ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์- ลำดับของปฏิกิริยานิวเคลียร์เดี่ยว ซึ่งแต่ละลำดับเกิดจากอนุภาคที่ปรากฏเป็นผลิตภัณฑ์ปฏิกิริยาในขั้นตอนก่อนหน้าของลำดับ ตัวอย่างของปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์คือปฏิกิริยาลูกโซ่ของการฟิชชันของนิวเคลียสของธาตุหนัก ซึ่งเหตุการณ์ฟิชชันจำนวนหลักเริ่มต้นโดยนิวตรอนที่ได้รับระหว่างฟิชชันของนิวเคลียสในรุ่นก่อนหน้า

กลไกการปลดปล่อยพลังงาน

การเปลี่ยนแปลงของสารจะมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานอิสระก็ต่อเมื่อสารมีพลังงานสำรองเท่านั้น อย่างหลังหมายความว่าอนุภาคขนาดเล็กของสารอยู่ในสถานะที่มีพลังงานนิ่งมากกว่าสถานะอื่นที่เป็นไปได้ซึ่งมีการเปลี่ยนแปลงอยู่ การเปลี่ยนแปลงที่เกิดขึ้นเองจะถูกป้องกันโดยอุปสรรคด้านพลังงานเสมอ เพื่อเอาชนะสิ่งที่อนุภาคขนาดเล็กจะต้องได้รับพลังงานจำนวนหนึ่งจากภายนอก - พลังงานกระตุ้น ปฏิกิริยาคายพลังงานประกอบด้วยความจริงที่ว่าในการเปลี่ยนแปลงหลังจากการกระตุ้น พลังงานจะถูกปล่อยออกมามากกว่าที่จำเป็นในการกระตุ้นกระบวนการ มีสองวิธีในการเอาชนะอุปสรรคพลังงาน: เนื่องจากพลังงานจลน์ของอนุภาคที่ชนกัน หรือเนื่องจากพลังงานยึดเหนี่ยวของอนุภาคที่เชื่อมต่อกัน

หากเราคำนึงถึงขนาดมหภาคของการปล่อยพลังงาน อนุภาคของสสารทั้งหมดหรืออย่างน้อยบางส่วนในขั้นต้นจะต้องมีพลังงานจลน์ที่จำเป็นในการกระตุ้นปฏิกิริยา สิ่งนี้สามารถทำได้โดยการเพิ่มอุณหภูมิของตัวกลางให้เป็นค่าที่พลังงานของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อนเข้าใกล้ขีดจำกัดพลังงานที่จำกัดวิถีของกระบวนการ ในกรณีของการเปลี่ยนแปลงระดับโมเลกุล กล่าวคือ ปฏิกิริยาเคมี การเพิ่มขึ้นดังกล่าวมักจะเป็นหลายร้อยเคลวิน แต่ในกรณีของปฏิกิริยานิวเคลียร์จะมีค่าอย่างน้อย 10 7 K เนื่องจาก ระดับความสูงสิ่งกีดขวางคูลอมบ์ของการชนกันของนิวเคลียส การกระตุ้นความร้อนของปฏิกิริยานิวเคลียร์จะดำเนินการในทางปฏิบัติเฉพาะในระหว่างการสังเคราะห์นิวเคลียสที่เบาที่สุดเท่านั้น ซึ่งอุปสรรคของคูลอมบ์มีน้อยที่สุด (ฟิวชั่นเทอร์โมนิวเคลียร์)

การกระตุ้นด้วยการรวมอนุภาคไม่จำเป็นต้องใช้พลังงานจลน์ขนาดใหญ่ ดังนั้น จึงไม่ขึ้นอยู่กับอุณหภูมิของตัวกลาง เนื่องจากมันเกิดขึ้นเนื่องจากพันธะที่ไม่ได้ใช้ซึ่งมีอยู่ในแรงดึงดูดของอนุภาค แต่เพื่อกระตุ้นปฏิกิริยา อนุภาคเองก็จำเป็น และถ้าเราหมายถึงไม่ใช่ปฏิกิริยาแยกกัน แต่เป็นการผลิตพลังงานในระดับมหภาค สิ่งนี้จะเป็นไปได้ก็ต่อเมื่อเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่เท่านั้น อย่างหลังเกิดขึ้นเมื่ออนุภาคที่กระตุ้นปฏิกิริยาปรากฏขึ้นอีกครั้งเป็นผลจากปฏิกิริยาคายพลังงาน

ปฏิกิริยาลูกโซ่

ปฏิกิริยาลูกโซ่เป็นเรื่องปกติในหมู่ ปฏิกริยาเคมีโดยที่อะตอมอิสระหรืออนุมูลอิสระจะเล่นบทบาทของอนุภาคที่มีพันธะที่ไม่ได้ใช้ กลไกปฏิกิริยาลูกโซ่ระหว่างการเปลี่ยนแปลงทางนิวเคลียร์สามารถเกิดขึ้นได้จากนิวตรอนที่ไม่มีอุปสรรคคูลอมบ์และกระตุ้นนิวเคลียสเมื่อดูดซับ การปรากฏตัวของอนุภาคที่จำเป็นในสิ่งแวดล้อมทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ตามมาซึ่งดำเนินต่อไปจนกระทั่งโซ่แตกเนื่องจากการสูญเสียอนุภาคพาหะของปฏิกิริยา มีเหตุผลหลักสองประการที่ทำให้สูญเสีย: การดูดซับอนุภาคโดยไม่มีการปล่อยอนุภาคทุติยภูมิและการจากไปของอนุภาคเกินปริมาตรของสารที่รองรับกระบวนการลูกโซ่ หากในแต่ละปฏิกิริยาเกิดอนุภาคพาหะเพียงอนุภาคเดียว ปฏิกิริยาลูกโซ่จะถูกเรียก ไม่มีการแบ่งสาขา- ปฏิกิริยาลูกโซ่แบบไม่แยกสาขาไม่สามารถนำไปสู่การปล่อยพลังงานในวงกว้างได้

หากในแต่ละปฏิกิริยาหรือในจุดเชื่อมต่อของโซ่มีอนุภาคมากกว่าหนึ่งอนุภาคปรากฏขึ้น ปฏิกิริยาลูกโซ่แบบแยกสาขาจะเกิดขึ้น เนื่องจากอนุภาคทุติยภูมิตัวใดตัวหนึ่งยังคงดำเนินต่อไปในสายโซ่เริ่มต้น ในขณะที่อนุภาคที่เหลือจะก่อให้เกิดสายโซ่ใหม่ที่แตกแขนงอีกครั้ง จริงอยู่ที่ กระบวนการที่นำไปสู่การขาดของลูกโซ่จะแข่งขันกับกระบวนการแยกย่อย และสถานการณ์ที่ตามมาจะทำให้เกิดข้อจำกัดหรือปรากฏการณ์วิกฤตที่จำเพาะต่อปฏิกิริยาลูกโซ่แบบแยกย่อย หากจำนวนวงจรที่ขาดมากกว่าจำนวนวงจรใหม่ที่ปรากฏ ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่ยั่งยืนในตัวเอง(SCR) กลายเป็นสิ่งที่เป็นไปไม่ได้ แม้ว่ามันจะตื่นเต้นแบบเทียมโดยการนำอนุภาคที่จำเป็นจำนวนหนึ่งเข้าไปในตัวกลาง ดังนั้น เนื่องจากจำนวนโซ่ในกรณีนี้สามารถลดลงได้เท่านั้น กระบวนการที่เริ่มต้นขึ้นอย่างรวดเร็วก็จางหายไป หากจำนวนโซ่ใหม่ที่เกิดขึ้นเกินจำนวนการแตกหัก ปฏิกิริยาลูกโซ่จะแพร่กระจายอย่างรวดเร็วไปทั่วทั้งปริมาตรของสารเมื่อมีอนุภาคเริ่มต้นปรากฏขึ้นอย่างน้อยหนึ่งอนุภาค

ภูมิภาคของสถานะของสสารที่มีการพัฒนาของปฏิกิริยาลูกโซ่แบบยั่งยืนนั้นถูกแยกออกจากภูมิภาคที่โดยทั่วไปแล้วปฏิกิริยาลูกโซ่เป็นไปไม่ได้ สภาพวิกฤติ- สถานะวิกฤตมีลักษณะเฉพาะคือความเท่าเทียมกันระหว่างจำนวนวงจรใหม่และจำนวนการแตกหัก

การบรรลุภาวะวิกฤตนั้นขึ้นอยู่กับปัจจัยหลายประการ ฟิชชันของนิวเคลียสหนักจะถูกกระตุ้นด้วยนิวตรอนหนึ่งนิวตรอน และผลจากปฏิกิริยาฟิชชันทำให้มีนิวตรอนมากกว่าหนึ่งตัวปรากฏขึ้น (เช่น สำหรับ 235 U จำนวนนิวตรอนที่ผลิตได้ในฟิชชันหนึ่งครั้งโดยเฉลี่ยจะอยู่ที่ 2.5) ผลที่ตามมาคือกระบวนการฟิชชันสามารถทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่แบบแยกส่วน โดยพาหะของปฏิกิริยาดังกล่าวจะเป็นนิวตรอน ถ้าอัตราการสูญเสียนิวตรอน (การจับโดยไม่มีฟิชชัน หลุดออกจากปริมาตรของปฏิกิริยา ฯลฯ) ชดเชยอัตราการคูณนิวตรอนในลักษณะที่ปัจจัยการคูณนิวตรอนที่มีประสิทธิผลเท่ากับความสามัคคีทุกประการ จากนั้นปฏิกิริยาลูกโซ่จะเกิดขึ้นใน โหมดนิ่ง การป้อนค่าป้อนกลับเชิงลบระหว่างปัจจัยการคูณที่มีประสิทธิผลกับอัตราการปล่อยพลังงานทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่แบบควบคุม ซึ่งใช้ในพลังงานนิวเคลียร์ เป็นต้น หากปัจจัยการคูณมากกว่าหนึ่ง ปฏิกิริยาลูกโซ่จะพัฒนาแบบทวีคูณ ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันแบบหนีออกไปใช้ในอาวุธนิวเคลียร์

ดูสิ่งนี้ด้วย

ปฏิกิริยาลูกโซ่เคมี

วรรณกรรม

คลิมอฟ เอ.เอ็น. ฟิสิกส์นิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์- เอ็ม. อะตอมมิสดาต, .
เลวิน วี.อี. ฟิสิกส์นิวเคลียร์และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์/ ฉบับที่ 4 - ม.: Atomizdat, .
เพทูนิน วี.พี. วิศวกรรมพลังงานความร้อนของสถานประกอบการนิวเคลียร์- ม.: Atomizdat, .

มูลนิธิวิกิมีเดีย 2010.

ดูว่า "ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์" ในพจนานุกรมอื่น ๆ คืออะไร:

ปฏิกิริยานิวเคลียร์ลูกโซ่เป็นลำดับของปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ถูกกระตุ้นโดยอนุภาค (เช่น นิวตรอน) ที่เกิดในแต่ละเหตุการณ์ปฏิกิริยา ขึ้นอยู่กับจำนวนเฉลี่ยของปฏิกิริยาต่อหนึ่งปฏิกิริยาก่อนหน้าจะน้อยกว่า เท่ากับ หรือ... ... เงื่อนไขพลังงานนิวเคลียร์

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์- ลำดับของปฏิกิริยานิวเคลียร์ที่ถูกกระตุ้นโดยอนุภาค (เช่น นิวตรอน) ที่เกิดขึ้นในแต่ละเหตุการณ์ของปฏิกิริยา ขึ้นอยู่กับจำนวนเฉลี่ยของปฏิกิริยาหลังจากปฏิกิริยาหนึ่งก่อนหน้านี้น้อยกว่าเท่ากับหรือมากกว่าหนึ่ง... ...

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

ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสของธาตุหนักภายใต้อิทธิพลของนิวตรอน ในแต่ละการกระทำของฝูง จำนวนนิวตรอนจะเพิ่มขึ้น เพื่อให้สามารถเกิดขึ้นได้เอง ตัวอย่างเช่น ในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียสหนึ่งของไอโซโทปยูเรเนียม 235U ภายใต้อิทธิพลของ ... พจนานุกรมโพลีเทคนิคสารานุกรมขนาดใหญ่

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์- ปฏิกิริยาฟิชชันของนิวเคลียสของอะตอมภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนซึ่งในแต่ละการกระทำจะมีการปล่อยนิวตรอนอย่างน้อยหนึ่งตัวซึ่งช่วยให้มั่นใจได้ถึงการบำรุงรักษาปฏิกิริยา ใช้เป็นแหล่งพลังงานในประจุนิวเคลียร์ (เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ระเบิด) และเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์... ... อภิธานคำศัพท์ทางการทหาร

ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันนิวเคลียร์กับนิวตรอน- - [เอเอส โกลด์เบิร์ก พจนานุกรมพลังงานภาษาอังกฤษเป็นภาษารัสเซีย 2549] หัวข้อ: พลังงานโดยทั่วไป ปฏิกิริยาผันแปรของ EN... คู่มือนักแปลทางเทคนิค

ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์แบบยั่งยืนในตัวเอง- 7. ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์แบบยั่งยืนในตัวเอง SCR ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวเคลียร์มีลักษณะเฉพาะด้วยปัจจัยการคูณที่มีประสิทธิผลมากกว่าหรือเท่ากับความสามัคคี

เป็นกระบวนการที่ปฏิกิริยาหนึ่งเกิดขึ้นทำให้เกิดปฏิกิริยาชนิดเดียวกันตามมา

ในระหว่างฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมหนึ่ง นิวตรอนที่เกิดขึ้นสามารถทำให้เกิดการฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียมอื่น ๆ ได้ และจำนวนนิวตรอนจะเพิ่มขึ้นเหมือนกับหิมะถล่ม

อัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนที่ผลิตได้ในเหตุการณ์ฟิชชันครั้งหนึ่งต่อจำนวนนิวตรอนดังกล่าวในเหตุการณ์ฟิชชันครั้งก่อนเรียกว่า ตัวคูณการคูณนิวตรอน k

เมื่อ k น้อยกว่า 1 ปฏิกิริยาจะสลายตัว เพราะ จำนวนนิวตรอนที่ถูกดูดซับมากกว่าจำนวนนิวตรอนที่ก่อตัวใหม่
เมื่อ k มากกว่า 1 การระเบิดจะเกิดขึ้นเกือบจะในทันที
เมื่อ k เท่ากับ 1 ปฏิกิริยาลูกโซ่คงที่แบบควบคุมจะเกิดขึ้น

ปฏิกิริยาลูกโซ่จะมาพร้อมกับการปล่อยพลังงานจำนวนมาก

ในการทำปฏิกิริยาลูกโซ่ จะไม่สามารถใช้นิวเคลียสใดๆ ที่ฟิชชันภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนได้

ใช้เป็นเชื้อเพลิงสำหรับเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ องค์ประกอบทางเคมียูเรเนียมโดยธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปสองชนิด: ยูเรเนียม-235 และยูเรเนียม-238

ในธรรมชาติ ไอโซโทปยูเรเนียม-235 คิดเป็นสัดส่วนเพียง 0.7% ของปริมาณสำรองยูเรเนียมทั้งหมด แต่เป็นไอโซโทปที่เหมาะสำหรับการทำปฏิกิริยาลูกโซ่เพราะ ฟิชชันภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนช้า

นิวเคลียสของยูเรเนียม-238 สามารถแตกตัวได้ภายใต้อิทธิพลของนิวตรอนพลังงานสูง (นิวตรอนเร็ว) เท่านั้น นิวตรอนเพียง 60% ที่เกิดขึ้นระหว่างฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม-238 เท่านั้นที่มีพลังงานนี้ ประมาณ 1 ใน 5 นิวตรอนที่ผลิตได้ทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียร์

สภาวะของปฏิกิริยาลูกโซ่ในยูเรเนียม-235:

ปริมาณเชื้อเพลิงขั้นต่ำ (มวลวิกฤต) ที่จำเป็นต่อการดำเนินการปฏิกิริยาลูกโซ่แบบควบคุมในเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์
- ความเร็วของนิวตรอนควรทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียสของยูเรเนียม
- ไม่มีสิ่งเจือปนที่ดูดซับนิวตรอน

มวลวิกฤติ:

หากมวลของยูเรเนียมมีขนาดเล็ก นิวตรอนจะลอยออกไปข้างนอกโดยไม่ทำปฏิกิริยา
- หากมวลของยูเรเนียมมีขนาดใหญ่ อาจเกิดการระเบิดได้เนื่องจากจำนวนนิวตรอนเพิ่มขึ้นอย่างมาก
- หากมวลสอดคล้องกับมวลวิกฤติ จะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่แบบควบคุม

สำหรับยูเรเนียม-235 มวลวิกฤตคือ 50 กิโลกรัม (เช่น ลูกบอลยูเรเนียมที่มีเส้นผ่านศูนย์กลาง 9 ซม.)

ปฏิกิริยาลูกโซ่ควบคุมครั้งแรก - สหรัฐอเมริกาในปี 1942 (E. Fermi)
ในสหภาพโซเวียต - พ.ศ. 2489 (I.V. Kurchatov)

กฎการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าของฟาราเดย์เป็นกฎพื้นฐานของไฟฟ้าไดนามิกส์เกี่ยวกับหลักการทำงานของหม้อแปลงไฟฟ้า โช้ค และมอเตอร์ไฟฟ้าหลายประเภท

และเครื่องกำเนิดไฟฟ้า กฎหมายระบุว่า:

กฎของฟาราเดย์ในฐานะปรากฏการณ์สองประการที่แตกต่างกัน[แก้ไข | แก้ไขข้อความวิกิ]

นักฟิสิกส์บางคนสังเกตว่ากฎของฟาราเดย์อธิบายปรากฏการณ์ที่แตกต่างกันสองอย่างในสมการเดียว: แรงเคลื่อนไฟฟ้าของมอเตอร์ที่เกิดจากการกระทำของแรงแม่เหล็กบนเส้นลวดที่กำลังเคลื่อนที่ และ หม้อแปลง EMFที่เกิดจากการกระทำของแรงไฟฟ้าอันเนื่องมาจากการเปลี่ยนแปลง สนามแม่เหล็ก- James Clerk Maxwell ดึงความสนใจไปที่ข้อเท็จจริงนี้ในงานของเขา เกี่ยวกับทางกายภาพ สายไฟ ในปี พ.ศ. 2404 ในช่วงครึ่งหลังของส่วนที่ 2 ของงานนี้ Maxwell ให้รายละเอียดเพิ่มเติม คำอธิบายทางกายภาพสำหรับแต่ละปรากฏการณ์ทั้งสองนี้ การอ้างอิงถึงการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้าทั้งสองด้านนี้มีอยู่ในตำราเรียนสมัยใหม่บางเล่ม ดังที่ Richard Feynman เขียนไว้ว่า:

กฎของลอเรนซ์[แก้ไข | แก้ไขข้อความวิกิ]

ค่าใช้จ่าย ถามในตัวนำทางด้านซ้ายของวงจะประสบกับแรงลอเรนซ์ ถาม วี× บี เค = −q โวลต์ B(x C − w / 2) เจ (เจเค - เวกเตอร์หน่วยในทิศทาง ยและ z- ซม. ผลิตภัณฑ์เวกเตอร์เวกเตอร์) ซึ่งทำให้เกิดแรงเคลื่อนไฟฟ้า (งานต่อหน่วยประจุ) v ë B(x C − w / 2)ตลอดความยาวด้านซ้ายของห่วง ที่ด้านขวาของลูป การให้เหตุผลที่คล้ายกันแสดงว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าเท่ากับ โวลต์ ë B(x C + w / 2)- แรงเคลื่อนไฟฟ้าสองตัวที่อยู่ตรงข้ามกันจะดันประจุบวกไปทางด้านล่างสุดของลูป กรณีลงสนาม บีเพิ่มขึ้นตาม x แรงทางด้านขวาจะมากขึ้น และกระแสจะไหลตามเข็มนาฬิกา การใช้กฎ มือขวาเราเข้าใจแล้วว่าสนามนั้น บีที่สร้างโดยกระแสอยู่ตรงข้ามกับฟิลด์ที่ประยุกต์ แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่ทำให้เกิดกระแสจะต้องเพิ่มขึ้นในทิศทางทวนเข็มนาฬิกา (ตรงข้ามกับกระแส) การเพิ่มแรงเคลื่อนไฟฟ้าในทิศทางทวนเข็มนาฬิกาตามวงที่เราพบ:

กฎของฟาราเดย์[แก้ไข | แก้ไขข้อความวิกิ]

วิธีการใช้กฎการไหลที่น่าดึงดูดใจแต่มีข้อบกพร่องจะแสดงการไหลผ่านวงจรเป็น Φ B = บว̵, ที่ไหน ว- ความกว้างของวงที่เคลื่อนที่ นิพจน์นี้ไม่ขึ้นอยู่กับเวลา ดังนั้นจึงไม่ถูกต้องตามมาว่าไม่มีการสร้างแรงเคลื่อนไฟฟ้า ข้อผิดพลาดในคำสั่งนี้คือไม่ได้คำนึงถึงเส้นทางทั้งหมดของกระแสผ่านวงปิด

หากต้องการใช้กฎการไหลอย่างถูกต้อง เราต้องพิจารณาเส้นทางปัจจุบันทั้งหมด ซึ่งรวมถึงเส้นทางผ่านขอบล้อบนและขอบล่าง เราสามารถเลือกเส้นทางปิดที่ต้องการผ่านขอบล้อและวงรอบการหมุน และใช้กฎการไหล ค้นหาแรงเคลื่อนไฟฟ้าตามเส้นทางนี้ เส้นทางใดๆ ที่มีส่วนที่อยู่ติดกับวงวนที่หมุนได้จะพิจารณาการเคลื่อนที่สัมพัทธ์ของส่วนต่างๆ ของโซ่ด้วย

ตัวอย่างเช่น พิจารณาเส้นทางที่ผ่านในส่วนบนของโซ่ในทิศทางการหมุนของดิสก์ด้านบนและในส่วนล่างของโซ่ - ในทิศทางตรงกันข้ามกับดิสก์ด้านล่าง (แสดงโดยลูกศรในรูป . 4). ในกรณีนี้ หากวงหมุนเบี่ยงเบนไปเป็นมุม θ จากวงสะสม ก็ถือว่าเป็นส่วนหนึ่งของทรงกระบอกที่มีพื้นที่ ก = ร lθ. พื้นที่นี้ตั้งฉากกับสนาม บีและการมีส่วนร่วมในโฟลว์เท่ากับ:

โดยที่เครื่องหมายเป็นลบเพราะตามกฎมือขวาสนาม บี สร้างขึ้นโดยการวนซ้ำด้วยกระแส ตรงข้ามกับทิศทางของสนามที่ใช้ บี"- เนื่องจากนี่เป็นเพียงส่วนที่ขึ้นกับเวลาของฟลักซ์ ตามกฎของฟลักซ์ แรงเคลื่อนไฟฟ้าคือ:

ตามสูตรของกฎของลอเรนซ์

ตอนนี้ให้พิจารณาเส้นทางอื่นซึ่งเราเลือกที่จะผ่านไปตามขอบของดิสก์ผ่านส่วนตรงข้าม ในกรณีนี้ เธรดที่เกี่ยวข้องจะเป็น ลดโดยเพิ่ม θ แต่ตามกฎมือขวา ก็คือวงปัจจุบัน เพิ่มฟิลด์ที่แนบมา บีดังนั้น EMF สำหรับพาธนี้จะเป็นค่าเดียวกันกับพาธแรกทุกประการ เส้นทางกลับแบบผสมใดๆ จะให้ผลลัพธ์เดียวกันสำหรับค่า emf ดังนั้นจึงไม่สำคัญว่าคุณจะเลือกเส้นทางใด

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์เป็นปฏิกิริยานิวเคลียร์ชนิดหนึ่งซึ่งนิวเคลียสของอะตอมเบารวมกันเป็นนิวเคลียสที่หนักกว่าเนื่องจากพลังงานจลน์ของการเคลื่อนที่ด้วยความร้อน ที่มาของคำ[แก้ไข | แก้ไขข้อความวิกิ]

เพื่อให้ปฏิกิริยานิวเคลียร์เกิดขึ้น นิวเคลียสของอะตอมดั้งเดิมจะต้องเอาชนะสิ่งที่เรียกว่า "อุปสรรคคูลอมบ์" - แรงผลักไฟฟ้าสถิตระหว่างพวกมัน พวกมันจะต้องมีพลังงานจลน์สูง ตาม ทฤษฎีจลน์ศาสตร์พลังงานจลน์ของอนุภาคขนาดเล็กที่กำลังเคลื่อนที่ของสาร (อะตอม โมเลกุล หรือไอออน) สามารถแสดงได้ในรูปของอุณหภูมิ ดังนั้นโดยการให้ความร้อนแก่สาร ทำให้เกิดปฏิกิริยานิวเคลียร์ได้ ความสัมพันธ์ระหว่างการให้ความร้อนกับสารและปฏิกิริยานิวเคลียร์สะท้อนให้เห็นโดยคำว่า "ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์"

อุปสรรคคูลอมบ์[แก้ไข | แก้ไขข้อความวิกิ]

นิวเคลียสของอะตอมมีประจุไฟฟ้าเป็นบวก ในระยะทางไกล ประจุของพวกมันอาจถูกป้องกันโดยอิเล็กตรอน อย่างไรก็ตาม เพื่อให้เกิดการหลอมรวมของนิวเคลียส พวกมันจะต้องเข้าใกล้กันในระยะที่ปฏิกิริยารุนแรงดำเนินไป ระยะนี้เป็นไปตามขนาดของนิวเคลียสเองและหลายครั้ง ขนาดที่เล็กกว่าอะตอม. ที่ระยะห่างดังกล่าว เปลือกอิเล็กตรอนของอะตอม (แม้ว่าจะถูกเก็บรักษาไว้ก็ตาม) ไม่สามารถป้องกันประจุของนิวเคลียสได้อีกต่อไป ดังนั้น พวกมันจึงได้รับแรงผลักจากไฟฟ้าสถิตอย่างรุนแรง แรงผลักนี้ตามกฎของคูลอมบ์ จะแปรผกผันกับกำลังสองของระยะห่างระหว่างประจุ ที่ระยะห่างตามลำดับขนาดของนิวเคลียสจะมีค่า ปฏิสัมพันธ์ที่แข็งแกร่งซึ่งมีแนวโน้มที่จะผูกมัดพวกมัน เริ่มเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วและมีขนาดใหญ่กว่าขนาดของการขับไล่คูลอมบ์

ดังนั้นเพื่อที่จะทำปฏิกิริยา นิวเคลียสจะต้องเอาชนะสิ่งกีดขวางที่อาจเกิดขึ้นได้ ตัวอย่างเช่น สำหรับปฏิกิริยาดิวทีเรียม-ทริเทียม ค่าของอุปสรรคนี้จะอยู่ที่ประมาณ 0.1 MeV เพื่อการเปรียบเทียบ พลังงานไอออไนเซชันของไฮโดรเจนคือ 13 eV ดังนั้นสารที่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาแสนสาหัสจะเป็นพลาสมาที่แตกตัวเป็นไอออนเกือบทั้งหมด

อุณหภูมิเทียบเท่ากับ 0.1 MeV อยู่ที่ประมาณ 10 9 K อย่างไรก็ตาม มีผลกระทบสองประการที่ทำให้อุณหภูมิที่จำเป็นสำหรับปฏิกิริยาฟิวชันลดลง:

· ประการแรก อุณหภูมิจะแสดงเฉพาะพลังงานจลน์เฉลี่ยเท่านั้น โดยมีอนุภาคที่มีพลังงานทั้งต่ำกว่าและสูงกว่า ที่จริงแล้วปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ไม่เกี่ยวข้องเลย จำนวนมากนิวเคลียสมีพลังงานสูงกว่าค่าเฉลี่ยมาก (เรียกว่า "ส่วนหางของการกระจายตัวของแมกซ์เวลเลียน"

ประการที่สองขอขอบคุณ ผลกระทบควอนตัมนิวเคลียสไม่จำเป็นต้องมีพลังงานเกินอุปสรรคคูลอมบ์ หากพลังงานของพวกเขาน้อยกว่าสิ่งกีดขวางเล็กน้อย พวกเขาก็มีแนวโน้มที่จะลอดผ่านมันไปได้ - ไม่ระบุแหล่งที่มา 339 วัน]

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์[แก้ไข | แก้ไขข้อความวิกิ]

ปฏิกิริยาคายความร้อนเทอร์โมนิวเคลียร์ที่สำคัญที่สุดบางส่วนที่มีหน้าตัดขนาดใหญ่:

(1)

ดี

ต

→

4เขา

(3.5 เมฟ)

(14.1 เมฟ)

(2)

ดี

→

ต

(1.01 MeV)

พี

(3.02 เมกะวัตต์)

(50 %)

(3)

→

3เขา

(0.82 เมกะโวลต์)

(2.45 เมฟ)

(50 %)

(4)

ดี

3เขา

→

4เขา

(3.6 เมฟ)

พี

(14.7 เมฟ)

(5)

ต

→

4เขา

+11.3 เมฟ

(6)

3เขา

→

4เขา

พี

(7)

3เขา

ต

→

4เขา

พี

+12.1 MeV

(51 %)

(8)

→

4เขา

(4.8 เมฟ)

ดี

(9.5 เมฟ)

(43 %)

(9)

→

4เขา

(0.5 เมฟ)

(1.9 เมฟ)

พี

(11.9 เมฟ)

(6 %)

(10)

ดี

6ลี

→

4เขา

+ 22.4 MeV -

(11)

พี

6ลี

→

4เขา

(1.7 เมฟ)

3เขา

(2.3 เมฟ)-

(12)

3เขา

6ลี

→

4เขา

พี

+16.9 เมฟ

(13)

พี

11B

→

4เขา

+8.7 เมฟ

(14)

6ลี

→

4เขา

ต

+4.8 เมฟ

การเร่งปฏิกิริยามิวออน[แก้ไข | แก้ไขข้อความวิกิ]

บทความหลัก: การเร่งปฏิกิริยามิวออน

ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์สามารถอำนวยความสะดวกได้อย่างมีนัยสำคัญโดยการแนะนำมิวออนที่มีประจุลบเข้าไปในพลาสมาของปฏิกิริยา

Muons µ - , ทำปฏิกิริยากับเชื้อเพลิงแสนสาหัสสร้างโมเลกุลที่มีระยะห่างระหว่างนิวเคลียสของอะตอมเชื้อเพลิงค่อนข้างเล็กซึ่งเอื้อต่อการเข้าถึงของพวกมันและยังเพิ่มความน่าจะเป็นของการขุดอุโมงค์นิวเคลียสผ่านสิ่งกีดขวางคูลอมบ์

จำนวนปฏิกิริยาการสังเคราะห์ เอ็กซ์ คซึ่งริเริ่มโดยมิวออนหนึ่งตัว ถูกจำกัดด้วยค่าสัมประสิทธิ์การเกาะมิวออน จากการทดลองเป็นไปได้ที่จะได้รับค่า X c ~ 100 นั่นคือหนึ่ง muon สามารถปล่อยพลังงาน ~ 100 × X MeV โดยที่ X คือพลังงานที่ส่งออกของปฏิกิริยาเร่งปฏิกิริยา

จนถึงขณะนี้ ปริมาณพลังงานที่ปล่อยออกมายังน้อยกว่าต้นทุนพลังงานสำหรับการผลิตมิวออนเอง (5-10 GeV) ดังนั้นการเร่งปฏิกิริยามิวออนยังคงเป็นกระบวนการที่ไม่เอื้ออำนวยอย่างกระตือรือร้น การผลิตพลังงานที่มีศักยภาพในเชิงพาณิชย์โดยใช้การเร่งปฏิกิริยามิวออนเป็นไปได้ด้วย เอ็กซ์ ค ~ 10 4 .

การสมัคร[แก้ไข | แก้ไขข้อความวิกิ]

การใช้ปฏิกิริยาแสนสาหัสเป็นแหล่งพลังงานที่ไม่มีวันหมดในทางปฏิบัติมีความเกี่ยวข้องเป็นหลักกับโอกาสในการเชี่ยวชาญเทคโนโลยีเทอร์โมควบคุม นิวเคลียร์ฟิวชั่น(UTS) ปัจจุบันฐานทางวิทยาศาสตร์และเทคโนโลยีไม่อนุญาตให้ใช้ CTS ในระดับอุตสาหกรรม

ในเวลาเดียวกัน ปฏิกิริยาเทอร์โมนิวเคลียร์ที่ไม่สามารถควบคุมได้พบว่ามีการนำไปใช้ในกิจการทางทหาร อุปกรณ์ระเบิดแสนสาหัสชิ้นแรกได้รับการทดสอบในเดือนพฤศจิกายน พ.ศ. 2495 ในสหรัฐอเมริกาและในเดือนสิงหาคม พ.ศ. 2496 มีการทดสอบอุปกรณ์ระเบิดแสนสาหัสในรูปแบบของระเบิดทางอากาศในสหภาพโซเวียต พลังของอุปกรณ์ระเบิดแสนสาหัส (ต่างจากอะตอม) ถูกจำกัดด้วยปริมาณวัสดุที่ใช้สร้างมันเท่านั้น ซึ่งทำให้สามารถสร้างอุปกรณ์ระเบิดได้เกือบทุกพลังงาน

ตั๋ว 27 คำถามที่ 1

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตนเอง

เราได้ศึกษาแล้วว่าสนามแม่เหล็กเกิดขึ้นใกล้กับตัวนำที่มีกระแสไฟฟ้าไหลผ่าน นอกจากนี้เรายังศึกษาว่าสนามแม่เหล็กสลับสร้างกระแส (ปรากฏการณ์ของการเหนี่ยวนำแม่เหล็กไฟฟ้า) ลองพิจารณาดู วงจรไฟฟ้า- เมื่อความแรงของกระแสเปลี่ยนแปลงในวงจรนี้ สนามแม่เหล็กจะเปลี่ยนไปซึ่งเป็นผลมาจากการเพิ่มเติม กระแสเหนี่ยวนำ- ปรากฏการณ์นี้เรียกว่า การเหนี่ยวนำตนเองและกระแสที่เกิดขึ้นในกรณีนี้เรียกว่า กระแสเหนี่ยวนำตัวเอง.

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเองคือการเกิด EMF ในวงจรตัวนำซึ่งสร้างขึ้นจากการเปลี่ยนแปลงความแรงของกระแสในวงจรนั้นเอง

ความเหนี่ยวนำของวงจรขึ้นอยู่กับรูปร่างและขนาดของวงจร คุณสมบัติทางแม่เหล็ก สิ่งแวดล้อมและไม่ขึ้นอยู่กับความแรงของกระแสในวงจร

แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากตนเองกำหนดโดยสูตร:

ปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตนเองนั้นคล้ายคลึงกับปรากฏการณ์ความเฉื่อย เช่นเดียวกับในกลศาสตร์ เป็นไปไม่ได้ที่จะหยุดวัตถุที่กำลังเคลื่อนไหวทันที ดังนั้นกระแสจึงไม่สามารถรับค่าที่แน่นอนได้ในทันทีเนื่องจากปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตัวเอง หากขดลวดเชื่อมต่อแบบอนุกรมกับหลอดไฟดวงที่สองในวงจรที่ประกอบด้วยหลอดไฟสองดวงที่เหมือนกันซึ่งเชื่อมต่อขนานกับแหล่งกำเนิดกระแสไฟฟ้า จากนั้นเมื่อปิดวงจรหลอดไฟดวงแรกจะสว่างขึ้นเกือบจะในทันทีและดวงที่สองจะมีความล่าช้าอย่างเห็นได้ชัด

เมื่อเปิดวงจร ความแรงของกระแสจะลดลงอย่างรวดเร็ว และแรงเคลื่อนไฟฟ้าเหนี่ยวนำตัวเองที่เกิดขึ้นจะป้องกันการลดลง สนามแม่เหล็ก- ในกรณีนี้กระแสเหนี่ยวนำจะถูกส่งไปในลักษณะเดียวกับกระแสเดิม แรงเคลื่อนไฟฟ้าที่เกิดจากตัวเองอาจมีค่ามากกว่าแรงเคลื่อนไฟฟ้าภายนอกหลายเท่า ดังนั้นหลอดไฟมักจะไหม้เมื่อปิดไฟ

พลังงานสนามแม่เหล็ก

พลังงานสนามแม่เหล็กของวงจรนำกระแส:

รังสีกัมมันตภาพรังสีคือรังสีที่ไอโซโทปปล่อยออกมาระหว่างการสลายตัว มีสามประเภท: รังสีอัลฟ่า (การไหลของนิวเคลียสของอะตอมฮีเลียม), รังสีเบตา (การไหลของอิเล็กตรอน) และรังสีแกมมา ( รังสีแม่เหล็กไฟฟ้า- สำหรับมนุษย์ สิ่งที่อันตรายที่สุดคือรังสีแกมมา

ปริมาณรังสีที่ดูดซึมเท่ากับอัตราส่วนของพลังงานที่ร่างกายได้รับต่อมวลกาย ปริมาณการดูดซึมถูกกำหนดด้วยตัวอักษร D และวัดเป็นสีเทา

ในทางปฏิบัติ หน่วยวัดก็เป็นเรินต์เกน (R) เช่นกัน ซึ่งเท่ากับ 2.58 คูณ 10 ยกกำลังลบ 4 คูลอมบ์ หารด้วยกิโลกรัม

รังสีที่ถูกดูดซับสามารถสะสมเมื่อเวลาผ่านไป ปริมาณรังสีก็จะยิ่งมากขึ้น ระยะเวลานานขึ้นการฉายรังสี

อัตราปริมาณรังสีถูกกำหนดโดยอัตราส่วนของปริมาณรังสีที่ดูดซับต่อเวลาในการฉายรังสี ถูกกำหนดด้วยตัวอักษร N และวัดเป็นสีเทาหารต่อวินาที

สำหรับมนุษย์ ปริมาณรังสีที่ดูดซึมถึงตายจะเท่ากับ 6 Gy ปริมาณรังสีสูงสุดที่อนุญาตสำหรับมนุษย์คือ 0.05 Gy ต่อปี

ตั๋ว 28 คำถามที่ 1

อนุภาคมูลฐานเป็นคำเรียกรวมที่หมายถึงวัตถุขนาดเล็กในระดับใต้นิวเคลียร์ที่ไม่สามารถแยกออกเป็นส่วนประกอบต่างๆ ได้

โปรดทราบว่าอนุภาคมูลฐานบางตัว ( อิเล็กตรอน, นิวตริโน, ควาร์กฯลฯ) เปิดอยู่ ช่วงเวลานี้ถือว่าไม่มีโครงสร้างและถือเป็นเบื้องต้น อนุภาคพื้นฐาน - อนุภาคมูลฐานอื่นๆ (ที่เรียกว่า อนุภาคคอมโพสิตรวมถึงอนุภาคที่ประกอบเป็นนิวเคลียสด้วย อะตอม - โปรตอนและ นิวตรอน) มีความซับซ้อน โครงสร้างภายในแต่อย่างไรก็ตามตาม ความคิดที่ทันสมัยเนื่องจากเอฟเฟกต์นี้จึงไม่สามารถแยกพวกมันออกเป็นส่วน ๆ ได้ การคุมขัง.

รวมด้วย ปฏิปักษ์ค้นพบอนุภาคมูลฐานมากกว่า 350 ชนิด ในจำนวนนี้โฟตอน อิเล็กตรอน และมิวออนนิวทริโน อิเล็กตรอน โปรตอน และปฏิปักษ์ของพวกมันมีความเสถียร อนุภาคมูลฐานที่เหลือจะสลายตัวตามธรรมชาติในช่วงเวลาหนึ่งจากประมาณ 1,000 วินาที (สำหรับนิวตรอนอิสระ) จนถึงเศษส่วนเล็กน้อยของวินาที (จาก 10 −24 ถึง 10 −22 สำหรับ เสียงสะท้อน).

ด้วยการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้า การเปลี่ยนแปลงประจุไฟฟ้า กระแส และแรงดันไฟฟ้าจะเกิดขึ้นเป็นระยะ ฟรี, ซีดจาง, ถูกบังคับและการสั่นไหวในตัวเอง

การสั่นสะเทือนฟรีเรียกว่าการสั่นที่เกิดขึ้นในระบบ (ตัวเก็บประจุและขดลวด) หลังจากที่มันถูกลบออกจากตำแหน่งสมดุล (เมื่อมีการจ่ายประจุให้กับตัวเก็บประจุ) อย่างแม่นยำมากขึ้น, การสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าอิสระเกิดขึ้นเมื่อตัวเก็บประจุถูกปล่อยผ่านตัวเหนี่ยวนำ บังคับ การสั่นเรียกว่าการสั่นในวงจรภายใต้อิทธิพลของแรงเคลื่อนไฟฟ้าภายนอกที่เปลี่ยนแปลงเป็นระยะ

ระบบที่ง่ายที่สุดที่สังเกตการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าอิสระคือ วงจรการสั่นนั่นเองประกอบด้วยตัวเหนี่ยวนำและตัวเก็บประจุ กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่า จะเกิดขึ้น การสั่นสะเทือนทางแม่เหล็กไฟฟ้าเนื่องจากการแปลงพลังงาน สนามไฟฟ้าตัวเก็บประจุ

· ตัวเก็บประจุที่ชาร์จจากแบตเตอรี่จะได้รับประจุสูงสุดในช่วงเวลาเริ่มต้น พลังงานของเขา เราจะสูงสุด (รูปที่ ก)

· หากตัวเก็บประจุลัดวงจรจนเป็นขดลวด ในเวลานี้ตัวเก็บประจุจะเริ่มคายประจุ (รูปที่ b) กระแสไฟฟ้าจะปรากฏในวงจร เมื่อตัวเก็บประจุคายประจุ กระแสไฟฟ้าในวงจรและในขดลวดจะเพิ่มขึ้น เนื่องจากปรากฏการณ์การเหนี่ยวนำตนเอง สิ่งนี้จึงไม่เกิดขึ้นทันที พลังงานคอยล์ ว มกลายเป็นค่าสูงสุด (รูปที่ c)

· กระแสเหนี่ยวนำไหลไปในทิศทางเดียวกัน ประจุไฟฟ้าจะถูกสะสมบนตัวเก็บประจุอีกครั้ง ตัวเก็บประจุถูกชาร์จใหม่แล้วเช่น แผ่นตัวเก็บประจุซึ่งมีประจุบวกก่อนหน้านี้จะกลายเป็นประจุลบ พลังงานของตัวเก็บประจุจะสูงสุด กระแสในทิศทางนี้จะหยุด และกระบวนการจะทำซ้ำในทิศทางตรงกันข้าม (รูปที่ d) กระบวนการนี้จะเกิดขึ้นซ้ำแล้วซ้ำเล่า จะเกิดขึ้น การสั่นสะเทือนทางแม่เหล็กไฟฟ้าเนื่องจากการแปลงพลังงานของสนามไฟฟ้าของตัวเก็บประจุเป็นพลังงานของสนามแม่เหล็กของขดลวดปัจจุบันและในทางกลับกัน หากไม่มีการสูญเสีย (ความต้านทาน R = 0) ความแรงของกระแสไฟฟ้า ประจุ และแรงดันไฟฟ้าจะเปลี่ยนแปลงตามเวลาตามกฎฮาร์มอนิก การสั่นที่เกิดขึ้นตามกฎของโคไซน์หรือไซน์เรียกว่าฮาร์มอนิก สมการ การสั่นสะเทือนฮาร์มอนิกค่าใช้จ่าย: .

วงจรที่ไม่มีการสูญเสียพลังงานถือเป็นวงจรออสซิลเลเตอร์ในอุดมคติ คาบของการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าในวงจรออสซิลเลเตอร์ในอุดมคตินั้นขึ้นอยู่กับความเหนี่ยวนำของขดลวดและความจุของตัวเก็บประจุและหาได้ตาม สูตรของทอมสันโดยที่ L คือการเหนี่ยวนำของขดลวด C คือความจุของตัวเก็บประจุ T คือคาบของการสั่นของไฟฟ้า
ในวงจรการสั่นจริง การสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าอิสระจะเป็นเช่นนั้น ซีดจาง เนื่องจากการสูญเสียพลังงานเมื่อทำความร้อนสายไฟ สำหรับ การประยุกต์ใช้จริงสิ่งสำคัญคือต้องได้รับการสั่นของแม่เหล็กไฟฟ้าที่ไม่มีการหน่วง และด้วยเหตุนี้ จึงจำเป็นต้องเติมวงจรการสั่นด้วยไฟฟ้าเพื่อชดเชยการสูญเสียพลังงานจากเครื่องกำเนิดการสั่นที่ไม่มีการสั่น ซึ่งเป็นตัวอย่างของระบบการสั่นในตัวเอง

ตั๋ว 29 คำถามที่ 1

Antiparticle - อนุภาคคู่ของอนุภาคอื่น อนุภาคมูลฐาน มีเหมือนกัน มวลและเช่นเดียวกัน หมุนแตกต่างไปจากสัญญาณของลักษณะปฏิสัมพันธ์อื่น ๆ ทั้งหมด (ค่าใช้จ่ายเช่น ไฟฟ้าและ สีประจุ แบริออน และเลปตัน ตัวเลขควอนตัม).

คำจำกัดความของสิ่งที่เรียกว่า "อนุภาค" ในคู่อนุภาค-ปฏิปักษ์นั้นขึ้นอยู่กับอำเภอใจเป็นส่วนใหญ่ อย่างไรก็ตามเมื่อ ได้รับทางเลือก“อนุภาค” ปฏิปักษ์ของมันถูกกำหนดอย่างไม่ซ้ำกัน การอนุรักษ์เลขแบริออนในกระบวนการปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอทำให้สามารถระบุ "อนุภาค" ในคู่แบริออน-แอนติแบริออนจากสายโซ่ของแบริออนที่สลายตัวได้ การเลือกอิเล็กตรอนเป็น "อนุภาค" ในการจับคู่อิเล็กตรอน-โพซิตรอน (เนื่องจากการอนุรักษ์หมายเลขเลปตันในกระบวนการ ปฏิสัมพันธ์ที่อ่อนแอ) การกำหนดสถานะของ "อนุภาค" ในอิเล็กตรอนนิวตริโน-แอนตินิวตริโนคู่หนึ่ง การเปลี่ยนแปลงระหว่างเลปตันในรุ่นต่างๆ (ประเภท ) ยังไม่ได้รับการสังเกต ดังนั้นคำจำกัดความของ "อนุภาค" ในเลปตันแต่ละรุ่น โดยทั่วไปแล้วสามารถแยกกันได้ โดยปกติแล้ว โดยการเปรียบเทียบกับอิเล็กตรอน "อนุภาค" จะถูกเรียกว่ามีประจุลบ เลปตันซึ่งในขณะที่รักษาหมายเลขเลปตันไว้จะเป็นตัวกำหนดค่าที่สอดคล้องกัน นิวตริโนและ แอนตินิวตริโน- สำหรับ โบซอนแนวคิดเรื่อง “อนุภาค” สามารถกำหนดได้ด้วยคำจำกัดความ เช่น ไฮเปอร์ชาร์จ.

ปฏิกิริยาลูกโซ่เป็นปฏิกิริยาเคมีที่ยั่งยืนในตัวเอง โดยผลิตภัณฑ์ที่ปรากฏในตอนแรกจะมีส่วนร่วมในการก่อตัวของผลิตภัณฑ์ใหม่ ปฏิกิริยาลูกโซ่มักเกิดขึ้นที่ความเร็วสูงและมักมีลักษณะเป็นการระเบิด

ปฏิกิริยาลูกโซ่ต้องผ่านสามขั้นตอนหลัก: ต้นกำเนิด (การเริ่มต้น) การพัฒนา และการสิ้นสุดของลูกโซ่

ข้าว. 9.13. โปรไฟล์พลังงานของปฏิกิริยา (แผนภาพของพลังงานศักย์เทียบกับพิกัดของปฏิกิริยา) ซึ่งแสดงค่าต่ำสุดที่สอดคล้องกับการก่อตัวของสารตัวกลางของปฏิกิริยา

ขั้นตอนการเริ่มต้น ในขั้นตอนนี้ การก่อตัวของตัวกลาง (ผลิตภัณฑ์ตัวกลาง) จะเกิดขึ้น ตัวกลางอาจเป็นอะตอม ไอออน หรือโมเลกุลที่เป็นกลาง การเริ่มต้นสามารถทำได้โดยแสง การแผ่รังสีนิวเคลียร์ พลังงานความร้อน (ความร้อน) แอนไอออน หรือตัวเร่งปฏิกิริยา

ขั้นตอนของการพัฒนา ที่เวทีนี้ ผลิตภัณฑ์ระดับกลางทำปฏิกิริยากับรีเอเจนต์ดั้งเดิม เกิดเป็นสารตัวกลางและผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายใหม่ ขั้นตอนการพัฒนาในปฏิกิริยาลูกโซ่เกิดขึ้นซ้ำหลายครั้งซึ่งนำไปสู่การก่อตัว จำนวนมากผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้ายและขั้นกลาง

ขั้นตอนการหยุดวงจร ในขั้นตอนนี้การบริโภคผลิตภัณฑ์ขั้นกลางขั้นสุดท้ายหรือการทำลายจะเกิดขึ้น เป็นผลให้ปฏิกิริยาหยุดลง ปฏิกิริยาลูกโซ่สามารถแตกหักได้เองหรือภายใต้อิทธิพลของสารพิเศษ - สารยับยั้ง

การเล่นปฏิกิริยาลูกโซ่ บทบาทสำคัญในเคมีหลายแขนง โดยเฉพาะอย่างยิ่งในเคมีเชิงแสง เคมีการเผาไหม้ ปฏิกิริยาฟิชชันนิวเคลียร์ และปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิวชัน (ดูบทที่ 1) ในเคมีอินทรีย์ (ดูบทที่ 17-20)

โฟโตเคมี

สาขาวิชาเคมีนี้ครอบคลุมกระบวนการทางเคมีที่เกี่ยวข้องกับผลกระทบของแสงต่อสสาร ตัวอย่างของกระบวนการโฟโตเคมีคือการสังเคราะห์ด้วยแสง

ปฏิกิริยาลูกโซ่หลายอย่างเกิดขึ้นจากแสง อนุภาคเริ่มต้นในกรณีนี้คือโฟตอนซึ่งมีพลังงาน (ดูหัวข้อ 1.2) ตัวอย่างคลาสสิกคือปฏิกิริยาระหว่างไฮโดรเจนกับคลอรีนเมื่อมีแสง

ปฏิกิริยานี้เกิดขึ้นอย่างระเบิด ประกอบด้วยสามขั้นตอนต่อไปนี้

การเริ่มต้น ในขั้นตอนนี้ พันธะโควาเลนต์ในโมเลกุลคลอรีนจะแตกออก ส่งผลให้เกิดอะตอม 2 อะตอม โดยแต่ละอะตอมมีอิเล็กตรอนคู่กัน:

ปฏิกิริยาประเภทนี้คือโฮโมไลซิสหรือการแบ่งตัวของเม็ดเลือดแดง (ดูหัวข้อ 17.3) นอกจากนี้ยังเป็นตัวอย่างหนึ่งของโฟโตไลซิสอีกด้วย คำว่าโฟโตไลซิสหมายถึงการสลายตัวด้วยแสงเคมี อะตอมของคลอรีนทั้งสองที่เกิดขึ้นเป็นตัวกลาง พวกเขาเป็นพวกหัวรุนแรง อนุมูลคืออะตอม (หรือกลุ่มของอะตอม) ที่มีอิเล็กตรอนที่ไม่มีคู่อย่างน้อยหนึ่งตัว ควรสังเกตว่าแม้ว่าระยะเริ่มต้นจะเป็นระยะที่ช้าที่สุดของปฏิกิริยาลูกโซ่ แต่ก็ไม่ได้กำหนดความเร็วของปฏิกิริยาลูกโซ่ทั้งหมด

ขั้นตอนของการพัฒนา ในขั้นตอนนี้อะตอมของคลอรีนจะทำปฏิกิริยากับโมเลกุลไฮโดรเจนทำให้เกิดผลิตภัณฑ์ขั้นสุดท้าย - ไฮโดรเจนคลอไรด์รวมถึงอนุมูลไฮโดรเจน อนุมูลไฮโดรเจนทำปฏิกิริยากับโมเลกุลของคลอรีน เป็นผลให้เกิดส่วนใหม่ของผลิตภัณฑ์และอนุมูลคลอรีนใหม่:

ปฏิกิริยาทั้งสองนี้ซึ่งรวมกันเป็นขั้นพัฒนาการ ถูกทำซ้ำหลายล้านครั้ง

ขั้นตอนการหยุดวงจร ปฏิกิริยาลูกโซ่ก็หยุดลงในที่สุด

ปฏิกิริยาเช่น

ในการดูดซับพลังงานที่ปล่อยออกมาในระหว่างปฏิกิริยาการยุติสายโซ่ จำเป็นที่ร่างกายที่สามจะต้องมีส่วนร่วมด้วย ร่างกายที่สามนี้มักจะเป็นผนังของภาชนะที่ทำปฏิกิริยา

ผลผลิตควอนตัม

การดูดกลืนโฟตอนหนึ่งโฟตอนโดยโมเลกุลคลอรีนในปฏิกิริยาลูกโซ่ที่อธิบายไว้ข้างต้นอาจส่งผลให้เกิดโมเลกุลไฮโดรเจนคลอไรด์หลายล้านโมเลกุล อัตราส่วนของจำนวนโมเลกุลผลิตภัณฑ์ต่อจำนวนควอนตัมแสง (โฟตอน) ที่ทำให้เกิดปฏิกิริยาเรียกว่าผลผลิตควอนตัม ปริมาณควอนตัมของปฏิกิริยาโฟโตเคมีคอลอาจมีตั้งแต่หนึ่งถึงหลายล้าน ผลผลิตควอนตัมที่สูงบ่งชี้ถึงลักษณะลูกโซ่ของปฏิกิริยาที่เกิดขึ้น

โฟโตไลซิสแบบพัลส์

นี่คือชื่อของเทคนิคที่ใช้ในการรับอนุมูลที่มีความเข้มข้นสูงพอที่จะตรวจจับได้ ในรูป รูปที่ 9.14 แสดงแผนภาพแบบง่ายของการตั้งค่าที่ใช้สำหรับโฟโตไลซิสแบบแฟลช ส่วนผสมของปฏิกิริยาได้รับผลกระทบ

ข้าว. 9.14. โฟโตไลซิสแบบพัลส์

พร้อมแสงแฟลชอันทรงพลังจากแหล่งกำเนิดพัลส์พิเศษ แหล่งกำเนิดดังกล่าวทำให้สามารถสร้างแสงวาบที่มีพลังงานสูงถึง 105 J และมีระยะเวลาในลำดับ s หรือน้อยกว่าได้ เทคนิคสมัยใหม่โฟโตไลซิสแบบพัลส์ใช้เลเซอร์แบบพัลส์ที่มีระยะเวลาแฟลชประมาณนาโนวินาที (10-9 วินาที) ปฏิกิริยาที่เกิดขึ้นจากแสงแฟลชดังกล่าวสามารถตรวจสอบได้โดยการบันทึกลำดับสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของส่วนผสมปฏิกิริยา แฟลชแรกจะตามมาด้วยชุดแฟลชจากแหล่งพัลส์พลังงานต่ำ วาบเหล่านี้ติดตามกันในช่วงเวลาเป็นมิลลิวินาทีหรือไมโครวินาที และทำให้สามารถบันทึกสเปกตรัมการดูดกลืนแสงของส่วนผสมปฏิกิริยาในช่วงเวลาดังกล่าวได้

การเผาไหม้

ปฏิกิริยากับออกซิเจนทำให้เกิดการปล่อยพลังงานความร้อนและแสงสว่างออกมา เรียกว่าการเผาไหม้ การเผาไหม้มักเกิดขึ้นเป็นลำดับที่ซับซ้อนของปฏิกิริยารุนแรง

มาดูการเผาไหม้ของไฮโดรเจนเป็นตัวอย่างกัน ภายใต้เงื่อนไขบางประการ ปฏิกิริยานี้จะเกิดขึ้นอย่างระเบิดได้ ในรูป รูปที่ 9.15 แสดงข้อมูลการทดลองสำหรับปฏิกิริยาของส่วนผสมปริมาณสัมพันธ์ของไฮโดรเจนและออกซิเจนในเครื่องปฏิกรณ์ Pyrex พื้นที่แรเงาของแผนภาพสอดคล้องกับบริเวณที่เกิดการระเบิดของปฏิกิริยานี้ สำหรับปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจน แผนภาพส่วนนี้มีรูปร่างคล้ายคาบสมุทรที่ระเบิดได้ พื้นที่ระเบิดถูกจำกัดด้วยขอบเขตของการระเบิด

ข้าว. 9.15. สภาวะสำหรับการเกิดระเบิดของปฏิกิริยาการเผาไหม้ของไฮโดรเจน:

พิจารณากลไกของปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชัน เมื่อนิวเคลียสหนักแตกตัวภายใต้อิทธิพลของนิวตรอน นิวตรอนใหม่จะถูกสร้างขึ้น ตัวอย่างเช่น ในแต่ละฟิชชันของนิวเคลียสยูเรเนียม 92 U 235 จะเกิดนิวตรอนเฉลี่ย 2.4 นิวตรอน นิวตรอนเหล่านี้บางส่วนสามารถทำให้เกิดการแตกตัวของนิวเคลียร์ได้อีกครั้ง กระบวนการคล้ายหิมะถล่มนี้เรียกว่า ปฏิกิริยาลูกโซ่ .
ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่เกิดกระบวนการคูณนิวตรอน สภาพแวดล้อมนี้เรียกว่า แกนกลาง - ปริมาณทางกายภาพที่สำคัญที่สุดที่แสดงถึงความเข้มของการคูณนิวตรอนคือ ตัวคูณนิวตรอนในตัวกลาง เค ∞ . ค่าสัมประสิทธิ์การคูณเท่ากับอัตราส่วนของจำนวนนิวตรอนในรุ่นหนึ่งต่อจำนวนในรุ่นก่อนหน้า ตัวห้อย ∞ บ่งบอกว่า เรากำลังพูดถึงเกี่ยวกับสภาพแวดล้อมในอุดมคติที่มีมิติไม่สิ้นสุด ในทำนองเดียวกันกับค่า k ∞ ถูกกำหนด ปัจจัยการคูณนิวตรอนในระบบทางกายภาพ เค ปัจจัย k เป็นคุณลักษณะของการติดตั้งเฉพาะ
ในสื่อฟิสไซล์ที่มีขนาดจำกัด นิวตรอนบางส่วนจะหลุดออกจากแกนกลางออกสู่ภายนอก ดังนั้น ค่าสัมประสิทธิ์ k ยังขึ้นอยู่กับความน่าจะเป็น P สำหรับนิวตรอนที่จะไม่หลุดออกจากแกนกลางด้วย A-ไพรเออรี่

k = k ∞ P

(1)

ค่าของ P ขึ้นอยู่กับองค์ประกอบของโซนแอคทีฟ ขนาด รูปร่าง และขอบเขตที่สารที่อยู่รอบโซนแอคทีฟสะท้อนนิวตรอนด้วย
แนวคิดที่สำคัญเกี่ยวกับมวลวิกฤตและมิติวิกฤตมีความเกี่ยวข้องกับความเป็นไปได้ที่นิวตรอนจะออกจากแกนกลาง ขนาดที่สำคัญ คือขนาดของโซนแอคทีฟที่ k = 1 มวลวิกฤติ เรียกว่ามวลของแกนกลางของมิติวิกฤต เห็นได้ชัดว่าเมื่อมวลต่ำกว่าจุดวิกฤติ ปฏิกิริยาลูกโซ่จะไม่เกิดขึ้น แม้ว่าจะ > 1 ก็ตาม ในทางกลับกัน มวลส่วนเกินที่อยู่เหนือจุดวิกฤตที่เห็นได้ชัดเจนจะนำไปสู่ปฏิกิริยาที่ไม่สามารถควบคุมได้ นั่นก็คือการระเบิด
ถ้ารุ่นแรกมี N นิวตรอน รุ่นที่ n ก็จะมี Nk n ดังนั้น ที่ k = 1 ปฏิกิริยาลูกโซ่จึงหยุดนิ่งที่ k< 1 реакция гаснет, а при k >1 ความรุนแรงของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้น เมื่อ k = 1 โหมดปฏิกิริยาจะถูกเรียก วิกฤต , สำหรับ k > 1 – วิกฤตยิ่งยวด และที่เค< 1 – ต่ำกว่าวิกฤต .
อายุการใช้งานของนิวตรอนรุ่นหนึ่งขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลางเป็นอย่างมากและจะอยู่ที่ประมาณ 10–4 ถึง 10–8 วินาที เนื่องจากเวลานี้สั้นนักเพื่อที่จะดำเนินการปฏิกิริยาลูกโซ่แบบควบคุมได้จำเป็นต้องรักษาความเท่าเทียมกัน k = 1 ด้วยความแม่นยำสูงเนื่องจากที่ k = 1.01 ระบบจะระเบิดเกือบจะในทันที เรามาดูกันว่าปัจจัยใดบ้างที่เป็นตัวกำหนดสัมประสิทธิ์ k ∞ และ k
ปริมาณแรกที่กำหนด k ∞ (หรือ k) คือจำนวนเฉลี่ยของนิวตรอนที่ปล่อยออกมาในเหตุการณ์ฟิชชันครั้งหนึ่ง จำนวนนี้ขึ้นอยู่กับประเภทของเชื้อเพลิงและพลังงานของนิวตรอนที่ตกกระทบ ในตาราง 1 แสดงค่าของไอโซโทปหลัก พลังงานนิวเคลียร์ทั้งสำหรับนิวตรอนแบบความร้อนและแบบเร็ว (E = 1 MeV)

สเปกตรัมพลังงานของนิวตรอนฟิชชันสำหรับไอโซโทป 235 U แสดงไว้ในรูปที่ 1 1. สเปกตรัมชนิดนี้มีความคล้ายคลึงกับไอโซโทปฟิสไซล์ทั้งหมด โดยจะมีพลังงานกระจายอย่างมาก โดยนิวตรอนจำนวนมากจะมีพลังงานอยู่ในช่วง 1–3 MeV นิวตรอนที่เกิดขึ้นระหว่างฟิชชันจะช้าลง กระจายไปในระยะหนึ่ง และถูกดูดซับโดยมีหรือไม่มีฟิชชันก็ตาม นิวตรอนมีเวลาที่จะชะลอความเร็วลงไปสู่พลังงานที่แตกต่างกันก่อนที่จะดูดซับ ทั้งนี้ขึ้นอยู่กับคุณสมบัติของตัวกลาง เมื่อมีตัวหน่วงที่ดี นิวตรอนส่วนใหญ่มีเวลาที่จะชะลอความเร็วลงจนเหลือพลังงานความร้อนประมาณ 0.025 eV ในกรณีนี้เรียกว่าปฏิกิริยาลูกโซ่ ช้าหรือสิ่งที่เหมือนกัน ความร้อน- หากไม่มีตัวหน่วงพิเศษ นิวตรอนจะมีเวลาเพียงเพื่อชะลอความเร็วลงเหลือพลังงาน 0.1–0.4 MeV เท่านั้น เนื่องจากไอโซโทปฟิสไซล์ทั้งหมดมีน้ำหนักมากและทำให้ช้าลงได้ไม่ดี ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่สอดคล้องกันเรียกว่า เร็ว(เราเน้นย้ำว่าคำว่า "เร็ว" และ "ช้า" แสดงถึงความเร็วของนิวตรอน ไม่ใช่ความเร็วของปฏิกิริยา) ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่นิวตรอนถูกทำให้ช้าลงจนถึงพลังงานตั้งแต่สิบถึงหนึ่งเควีเรียกว่า ระดับกลาง .
เมื่อนิวตรอนชนกับนิวเคลียสหนัก การจับนิวตรอนด้วยรังสี (n, γ) ย่อมเป็นไปได้เสมอ กระบวนการนี้จะแข่งขันกับการหารและลดอัตราการคูณลง จากนี้ไปปริมาณทางกายภาพที่สองที่ส่งผลต่อสัมประสิทธิ์ k ∞ , k คือความน่าจะเป็นของฟิชชันเมื่อนิวตรอนถูกจับโดยนิวเคลียสของไอโซโทปฟิสไซล์ ความน่าจะเป็นของนิวตรอนพลังงานเดี่ยวนี้มีค่าเท่ากับอย่างเห็นได้ชัด

(2)

โดยที่ nf, nγ คือส่วนตัดขวางของฟิชชันและการจับรังสีตามลำดับ เพื่อพิจารณาทั้งจำนวนนิวตรอนต่อเหตุการณ์ฟิชชันและความน่าจะเป็นของการดักจับแบบแผ่รังสีไปพร้อมๆ กัน จึงมีการนำค่าสัมประสิทธิ์ η มาใช้ ซึ่งเท่ากับจำนวนเฉลี่ยของนิวตรอนทุติยภูมิต่อการดักจับนิวตรอนโดยนิวเคลียสฟิสไซล์

(3)

ค่าของ η ขึ้นอยู่กับประเภทของเชื้อเพลิงและพลังงานนิวตรอน ค่าของηสำหรับไอโซโทปที่สำคัญที่สุดสำหรับนิวตรอนความร้อนและนิวตรอนเร็วแสดงไว้ในตารางเดียวกัน 1. ค่า η เป็นคุณลักษณะที่สำคัญที่สุดของนิวเคลียสเชื้อเพลิง ปฏิกิริยาลูกโซ่สามารถเกิดขึ้นได้เมื่อ η > 1 เท่านั้น ยิ่งค่า η สูง คุณภาพของเชื้อเพลิงก็จะยิ่งสูงขึ้นตามไปด้วย

ตารางที่ 1. ค่าของ ν, η สำหรับไอโซโทปฟิสไซล์

แกนกลาง		92 คุณ 233	92 คุณ 235	94 ปู่ 239
นิวตรอนความร้อน (อี = 0.025 อีโวลท์)	ν	2.52	2.47	2.91
นิวตรอนความร้อน (อี = 0.025 อีโวลท์)	η	2.28	2.07	2.09
นิวตรอนเร็ว (E = 1 เมฟ)	ν	2.7	2.65	3.0
นิวตรอนเร็ว (E = 1 เมฟ)	η	2.45	2.3	2.7

คุณภาพของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์นั้นพิจารณาจากความพร้อมใช้และค่าสัมประสิทธิ์ η มีเพียงสามไอโซโทปที่พบในธรรมชาติที่สามารถทำหน้าที่เป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์หรือวัตถุดิบสำหรับการผลิตได้ เหล่านี้คือไอโซโทปของทอเรียม 232 Th และไอโซโทปของยูเรเนียม 238 U และ 235 U ในจำนวนนี้ สองรายการแรกไม่เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ แต่สามารถแปรรูปเป็นไอโซโทปที่เกิดปฏิกิริยาได้ ไอโซโทป 235 U เองทำให้เกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ ใน เปลือกโลกทอเรียมมีค่ามากกว่ายูเรเนียมหลายเท่า ทอเรียมธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทปเพียงชนิดเดียวเท่านั้น 232 Th ยูเรเนียมธรรมชาติประกอบด้วยไอโซโทป 238 U เป็นส่วนใหญ่ และมีเพียง 0.7% ของไอโซโทป 235 U เท่านั้น
ในทางปฏิบัติ คำถามเกี่ยวกับความเป็นไปได้ของปฏิกิริยาลูกโซ่กับส่วนผสมตามธรรมชาติของไอโซโทปยูเรเนียมซึ่งมีนิวเคลียส 140 238 U ต่อนิวเคลียส 235 U เป็นสิ่งสำคัญอย่างยิ่ง ขอให้เราแสดงให้เห็นว่าในส่วนผสมตามธรรมชาติปฏิกิริยาที่ช้าเป็นไปได้ แต่อันที่เร็วนั้นไม่ใช่ ในการพิจารณาปฏิกิริยาลูกโซ่ในของผสมตามธรรมชาติ จะสะดวกในการแนะนำปริมาณใหม่ - ค่าตัดขวางการดูดกลืนนิวตรอนเฉลี่ยต่อหนึ่งนิวเคลียสของไอโซโทป 235 U ตามคำจำกัดความ

สำหรับเทอร์มอลนิวตรอน = 2.47, = 580 barn, = 112 barn, = 2.8 barn (สังเกตว่าภาคตัดขวางสุดท้ายมีขนาดเล็กแค่ไหน) เมื่อแทนตัวเลขเหล่านี้ลงใน (5) เราจะได้ค่านั้นสำหรับนิวตรอนช้าในส่วนผสมตามธรรมชาติ

ซึ่งหมายความว่าเทอร์มอลนิวตรอน 100 ตัวที่ถูกดูดซับในส่วนผสมตามธรรมชาติ จะสร้างนิวตรอนใหม่ได้ 132 ตัว ตามมาโดยตรงจากสิ่งนี้ว่าโดยหลักการแล้วปฏิกิริยาลูกโซ่กับนิวตรอนช้าเป็นไปได้บนยูเรเนียมธรรมชาติ โดยหลักการแล้ว เนื่องจากในการใช้ปฏิกิริยาลูกโซ่จริงๆ คุณจะต้องสามารถชะลอนิวตรอนโดยมีการสูญเสียต่ำได้
สำหรับนิวตรอนเร็ว ν = 2.65, 2 โรงนา, 0.1 โรงนา หากเราคำนึงถึงการแยกตัวของไอโซโทป 235 U เท่านั้น เราก็จะได้

235 (เร็ว) 0.3.

(7)

แต่เราต้องคำนึงด้วยว่านิวตรอนเร็วที่มีพลังงานมากกว่า 1 MeV สามารถแบ่งนิวเคลียสของไอโซโทป 238 U ซึ่งมีอยู่มากมายในส่วนผสมตามธรรมชาติได้ด้วยความเข้มสัมพัทธ์ที่เห็นได้ชัดเจน สำหรับการหารด้วย 238 U ค่าสัมประสิทธิ์จะอยู่ที่ประมาณ 2.5 ในสเปกตรัมฟิชชัน ประมาณ 60% ของนิวตรอนมีพลังงานสูงกว่าเกณฑ์ที่มีประสิทธิผลที่ 1.4 MeV ฟิชชัน 238 U แต่ในจำนวน 60% เหล่านี้ มีนิวตรอนเพียง 1 ใน 5 เท่านั้นที่สามารถจัดการฟิชชันได้โดยไม่ทำให้พลังงานช้าลงจนต่ำกว่าเกณฑ์เนื่องจาก การกระเจิงแบบยืดหยุ่นและการกระเจิงที่ไม่ยืดหยุ่นเป็นพิเศษ จากตรงนี้ เราจะได้ค่าประมาณสำหรับค่าสัมประสิทธิ์ 238 (เร็ว)

ดังนั้นปฏิกิริยาลูกโซ่ในส่วนผสมตามธรรมชาติ (235 U + 238 U) ไม่สามารถเกิดขึ้นกับนิวตรอนเร็วได้ เป็นที่ยอมรับจากการทดลองว่าสำหรับยูเรเนียมโลหะบริสุทธิ์ ปัจจัยการคูณจะมีค่าความเป็นเอกภาพโดยมีการเสริมสมรรถนะที่ 5.56% ในทางปฏิบัติ ปรากฏว่าปฏิกิริยากับนิวตรอนเร็วสามารถคงอยู่ในส่วนผสมเข้มข้นที่มีไอโซโทป 235 U อย่างน้อย 15% เท่านั้น
ส่วนผสมตามธรรมชาติของไอโซโทปยูเรเนียมสามารถเสริมสมรรถนะด้วยไอโซโทป 235 U การเพิ่มปริมาณเป็นกระบวนการที่ซับซ้อนและมีราคาแพงเนื่องจากข้อเท็จจริงที่ว่า คุณสมบัติทางเคมีไอโซโทปทั้งสองเกือบจะเหมือนกัน จำเป็นต้องใช้ประโยชน์จากความแตกต่างเล็กน้อยในอัตราของปฏิกิริยาเคมี การแพร่กระจาย ฯลฯ ที่เกิดขึ้นเนื่องจากความแตกต่างในมวลของไอโซโทป ปฏิกิริยาลูกโซ่ที่มี 235 U มักจะเกิดขึ้นในสภาพแวดล้อมที่มีปริมาณ 238 U สูง มักใช้ส่วนผสมตามธรรมชาติของไอโซโทป ซึ่ง η = 1.32 ในบริเวณนิวตรอนความร้อน เนื่องจาก 238 U ก็มีประโยชน์เช่นกัน ไอโซโทป 238 U เป็นฟิชไซล์ของนิวตรอนที่มีพลังงานมากกว่า 1 MeV ฟิชชันนี้ส่งผลให้มีการคูณนิวตรอนเพิ่มขึ้นเล็กน้อย
ลองเปรียบเทียบปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันกับนิวตรอนความร้อนและนิวตรอนเร็ว
สำหรับนิวตรอนความร้อน หน้าตัดของการดักจับจะมีขนาดใหญ่และแตกต่างกันอย่างมากเมื่อส่งผ่านจากนิวเคลียสหนึ่งไปยังอีกนิวเคลียส บนนิวเคลียสขององค์ประกอบบางชนิด (เช่น แคดเมียม) ภาพตัดขวางเหล่านี้สูงกว่าภาพตัดขวางบน 235 U หลายร้อยเท่า ดังนั้นจึงมีข้อกำหนดความบริสุทธิ์สูงบนแกนกลางของการติดตั้งนิวตรอนความร้อนที่เกี่ยวข้องกับสิ่งเจือปนบางชนิด
สำหรับนิวตรอนเร็ว หน้าตัดของการดักจับทั้งหมดมีขนาดเล็กและไม่แตกต่างกันมากนัก ดังนั้นจึงไม่มีปัญหาเรื่องความบริสุทธิ์สูงของวัสดุเกิดขึ้น ข้อดีอีกประการหนึ่งของปฏิกิริยาที่รวดเร็วคืออัตราการสืบพันธุ์ที่สูงขึ้น
คุณสมบัติที่โดดเด่นที่สำคัญของปฏิกิริยาความร้อนคือในแกนกลางของเชื้อเพลิงจะเจือจางมากขึ้น กล่าวคือ ต่อนิวเคลียสของเชื้อเพลิง จะมีนิวเคลียสที่ไม่มีส่วนร่วมในการแยกตัวมากกว่าปฏิกิริยาเร็วอย่างมีนัยสำคัญ ตัวอย่างเช่น ในปฏิกิริยาความร้อนกับยูเรเนียมธรรมชาติ จะมีนิวเคลียส 140 นิวเคลียสของวัตถุดิบ 238 U ต่อแกนเชื้อเพลิง 235 U และในปฏิกิริยาที่รวดเร็ว จะมีนิวเคลียส 238 U ได้ไม่เกิน 5 ถึง 6 นิวเคลียสต่อนิวเคลียส 235 U การเจือจางของเชื้อเพลิงในปฏิกิริยาความร้อนนำไปสู่ความจริงที่ว่าพลังงานหนึ่งและพลังงานเดียวกันในปฏิกิริยาความร้อนถูกปล่อยออกมาในปริมาณสสารที่ใหญ่กว่าในปฏิกิริยาเร็วมาก ดังนั้นจึงเป็นการง่ายกว่าที่จะขจัดความร้อนออกจากโซนแอคทีฟของปฏิกิริยาความร้อน ซึ่งช่วยให้ปฏิกิริยานี้ดำเนินการด้วยความเข้มข้นที่มากกว่าปฏิกิริยาที่รวดเร็ว
อายุการใช้งานของนิวตรอนรุ่นหนึ่งสำหรับปฏิกิริยาที่รวดเร็วนั้นสั้นกว่าปฏิกิริยาความร้อนหลายลำดับความสำคัญ ดังนั้นอัตราการเกิดปฏิกิริยาอย่างรวดเร็วสามารถเปลี่ยนแปลงได้อย่างเห็นได้ชัดหลังจากผ่านไปมาก เวลาอันสั้นหลังจากการเปลี่ยนแปลงสภาพทางกายภาพในแกนกลาง ที่ ดำเนินการตามปกติในเครื่องปฏิกรณ์ ผลกระทบนี้ไม่มีนัยสำคัญ เนื่องจากในกรณีนี้ โหมดการทำงานจะถูกกำหนดโดยอายุการใช้งานที่ล่าช้า แทนที่จะเป็นนิวตรอนที่รวดเร็ว
ในสื่อที่เป็นเนื้อเดียวกันซึ่งประกอบด้วยไอโซโทปฟิสไซล์ประเภทเดียวเท่านั้น ตัวคูณการคูณจะเท่ากับ η อย่างไรก็ตาม ในสถานการณ์จริง นอกเหนือจากนิวเคลียสฟิสไซล์แล้ว ยังมีนิวเคลียสอื่นที่ไม่ฟิชชันอยู่เสมอ นิวเคลียสภายนอกเหล่านี้จะจับนิวตรอนและส่งผลต่อปัจจัยการคูณ ตามมาด้วยปริมาณที่สามซึ่งกำหนดค่าสัมประสิทธิ์ k ∞ , k คือความน่าจะเป็นที่นิวตรอนจะไม่ถูกจับโดยนิวเคลียสที่ไม่ฟิสไซล์ตัวใดตัวหนึ่ง ในการติดตั้งจริง การดักจับ "ต่างประเทศ" จะเกิดขึ้นบนแกนของผู้ดูแล บนแกนของแกนต่างๆ องค์ประกอบโครงสร้างเช่นเดียวกับนิวเคลียสของผลิตภัณฑ์ฟิชชันและผลิตภัณฑ์จากการจับ
ในการดำเนินการปฏิกิริยาลูกโซ่กับนิวตรอนช้าสารพิเศษจะถูกนำเข้าไปในแกนกลาง - ตัวหน่วงซึ่งจะเปลี่ยนนิวตรอนฟิชชันให้เป็นนิวตรอนความร้อน ในทางปฏิบัติ ปฏิกิริยาลูกโซ่นิวตรอนช้าเกิดขึ้นกับยูเรเนียมธรรมชาติหรือยูเรเนียมเสริมสมรรถนะเล็กน้อยที่มีไอโซโทป 235 U การมีอยู่ของไอโซโทป 238 U จำนวนมากในแกนกลางทำให้กระบวนการกลั่นกรองมีความซับซ้อน และทำให้จำเป็นต้องให้ความสำคัญกับคุณภาพของตัวกลั่นกรองในระดับสูง อายุการใช้งานของนิวตรอนรุ่นหนึ่งในแกนกลางที่มีตัวหน่วงนั้นสามารถแบ่งได้เป็นสองระยะโดยประมาณ: การกลั่นกรองพลังงานความร้อนและการแพร่กระจาย อัตราความร้อนก่อนการดูดซึม เพื่อให้นิวตรอนส่วนใหญ่มีเวลาช้าลงโดยไม่มีการดูดซึม จะต้องเป็นไปตามเงื่อนไข

โดยที่ σ การควบคุม , การจับ σ คือส่วนตัดขวางเฉลี่ยพลังงานสำหรับการกระเจิงและการจับแบบยืดหยุ่น ตามลำดับ และ n คือจำนวนการชนของนิวตรอนกับนิวเคลียสของตัวหน่วงที่จำเป็นเพื่อให้ได้พลังงานความร้อน จำนวน n จะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็วตามจำนวนมวลของตัวหน่วงที่เพิ่มขึ้น สำหรับยูเรเนียม 238 U ตัวเลข n อยู่ในลำดับหลายพัน และอัตราส่วน σ ควบคุม /σ การดักจับสำหรับไอโซโทปนี้ แม้จะอยู่ในบริเวณพลังงานที่ค่อนข้างดีของนิวตรอนเร็ว ก็ไม่เกิน 50 บริเวณเรโซแนนซ์ที่เรียกว่าตั้งแต่ 1 keV ถึง 1 eV นั้น "อันตราย" โดยเฉพาะที่เกี่ยวข้องกับการจับนิวตรอน . ในภูมิภาคนี้ ภาพตัดขวางทั้งหมดสำหรับปฏิสัมพันธ์ของนิวตรอนกับนิวเคลียส 238 U มีการสั่นพ้องที่รุนแรงจำนวนมาก (รูปที่ 2) ที่พลังงานต่ำ ความกว้างของการแผ่รังสีจะเกินความกว้างของนิวตรอน ดังนั้น ในพื้นที่เรโซแนนซ์ อัตราส่วน σ การควบคุม/การจับ σ จะน้อยกว่าเอกภาพด้วยซ้ำ ซึ่งหมายความว่าเมื่อนิวตรอนเข้าสู่บริเวณหนึ่งของเสียงสะท้อนนั้น มันจะถูกดูดซับด้วยความน่าจะเป็นเกือบหนึ่งร้อยเปอร์เซ็นต์ และเนื่องจากการชะลอตัวของนิวเคลียสที่หนักกว่าเช่นยูเรเนียมเกิดขึ้นใน "ก้าวเล็ก ๆ" จากนั้นเมื่อผ่านบริเวณเรโซแนนซ์ นิวตรอนที่ช้าลงจะ "ชนเข้ากับ" เสียงสะท้อนอันใดอันหนึ่งและถูกดูดซับอย่างแน่นอน ตามมาว่าปฏิกิริยาลูกโซ่ไม่สามารถดำเนินการกับยูเรเนียมธรรมชาติได้หากไม่มีสิ่งเจือปนจากภายนอก: บนนิวตรอนเร็วปฏิกิริยาจะไม่เกิดขึ้นเนื่องจากค่าสัมประสิทธิ์ η น้อยและไม่สามารถก่อตัวนิวตรอนช้าได้ เพื่อหลีกเลี่ยงการจับนิวตรอนแบบเรโซแนนซ์ จำเป็นต้องใช้นิวเคลียสที่เบามากเพื่อทำให้พวกมันช้าลง ซึ่งการชะลอตัวเกิดขึ้นใน "ก้าวใหญ่" ซึ่งจะเพิ่มความน่าจะเป็นอย่างมากที่นิวตรอนจะ "ข้าม" ผ่านบริเวณพลังงานเรโซแนนซ์ได้สำเร็จ องค์ประกอบที่ช่วยกลั่นกรองได้ดีที่สุด ได้แก่ ไฮโดรเจน ดิวทีเรียม เบริลเลียม และคาร์บอน ดังนั้นตัวหน่วงที่ใช้ในทางปฏิบัติส่วนใหญ่จะลงมาที่น้ำหนักเบริลเลียมเบริลเลียมออกไซด์กราไฟท์รวมถึงน้ำธรรมดาซึ่งทำให้นิวตรอนช้าลงไม่เลวร้ายไปกว่าน้ำหนักหนัก แต่ดูดซับพวกมันในปริมาณที่มากขึ้น สารชะลอจะต้องทำความสะอาดอย่างดี โปรดทราบว่าในการทำปฏิกิริยาช้าๆ ตัวหน่วงต้องมีปริมาณมากกว่ายูเรเนียมหลายสิบหรือหลายร้อยเท่า เพื่อป้องกันการชนกันของนิวตรอนด้วยนิวเคลียส 238 U

คุณสมบัติการกลั่นกรองของตัวกลางแอคทีฟสามารถอธิบายโดยประมาณได้ด้วยปริมาณสามปริมาณ: ความน่าจะเป็นที่นิวตรอนหลีกเลี่ยงการดูดกลืนโดยตัวหน่วงระหว่างการกลั่นกรอง ความน่าจะเป็น p ที่จะหลีกเลี่ยงการจับยึดด้วยเรโซแนนซ์โดยนิวเคลียส 238 U และความน่าจะเป็น f ของนิวตรอนความร้อนที่ถูกดูดซับ โดยนิวเคลียสเชื้อเพลิงแทนที่จะเป็นตัวหน่วง ปริมาณ f มักเรียกว่าสัมประสิทธิ์ การใช้ความร้อน- การคำนวณปริมาณเหล่านี้อย่างแม่นยำเป็นเรื่องยาก โดยปกติจะใช้สูตรกึ่งเชิงประจักษ์โดยประมาณในการคำนวณ

ค่าของ p และ f ไม่เพียงขึ้นอยู่กับจำนวนสัมพัทธ์ของโมเดอเรเตอร์เท่านั้น แต่ยังขึ้นอยู่กับเรขาคณิตของตำแหน่งในแกนกลางด้วย โซนแอคทีฟซึ่งประกอบด้วยส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกันของยูเรเนียมและโมเดอเรเตอร์เรียกว่าเป็นเนื้อเดียวกันและระบบของบล็อกยูเรเนียมและโมเดอเรเตอร์สลับกันเรียกว่าต่างกัน (รูปที่ 4) ระบบที่ต่างกันในเชิงคุณภาพนั้นมีความโดดเด่นด้วยความจริงที่ว่านิวตรอนเร็วที่เกิดขึ้นในยูเรเนียมนั้นสามารถเข้าไปในตัวหน่วงได้โดยไม่ต้องถึงพลังงานเรโซแนนซ์ การชะลอตัวเพิ่มเติมเกิดขึ้นในผู้ควบคุมที่แท้จริง สิ่งนี้จะเพิ่มความน่าจะเป็น p ในการหลีกเลี่ยงการจับจังหวะ

เพ เพชร > พี โฮโม

ในทางกลับกัน เมื่อกลายเป็นความร้อนในตัวหน่วงเวลา นิวตรอนจะต้องกระจายไปยังขอบเขตของมันเพื่อที่จะมีส่วนร่วมในปฏิกิริยาลูกโซ่ โดยไม่ถูกดูดซับในตัวหน่วงปฏิกิริยาบริสุทธิ์ ดังนั้นปัจจัยการใช้ความร้อน f ในสภาพแวดล้อมที่ต่างกันจึงต่ำกว่าปัจจัยที่เป็นเนื้อเดียวกัน:

ฉได้รับ< f гом.

เพื่อประมาณค่าปัจจัยการคูณ k ∞ ของเครื่องปฏิกรณ์ความร้อน เป็นการประมาณ สูตรสี่ปัจจัย

ค∞ = η หน้า 1ε .

(11)

เราได้พิจารณาปัจจัยสามประการแรกก่อนหน้านี้แล้ว เรียกว่าปริมาณ ε ตัวคูณการคูณนิวตรอนเร็ว - สัมประสิทธิ์นี้ถูกนำมาใช้เพื่อคำนึงว่านิวตรอนเร็วบางชนิดสามารถเกิดฟิชชันได้โดยไม่ต้องมีเวลาทำให้ช้าลง ตามความหมาย ค่าสัมประสิทธิ์ ε จะเกินหนึ่งเสมอ แต่ส่วนเกินนี้มักจะมีขนาดเล็ก โดยทั่วไปสำหรับปฏิกิริยาความร้อนคือค่า ε = 1.03 สำหรับปฏิกิริยาเร็ว จะไม่สามารถใช้สูตรของปัจจัยสี่ประการได้ เนื่องจากแต่ละสัมประสิทธิ์ขึ้นอยู่กับพลังงานและการกระจายพลังงานในปฏิกิริยาเร็วนั้นมีมาก
เนื่องจากค่าของηถูกกำหนดโดยประเภทของเชื้อเพลิงและค่าของεสำหรับปฏิกิริยาช้าแทบจะไม่แตกต่างจากความสามัคคีคุณภาพของตัวกลางที่ใช้งานอยู่จะถูกกำหนดโดยผลิตภัณฑ์ pf ดังนั้น ข้อดีของตัวกลางที่ต่างกันเหนือตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกันนั้นแสดงให้เห็นในเชิงปริมาณในข้อเท็จจริงที่ว่า ตัวอย่างเช่น ในระบบที่มีนิวเคลียสของกราไฟท์ 215 ตัวต่อนิวเคลียสยูเรเนียมธรรมชาติ ผลิตภัณฑ์ pf เท่ากับ 0.823 สำหรับตัวกลางที่ต่างกันและ 0.595 สำหรับค่าที่เป็นเนื้อเดียวกัน และเนื่องจากสำหรับส่วนผสมตามธรรมชาติ η = 1.34 เราจะได้ค่านั้นสำหรับตัวกลางที่ต่างกัน k ∞ > 1 และสำหรับตัวกลางที่เป็นเนื้อเดียวกัน k ∞< 1.
สำหรับ การปฏิบัติจริงในปฏิกิริยาลูกโซ่ที่อยู่นิ่ง เราต้องสามารถควบคุมปฏิกิริยานี้ได้ การควบคุมนี้ง่ายขึ้นมากเนื่องจากมีการปล่อยนิวตรอนล่าช้าระหว่างฟิชชัน นิวตรอนส่วนใหญ่อย่างท่วมท้นหลุดออกจากนิวเคลียสแทบจะในทันที (กล่าวคือ ในช่วงเวลาที่มีขนาดน้อยกว่าอายุของนิวตรอนในแกนกลางรุ่นหนึ่ง) แต่นิวตรอนหลายสิบของเปอร์เซ็นต์ถูกหน่วงเวลาและหลบหนีจากนิวเคลียส นิวเคลียสของชิ้นส่วนหลังจากช่วงเวลาค่อนข้างใหญ่ - จากเศษส่วนวินาทีไปจนถึงหลาย ๆ หรือหลายสิบวินาที ผลกระทบของนิวตรอนล่าช้าสามารถอธิบายได้ในเชิงคุณภาพได้ดังนี้ ปล่อยให้ตัวคูณการคูณเพิ่มขึ้นทันทีจากค่าต่ำกว่าวิกฤตไปเป็นค่าวิกฤตยิ่งยวดที่ 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.
การจับนิวตรอนโดยนิวเคลียสที่ไม่มีส่วนร่วมในปฏิกิริยาลูกโซ่จะลดความเข้มข้นของปฏิกิริยา แต่จะมีประโยชน์ในส่วนที่เกี่ยวข้องกับการก่อตัวของไอโซโทปฟิสไซล์ใหม่ ดังนั้น เมื่อนิวตรอนถูกดูดซับจากไอโซโทปของยูเรเนียม 238 U และทอเรียม 232 Th ไอโซโทปของพลูโทเนียม 239 Pu และยูเรเนียม 233 U จะก่อตัวขึ้น (ผ่านการสลาย β สองครั้งติดต่อกัน) ซึ่งเป็นเชื้อเพลิงนิวเคลียร์:

(12)

(13)

ปฏิกิริยาทั้งสองนี้ทำให้เกิดความเป็นไปได้ที่แท้จริง การสืบพันธุ์ของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ระหว่างปฏิกิริยาลูกโซ่ ในกรณีที่เหมาะ กล่าวคือ ในกรณีที่ไม่มีการสูญเสียนิวตรอนโดยไม่จำเป็น ก็สามารถใช้นิวตรอนเฉลี่ย 1 นิวตรอนในการสืบพันธุ์สำหรับการดูดกลืนนิวตรอนแต่ละครั้งด้วยนิวเคลียสเชื้อเพลิง

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (อะตอม)

เครื่องปฏิกรณ์เป็นอุปกรณ์ที่ควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันไว้ เมื่อเครื่องปฏิกรณ์ทำงาน ความร้อนจะถูกปล่อยออกมาเนื่องจากลักษณะคายความร้อนของปฏิกิริยาฟิชชัน ลักษณะสำคัญของเครื่องปฏิกรณ์คือกำลัง - ปริมาณพลังงานความร้อนที่ปล่อยออกมาต่อหน่วยเวลา กำลังของเครื่องปฏิกรณ์มีหน่วยเป็นเมกะวัตต์ (10 6 W) กำลัง 1 เมกะวัตต์สอดคล้องกับปฏิกิริยาลูกโซ่โดยเกิดเหตุการณ์ฟิชชัน 3·1,016 ครั้งต่อวินาที มีเครื่องปฏิกรณ์ประเภทต่างๆ มากมาย หนึ่งในรูปแบบทั่วไปของเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนแสดงไว้ในรูปที่ 1 5.
ส่วนหลักของเครื่องปฏิกรณ์คือโซนที่ทำงานซึ่งเกิดปฏิกิริยาและปล่อยพลังงานออกมา ในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนความร้อนและนิวตรอนขั้นกลาง แกนกลางประกอบด้วยเชื้อเพลิง ซึ่งมักจะผสมกับไอโซโทปไม่ฟิสไซล์ (ปกติคือ 238 U) และเครื่องหน่วง ไม่มีตัวหน่วงในแกนกลางของเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็ว
ปริมาตรแกนกลางจะแตกต่างกันไปตั้งแต่หนึ่งในสิบของลิตรในเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วบางเครื่องไปจนถึงหลายสิบลูกบาศก์เมตรในเครื่องปฏิกรณ์ความร้อนขนาดใหญ่ เพื่อลดการรั่วไหลของนิวตรอน แกนกลางจะมีรูปร่างเป็นทรงกลมหรือเกือบเป็นทรงกลม (เช่น ทรงกระบอกที่มีความสูงประมาณเท่ากับเส้นผ่านศูนย์กลาง หรือทรงลูกบาศก์)
เครื่องปฏิกรณ์ที่เป็นเนื้อเดียวกันและต่างกันนั้นขึ้นอยู่กับตำแหน่งสัมพัทธ์ของเชื้อเพลิงและตัวหน่วง ตัวอย่างของโซนแอคทีฟที่เป็นเนื้อเดียวกันคือสารละลายเกลือยูรานิลซัลเฟตและ U 2 SO 4 ในน้ำธรรมดาหรือน้ำหนัก เครื่องปฏิกรณ์ที่แตกต่างกันนั้นมีอยู่ทั่วไปมากกว่า ในเครื่องปฏิกรณ์ที่แตกต่างกัน แกนกลางจะประกอบด้วยตัวหน่วงซึ่งมีการวางคาสเซ็ตต์ที่บรรจุเชื้อเพลิงไว้ เนื่องจากพลังงานถูกปล่อยออกมาในคาสเซ็ตเหล่านี้จึงถูกเรียกว่า องค์ประกอบเชื้อเพลิง หรือเรียกสั้น ๆ แท่งเชื้อเพลิง- โซนแอคทีฟที่มีตัวสะท้อนแสงมักจะอยู่ในโครงเหล็ก

บทบาทของนิวตรอนหน่วงเวลาในการควบคุมเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

ปฏิกิริยาลูกโซ่ควบคุม

หากปฏิกิริยาลูกโซ่มีการพัฒนาอย่างจำกัดจนจำนวนนิวตรอนที่ผลิตได้ต่อหน่วยเวลาถึงค่าที่กำหนด มีความสำคัญอย่างยิ่งจากนั้นจะหยุดเพิ่มขึ้น จากนั้นจะเกิดปฏิกิริยาลูกโซ่ยั่งยืนด้วยตนเองของฟิชชันที่เกิดขึ้นอย่างสงบ จะสามารถควบคุมปฏิกิริยาได้ก็ต่อเมื่อปรากฎว่าสามารถควบคุมค่าสัมประสิทธิ์การคูณนิวตรอน keff อย่างช้าๆ และราบรื่นเพียงพอ และสำหรับ ระบบที่เหมาะสมที่สุด k eff ควรเกินความสามัคคีเพียง 0.5% นักฟิสิกส์โซเวียต Ya.B. เซลโดวิช และ ยู.บี. คาริตันแสดงให้เห็นในทางทฤษฎี (1939) ว่าปฏิกิริยาลูกโซ่แบบควบคุมสามารถทำได้กับยูเรเนียมธรรมชาติ

สำหรับการพัฒนากระบวนการลูกโซ่ในยูเรเนียมธรรมชาติ นิวตรอนจะต้องถูกชะลอความเร็วลงจนถึงความเร็วความร้อน เนื่องจากในกรณีนี้ ความน่าจะเป็นที่นิวเคลียสของ U จะจับตัวไว้และเกิดฟิชชันตามมาจะเพิ่มขึ้นอย่างรวดเร็ว เพื่อจุดประสงค์นี้มีการใช้สารพิเศษ - ผู้ชะลอ.

การควบคุมปฏิกิริยาลูกโซ่ที่อยู่นิ่ง (k eff =1) ทำได้ง่ายขึ้นอย่างมากเนื่องจากมีอยู่ นิวตรอนล่าช้า(ดูข้อ 3.6) ปรากฎว่าเวลาของปฏิกิริยา "ความเร่ง" T (เวลาที่จำนวนฟิชชันเพิ่มขึ้น e”2.71 เท่า) ที่ระดับวิกฤตยิ่งยวดต่ำ (k eff – 1<< 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T = t ×b / (k เอฟเฟ็กต์ - 1)

โดยที่ t z คืออายุการใช้งานเฉลี่ยของนิวตรอนล่าช้า (t z ~14.4 วินาที)

b คือเศษส่วนของนิวตรอนล่าช้า (b ~ 0.68% สำหรับ U)

เนื่องจากค่า t × b อยู่ในลำดับ ~ 5 × 10 -2 วินาที ความเข้มของปฏิกิริยาจะเพิ่มขึ้นค่อนข้างช้า และปฏิกิริยาได้รับการควบคุมอย่างดี

สามารถควบคุมค่าของ keff ได้โดยการแนะนำสารแกนกลางที่ดูดซับนิวตรอนอย่างรุนแรงเข้าไปในสารโดยอัตโนมัติ - ตัวดูดซับ

12.3.1. เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์

อุปกรณ์ที่ใช้ดำเนินการและบำรุงรักษาปฏิกิริยานิวเคลียร์ฟิชชันแบบคงที่เรียกว่าเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หรือหม้อไอน้ำอะตอม

เครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์เครื่องแรกถูกสร้างขึ้นภายใต้การนำของ E. Fermi เมื่อปลายปี พ.ศ. 2485 (สหรัฐอเมริกา) เครื่องปฏิกรณ์ยุโรปเครื่องแรกถูกสร้างขึ้นในปี พ.ศ. 2489 ในกรุงมอสโกภายใต้การนำของ I.V.

ปัจจุบันมีเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์หลายประเภทที่ทำงานอยู่ประมาณพันเครื่องในโลก ซึ่งประกอบด้วย:

· ตามหลักการทำงาน (เครื่องปฏิกรณ์ที่ใช้นิวตรอนความร้อน เร็ว ฯลฯ)

· ตามประเภทของตัวหน่วง (น้ำหนัก, กราไฟท์ ฯลฯ );

· ตามเชื้อเพลิงที่ใช้ (ยูเรเนียม ทอเรียม พลูโทเนียม)

· ตามวัตถุประสงค์ที่ตั้งใจไว้ (การวิจัย การแพทย์ พลังงาน เพื่อการผลิตเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ฯลฯ)

ส่วนหลักของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์ (ดูรูปที่ 4.5) ได้แก่:

· โซนแอคทีฟ (1) ซึ่งเป็นที่ตั้งของเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ ปฏิกิริยาลูกโซ่ฟิชชันเกิดขึ้น และพลังงานถูกปล่อยออกมา

· ตัวสะท้อนนิวตรอน (2) รอบๆ แกนกลาง

· ระบบควบคุมกระบวนการลูกโซ่ในรูปของแท่งดูดซับนิวตรอน (3)

· การป้องกันรังสี (4) จากรังสี;

· น้ำยาหล่อเย็น (5)

ใน เป็นเนื้อเดียวกันในเครื่องปฏิกรณ์ เชื้อเพลิงนิวเคลียร์และตัวหน่วงจะถูกผสมเพื่อสร้างเป็นส่วนผสมที่เป็นเนื้อเดียวกัน (เช่น เกลือแอกทินูเรเนียมและน้ำหนัก) ใน ต่างกันเครื่องปฏิกรณ์ (รูปที่ 4.6) วางเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ไว้ในแกนกลางในรูปของแท่งเชื้อเพลิง ( องค์ประกอบเชื้อเพลิง) - แท่งบล็อก (1) ของหน้าตัดเล็ก ๆ ล้อมรอบด้วยเปลือกสุญญากาศที่ดูดซับนิวตรอนได้อ่อน มีตัวหน่วง (2) ระหว่างแท่งเชื้อเพลิง

นิวตรอนที่เกิดขึ้นในระหว่างการแตกตัวของนิวเคลียร์โดยไม่ต้องมีเวลาถูกดูดซับในแท่งเชื้อเพลิงจะเข้าสู่ตัวหน่วงซึ่งพวกมันจะสูญเสียพลังงานและชะลอความเร็วลงตามความเร็วความร้อน จากนั้นกลับเข้าไปในแท่งเชื้อเพลิงแท่งใดแท่งหนึ่ง นิวตรอนความร้อนมีความเป็นไปได้สูงที่จะถูกดูดซับโดยนิวเคลียสที่สามารถแบ่งตัวได้ (U, U, Pu) นิวตรอนเหล่านั้นที่นิวเคลียสของ U จับก็มีบทบาทเชิงบวกเช่นกัน โดยช่วยเติมเต็มการใช้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์ในระดับหนึ่ง

ตัวหน่วงที่ดีคือนิวเคลียสเบา: ดิวทีเรียม, เบริลเลียม, คาร์บอน, ออกซิเจน ตัวหน่วงนิวตรอนที่ดีที่สุดคือการรวมกันของดิวเทอเรียมและออกซิเจน - หนักน้ำ- อย่างไรก็ตาม เนื่องจากมีราคาสูง คาร์บอนจึงมักถูกใช้ในรูปของสารบริสุทธิ์มาก กราไฟท์- นอกจากนี้ยังใช้เบริลเลียมและออกไซด์ด้วยองค์ประกอบเชื้อเพลิงและผู้หน่วงมักจะก่อตัวเป็นโครงตาข่ายปกติ (เช่น ยูเรเนียม-กราไฟต์)

เนื่องจากพลังงานฟิชชัน แท่งเชื้อเพลิงจึงร้อนขึ้น เพื่อระบายความร้อนจะวางอยู่ในกระแส สารหล่อเย็น(อากาศ, น้ำ, ไอน้ำ, He, CO 2 ฯลฯ)

เนื่องจากความจริงที่ว่านิวตรอนสูญเสียไปในตัวหน่วงเวลาและในนิวเคลียสของชิ้นส่วนฟิชชัน เครื่องปฏิกรณ์จะต้องมีขนาดวิกฤตยิ่งยวดและผลิตนิวตรอนส่วนเกิน การควบคุมกระบวนการลูกโซ่ (เช่น การกำจัดนิวตรอนส่วนเกิน) ดำเนินการโดยแท่งควบคุม (3) (ดูรูปที่ 4.5 หรือ 4.6) ที่ทำจากวัสดุที่ดูดซับนิวตรอนอย่างรุนแรง (เหล็กโบรอน แคดเมียม)

พารามิเตอร์ของเครื่องปฏิกรณ์ได้รับการคำนวณในลักษณะที่ว่าเมื่อแท่งดูดซับถูกสอดเข้าไปในแกนจนสุด ปฏิกิริยาจะไม่เกิดขึ้น ด้วยการถอดแท่งออกทีละน้อย ตัวคูณนิวตรอนจะเพิ่มขึ้น และที่ตำแหน่งหนึ่ง keff ถึงเอกภาพ เครื่องปฏิกรณ์ก็เริ่มทำงาน การเคลื่อนที่ของแท่งโช้คจะดำเนินการจากแผงควบคุม กฎระเบียบทำได้ง่ายขึ้นเนื่องจากมีนิวตรอนล่าช้า

ลักษณะสำคัญของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์คือกำลังของมัน กำลัง 1 MW สอดคล้องกับกระบวนการลูกโซ่ซึ่งมีเหตุการณ์ฟิชชัน 3 × 10 16 เกิดขึ้นต่อวินาที เครื่องปฏิกรณ์ก็มี ภาวะฉุกเฉินแท่งซึ่งการแนะนำซึ่งเมื่อพลังของปฏิกิริยาเพิ่มขึ้นอย่างกะทันหันจะรีเซ็ตทันที

ในระหว่างการทำงานของเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์อย่างค่อยเป็นค่อยไป การเผาไหม้เชื้อเพลิงนิวเคลียร์, เศษฟิชชันสะสม, องค์ประกอบของทรานยูเรเนียมเกิดขึ้น การสะสมของชิ้นส่วนทำให้ k eff ลดลง กระบวนการนี้เรียกว่า พิษเครื่องปฏิกรณ์ (หากชิ้นส่วนมีกัมมันตภาพรังสี) และ ตะกรัน(หากชิ้นส่วนมีความเสถียร) เมื่อถูกพิษ k eff จะลดลง (13)% เพื่อให้แน่ใจว่าปฏิกิริยาไม่หยุด แท่งพิเศษ (ชดเชย) จะค่อยๆ ถูกนำออกจากแกนกลาง (โดยอัตโนมัติ) เมื่อเชื้อเพลิงนิวเคลียร์เผาไหม้จนหมด เชื้อเพลิงนั้นจะถูกกำจัดออก (หลังจากปฏิกิริยาหยุดลง) และเชื้อเพลิงใหม่จะถูกบรรจุเข้าไป

ในบรรดาเครื่องปฏิกรณ์นิวเคลียร์สถานที่พิเศษถูกครอบครองโดย เครื่องปฏิกรณ์แบบพ่อแม่พันธุ์บนนิวตรอนเร็ว - พ่อพันธุ์แม่พันธุ์- ในนั้นการผลิตไฟฟ้าจะมาพร้อมกับการสร้างเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ทุติยภูมิ (พลูโตเนียม) เนื่องจากปฏิกิริยา (3.5) เนื่องจากไม่เพียงแต่ใช้ไอโซโทป U อย่างมีประสิทธิภาพเท่านั้น แต่ยังรวมถึง U. ด้วย (ดู§3.6) สิ่งนี้ทำให้สามารถแก้ไขปัญหาการจัดหาเชื้อเพลิงนิวเคลียร์ได้อย่างรุนแรง โดยทุกๆ 100 นิวเคลียสที่ใช้ในเครื่องปฏิกรณ์ดังกล่าว จะมีการผลิตนิวเคลียสใหม่ 150 นิวเคลียสที่สามารถเกิดฟิชชันได้ เทคโนโลยีเครื่องปฏิกรณ์นิวตรอนเร็วอยู่ในขั้นตอนของการค้นหาโซลูชันทางวิศวกรรมที่ดีที่สุด สถานีอุตสาหกรรมนำร่องแห่งแรกประเภทนี้ (Shevchenko) ใช้ในการผลิตไฟฟ้าและน้ำทะเลแยกเกลือ (ทะเลแคสเปียน)