Nucleaire kettingreactie

Ketenkernreactie- een reeks afzonderlijke kernreacties, die elk worden veroorzaakt door een deeltje dat in de vorige stap van de reeks als reactieproduct verscheen. Een voorbeeld van een nucleaire kettingreactie is de kettingreactie van kernsplijting van zware elementen, waarbij het grootste aantal splijtingsgebeurtenissen wordt geïnitieerd door neutronen verkregen uit kernsplijting in de vorige generatie.

Krachtontgrendelingsmechanisme:

De transformatie van een stof gaat alleen gepaard met het vrijkomen van vrije energie als de stof een energiereserve heeft. Dit laatste betekent dat de microdeeltjes van de stof zich in een toestand bevinden met een grotere rustenergie dan in een andere mogelijke toestand waarnaar de overgang bestaat. Spontane overgang wordt altijd voorkomen door een energiebarrière, om te overwinnen waarvoor het microdeeltje een bepaalde hoeveelheid energie van buitenaf moet ontvangen - de energie van excitatie. De exo-energetische reactie bestaat erin dat bij de transformatie die volgt op de excitatie meer energie vrijkomt dan nodig is om het proces te stimuleren. Er zijn twee manieren om de energiebarrière te overwinnen: ofwel door de kinetische energie van de botsende deeltjes, ofwel door de bindingsenergie van het opkomende deeltje.

Als we rekening houden met de macroscopische schalen van de energieafgifte, dan moet de kinetische energie die nodig is voor het opwekken van reacties alle, of in ieder geval enkele, deeltjes van de stof hebben. Dit is alleen haalbaar wanneer de temperatuur van het medium stijgt tot een waarde waarbij de energie van thermische beweging de waarde van de energiedrempel benadert, wat het verloop van het proces beperkt. In het geval van moleculaire transformaties, dat wil zeggen chemische reacties, is een dergelijke toename meestal honderden kelvins, terwijl het in het geval van kernreacties ten minste 107 K is als gevolg van zeer grote hoogte Coulomb-barrières van botsende kernen. Thermische excitatie van kernreacties is in de praktijk alleen uitgevoerd bij de synthese van de lichtste kernen, waarbij de Coulomb-barrières minimaal zijn (thermonucleaire fusie).

Excitatie door de verbindende deeltjes vereist geen grote kinetische energie en is daarom niet afhankelijk van de temperatuur van het medium, omdat het optreedt als gevolg van ongebruikte bindingen die inherent zijn aan de deeltjes van aantrekkende krachten. Maar aan de andere kant zijn de deeltjes zelf nodig om de reacties op te wekken. En als we dan weer niet een aparte reactiehandeling voor ogen hebben, maar de productie van energie op macroscopische schaal, dan kan dat alleen als er een kettingreactie plaatsvindt. Dit laatste ontstaat wanneer de deeltjes die de reactie opwekken weer verschijnen als producten van de exo-energetische reactie.

kettingreacties

Kettingreacties zijn wijdverbreid onder chemische reacties, waar de rol van deeltjes met ongebruikte bindingen wordt uitgevoerd door vrije atomen of radicalen. Het kettingreactiemechanisme bij nucleaire transformaties kan worden geleverd door neutronen die geen Coulomb-barrière hebben en kernen exciteren bij absorptie. Het verschijnen van het vereiste deeltje in het medium veroorzaakt een keten van reacties die op elkaar volgen, die doorgaat totdat de keten wordt beëindigd door het verlies van het dragerdeeltje van de reactie. Er zijn twee hoofdoorzaken voor verliezen: de absorptie van een deeltje zonder een secundaire uit te stoten en het vertrek van een deeltje buiten het volume van de stof die het ketenproces ondersteunt. Als er in elke reactiehandeling slechts één dragerdeeltje voorkomt, wordt de kettingreactie genoemd onvertakt. Een onvertakte kettingreactie kan niet op grote schaal tot energieafgifte leiden.

Als er meer dan één deeltje in elke reactiehandeling of in sommige schakels van de keten voorkomt, vindt er een vertakte kettingreactie plaats, omdat een van de secundaire deeltjes de keten voortzet, terwijl andere nieuwe ketens geven die weer vertakken. Het is waar dat processen die leiden tot kettingbreuken concurreren met het vertakkingsproces, en de huidige situatie geeft aanleiding tot beperkende of kritische verschijnselen die specifiek zijn voor vertakte kettingreacties. Als het aantal kettingbreuken groter is dan het aantal nieuwe kettingen dat verschijnt, dan zelfvoorzienende kettingreactie(SCR) blijkt onmogelijk. Zelfs als het kunstmatig wordt geëxciteerd door een bepaald aantal noodzakelijke deeltjes in het medium te brengen, dan, aangezien het aantal ketens in dit geval alleen maar kan afnemen, vervalt het proces dat is begonnen snel. Als het aantal nieuwe kettingen dat wordt gevormd groter is dan het aantal breuken, verspreidt de kettingreactie zich snel door het hele volume van de stof wanneer ten minste één aanvankelijk deeltje verschijnt.

Het gebied van toestanden van materie met de ontwikkeling van een zichzelf in stand houdende kettingreactie is gescheiden van het gebied waar een kettingreactie in het algemeen onmogelijk is, kritieke toestand. De kritieke toestand wordt gekenmerkt door gelijkheid tussen het aantal nieuwe kettingen en het aantal onderbrekingen.

Het bereiken van een kritieke toestand wordt bepaald door een aantal factoren. De splijting van een zware kern wordt geëxciteerd door één neutron en als gevolg van de splijtingsgebeurtenis verschijnt meer dan één neutron (bijvoorbeeld voor 235 U is het aantal neutronen dat bij één splijtingsgebeurtenis wordt geproduceerd gemiddeld 2,5). Bijgevolg kan het splijtingsproces aanleiding geven tot een vertakte kettingreactie, waarvan de dragers neutronen zullen zijn. Als de snelheid van neutronenverliezen (vangst zonder splijting, ontsnapt uit het reactievolume, etc.) de neuzodanig compenseert dat de effectieve nexact gelijk is aan één, dan verloopt de kettingreactie in een stationaire modus. De introductie van negatieve terugkoppelingen tussen de effectieve vermenigvuldigingsfactor en de snelheid van energieafgifte maakt het mogelijk om een gecontroleerde kettingreactie te implementeren, die bijvoorbeeld wordt gebruikt in de kernenergietechniek. Als de vermenigvuldigingsfactor groter is dan één, ontwikkelt de kettingreactie zich exponentieel; een ongecontroleerde kettingreactie van splijting wordt gebruikt in kernwapens.

zie ook

Chemische kettingreactie:

Literatuur

Klimov AN Kernfysica en kernreactoren.- M. Atomizdat, .
Levin V.E. Kernfysica en kernreactoren/ 4e druk. - M.: Atomizdat, .
Petunin V.P. Thermische energietechniek van nucleaire installaties.- M.: Atomizdat, .

Wikimedia Stichting. 2010 .

Zie wat "Nucleaire kettingreactie" is in andere woordenboeken:

Ketenkernreactie - een reeks kernreacties die worden opgewekt door deeltjes (bijvoorbeeld neutronen) die bij elke handeling van de reactie worden geboren. Afhankelijk van het gemiddeld aantal reacties volgend op een eerdere minder, gelijk of ... ... Kernenergie termen

nucleaire kettingreactie- Een opeenvolging van kernreacties die worden opgewekt door deeltjes (bijvoorbeeld neutronen) die bij elke reactiehandeling ontstaan. Afhankelijk van het gemiddeld aantal reacties volgend op een eerdere reactie kleiner dan, gelijk aan of groter dan één, de reactie ... ...

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

De reactie van splijting van atoomkernen van zware elementen onder invloed van neutronen, waarbij bij elke handeling het aantal neutronen toeneemt, zodat een zichzelf in stand houdend splijtingsproces kan plaatsvinden. Bijvoorbeeld tijdens de splijting van een kern van de uraniumisotoop 235U onder invloed van ... Groot encyclopedisch polytechnisch woordenboek

Nucleaire kettingreactie- de reactie van splijting van atoomkernen onder invloed van neutronen, waarbij bij elke handeling ten minste één neutron wordt uitgezonden, wat zorgt voor het in stand houden van de reactie. Het wordt gebruikt als energiebron in nucleaire ladingen (explosieve C. Ya. R.) en kernreactoren ... ... Woordenboek van militaire termen

neutronensplijting kettingreactie- - [A.S. Goldberg. Engels Russisch energiewoordenboek. 2006] Onderwerpen energie in het algemeen EN uiteenlopende reactie … Technisch vertalershandboek

Zelfvoorzienende nucleaire kettingreactie- 7. Zelfvoorzienende nucleaire kettingreactie SCR Een nucleaire kettingreactie die wordt gekenmerkt door een effectieve vermenigvuldigingsfactor groter dan of gelijk aan één

Dit is een proces waarbij één uitgevoerde reactie opeenvolgende reacties van hetzelfde type veroorzaakt.

Tijdens de splijting van één uraniumkern kunnen de resulterende neutronen splijting van andere uraniumkernen veroorzaken, terwijl het aantal neutronen als een lawine toeneemt.

De verhouding van het aantal geproduceerde neutronen in één splijtingsgebeurtenis tot het aantal van dergelijke neutronen in de vorige splijtingsgebeurtenis wordt de nk genoemd.

Als k kleiner is dan 1, sterft de reactie uit, omdat het aantal geabsorbeerde neutronen is groter dan het aantal nieuw gevormde.
Wanneer k groter is dan 1, vindt er vrijwel onmiddellijk een explosie plaats.
Als k gelijk is aan 1, vindt er een gecontroleerde stationaire kettingreactie plaats.

Een kettingreactie gaat gepaard met het vrijkomen van een grote hoeveelheid energie.

Voor het uitvoeren van een kettingreactie is het onmogelijk om kernen te gebruiken die onder invloed van neutronen splijten.

Gebruikt als brandstof voor kernreactoren chemish element Uranium bestaat in de natuur uit twee isotopen: uranium-235 en uranium-238.

Uranium-235-isotopen vormen in de natuur slechts 0,7% van de totale uraniumvoorraad, maar ze zijn geschikt voor het uitvoeren van een kettingreactie, omdat splijting onder invloed van langzame neutronen.

Kernen van uranium-238 kunnen alleen worden verdeeld onder invloed van neutronen met hoge energie (snelle neutronen). Slechts 60% van de neutronen die verschijnen tijdens de splijting van de uranium-238-kern heeft dergelijke energie. Ongeveer 1 op de 5 geproduceerde neutronen veroorzaakt kernsplijting.

Voorwaarden voor een kettingreactie in uranium-235:

De minimale hoeveelheid brandstof (kritische massa) die nodig is voor een gecontroleerde kettingreactie in een kernreactor
- de snelheid van neutronen moet splijting van uraniumkernen veroorzaken
- geen onzuiverheden die neutronen absorberen

Kritieke massa:

Als de massa van uranium klein is, zullen neutronen eruit vliegen zonder te reageren
- als de massa van uranium groot is, is een explosie mogelijk door een sterke toename van het aantal neutronen
- als de massa overeenkomt met de kritische, vindt er een gecontroleerde kettingreactie plaats

Voor uranium-235 is de kritische massa 50 kg (dit is bijvoorbeeld een bol uranium met een diameter van 9 cm).

De eerste gecontroleerde kettingreactie - VS in 1942 (E. Fermi)
In de USSR - 1946 (I.V. Kurchatov).

De wet van Faraday van elektromagnetische inductie is de basiswet van de elektrodynamica met betrekking tot de werkingsprincipes van transformatoren, smoorspoelen en vele soorten elektromotoren

En generatoren. De wet zegt:

De wet van Faraday als twee verschillende fenomenen wiki-tekst bewerken]

Sommige natuurkundigen merken op dat de wet van Faraday in één vergelijking twee verschillende verschijnselen beschrijft: motor emf gegenereerd door de werking van een magnetische kracht op een bewegende draad, en transformator EMF, gegenereerd door de werking van een elektrische kracht als gevolg van een verandering magnetisch veld. James Clerk Maxwell vestigde de aandacht op dit feit in zijn werk Over fysieke krachtlijnen in 1861. In de tweede helft van deel II van dit werk geeft Maxwell een afzonderlijke fysieke verklaring voor elk van deze twee verschijnselen. In sommige moderne leerboeken wordt verwezen naar deze twee aspecten van elektromagnetische inductie. Zoals Richard Feynman schrijft:

wet van Lorentz wiki-tekst bewerken]

Aanval Q in de geleider aan de linkerkant van de lus ervaart de Lorentzkracht Q v × B k = −q v B(x C − w / 2) J (j, k - eenheidsvectoren in richtingen ja en z; cm. vectorproduct vectoren), die een EMF veroorzaakt (werk per eenheid lading) v B(x C − w / 2) over de gehele lengte van de linkerkant van de lus. Aan de rechterkant van de lus laat een soortgelijke redenering zien dat de emf is v ℓ B(x C + w / 2). Twee tegengestelde EMV's duwen een positieve lading naar de onderkant van de lus. In het geval dat het veld B neemt toe langs x, de kracht aan de rechterkant zal groter zijn en de stroom zal met de klok mee vloeien. De regel gebruiken rechter hand, we snappen dat het veld B, gecreëerd door de stroom, is tegengesteld aan het toegepaste veld. De emf die de stroom veroorzaakt, moet tegen de klok in toenemen (in tegenstelling tot stroom). Door de EMF toe te voegen in een richting tegen de klok in langs de lus, vinden we:

wet van Faraday wiki-tekst bewerken]

Een intuïtief aantrekkelijke maar misplaatste benadering van het gebruik van de stroomregel drukt de stroom door het circuit uit als Φ B = Bw, waar met wie- de breedte van de bewegende lus. Deze uitdrukking is onafhankelijk van tijd, dus het impliceert ten onrechte dat er geen EMF wordt gegenereerd. De fout in deze verklaring is dat deze geen rekening houdt met het volledige pad van de stroom door een gesloten lus.

Voor het juiste gebruik van de stroomregel moeten we rekening houden met het volledige huidige pad, inclusief het pad door de randen op de bovenste en onderste schijven. We kunnen een willekeurig gesloten pad door de randen en een roterende lus kiezen, en met behulp van de stroomwet de EMF langs dit pad vinden. Elk pad dat een segment omvat dat grenst aan een roterende lus, houdt rekening met de relatieve beweging van de kettingdelen.

Laten we als voorbeeld een pad beschouwen dat in het bovenste deel van de ketting loopt in de draairichting van de bovenste schijf, en in het onderste deel van de ketting - in de tegenovergestelde richting ten opzichte van de onderste schijf (aangegeven door pijlen in Afb. 4). In dit geval, als de roterende lus met een hoek θ is afgeweken van de collectorlus, kan deze worden beschouwd als onderdeel van een cilinder met oppervlakte EEN = R. Dit gebied staat loodrecht op het veld B, en zijn bijdrage aan de stroom is:

waar het teken negatief is, omdat volgens de rechterhandregel het veld B , gegenereerd door een stroomvoerende lus, tegengesteld aan het aangelegde veld B". Aangezien dit alleen het tijdsafhankelijke deel van de stroom is, is de EMF volgens de stroomwet:

volgens de formule van de wet van Lorentz.

Laten we nu een ander pad bekijken, waarin we de doorgang langs de randen van de schijven door tegenovergestelde segmenten kiezen. In dit geval zou de bijbehorende thread zijn: verminderen als θ toeneemt, maar volgens de rechterhandregel, de huidige lus voegt toe toegepast veld B, dus de EMF voor dit pad zal exact dezelfde waarde hebben als voor het eerste pad. Elk gemengd retourpad resulteert in hetzelfde resultaat voor de EMF-waarde, dus het maakt niet echt uit welk pad wordt gekozen.

Een thermonucleaire reactie is een soort kernreactie waarbij lichte atoomkernen worden gecombineerd tot zwaardere vanwege de kinetische energie van hun thermische beweging. Oorsprong van de term wiki-tekst bewerken]

Om een kernreactie te laten plaatsvinden, moeten de oorspronkelijke atoomkernen de zogenaamde "Coulomb-barrière" overwinnen - de kracht van elektrostatische afstoting daartussen. Om dit te doen, moeten ze een grote kinetische energie hebben. Volgens kinetische theorie, kan de kinetische energie van bewegende microdeeltjes van een stof (atomen, moleculen of ionen) worden weergegeven als een temperatuur, en daarom kan door verhitting van de stof een kernreactie worden bereikt. Het is deze onderlinge relatie tussen de verwarming van een stof en een kernreactie die de term "thermonucleaire reactie" weerspiegelt.

Coulomb-barrière wiki-tekst bewerken]

Atoomkernen hebben een positieve elektrische lading. Op grote afstanden kunnen hun ladingen worden afgeschermd door elektronen. Om de kernen echter te laten samensmelten, moeten ze naderen op een afstand waarop de sterke interactie werkt. Deze afstand is in de orde van grootte van de kernen zelf en vele malen kleinere maat atoom. Op dergelijke afstanden kunnen de elektronenschillen van atomen (zelfs als ze bewaard zijn gebleven) de ladingen van de kernen niet meer afschermen, waardoor ze een sterke elektrostatische afstoting ervaren. De sterkte van deze afstoting is, in overeenstemming met de wet van Coulomb, omgekeerd evenredig met het kwadraat van de afstand tussen de ladingen. Op afstanden in de orde van grootte van de kernen, is de hoeveelheid sterke interactie, die de neiging heeft ze te binden, begint snel toe te nemen en wordt groter dan de waarde van de Coulomb-afstoting.

Dus om te kunnen reageren, moeten de kernen de potentiële barrière overwinnen. Voor de deuterium-tritiumreactie is de waarde van deze barrière bijvoorbeeld ongeveer 0,1 MeV. Ter vergelijking: de ionisatie-energie van waterstof is 13 eV. Daarom zal de stof die deelneemt aan een thermonucleaire reactie bijna volledig geïoniseerd plasma zijn.

De temperatuur equivalent aan 0,1 MeV is ongeveer 109 K, maar er zijn twee effecten die de temperatuur die nodig is voor een thermonucleaire reactie verlagen:

· Ten eerste kenmerkt de temperatuur alleen de gemiddelde kinetische energie, er zijn deeltjes met zowel lagere als hogere energie. In feite neemt een klein aantal kernen met een veel hogere energie dan het gemiddelde deel aan een thermonucleaire reactie (de zogenaamde "staart van de Maxwelliaanse verdeling

Ten tweede, dankzij kwantumeffecten, hoeven de kernen geen energie te hebben die de Coulomb-barrière overschrijdt. Als hun energie iets minder is dan de barrière, kunnen ze er met grote waarschijnlijkheid doorheen tunnelen. [ bron niet gespecificeerd 339 dagen]

Thermonucleaire reacties wiki-tekst bewerken]

Enkele van de belangrijkste exotherme thermonucleaire reacties met grote dwarsdoorsneden zijn:

(1)

→

4He

(3.5MeV)

(14,1 MeV)

(2)

→

(1,01 MeV)

(3,02 MeV)

(50 %)

(3)

→

3He

(0,82 MeV)

(2,45 MeV)

(50 %)

(4)

3He

→

4He

(3,6 MeV)

(14,7 MeV)

(5)

→

4He

+ 11,3 MeV

(6)

3He

→

4He

(7)

3He

→

4He

+ 12,1 MeV

(51 %)

(8)

→

4He

(4,8 MeV)

(9,5 MeV)

(43 %)

(9)

→

4He

(0.5MeV)

(1,9 MeV)

(11,9 MeV)

(6 %)

(10)

6Li

→

4He

+ 22,4 MeV -

(11)

6Li

→

4He

(1,7 MeV)

3He

(2,3 MeV)-

(12)

3He

6Li

→

4He

+ 16,9 MeV

(13)

11B

→

4He

+ 8,7 MeV

(14)

6Li

→

4He

+ 4,8 MeV

Muonische katalyse wiki-tekst bewerken]

Hoofd artikel: Muonische katalyse

Een thermonucleaire reactie kan aanzienlijk worden vergemakkelijkt door negatief geladen muonen in het reactieplasma te brengen.

Muonen µ − , die in wisselwerking staan met thermonucleaire brandstof, vormen mesomoleculen, waarin de afstand tussen de kernen van brandstofatomen iets kleiner is, wat hun nadering vergemakkelijkt en bovendien de kans op nucleaire tunneling door de Coulomb-barrière vergroot.

Aantal synthesereacties Xc, geïnitieerd door één muon, wordt beperkt door de waarde van de muon-kleefcoëfficiënt. Experimenteel was het mogelijk om de waarden van X c ~ 100 te verkrijgen, d.w.z. één muon kan een energie van ~ 100 × X MeV afgeven, waarbij X de energieopbrengst van de gekatalyseerde reactie is.

Tot nu toe is de hoeveelheid vrijgekomen energie lager dan de energiekosten voor de productie van het muon zelf (5-10 GeV). Katalyse van muonen is dus nog steeds een energetisch ongunstig proces. Commercieel haalbare energieproductie met behulp van muonkatalyse is mogelijk met Xc ~ 10 4 .

Toepassing[bewerken | wiki-tekst bewerken]

Het gebruik van een thermonucleaire reactie als een praktisch onuitputtelijke energiebron wordt voornamelijk geassocieerd met het vooruitzicht de technologie van gecontroleerde thermische kernfusie(UTS). Momenteel staat de wetenschappelijke en technologische basis het gebruik van CTS op industriële schaal niet toe.

Tegelijkertijd heeft een ongecontroleerde thermonucleaire reactie zijn toepassing gevonden in militaire aangelegenheden. Het eerste thermonucleaire explosief werd getest in november 1952 in de Verenigde Staten en al in augustus 1953 werd een thermonucleair explosief in de vorm van een luchtbom getest in de Sovjet-Unie. De kracht van een thermonucleair explosief (in tegenstelling tot een atomair) wordt alleen beperkt door de hoeveelheid materiaal die is gebruikt om het te maken, waardoor het mogelijk is om explosieven van bijna elke kracht te maken.

TICKET 27 vraag 1

Het fenomeen van zelfinductie

We hebben al onderzocht dat een magnetisch veld ontstaat in de buurt van een stroomvoerende geleider. En bestudeerde ook dat een variabel magnetisch veld een stroom genereert (het fenomeen van elektromagnetische inductie). Overwegen electronisch circuit. Wanneer de stroomsterkte in dit circuit verandert, zal er een verandering in het magnetische veld optreden, waardoor er een extra spanning in hetzelfde circuit zal verschijnen. inductiestroom. Zo'n fenomeen heet zelfinductie, en de resulterende stroom heet zelfinductiestroom.

Het fenomeen van zelfinductie is het optreden in een geleidend circuit van een emf die ontstaat als gevolg van een verandering in de stroomsterkte in het circuit zelf.

De inductantie van het circuit hangt af van de vorm en grootte, op magnetische eigenschappen omgeving en is niet afhankelijk van de stroomsterkte in het circuit.

EMF zelfinductie wordt bepaald door de formule:

Het fenomeen van zelfinductie is vergelijkbaar met het fenomeen inertie. Net als in de mechanica is het onmogelijk om een bewegend lichaam onmiddellijk te stoppen, zo kan de stroom door het fenomeen van zelfinductie niet onmiddellijk een bepaalde waarde krijgen. Als een spoel in serie is geschakeld met de tweede lamp in een circuit dat bestaat uit twee identieke lampen die parallel zijn aangesloten op een stroombron, dan zal wanneer het circuit is gesloten, de eerste lamp vrijwel onmiddellijk branden en de tweede met een merkbare vertraging.

Wanneer het circuit wordt geopend, neemt de stroom snel af en de opkomende zelfinductie-EMF voorkomt de afname magnetische flux. In dit geval wordt de geïnduceerde stroom op dezelfde manier geleid als de oorspronkelijke. De zelf-geïnduceerde emf kan vele malen groter zijn dan de externe emf. Daarom branden gloeilampen heel vaak door als het licht wordt uitgeschakeld.

Magnetische veldenergie

De energie van het magnetische veld van het circuit met stroom:

Radioactieve straling - straling die een isotoop uitzendt tijdens verval. Het heeft drie varianten: alfastralen (stroom van kernen van heliumatomen), bètastralen (elektronenstroom) en gammastralen ( electromagnetische straling). Voor mensen is gammastraling het gevaarlijkst.

De dosis geabsorbeerde straling is gelijk aan de verhouding van de door het lichaam ontvangen energie tot de massa van het lichaam. De absorptiedosis wordt aangegeven met de letter D en wordt gemeten in grijstinten.

In de praktijk wordt de meeteenheid ook gebruikt als röntgen (P), gelijk aan 2,58 maal 10 tot de min 4 graad van de hanger, gedeeld door de kilogram.

Geabsorbeerde straling kan zich in de loop van de tijd ophopen, de dosis is groter dan langere duur bestraling.

Het dosistempo wordt bepaald door de verhouding van de geabsorbeerde stralingsdosis tot de blootstellingstijd. Het wordt aangegeven met de letter N en wordt gemeten in grijs gedeeld door een seconde.

Voor mensen is de dodelijke dosis geabsorbeerde straling gelijk aan 6 Gy. De maximaal toegestane stralingsdosis voor de mens is 0,05 Gy per jaar.

TICKET 28 Vraag 1

Elementair deeltje is een verzamelnaam voor micro-objecten op een sub-nucleaire schaal die niet kunnen worden opgesplitst in samenstellende delen.

Houd er rekening mee dat sommige elementaire deeltjes ( elektron, neutrino, quarks enz.) op dit moment worden als structuurloos beschouwd en als primair beschouwd fundamentele deeltjes . Andere elementaire deeltjes (zogenaamde samenstellende deeltjes, inclusief de deeltjes waaruit de kern bestaat atoom - protonen en neutronen) een complex hebben interne structuur, Desalniettemin, moderne ideeën, het is vanwege het effect onmogelijk om ze in delen te scheiden beperking.

helemaal met antideeltjes er zijn meer dan 350 elementaire deeltjes ontdekt. Hiervan zijn het foton, elektron en muon neutrino, elektron, proton en hun antideeltjes stabiel. De resterende elementaire deeltjes vervallen spontaan in een tijd van ongeveer 1000 seconden (voor een vrij neutron) tot een verwaarloosbare fractie van een seconde (van 10 −24 tot 10 −22, voor resonanties).

Bij elektromagnetische oscillaties treden periodieke veranderingen op in de elektrische lading, stroom en spanning. Elektromagnetische oscillaties worden onderverdeeld in vrij, vervagen, gedwongen en zelfoscillaties.

gratis trillingen worden oscillaties genoemd die optreden in het systeem (condensator en spoel) nadat het uit de evenwichtspositie is verwijderd (wanneer de lading wordt doorgegeven aan de condensator). Preciezer, vrije elektromagnetische oscillaties treden op wanneer een condensator wordt ontladen via een inductor. gedwongen oscillaties worden oscillaties genoemd in het circuit onder invloed van een externe periodiek veranderende elektromotorische kracht.

Het eenvoudigste systeem waarin vrije elektromagnetische oscillaties worden waargenomen, is: oscillerend circuit. bestaat uit een spoel en een condensator.Dit proces zal steeds opnieuw worden herhaald. zal ontstaan elektromagnetische oscillaties als gevolg van energieconversie elektrisch veld condensator.

De condensator, die wordt opgeladen door de batterij, zal op het eerste moment de maximale lading krijgen. Zijn energie We maximaal zijn (Fig. a).

Als de condensator is gesloten voor de spoel, begint deze op dit moment te ontladen (Fig. b). Er zal stroom in het circuit staan. Naarmate de condensator ontlaadt, neemt de stroom in het circuit en in de spoel toe. Door het fenomeen van zelfinductie gebeurt dit niet meteen. spoel energie W m wordt maximaal (Fig. c).

De inductieve stroom vloeit in dezelfde richting. Elektrische ladingen worden opnieuw verzameld op de condensator. De condensator wordt opgeladen, d.w.z. De condensatorplaat, die voorheen positief geladen was, zal negatief geladen zijn. De energie van de condensator wordt maximaal. De stroom in deze richting stopt en het proces herhaalt zich in de tegenovergestelde richting (Fig. d). Dit proces zal zich keer op keer herhalen. zal ontstaan elektromagnetische oscillaties vanwege de omzetting van de energie van het elektrische veld van de condensator in de energie van het magnetische veld van de spoel met stroom, en omgekeerd. Als er geen verliezen zijn (weerstand R = 0), dan veranderen de stroomsterkte, lading en spanning met de tijd volgens de harmonische wet. Oscillaties die optreden volgens de wet van cosinus of sinus worden harmonische genoemd. De vergelijking harmonische oscillatie aanval: .

Een circuit waarin geen energieverlies optreedt, is een ideaal oscillerend circuit. Periode van elektromagnetische oscillaties in een ideaal oscillerend circuit hangt af van de inductantie van de spoel en de capaciteit van de condensator en bevindt zich langs Thomson's formule waarbij L de inductantie van de spoel is, C de capaciteit van de condensator is, T de periode van e / m-oscillaties.
In een echt oscillerend circuit zullen vrije elektromagnetische oscillaties zijn vervagen door energieverlies bij het opwarmen van de draden. Voor praktische toepassing het is belangrijk om ongedempte elektromagnetische oscillaties te verkrijgen, en hiervoor is het noodzakelijk om het oscillerende circuit met elektriciteit aan te vullen om energieverliezen van de ongedempte oscillatiegenerator te compenseren, wat een voorbeeld is van een zelf-oscillerend systeem.

kaartje 29 vraag 1

Een antideeltje is een deeltje-tweeling van een ander elementair deeltje, die hetzelfde heeft gewicht en hetzelfde rug, die ervan verschilt in tekens van alle andere interactiekenmerken (kosten zoals: elektrisch en kleur ladingen, baryon en lepton Kwantumgetallen).

De definitie van wat een "deeltje" in een deeltje-antideeltje-paar moet worden genoemd, is grotendeels willekeurig. Echter, wanneer? deze keuze"deeltje" zijn antideeltje is uniek bepaald. Het behoud van het baryon-getal in de processen van zwakke interactie maakt het mogelijk om het "deeltje" in elk paar baryon-antibaryon te bepalen door de keten van verval van baryonen. De keuze van een elektron als “deeltje” in een elektron-positronpaar fixeert (door het behoud van het leptongetal in de processen zwakke interactie) bepaling van de toestand van een "deeltje" in een paar elektronenneutrino's en antineutrino's. Overgangen tussen leptonen van verschillende generaties (van het type ) zijn niet waargenomen, zodat de definitie van een "deeltje" in elke generatie leptonen in het algemeen onafhankelijk kan worden gemaakt. Gewoonlijk, naar analogie met een elektron, worden "deeltjes" negatief geladen genoemd leptonen, die, wanneer het leptongetal behouden blijft, de corresponderende . bepaalt neutrino en antineutrino. Voor bosonen het concept van "deeltje" kan worden vastgelegd door de definitie, bijvoorbeeld hyperlading.

Een kettingreactie is een zichzelf in stand houdende chemische reactie waarbij aanvankelijk opkomende producten deelnemen aan de vorming van nieuwe producten. Kettingreacties verlopen meestal met hoge snelheid en hebben vaak het karakter van een explosie.

Kettingreacties doorlopen drie hoofdfasen: kiemvorming (initiatie), ontwikkeling en ketenbeëindiging.

Rijst. 9.13. Reactie-energieprofiel (grafiek van potentiële energie versus reactiecoördinaat) met een minimum dat overeenkomt met de vorming van een reactietussenproduct.

Initiatie fase. In dit stadium, de vorming van tussenproducten (tussenproducten). Tussenproducten kunnen atomen, ionen of neutrale moleculen zijn. Initiatie kan worden uitgevoerd door licht, nucleaire straling, thermische (thermische) energie, anionen of katalysatoren.

Ontwikkelingsstadium. In dit stadium tussenproducten reageren met de initiële reagentia, waarbij nieuwe tussenproducten en eindproducten worden gevormd. Het ontwikkelingsstadium in kettingreacties wordt vele malen herhaald, wat leidt tot de vorming van een groot aantal eindproducten en tussenproducten.

kettingbrekende fase. In dit stadium vindt de eindconsumptie van tussenproducten of hun vernietiging plaats. Als gevolg hiervan stopt de reactie. Een kettingreactie kan spontaan of onder invloed van speciale stoffen - remmers - afbreken.

Kettingreacties spelen belangrijke rol in vele takken van chemie, met name in fotochemie, verbrandingschemie, kernsplijting en kernfusiereacties (zie hoofdstuk 1), in organische chemie (zie hoofdstuk 17-20).

Fotochemie

Deze tak van chemie omvat de chemische processen die betrokken zijn bij de inwerking van licht op materie. Een voorbeeld van fotochemische processen is fotosynthese.

Veel kettingreacties worden in gang gezet door licht. Het initiërende deeltje is in dit geval een foton, dat energie heeft (zie paragraaf 1.2). Een klassiek voorbeeld is de reactie tussen waterstof en chloor in aanwezigheid van licht

Deze reactie verloopt met een explosie. Het omvat de volgende drie fasen.

initiatie. In dit stadium breekt de covalente binding in het chloormolecuul, wat resulteert in de vorming van twee atomen, elk met een ongepaard elektron:

Dit type reactie is homolyse of hemolytische splitsing (zie rubriek 17.3). Het is ook een voorbeeld van fotolyse. De term "fotolyse" betekent fotochemische ontleding. De twee gevormde chlooratomen zijn tussenproducten (tussenproducten). Het zijn radicalen. Een radicaal is een atoom (of groep atomen) met ten minste één ongepaard elektron. Opgemerkt moet worden dat hoewel de initiatiestap de langzaamste stap in de kettingreactie is, deze niet de snelheid van de gehele kettingreactie bepaalt.

Ontwikkelingsstadium. In dit stadium reageren chlooratomen met waterstofmoleculen en vormen het eindproduct - waterstofchloride en waterstofradicalen. Waterstofradicalen reageren met chloormoleculen; als resultaat worden nieuwe delen van het product en nieuwe chloorradicalen gevormd:

Deze twee reacties, die samen het ontwikkelingsstadium vormen, worden miljoenen keren herhaald.

kettingbrekende fase. Daardoor stopt de kettingreactie eindelijk

reacties zoals:

Om de energie die vrijkomt bij deze kettingbeëindigingsreacties te absorberen, is het noodzakelijk dat een ander derde lichaam eraan deelneemt. Dit derde lichaam zijn meestal de wanden van het vat waarin de reactie plaatsvindt.

kwantumoutput

De absorptie van één foton van licht door een chloormolecuul in de hierboven beschreven kettingreactie kan leiden tot de vorming van miljoenen waterstofchloridemoleculen. De verhouding van het aantal productmoleculen tot het aantal lichtquanta (fotonen) die de reactie initiëren, wordt de kwantumopbrengst genoemd. De kwantumopbrengst van fotochemische reacties kan variëren van één tot enkele miljoenen. Een hoge kwantumopbrengst geeft de ketenaard van de aan de gang zijnde reactie aan.

flits fotolyse

Dit is de naam van de techniek die wordt gebruikt om radicalen te verkrijgen met een concentratie die hoog genoeg is om ze te detecteren. Op afb. Afbeelding 9.14 toont een vereenvoudigd diagram van de opstelling die wordt gebruikt voor flitsfotolyse. Het reactiemengsel wordt beïnvloed

Rijst. 9.14. flits fotolyse.

krachtige lichtflits uit een speciale pulserende bron. Een dergelijke bron maakt het mogelijk om lichtflitsen te creëren met een energie tot 105 J en een duur in de orde van grootte van s of minder. Moderne technieken flitsfotolyse maakt gebruik van gepulseerde lasers met een flitsduur in de orde van nanoseconde (10-9 s). De reactie die optreedt als gevolg van een dergelijke lichtflits kan worden gevolgd door het opnemen van een reeks optische absorptiespectra van het reactiemengsel. De eerste flits wordt gevolgd door een reeks flitsen van een gepulseerde bron met laag vermogen. Deze flitsen volgen elkaar op met tussenpozen in de orde van grootte van milliseconden of microseconden en maken het mogelijk om met dergelijke tijdsintervallen de absorptiespectra van het reactiemengsel te registreren.

Verbranding

De reactie met zuurstof, die leidt tot het vrijkomen van warmte, energie en licht, wordt verbranding genoemd. Verbranding verloopt meestal als een complexe opeenvolging van radicale reacties.

Laten we als voorbeeld de verbranding van waterstof nemen. Onder bepaalde omstandigheden verloopt deze reactie met een explosie. Op afb. 9.15 presenteert experimentele gegevens voor de reactie van een stoichiometrisch mengsel van waterstof en zuurstof in een Pyrex-reactor. Het gearceerde gedeelte van het diagram komt overeen met het explosieve gebied van deze reactie. Voor de waterstofverbrandingsreactie heeft dit deel van het diagram de vorm van een explosief schiereiland. Het gebied van de explosie wordt beperkt door de grenzen van de explosie.

Rijst. 9.15. Voorwaarden voor de explosieve reactie van waterstofverbranding:

Beschouw het mechanisme van de kernsplijtingskettingreactie. Bij de splijting van zware kernen onder invloed van neutronen worden nieuwe neutronen geproduceerd. Zo worden bij elke splijting van de uranium 92 U 235 kern gemiddeld 2,4 neutronen geproduceerd. Sommige van deze neutronen kunnen opnieuw kernsplijting veroorzaken. Zo'n lawineproces heet kettingreactie .
De splitsingskettingreactie vindt plaats in het medium waarin het proces van neutronenvermenigvuldiging plaatsvindt. Zo'n omgeving heet kern . De belangrijkste fysieke grootheid die de intensiteit van neutronenvermenigvuldiging kenmerkt, is: nin het medium k∞. De vermenigvuldigingsfactor is gelijk aan de verhouding van het aantal neutronen in een generatie tot hun aantal in de vorige generatie. Index ∞ geeft aan dat we zijn aan het praten over een ideale omgeving van oneindige afmetingen. Net als bij de waarde k ∞ definiëren we nin een fysiek systeem k. De coëfficiënt k is een kenmerk van een bepaalde installatie.
In een splijtbaar medium van eindige grootte zal een deel van de neutronen ontsnappen uit de actieve zone naar buiten. Daarom hangt de coëfficiënt k ook af van de kans P dat het neutron de kern niet verlaat. Per definitie

k = k P.

(1)

De waarde van P hangt af van de samenstelling van de kern, de grootte, vorm en ook van de mate waarin de stof rond de kern neutronen weerkaatst.
Belangrijke concepten van kritische massa en kritische afmetingen worden geassocieerd met de mogelijkheid van neutronenontsnapping uit de kern. kritische grootte is de grootte van de actieve zone waarbij k = 1. kritieke massa wordt de massa van de actieve zone van kritische afmetingen genoemd. Het is duidelijk dat wanneer de massa onder de kritische is, de kettingreactie niet doorgaat, zelfs als > 1. Integendeel, een merkbare overmaat van de massa boven de kritische leidt tot een ongecontroleerde reactie - een explosie.
Als er N neutronen zijn in de eerste generatie, dan zal er Nk n zijn in de nde generatie. Daarom verloopt voor k = 1 de kettingreactie stationair, voor k< 1 реакция гаснет, а при k >1 de intensiteit van de reactie neemt toe. Voor k = 1 wordt de reactiemodus genoemd kritisch , voor k > 1 – superkritisch en voor k< 1 – subkritisch .
De levensduur van één generatie neutronen hangt sterk af van de eigenschappen van het medium en ligt in de orde van 10-4 tot 10-8 s. Vanwege de geringe omvang van deze tijd is het, om een gecontroleerde kettingreactie te implementeren, noodzakelijk om de gelijkheid k = 1 met grote nauwkeurigheid te handhaven, aangezien bijvoorbeeld bij k = 1,01 het systeem vrijwel onmiddellijk zal exploderen. Laten we eens kijken welke factoren de coëfficiënten k ∞ en k bepalen.
De eerste grootheid die k ∞ (of k) bepaalt, is het gemiddelde aantal neutronen dat in één splijtingsgebeurtenis wordt uitgezonden. Het aantal hangt af van het type brandstof en van de energie van het invallende neutron. In tafel. 1 toont de waarden van de belangrijkste isotopen kernenergie voor zowel thermische als snelle (E = 1 MeV) neutronen.

Het energiespectrum van splijtingsneutronen voor de 235U-isotoop wordt getoond in Fig. 1. Spectra van dit type zijn vergelijkbaar voor alle splijtbare isotopen: er is een sterke spreiding in energieën en het grootste deel van de neutronen heeft energieën in het gebied van 1-3 MeV. De neutronen die bij splijting ontstaan, worden afgeremd, diffunderen over een bepaalde afstand en worden met of zonder splijting geabsorbeerd. Afhankelijk van de eigenschappen van het medium hebben neutronen de tijd om te vertragen tot verschillende energieën voordat ze worden geabsorbeerd. In aanwezigheid van een goede moderator hebben de meeste neutronen de tijd om te vertragen tot thermische energieën in de orde van 0,025 eV. In dit geval wordt de kettingreactie genoemd langzaam, of, wat hetzelfde is, thermisch. Bij afwezigheid van een speciale moderator hebben neutronen de tijd om slechts te vertragen tot energieën van 0,1-0,4 MeV, aangezien alle splijtbare isotopen zwaar zijn en daarom slecht vertragen. De bijbehorende kettingreacties worden genoemd snel(We benadrukken dat de aanduidingen "snel" en "langzaam" de snelheid van neutronen karakteriseren, en niet de snelheid van de reactie). Kettingreacties waarin neutronen worden afgeremd tot energieën van tientallen tot één keV worden genoemd tussenliggend .
Wanneer een neutron botst met een zware kern, is stralingsneutronenvangst (n,γ) altijd mogelijk. Dit proces zal concurreren met splijting en daardoor de vermenigvuldigingsfactor verminderen. Dit houdt in dat de tweede fysieke grootheid die de coëfficiënten k ∞ , k beïnvloedt, de kans op splijting is wanneer een neutron wordt gevangen door de kern van een splijtbare isotoop. Deze kans voor mono-energetische neutronen is uiteraard gelijk aan

(2)

waarbij nf , nγ respectievelijk de doorsneden voor splijting en stralingsvangst zijn. Om tegelijkertijd rekening te houden met zowel het aantal neutronen per splijtingsgebeurtenis als de kans op stralingsvangst, wordt de coëfficiënt η geïntroduceerd, die gelijk is aan het gemiddelde aantal secundaire neutronen per vangst van een neutron door een splijtbare kern.

(3)

de waarde van η hangt af van het type brandstof en van de neutronenenergie. De waarden van η voor de belangrijkste isotopen voor thermische en snelle neutronen staan in dezelfde tabel. 1. De waarde van η is het belangrijkste kenmerk van de brandstofkernen. Een kettingreactie kan alleen plaatsvinden als η > 1. Hoe hoger de waarde van η, hoe hoger de kwaliteit van de brandstof.

Tabel 1. Waarden van ν , η voor splijtbare isotopen

Kern		92 U 233	92 U 235	94 Pu 239
thermische neutronen (E = 0,025 eV)	ν	2.52	2.47	2.91
thermische neutronen (E = 0,025 eV)	η	2.28	2.07	2.09
snelle neutronen (E = 1 MeV)	ν	2.7	2.65	3.0
snelle neutronen (E = 1 MeV)	η	2.45	2.3	2.7

De kwaliteit van splijtstof wordt bepaald door de beschikbaarheid en de coëfficiënt η. In de natuur zijn er maar drie isotopen die kunnen dienen als nucleaire brandstof of grondstof voor de productie ervan. Dit zijn de isotoop van thorium 232 Th en de isotopen van uranium 238 U en 235 U. Hiervan geven de eerste twee geen kettingreactie, maar kunnen worden verwerkt tot isotopen waarop de reactie plaatsvindt. De isotoop 235 U geeft zelf een kettingreactie. V aardkorst thorium is meerdere malen meer dan uranium. Natuurlijk thorium bestaat praktisch uit slechts één isotoop, 232 Th. Natuurlijk uranium bestaat voornamelijk uit de 238 U-isotoop en slechts 0,7% van de 235 U-isotoop.
In de praktijk is de vraag naar de haalbaarheid van een kettingreactie op een natuurlijk mengsel van uraniumisotopen, waarin 140 238 U-kernen per 235 U-kern voorkomen, uitermate belangrijk. Laten we aantonen dat een langzame reactie mogelijk is op een natuurlijk mengsel , maar een snelle is dat niet. Om een kettingreactie in een natuurlijk mengsel te beschouwen, is het handig om een nieuwe hoeveelheid in te voeren, de gemiddelde neutronenabsorptiedoorsnede per kern van de 235 U-isotoop.

Voor thermische neutronen = 2,47, = 580 schuur, = 112 schuur, = 2,8 schuur (let op de kleinheid van de laatste sectie). Als we deze getallen in (5) substitueren, krijgen we dat voor langzame neutronen in een natuurlijk mengsel

Dit betekent dat 100 thermische neutronen, geabsorbeerd in het natuurlijke mengsel, 132 nieuwe neutronen zullen creëren. Hieruit volgt direct dat een kettingreactie met langzame neutronen in principe mogelijk is met natuurlijk uranium. In principe, want voor de echte uitvoering van een kettingreactie moet men neutronen met lage verliezen kunnen afremmen.
Voor snelle neutronen ν = 2,65, 2 schuur, 0,1 schuur. Als alleen rekening wordt gehouden met splijting op de 235 U-isotoop, verkrijgen we:

235 (snel) 0,3.

(7)

Maar we moeten er ook rekening mee houden dat snelle neutronen met energieën boven 1 MeV ook met een merkbare relatieve intensiteit de kernen van de 238 U-isotoop kunnen splijten, die in een natuurlijk mengsel zeer overvloedig aanwezig is. Voor delen door 238 U is de coëfficiënt ongeveer 2,5. In het splijtingsspectrum heeft ongeveer 60% van de neutronen energieën boven de effectieve drempel van 1,4 MeV splijting bij 238 U. Maar van deze 60% heeft slechts één op de vijf neutronen tijd om te splijten zonder te vertragen tot een energie onder de drempel vanwege tot elastische en vooral niet-elastische verstrooiing. Daarom krijgen we voor de coëfficiënt 238 (snel) de schatting

Een kettingreactie in een natuurlijk mengsel (235 U + 238 U) kan dus niet verlopen met snelle neutronen. Experimenteel is vastgesteld dat voor zuiver metallisch uranium de vermenigvuldigingsfactor de eenheid bereikt bij een verrijking van 5,56%. In de praktijk blijkt dat de reactie op snelle neutronen alleen kan worden volgehouden in een verrijkt mengsel dat ten minste 15% van de 235U-isotoop bevat.
Een natuurlijk mengsel van uraniumisotopen kan worden verrijkt met de isotoop 235 U. Verrijking is een complex en kostbaar proces omdat Chemische eigenschappen beide isotopen zijn bijna hetzelfde. We moeten profiteren van kleine verschillen in de snelheden van chemische reacties, diffusie, enz., die voortkomen uit verschillen in de massa's van isotopen. De kettingreactie voor 235 U wordt bijna altijd uitgevoerd in een omgeving met een hoog gehalte van 238 U. Vaak wordt een natuurlijk mengsel van isotopen gebruikt, waarvoor η = 1,32 in het thermische neutronengebied, aangezien 238 U ook bruikbaar is. De 238 U-isotoop wordt gesplitst door neutronen met energieën boven 1 MeV. Deze splijting resulteert in een kleine extra neutronenvermenigvuldiging.
Laten we de kettingreacties van splijting op thermische en snelle neutronen vergelijken.
Voor thermische neutronen zijn de vangstdwarsdoorsneden groot en veranderen ze sterk wanneer ze van de ene kern naar de andere gaan. Op de kernen van sommige elementen (bijvoorbeeld op cadmium) zijn deze doorsneden honderden keren of meer groter dan de doorsneden met 235 U. Daarom worden de vereisten voor hoge zuiverheid met betrekking tot sommige onzuiverheden opgelegd aan de kern van thermische neutronen installaties.
Voor snelle neutronen zijn alle invangdoorsneden klein en verschillen ze niet zoveel van elkaar, zodat het probleem van hoge zuiverheid van materialen niet ontstaat. Een ander voordeel van snelle reacties is een hogere reproductiesnelheid.
Een belangrijk onderscheidend kenmerk van thermische reacties is dat in de actieve zone de brandstof veel meer verdund is, d.w.z. er zijn significant meer kernen die niet deelnemen aan splijting per brandstofkern dan in een snelle reactie. Bij een thermische reactie op natuurlijk uranium zijn er bijvoorbeeld 140 kernen van ruwe 238 U per kern van 235 U-brandstof, en bij een snelle reactie kunnen niet meer dan vijf of zes kernen van 238 U op een kern van 235 U vallen. en dezelfde energie bij een thermische reactie komt vrij in een veel groter volume materie dan in een snelle. Het is dus gemakkelijker om warmte uit de actieve zone van een thermische reactie te verwijderen, waardoor deze reactie met een grotere intensiteit kan worden uitgevoerd dan bij een snelle.
De levensduur van één generatie neutronen voor een snelle reactie is enkele ordes van grootte korter dan voor een thermische. Daarom kan de snelheid van een snelle reactie aanzienlijk veranderen na een zeer korte een korte tijd na een verandering in de fysieke omstandigheden in de kern. Tijdens normaal bedrijf van de reactor is dit effect onbeduidend, aangezien in dit geval de bedrijfsmodus wordt bepaald door de levensduur van vertraagde in plaats van snelle neutronen.
In een homogeen medium dat alleen uit splijtbare isotopen van één soort bestaat, zou de vermenigvuldigingsfactor gelijk zijn aan η. In reële situaties zijn er naast splijtbare kernen echter altijd andere, niet-splijtbare kernen. Deze vreemde kernen zullen neutronen vangen en daardoor de vermenigvuldigingsfactor beïnvloeden. Hieruit volgt dat de derde grootheid die de coëfficiënten k ∞ , k bepaalt, de kans is dat het neutron niet wordt opgevangen door een van de niet-splijtbare kernen. In echte installaties vindt "buitenlandse" afvang plaats op de kernen van de moderator, op de kernen van verschillende structurele elementen, evenals op de kernen van splijtingsproducten en vangproducten.
Om een kettingreactie op langzame neutronen uit te voeren, worden speciale stoffen in de kern geïntroduceerd - moderators, die splijtingsneutronen omzetten in thermische neutronen. In de praktijk wordt een kettingreactie op langzame neutronen uitgevoerd op natuurlijk of licht verrijkt 235 U-isotoop uranium. De aanwezigheid van een grote hoeveelheid van de 238U isotoop in de kern bemoeilijkt het vertragingsproces en maakt het noodzakelijk hoge eisen te stellen aan de kwaliteit van de moderator. De levensduur van één generatie neutronen in een kern met een moderator kan ongeveer in twee fasen worden verdeeld: matiging tot thermische energieën en diffusie c. thermische snelheden vóór absorptie. Om ervoor te zorgen dat het grootste deel van de neutronen tijd heeft om te vertragen zonder absorptie, moet aan de voorwaarde zijn voldaan

waarbij σ controle, σ capture energiegemiddelde dwarsdoorsneden zijn van respectievelijk elastische verstrooiing en capture, en n het aantal neutronenbotsingen met moderatorkernen is dat nodig is om thermische energie te bereiken. Het getal n groeit snel met het massagetal van de moderator. Voor uranium 238 U is het getal n in de orde van enkele duizenden. En de verhouding σ controle / σ capture voor deze isotoop is zelfs in een relatief gunstig energiegebied van snelle neutronen niet hoger dan 50. Het zogenaamde resonantiegebied van 1 keV tot 1 eV is vooral "gevaarlijk" in relatie tot neutronenvangst. In dit gebied heeft de totale dwarsdoorsnede voor de interactie van een neutron met 238 U-kernen een groot aantal intense resonanties (Fig. 2). Bij lage energieën overschrijden de stralingsbreedten de neutronen. Daarom wordt in het gebied van resonanties de verhouding σ controle / capture zelfs minder dan één. Dit betekent dat wanneer een neutron het gebied van een van de resonanties binnenkomt, het met bijna 100% waarschijnlijkheid wordt geabsorbeerd. En aangezien de vertraging op zo'n zware kern als uranium in "kleine stappen" verloopt, zal het vertragende neutron bij het passeren van het resonantiegebied zeker "struikelen" op een van de resonanties en worden geabsorbeerd. Hieruit volgt dat er geen kettingreactie kan worden uitgevoerd op natuurlijk uranium zonder vreemde onzuiverheden: op snelle neutronen gaat de reactie niet door vanwege de kleine coëfficiënt η en kunnen langzame neutronen niet worden gevormd. van een neutron, moeten zeer lichte kernen worden gebruikt om te vertragen, waarbij de vertraging met "grote stappen" verloopt, wat de kans op een succesvolle "sprong" van het neutron door het resonantie-energiegebied sterk vergroot. De beste matigende elementen zijn waterstof, deuterium, beryllium en koolstof. Daarom worden de moderatoren die in de praktijk worden gebruikt voornamelijk gereduceerd tot zwaar water, beryllium, berylliumoxide, grafiet, evenals gewoon water, dat neutronen niet slechter vertraagt dan zwaar water, maar ze in veel grotere hoeveelheden absorbeert. De retarder moet goed worden schoongemaakt. Merk op dat om een langzame reactie te implementeren, de moderator tientallen of zelfs honderden keren meer moet zijn dan uranium om resonante botsingen van neutronen met 238 U-kernen te voorkomen.

De modererende eigenschappen van het actieve medium kunnen bij benadering worden beschreven door drie grootheden: de kans dat een neutron tijdens de vertraging niet door de moderator wordt geabsorbeerd, de kans p om resonante vangst door 238 U-kernen te voorkomen, en de kans f voor een thermisch neutron worden geabsorbeerd door de brandstofkern in plaats van de moderator. De waarde f wordt gewoonlijk de thermische benuttingscoëfficiënt genoemd. De exacte berekening van deze hoeveelheden is moeilijk. Meestal worden benaderde semi-empirische formules gebruikt om ze te berekenen.

De waarden van p en f hangen niet alleen af van de relatieve hoeveelheid van de moderator, maar ook van de geometrie van de plaatsing in de kern. De actieve zone, bestaande uit een homogeen mengsel van uranium en moderator, wordt homogeen genoemd, en het systeem van hun afwisselende blokken van uranium en moderator wordt heterogeen genoemd (Fig. 4). Een kwalitatief heterogeen systeem onderscheidt zich door het feit dat daarin het snelle neutron gevormd in uranium de tijd heeft om in de moderator te ontsnappen zonder resonantie-energieën te bereiken. Verdere vertraging vindt plaats in een pure moderator. Dit vergroot de kans p om resonante vangst te vermijden

p het > p hom.

Aan de andere kant, integendeel, omdat het in de moderator thermisch is geworden, moet het neutron, om deel te nemen aan de kettingreactie, naar zijn grens diffunderen zonder te worden geabsorbeerd in de pure moderator. Daarom is de thermische benuttingsfactor f in een heterogeen medium lager dan in een homogeen medium:

f het< f гом.

Om de vermenigvuldigingsfactor k ∞ van een thermische reactor te schatten, is de geschatte formule van vier factoren

k ∞ = pfε .

(11)

De eerste drie factoren hebben we al eerder overwogen. De hoeveelheid ε heet vermenigvuldigingsfactor op snelle neutronen . Deze coëfficiënt is ingevoerd om er rekening mee te houden dat sommige van de snelle neutronen kunnen splijten zonder tijd te hebben om te vertragen. In zijn betekenis overschrijdt de coëfficiënt ε altijd de eenheid. Maar dit eigen risico is meestal klein. De waarde ε = 1,03 is typisch voor thermische reacties. Voor snelle reacties is de formule van vier factoren niet van toepassing, aangezien elke coëfficiënt afhangt van de energie en de energiespreiding bij snelle reacties erg groot is.
Aangezien de waarde van η wordt bepaald door het type brandstof, en de waarde van ε voor langzame reacties bijna niet verschilt van één, wordt de kwaliteit van een specifiek actief medium bepaald door het product pf. Zo komt het voordeel van een heterogeen medium boven een homogeen kwantitatief tot uiting in het feit dat, bijvoorbeeld in een systeem met 215 grafietkernen per natuurlijk uraniumkern, het product pf 0,823 is voor een heterogeen medium en 0,595 voor een homogene. En aangezien voor een natuurlijk mengsel η = 1,34, dan krijgen we dat voor een heterogeen medium k ∞ > 1, en voor een homogeen medium k ∞< 1.
Voor praktische uitvoering Een stationaire kettingreactie moet deze reactie kunnen beheersen. Deze controle wordt sterk vereenvoudigd door het ontsnappen van vertraagde neutronen tijdens splijting. De overgrote meerderheid van de neutronen vliegt vrijwel onmiddellijk de kern uit (dwz in een tijd die vele orden van grootte korter is dan de levensduur van een neutronengeneratie in de kern), maar enkele tienden van een procent van de neutronen worden vertraagd en vliegen uit de kernen fragmenteren na een vrij lang tijdsinterval - van fracties seconden tot enkele en zelfs tientallen seconden. Kwalitatief kan het effect van vertraagde neutronen als volgt worden verklaard. Laat de vermenigvuldigingsfactor onmiddellijk toenemen van een subkritische waarde naar zo'n superkritische waarde dat 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.
Het vangen van neutronen door kernen die niet bij de kettingreactie zijn betrokken, vermindert de intensiteit van de reactie, maar kan nuttig zijn in verband met de vorming van nieuwe splijtbare isotopen. Dus wanneer neutronen van uraniumisotopen 238 U en thorium 232 Th worden geabsorbeerd, worden plutonium 239 Pu en uranium 233 U-isotopen gevormd (door twee opeenvolgende β-verval), die nucleaire brandstof zijn:

(12)

(13)

Deze twee reacties openen de echte mogelijkheid reproductie van nucleaire brandstof tijdens de kettingreactie. In het ideale geval, d.w.z. bij afwezigheid van onnodige verliezen van neutronen, kan voor elke absorptie van een neutron door een brandstofkern gemiddeld 1 neutron worden gebruikt voor reproductie.

Kernreactoren (atoom)

Een reactor is een apparaat waarin een gecontroleerde splijtingskettingreactie in stand wordt gehouden. Tijdens de werking van de reactor komt warmte vrij door de exotherme werking van de splijtingsreactie. Het belangrijkste kenmerk van de reactor is zijn vermogen - de hoeveelheid thermische energie die per tijdseenheid vrijkomt. Het vermogen van de reactor wordt gemeten in megawatt (106 W). Een vermogen van 1 MW komt overeen met een kettingreactie waarbij 3·10 16 splijtingsgebeurtenissen per seconde plaatsvinden. Er zijn veel verschillende soorten reactoren. Een van de typische schema's van een thermische reactor wordt getoond in Fig. 5.
Het grootste deel van de reactor is de actieve zone, waarin de reactie plaatsvindt en dus energie vrijkomt. In thermische en intermediaire neutronenreactoren bestaat de kern uit brandstof, meestal gemengd met een niet-splijtbare isotoop (meestal 238 U), en een moderator. Er is geen moderator in de kern van snelle neutronenreactoren.
Het kernvolume varieert van tienden van een liter in sommige snelle neutronenreactoren tot tientallen kubieke meters in grote thermische reactoren. Om neutronenlekkage te verminderen, krijgt de kern een bolvormige of bijna bolvormige vorm (bijvoorbeeld een cilinder met een hoogte die ongeveer gelijk is aan de diameter, of een kubus).
Afhankelijk van de relatieve locatie van de brandstof en moderator, worden homogene en heterogene reactoren onderscheiden. Een voorbeeld van een homogene actieve zone is een oplossing van uranylsulfaatzout en U2S04 in gewoon of zwaar water. Heterogene reactoren komen vaker voor. Bij heterogene reactoren bestaat de kern uit een moderator waarin cassettes met brandstof worden geplaatst. Omdat juist in deze cassettes energie vrijkomt, worden ze brandstof elementen of afgekort brandstofstaven. De kern met een reflector is vaak ingesloten in een stalen behuizing.

De rol van vertraagde neutronen bij de controle van kernreactoren

Gecontroleerde kettingreactie.

Als de kettingreactie in zijn ontwikkeling beperkt is, zodat het aantal geproduceerde neutronen per tijdseenheid een bepaalde uitermate belangrijk, zou dan ophouden toe te nemen, dan zou er een rustig stromende zichzelf in stand houdende kettingreactie van splijting plaatsvinden. Het is alleen mogelijk om de reactie te beheersen als het mogelijk is om de nkeff voldoende langzaam en soepel te regelen, en voor een optimaal systeem zou keff de eenheid met slechts 0,5% moeten overschrijden. Sovjet-fysici Ya.B. Zeldovich en Yu.B. Khariton toonde theoretisch (1939) aan dat een gecontroleerde kettingreactie kan worden uitgevoerd op natuurlijk uranium.

Om een kettingproces in natuurlijk uranium te ontwikkelen, moeten neutronen worden afgeremd tot thermische snelheden, omdat in dit geval de kans op invanging door U-kernen met daaropvolgende splijting sterk toeneemt. Hiervoor worden speciale stoffen gebruikt - moderatoren.

De beheersing van een stationaire kettingreactie (k eff = 1) wordt sterk vereenvoudigd door de aanwezigheid vertraagde neutronen(zie artikel 3.6). Het blijkt dat de tijd T "versnelling" van de reactie (de tijd waarin het aantal delingen met e "2,71 keer" toeneemt) met een kleine mate van superkritiek (k eff - 1<< 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T \u003d t s ×b / (k eff - 1),

waarbij t z de gemiddelde levensduur is van vertraagde neutronen (t z ~ 14,4 s),

b is de fractie vertraagde neutronen (b ~ 0,68% voor U).

Aangezien de waarde van t s × b in de orde van ~ 5×10 -2 s ligt, zal de intensiteit van de reactie vrij langzaam toenemen en wordt de reactie goed gereguleerd.

Het is mogelijk om de waarde van keff te regelen door automatisch stoffen in de kern te introduceren die sterk neutronen absorberen - absorbers.

12.3.1. Kernreactor

Een apparaat waarin een stationaire kernsplijtingsreactie wordt uitgevoerd en onderhouden, wordt een kernreactor of een atoomboiler genoemd.

Eind 1942 werd de eerste kernreactor gebouwd onder leiding van E. Fermi (VS). De eerste Europese reactor werd in 1946 in Moskou gebouwd onder leiding van IV Kurchatov.

Momenteel zijn er ongeveer duizend kernreactoren van verschillende typen in de wereld, die verschillen in:

· volgens het werkingsprincipe (reactoren op thermische, snelle, enz. neutronen);

Op type moderators (op zwaar water, grafiet, enz.);

· volgens de gebruikte brandstof (uranium, thorium, plutonium);

voor het beoogde doel (onderzoek, medisch, energie, voor de reproductie van nucleaire brandstof, enz.)

De belangrijkste onderdelen van een kernreactor (zie Fig. 4.5) zijn:

· de actieve zone (1), waar de splijtstof zich bevindt, vindt de kettingreactie van splijting plaats, komt energie vrij;

neutronenreflector (2) die de kern omringt;

· controlesysteem van het ketenproces in de vorm van staafjes-absorbeerders (3) van neutronen;

stralingsbescherming (4) tegen straling;

koelvloeistof (5).

V homogeen reactoren, splijtstof en moderator worden gemengd, waarbij een homogeen mengsel wordt gevormd (bijvoorbeeld actinouraniumzouten en zwaar water). V heterogeen reactoren (Fig. 4.6), wordt splijtstof in de kern geplaatst in de vorm van splijtstofstaven ( brandstof elementen) - blokken-staven (1) met een kleine dwarsdoorsnede, ingesloten in een hermetische schaal die zwak neutronen absorbeert. Tussen de splijtstofstaven zit een moderator (2).

De neutronen die tijdens de splitsing van kernen worden geproduceerd, omdat ze geen tijd hebben gehad om in brandstofelementen te worden geabsorbeerd, vallen in de moderator, waar ze hun energie verliezen en vertragen tot thermische snelheden. Als ze dan weer in een van de splijtstofelementen komen, hebben thermische neutronen een grote kans om te worden geabsorbeerd door kernen die in staat zijn tot splijting (U, U, Pu). De neutronen die worden opgevangen door U-kernen spelen ook een positieve rol, omdat ze het verbruik van kernbrandstof tot op zekere hoogte aanvullen.

Goede moderatoren zijn lichte kernen: deuterium, beryllium, koolstof, zuurstof. De beste neutronenmoderator is de combinatie van deuterium met zuurstof - zwaar water. Vanwege de hoge kosten wordt koolstof echter vaker gebruikt in de vorm van zeer pure grafiet. Beryllium en zijn oxide worden ook gebruikt. De splijtstofstaven en de moderator vormen meestal een regelmatig rooster (bijvoorbeeld uranium-grafiet).

Door de splijtingsenergie worden de splijtstofelementen verwarmd. Voor koeling worden ze in de stroom geplaatst koelmiddel(lucht, water, stoom, He, CO 2, enz.).

Door het verlies van neutronen in de moderator en kernsplijtingsfragmenten, moet de reactor superkritische afmetingen hebben en een overmaat aan neutronen produceren. De sturing van het ketenproces (d.w.z. eliminatie van overtollige neutronen) wordt uitgevoerd door regelstaven (3) (zie Fig. 4.5 of 4.6) gemaakt van materialen die neutronen sterk absorberen (boriumstaal, cadmium).

De reactorparameters worden zo berekend dat wanneer de absorptiestaven volledig in de kern zijn gestoken, de reactie niet doorgaat. Met de geleidelijke extractie van de staven neemt de ntoe, en op een bepaalde positie ervan bereikt k eff de eenheid, de reactor begint te werken. De absorptiestaven worden verplaatst van het bedieningspaneel. Regelgeving wordt vereenvoudigd door de aanwezigheid van vertraagde neutronen.

Het belangrijkste kenmerk van een kernreactor is zijn vermogen. Een vermogen van 1 MW komt overeen met een ketenproces waarin 3 × 10 16 splijtingsgebeurtenissen plaatsvinden in 1 seconde. De reactor heeft noodgeval staven, waarvan de introductie, met een plotselinge toename van het reactievermogen, deze onmiddellijk reset.

Tijdens de werking van een kernreactor wordt een geleidelijke opbranden van nucleaire brandstof, splijtingsfragmenten accumuleren, transuraniumelementen worden gevormd. De opeenhoping van fragmenten veroorzaakt een afname van keff. Dit proces heet vergiftiging reactor (indien de fragmenten radioactief zijn) en slakken(als de fragmenten stabiel zijn). Bij vergiftiging neemt k eff af met (1¸3)%. Zodat de reactie niet stopt, worden speciale (compensatie)staafjes geleidelijk (automatisch) uit de actieve zone verwijderd. Wanneer de splijtstof volledig is opgebrand, wordt deze verwijderd (nadat de reactie is gestopt) en wordt een nieuwe geladen.

Onder kernreactoren wordt een speciale plaats ingenomen door: kweekreactoren op snelle neutronen - fokkers. Daarin gaat de opwekking van elektriciteit gepaard met de reproductie van een secundaire splijtstof (plutonium) door de reactie (3.5), waardoor niet alleen de isotoop U, maar ook U effectief wordt gebruikt (zie §3.6). Dit maakt het mogelijk om het probleem van het leveren van kernbrandstof radicaal op te lossen: voor elke 100 gebruikte kernen in zo'n reactor, worden 150 nieuwe kernsplijtingscapaciteit geproduceerd. De technologie van snelle neutronenreactoren is bezig met het zoeken naar de beste technische oplossingen. De eerste proefinstallatie van dit type (Shevchenko) wordt gebruikt om elektriciteit op te wekken en zeewater (Kaspische Zee) te ontzilten.