indice ∞ indique que nous parlons de sur un environnement idéal aux dimensions infinies. De la même manière que la valeur k ∞ est déterminée facteur de multiplication des neutrons dans un système physique k. Le facteur k est une caractéristique d'une installation spécifique.
Dans un milieu fissile de dimensions finies, certains neutrons vont s'échapper du cœur vers l'extérieur. Le coefficient k dépend donc également de la probabilité P pour qu'un neutron ne s'échappe pas du cœur. Prieuré A

k = k ∞ P.

(1)

La valeur de P dépend de la composition de la zone active, de sa taille, de sa forme, ainsi que du degré de réflexion des neutrons par la substance entourant la zone active.
Les concepts importants de masse critique et de dimensions critiques sont associés à la possibilité que des neutrons quittent le cœur. Taille critique est la taille de la zone active à laquelle k = 1. Masse critique est appelée la masse du noyau de dimensions critiques. Il est évident que lorsque la masse est inférieure à la masse critique, la réaction en chaîne ne se produit pas, même si > 1. Au contraire, un excès notable de masse au-dessus de la masse critique conduit à une réaction incontrôlée - une explosion.
Si dans la première génération il y a N neutrons, alors dans la nième génération il y aura Nk n. Par conséquent, à k = 1, la réaction en chaîne se déroule de manière stationnaire, à k< 1 реакция гаснет, а при k >1 l'intensité de la réaction augmente. Lorsque k = 1 le mode de réaction est appelé critique , pour k > 1 – supercritique et à k< 1 – sous-critique .
La durée de vie d'une génération de neutrons dépend fortement des propriétés du milieu et est de l'ordre de 10–4 à 10–8 s. En raison de la brièveté de ce temps, pour effectuer une réaction en chaîne contrôlée, il est nécessaire de maintenir l'égalité k = 1 avec une grande précision, car, disons, à k = 1,01, le système explosera presque instantanément. Voyons quels facteurs déterminent les coefficients k ∞ et k.
La première quantité qui détermine k ∞ (ou k) est le nombre moyen de neutrons émis lors d'un événement de fission. Le nombre dépend du type de combustible et de l’énergie du neutron incident. Dans le tableau 1 montre les valeurs des principaux isotopes Pouvoir nucléaireà la fois pour les neutrons thermiques et rapides (E = 1 MeV).

Le spectre énergétique des neutrons de fission pour l'isotope 235 U est représenté sur la figure. 1. Les spectres de ce type sont similaires pour tous les isotopes fissiles : il existe une forte dispersion des énergies, la majeure partie des neutrons ayant des énergies comprises entre 1 et 3 MeV. Les neutrons produits lors de la fission ralentissent, diffusent sur une certaine distance et sont absorbés avec ou sans fission. Selon les propriétés du milieu, les neutrons ont le temps de ralentir jusqu'à différentes énergies avant d'être absorbés. En présence d'un bon modérateur, la majorité des neutrons ont le temps de ralentir jusqu'à des énergies thermiques de l'ordre de 0,025 eV. Dans ce cas, la réaction en chaîne est appelée lent, ou, ce qui est pareil, thermique. En l'absence d'un modérateur spécial, les neutrons n'ont que le temps de ralentir jusqu'à des énergies de 0,1 à 0,4 MeV, car tous les isotopes fissiles sont lourds et ralentissent donc mal. Les réactions en chaîne correspondantes sont appelées rapide(nous soulignons que les épithètes « rapide » et « lent » caractérisent la vitesse des neutrons, et non la vitesse de la réaction). Les réactions en chaîne dans lesquelles les neutrons sont ralentis à des énergies allant de quelques dizaines à un keV sont appelées intermédiaire .
Lorsqu'un neutron entre en collision avec un noyau lourd, la capture radiative d'un neutron (n, γ) est toujours possible. Ce processus entrera en concurrence avec la division et réduira ainsi le taux de multiplication. Il s'ensuit que la deuxième grandeur physique qui affecte les coefficients k ∞ , k est la probabilité de fission lorsqu'un neutron est capturé par le noyau d'un isotope fissile. Cette probabilité pour les neutrons monoénergétiques est évidemment égale à

(2)

où nf, nγ sont respectivement les sections efficaces de fission et de capture de rayonnement. Pour prendre en compte simultanément à la fois le nombre de neutrons par événement de fission et la probabilité de capture radiative, un coefficient η est introduit, égal au nombre moyen de neutrons secondaires par capture de neutrons par un noyau fissile.

(3)

la valeur de η dépend du type de combustible et de l'énergie des neutrons. Les valeurs de η pour les isotopes les plus importants pour les neutrons thermiques et rapides sont données dans le même tableau. 1. La valeur de η est la caractéristique la plus importante des noyaux combustibles. Une réaction en chaîne ne peut se produire que lorsque η > 1. Plus la valeur de η est élevée, plus la qualité du carburant est élevée.

Tableau 1. Valeurs de ν, η pour les isotopes fissiles

Cœur		92 U233	92 U235	94 Pu 239
Neutrons thermiques (E = 0,025 eV)	ν	2.52	2.47	2.91
Neutrons thermiques (E = 0,025 eV)	η	2.28	2.07	2.09
Neutrons rapides (E = 1 MeV)	ν	2.7	2.65	3.0
Neutrons rapides (E = 1 MeV)	η	2.45	2.3	2.7

La qualité du combustible nucléaire est déterminée par sa disponibilité et son coefficient η. On ne trouve dans la nature que trois isotopes pouvant servir de combustible nucléaire ou de matières premières pour sa production. Il s'agit de l'isotope du thorium 232 Th et des isotopes de l'uranium 238 U et 235 U. Parmi ceux-ci, les deux premiers ne donnent pas lieu à une réaction en chaîne, mais peuvent être transformés en isotopes sur lesquels la réaction se produit. L'isotope 235 U lui-même provoque une réaction en chaîne. DANS la croûte terrestre le thorium est plusieurs fois supérieur à l'uranium. Le thorium naturel est pratiquement constitué d'un seul isotope, le 232 Th. L'uranium naturel est principalement constitué de l'isotope 238 U et de seulement 0,7 % de l'isotope 235 U.
En pratique, la question de la faisabilité d'une réaction en chaîne sur un mélange naturel d'isotopes de l'uranium, dans lequel il y a 140 238 noyaux d'U pour un noyau de 235 U, est extrêmement importante. Montrons que sur un mélange naturel une réaction lente est possible , mais un rapide ne l'est pas. Pour considérer une réaction en chaîne dans un mélange naturel, il convient d'introduire une nouvelle quantité - la section efficace moyenne d'absorption des neutrons par noyau de l'isotope 235 U. Par définition

Pour les neutrons thermiques = 2,47, = 580 granges, = 112 granges, = 2,8 granges (notez la petite taille de la dernière section efficace). En substituant ces chiffres dans (5), on obtient celui pour les neutrons lents dans un mélange naturel

Cela signifie que 100 neutrons thermiques, absorbés dans le mélange naturel, vont créer 132 nouveaux neutrons. Il en résulte directement qu'une réaction en chaîne avec des neutrons lents est en principe possible sur l'uranium naturel. En principe, car pour mettre en œuvre réellement une réaction en chaîne, il faut être capable de ralentir les neutrons avec de faibles pertes.
Pour les neutrons rapides ν = 2,65, 2 granges, 0,1 granges. Si l'on prend en compte la fission uniquement sur l'isotope 235 U, on obtient

235 (rapide) 0,3.

(7)

Mais il faut aussi tenir compte du fait que des neutrons rapides d'énergie supérieure à 1 MeV peuvent, avec une intensité relative notable, diviser les noyaux de l'isotope 238 U, très abondant dans le mélange naturel. Pour une division par 238 U, le coefficient est d'environ 2,5. Dans le spectre de fission, environ 60 % des neutrons ont des énergies supérieures au seuil effectif de fission de 1,4 MeV par 238 U. Mais parmi ces 60 %, seul un neutron sur 5 parvient à fission sans ralentir jusqu'à une énergie inférieure au seuil en raison de diffusion élastique et surtout inélastique. De là, pour le coefficient 238 (rapide) on obtient l'estimation

Ainsi, une réaction en chaîne dans un mélange naturel (235 U + 238 U) ne peut pas se produire avec des neutrons rapides. Il a été établi expérimentalement que pour l'uranium métallique pur, le facteur de multiplication atteint une valeur unitaire avec un enrichissement de 5,56 %. En pratique, il s'avère que la réaction avec les neutrons rapides ne peut être maintenue que dans un mélange enrichi contenant au moins 15 % de l'isotope 235 U.
Un mélange naturel d'isotopes de l'uranium peut être enrichi avec l'isotope 235 U. L'enrichissement est un processus complexe et coûteux en raison du fait que Propriétés chimiques les deux isotopes sont presque identiques. Il est nécessaire de tirer parti des petites différences dans les vitesses de réactions chimiques, de diffusion, etc., dues aux différences dans les masses des isotopes. La réaction en chaîne avec 235 U est presque toujours réalisée dans un environnement à forte teneur en 238 U. Un mélange naturel d'isotopes est souvent utilisé, pour lequel η = 1,32 dans le domaine des neutrons thermiques, puisque 238 U est également utile. L'isotope 238 U est fissile par les neutrons d'énergie supérieure à 1 MeV. Cette fission se traduit par une petite multiplication supplémentaire des neutrons.
Comparons les réactions de fission en chaîne avec les neutrons thermiques et rapides.
Pour les neutrons thermiques, les sections efficaces de capture sont grandes et varient fortement lors du passage d'un noyau à l'autre. Sur les noyaux de certains éléments (par exemple le cadmium), ces sections efficaces sont des centaines de fois voire plus supérieures aux sections efficaces du 235 U. Par conséquent, des exigences de pureté élevées sont imposées au cœur des installations de neutrons thermiques par rapport à certaines impuretés.
Pour les neutrons rapides, toutes les sections efficaces de capture sont petites et peu différentes les unes des autres, de sorte que le problème de la grande pureté des matériaux ne se pose pas. Un autre avantage des réactions rapides est un taux de reproduction plus élevé.
Une propriété distinctive importante des réactions thermiques est que dans le noyau, le combustible est beaucoup plus dilué, c'est-à-dire qu'il y a beaucoup plus de noyaux par noyau de combustible qui ne participent pas à la fission qu'à une réaction rapide. Par exemple, dans une réaction thermique sur l'uranium naturel, il y a 140 noyaux de matière première de 238 U pour un noyau de combustible de 235 U, et dans une réaction rapide, il ne peut y avoir plus de cinq à six noyaux de 238 U pour un noyau de 235 U. la dilution du carburant dans une réaction thermique conduit au fait qu'une seule et même énergie dans une réaction thermique est libérée dans un volume de matière beaucoup plus important que dans une réaction rapide. Ainsi, il est plus facile d'évacuer la chaleur de la zone active d'une réaction thermique, ce qui permet de réaliser cette réaction avec une plus grande intensité qu'une réaction rapide.
La durée de vie d’une génération de neutrons pour une réaction rapide est plusieurs ordres de grandeur plus courte que pour une réaction thermique. Par conséquent, la vitesse d’une réaction rapide peut changer sensiblement après très un bref délais après un changement des conditions physiques dans le noyau. Pendant le fonctionnement normal du réacteur, cet effet est insignifiant, puisque dans ce cas le mode de fonctionnement est déterminé par la durée de vie des neutrons retardés plutôt que rapides.
Dans un milieu homogène constitué uniquement d'isotopes fissiles d'un même type, le facteur de multiplication serait égal à η. Cependant, dans les situations réelles, outre les noyaux fissiles, il en existe toujours d'autres, non fissiles. Ces noyaux étrangers vont capturer les neutrons et affecter ainsi le facteur de multiplication. Il s'ensuit que la troisième grandeur déterminant les coefficients k ∞ , k, est la probabilité que le neutron ne soit pas capturé par l'un des noyaux non fissiles. Dans les installations réelles, la capture « étrangère » s'effectue sur les cœurs du modérateur, sur les cœurs de divers éléments de structure, ainsi que sur les cœurs des produits de fission et des produits de capture.
Pour effectuer une réaction en chaîne avec des neutrons lents, des substances spéciales sont introduites dans le cœur - des modérateurs, qui convertissent les neutrons de fission en neutrons thermiques. En pratique, la réaction neutronique lente en chaîne est réalisée sur de l'uranium naturel ou légèrement enrichi avec l'isotope 235 U. La présence d'une grande quantité d'isotope 238 U dans le cœur complique le processus de modération et oblige à imposer des exigences élevées en matière de qualité du modérateur. La vie d'une génération de neutrons dans un cœur avec modérateur peut être approximativement divisée en deux étapes : la modération aux énergies thermiques et la diffusion. taux thermiques avant absorption. Pour que la majorité des neutrons aient le temps de ralentir sans absorption, la condition doit être remplie

où contrôle σ, capture σ sont respectivement les sections efficaces moyennes en énergie pour la diffusion élastique et la capture, et n est le nombre de collisions de neutrons avec des noyaux modérateurs requis pour obtenir de l'énergie thermique. Le nombre n augmente rapidement avec l'augmentation du nombre de masse du modérateur. Pour l'uranium 238 U, le nombre n est de l'ordre de plusieurs milliers. Et le rapport σ contrôle /σ capture pour cet isotope, même dans la région énergétique relativement favorable des neutrons rapides, ne dépasse pas 50. La région dite de résonance de 1 keV à 1 eV est particulièrement « dangereuse » en ce qui concerne la capture des neutrons. . Dans cette région, la section efficace totale pour l'interaction d'un neutron avec des noyaux à 238 U présente un grand nombre de résonances intenses (Fig. 2). Aux basses énergies, les largeurs de rayonnement dépassent les largeurs des neutrons. Par conséquent, dans la région de résonance, le rapport contrôle σ/capture σ devient encore inférieur à l’unité. Cela signifie que lorsqu'un neutron pénètre dans la région de l'une des résonances, il est absorbé avec une probabilité de près de cent pour cent. Et puisque le ralentissement sur un noyau aussi lourd que l'uranium se produit par « petites étapes », alors en traversant la région de résonance, le neutron qui ralentit « heurtera » définitivement l'une des résonances et sera absorbé. Il s'ensuit qu'une réaction en chaîne ne peut pas être réalisée sur l'uranium naturel sans impuretés étrangères : sur les neutrons rapides, la réaction ne se produit pas en raison de la faiblesse du coefficient η et les neutrons lents ne peuvent pas se former. Il est nécessaire d'utiliser des noyaux très légers pour les ralentir, dans lesquels le ralentissement se produit par « grands pas », ce qui augmente considérablement la probabilité qu'un neutron réussisse à « sauter » à travers la région de l'énergie de résonance. Les meilleurs éléments modérateurs sont l’hydrogène, le deutérium, le béryllium et le carbone. Par conséquent, les modérateurs utilisés dans la pratique se résument principalement à l'eau lourde, au béryllium, à l'oxyde de béryllium, au graphite, ainsi qu'à l'eau ordinaire, qui ne ralentit pas les neutrons pas plus que l'eau lourde, mais les absorbe en quantités beaucoup plus importantes. Le ralentisseur doit être bien nettoyé. A noter que pour réaliser une réaction lente, le modérateur doit être des dizaines voire des centaines de fois plus grand que l'uranium afin d'éviter les collisions résonantes de neutrons avec les noyaux de 238 U.

Les propriétés modératrices du milieu actif peuvent être décrites approximativement par trois grandeurs : la probabilité qu'un neutron évite son absorption par un modérateur pendant la modération, la probabilité p d'éviter la capture résonante par les noyaux de 238 U et la probabilité f qu'un neutron thermique soit absorbé. par un noyau combustible plutôt que par un modérateur. La valeur f est habituellement appelée coefficient d'utilisation thermique. Le calcul précis de ces quantités est difficile. Habituellement, des formules semi-empiriques approximatives sont utilisées pour les calculer.

Les valeurs de p et f dépendent non seulement de la quantité relative du modérateur, mais également de la géométrie de son placement dans le noyau. La zone active, constituée d'un mélange homogène d'uranium et de modérateur, est dite homogène, et le système de leurs blocs alternés d'uranium et de modérateur est dit hétérogène (Fig. 4). Un système qualitativement hétérogène se distingue par le fait que le neutron rapide formé dans l'uranium parvient à entrer dans le modérateur sans atteindre les énergies de résonance. Une décélération supplémentaire se produit dans un modérateur pur. Cela augmente la probabilité p d'éviter la capture résonante

p het > p homo.

En revanche, au contraire, devenu thermique dans le modérateur, le neutron doit, pour participer à la réaction en chaîne, diffuser, sans être absorbé dans le modérateur pur, jusqu'à sa frontière. Par conséquent, le facteur d'utilisation thermique f dans un environnement hétérogène est inférieur à celui d'un environnement homogène :

f obtenir< f гом.

Pour estimer le facteur de multiplication k ∞ d'un réacteur thermique, une approximation formule à quatre facteurs

k∞ = η pfε .

(11)

Nous avons déjà examiné les trois premiers facteurs plus tôt. La quantité ε est appelée facteur de multiplication des neutrons rapides . Ce coefficient est introduit afin de tenir compte du fait que certains neutrons rapides peuvent fission sans avoir le temps de ralentir. Dans son sens, le coefficient ε dépasse toujours un. Mais cet excédent est généralement faible. La valeur ε = 1,03 est typique pour les réactions thermiques. Pour les réactions rapides, la formule de quatre facteurs n'est pas applicable, car chaque coefficient dépend de l'énergie et la propagation de l'énergie dans les réactions rapides est très importante.
Étant donné que la valeur de η est déterminée par le type de carburant et que la valeur de ε pour les réactions lentes ne diffère presque pas de l'unité, la qualité d'un milieu actif particulier est déterminée par le produit pf. Ainsi, l'avantage d'un milieu hétérogène sur un milieu homogène se manifeste quantitativement dans le fait que, par exemple, dans un système dans lequel il y a 215 noyaux de graphite par noyau d'uranium naturel, le produit pf est égal à 0,823 pour un milieu hétérogène et 0,595 pour un homogène. Et puisque pour un mélange naturel η = 1,34, on obtient cela pour un milieu hétérogène k ∞ > 1, et pour un milieu homogène k ∞< 1.
Pour mise en œuvre pratique Dans une réaction stationnaire en chaîne, il faut pouvoir contrôler cette réaction. Ce contrôle est grandement simplifié du fait de l'émission de neutrons retardés lors de la fission. L'écrasante majorité des neutrons s'échappent du noyau presque instantanément (c'est-à-dire dans un temps qui est de plusieurs ordres de grandeur plus court que la durée de vie d'une génération de neutrons dans le noyau), mais plusieurs dixièmes de pour cent des neutrons sont retardés et s'échappent du noyau. fragmenter les noyaux après une période de temps assez longue - de fractions de secondes à plusieurs voire dizaines de secondes. L’effet des neutrons retardés peut être expliqué qualitativement comme suit. Laissez le facteur de multiplication augmenter instantanément d'une valeur sous-critique à une valeur supercritique telle 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 capture de neutrons par des noyaux ne participant pas à la réaction en chaîne réduit l'intensité de la réaction, mais peut être bénéfique en ce qui concerne la formation de nouveaux isotopes fissiles. Ainsi, lorsque les neutrons sont absorbés à partir des isotopes de l'uranium 238 U et du thorium 232 Th, se forment les isotopes du plutonium 239 Pu et de l'uranium 233 U (par deux désintégrations β successives), qui sont du combustible nucléaire :

(12)

(13)

Ces deux réactions ouvrent une réelle possibilité reproduction du combustible nucléaire lors d’une réaction en chaîne. Dans le cas idéal, c'est-à-dire en l'absence de pertes inutiles de neutrons, on peut utiliser en moyenne 1 neutron pour la reproduction pour chaque acte d'absorption d'un neutron par un noyau combustible.

Réacteurs nucléaires (nucléaires)

Un réacteur est un dispositif dans lequel une réaction de fission en chaîne contrôlée est maintenue. Lorsque le réacteur fonctionne, de la chaleur est dégagée en raison de la nature exothermique de la réaction de fission. La principale caractéristique d'un réacteur est sa puissance, c'est-à-dire la quantité d'énergie thermique libérée par unité de temps. La puissance du réacteur est mesurée en mégawatts (10 6 W). Une puissance de 1 MW correspond à une réaction en chaîne dans laquelle se produisent 3,1016 événements de fission par seconde. Il existe un grand nombre de types différents de réacteurs. L'un des schémas typiques d'un réacteur thermique est illustré à la Fig. 5.
La partie principale du réacteur est la zone active dans laquelle se produit la réaction et libère ainsi de l'énergie. Dans les réacteurs à neutrons thermiques et intermédiaires, le cœur est constitué d'un combustible, généralement mélangé à un isotope non fissile (généralement 238 U), et d'un modérateur. Il n’y a pas de modérateur dans le cœur des réacteurs à neutrons rapides.
Le volume du cœur varie du dixième de litre dans certains réacteurs à neutrons rapides à des dizaines de mètres cubes dans les grands réacteurs thermiques. Pour réduire les fuites de neutrons, le noyau prend une forme sphérique ou quasi sphérique (par exemple, un cylindre d'une hauteur approximativement égale au diamètre, ou un cube).
Selon la localisation relative du combustible et du modérateur, on distingue les réacteurs homogènes et hétérogènes. Un exemple de zone active homogène est une solution de sel de sulfate d'uranyle et d'U 2 SO 4 dans de l'eau ordinaire ou lourde. Les réacteurs hétérogènes sont plus courants. Dans les réacteurs hétérogènes, le cœur est constitué d'un modérateur dans lequel sont placées des cassettes contenant du combustible. Puisque l’énergie est libérée dans ces cassettes, on les appelle éléments combustibles ou pour faire court crayons de combustible. La zone active avec réflecteur est souvent enfermée dans un boîtier en acier.

Le rôle des neutrons retardés dans le contrôle des réacteurs nucléaires

Réaction en chaîne contrôlée.

Si une réaction en chaîne est limitée dans son développement de telle sorte que le nombre de neutrons produits par unité de temps, atteignant un certain d'une grande importance, cesserait alors d’augmenter, puis une réaction en chaîne auto-entretenue de fission se produirait calmement. Il ne sera possible de contrôler la réaction que s'il s'avère possible de réguler le coefficient de multiplication des neutrons keff de manière suffisamment lente et douce, et pour un système optimal, keff ne devrait dépasser l'unité que de 0,5 %. Les physiciens soviétiques Ya.B. Zeldovitch et Yu.B. Khariton a montré théoriquement (1939) qu'une réaction en chaîne contrôlée peut être réalisée sur l'uranium naturel.

Pour le développement d'un processus en chaîne dans l'uranium naturel, les neutrons doivent être ralentis jusqu'à des vitesses thermiques, car dans ce cas la probabilité de leur capture par les noyaux d'U avec fission ultérieure augmente fortement. À cette fin, des substances spéciales sont utilisées - ralentisseurs.

Le contrôle d'une réaction en chaîne stationnaire (k eff =1) est considérablement simplifié grâce à la présence neutrons retardés(voir article 3.6). Il s'avère que le temps « d'accélération » de la réaction T (le temps pendant lequel le nombre de fissions augmente de e"2,71 fois) à un faible degré de supercriticité (k eff – 1<< 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T = t ×b / (k eff - 1),

où t z est la durée de vie moyenne des neutrons retardés (t z ~ 14,4 s),

b est la fraction de neutrons retardés (b ~ 0,68 % pour U).

Puisque la valeur t × b est de l'ordre de ~ 5 × 10 -2 s., l'intensité de la réaction augmentera assez lentement et la réaction est bien régulée.

La valeur du keff peut être contrôlée en introduisant automatiquement dans le noyau des substances qui absorbent fortement les neutrons - absorbeurs.

12.3.1. Réacteur nucléaire

Le dispositif dans lequel une réaction de fission nucléaire stationnaire est réalisée et entretenue est appelé réacteur nucléaire ou chaudière atomique.

Le premier réacteur nucléaire a été construit sous la direction d'E. Fermi fin 1942 (USA). Le premier réacteur européen a été créé en 1946 à Moscou sous la direction de I.V. Kurchatov.

Actuellement, il existe environ un millier de réacteurs nucléaires de différents types en activité dans le monde, qui diffèrent :

· selon le principe de fonctionnement (réacteurs utilisant des neutrons thermiques, rapides, etc.) ;

· par type de modérateur (eau lourde, graphite, etc.) ;

· selon le combustible utilisé (uranium, thorium, plutonium) ;

· selon la destination (recherche, médicale, énergétique, pour la reproduction de combustible nucléaire, etc.)

Les principales parties d'un réacteur nucléaire (voir Fig. 4.5) sont :

· dans la zone active (1), où se trouve le combustible nucléaire, une réaction de fission en chaîne se produit et de l'énergie est libérée ;

· réflecteur de neutrons (2) entourant le noyau ;

· système de régulation du processus en chaîne sous forme de barres absorbantes de neutrons (3) ;

· radioprotection (4) contre les radiations ;

· liquide de refroidissement (5).

DANS homogène Dans les réacteurs, le combustible nucléaire et le modérateur sont mélangés pour former un mélange homogène (par exemple, sels d'actinouranium et eau lourde). DANS hétérogène réacteurs (Fig. 4.6) le combustible nucléaire est placé dans le cœur sous forme de crayons de combustible ( éléments combustibles) - des blocs-tiges (1) de petite section, enfermés dans une coque hermétique qui absorbe faiblement les neutrons. Il y a un modérateur (2) entre les barres de combustible.

Les neutrons produits lors de la fission nucléaire, n'ayant pas le temps d'être absorbés dans les crayons combustibles, pénètrent dans le modérateur, où ils perdent leur énergie, ralentissant jusqu'aux vitesses thermiques. En remontant ensuite dans l'un des crayons combustibles, les neutrons thermiques ont une forte probabilité d'être absorbés par des noyaux capables de fission (U, U, Pu). Les neutrons capturés par les noyaux d'U jouent également un rôle positif, reconstituant dans une certaine mesure la consommation de combustible nucléaire.

Les bons modérateurs sont les noyaux légers : deutérium, béryllium, carbone, oxygène. Le meilleur modérateur de neutrons est une combinaison de deutérium et d'oxygène - eau lourde. Cependant, en raison de son coût élevé, le carbone est plus souvent utilisé sous forme de carbone très pur. graphite. Le béryllium et son oxyde sont également utilisés. Les éléments combustibles et le modérateur forment généralement un réseau régulier (par exemple uranium-graphite).

En raison de l’énergie de fission, les barres de combustible s’échauffent. Pour le refroidissement, ils sont placés dans le flux liquide de refroidissement(air, eau, vapeur d'eau, He, CO 2...).

Du fait que les neutrons sont perdus dans le modérateur et dans les noyaux des fragments de fission, le réacteur doit avoir des dimensions supercritiques et produire un excès de neutrons. Le contrôle du processus en chaîne (c'est-à-dire l'élimination des neutrons en excès) est effectué par des barres de commande (3) (voir Fig. 4.5 ou 4.6) constituées de matériaux fortement absorbant les neutrons (acier au bore, cadmium).

Les paramètres du réacteur sont calculés de telle manière que lorsque les barres absorbantes sont complètement insérées dans le cœur, la réaction ne se produit pas. Avec le retrait progressif des barres, le facteur de multiplication des neutrons augmente et, à une certaine position, Keff atteint l'unité, le réacteur commence à fonctionner. Le mouvement des tiges de l'absorbeur s'effectue depuis le panneau de commande. La régulation est simplifiée grâce à la présence de neutrons retardés.

La principale caractéristique d’un réacteur nucléaire est sa puissance. Une puissance de 1 MW correspond à un processus en chaîne dans lequel 3 × 10 16 événements de fission se produisent par seconde. Le réacteur a urgence des tiges dont l'introduction, avec une brusque augmentation de la puissance de la réaction, la réinitialise immédiatement.

Lors du fonctionnement d'un réacteur nucléaire, une épuisement du combustible nucléaire, des fragments de fission s'accumulent, des éléments transuraniens se forment. L'accumulation de fragments provoque une diminution de k eff. Ce processus est appelé empoisonnement réacteur (si les fragments sont radioactifs) et scories(si les fragments sont stables). En cas d'empoisonnement, k eff diminue de (1¸3) %. Pour garantir que la réaction ne s'arrête pas, des tiges spéciales (compensatrices) sont progressivement (automatiquement) retirées du noyau. Lorsque le combustible nucléaire brûle complètement, il est retiré (après l'arrêt de la réaction) et du nouveau combustible est chargé.

Parmi les réacteurs nucléaires, une place particulière est occupée par réacteurs surgénérateurs sur les neutrons rapides - éleveurs. Dans ceux-ci, la production d'électricité s'accompagne de la reproduction de combustible nucléaire secondaire (plutonium) grâce à la réaction (3.5), grâce à laquelle non seulement l'isotope U, mais aussi l'U est utilisé efficacement (voir §3.6). Cela permet de résoudre radicalement le problème de l'approvisionnement en combustible nucléaire : pour 100 noyaux utilisés dans un tel réacteur, 150 nouveaux noyaux capables de fission sont produits. La technologie des réacteurs à neutrons rapides en est au stade de la recherche des meilleures solutions d'ingénierie. La première station industrielle pilote de ce type (Shevchenko) sert à produire de l'électricité et à dessaler l'eau de mer (mer Caspienne).