Верижна реакция. Условие за ядрена реакция

УРАВНЕНИЕ НА ВЕРИЖНАТА РЕАКЦИЯ. КЛАСИФИКАЦИЯ НА НЕВРОНИ

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ НА ГАЗОТРЕД

УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП НА ДЕЙСТВИЕ НА ЙОНИЗАЦИОННАТА КАМЕРА

В зависимост от приложеното напрежение, детекторът може да работи в режим на йонизационна камера, пропорционален брояч и брояч на Гайгер-Мюлер.

Най-простият йонизационен детектор е йонизационна камера , който представлява кондензатор, състоящ се от две успоредни пластини, пространството между които е изпълнено с въздух или газ. Към електродите се прилага напрежение от около 100 волта, което съответства на 1 участък от I-V характеристиката. Без йонизиращо лъчениепролуката между електродите е диелектрик и във веригата няма ток.

Под действието на йонизиращо лъчение между електродите, молекулите и атомите на газа се йонизират и се образуват положителни и отрицателни йони. Отрицателните йони се движат към положителния електрод, а положителните обратно. Във веригата има ток. Напрежението между електродите е избрано така, че всички образувани йони да достигнат до електродите, без да имат време за рекомбиниране, но също така да не се ускорява до такава степен, че да предизвика вторична йонизация.

Йонизационните камери са лесни за работа, характеризират се с висока ефективност на регистрация, но недостатъкът е ниската чувствителност. Напрежението, приложено към електродите на йонизационната камера, трябва да бъде около 100 V.

Газоразряден брояче метал или стъклен цилиндър, вътрешната повърхност е покрита с метал, който е катодът. По оста на цилиндъра, който е анодът, е опъната тънка метална нишка с диаметър около 100 микрона.

Пропорционалните броячи работят при напрежения, съответстващи на раздел 2 от CVC. При напрежение 100-1000 V между електродите се създава висока сила на електрическото поле и образуваните първични йони създават вторична йонизация на атомите и молекулите на газа. В такива измервателни уреди текущата стойност зависи от нивото на йонизиращо лъчение.

Броячите на Гайгер-Мюлер работят в 3-та секция на CVC при напрежения над 1000 V. Под действието на йонизиращо лъчение в пространството между електродите се образуват положителни йони и отрицателни електрони, които, движейки се към анода, създават вторична йонизация. Поради високата сила на електрическото поле в близост до анода, свързана с малката му площ, вторичните електрони се ускоряват толкова много, че отново йонизират газа. Броят на електроните се увеличава като лавина, възниква коронен разряд, който действа след прекратяване на йонизиращото лъчение. Зарядът се прекъсва от включването на голямо съпротивление от 1 MΩ.

Броячите на Гайгер-Мюлер се характеризират с висока ефективност на регистрация и голяма амплитуда на сигнала (около 40 волта). Недостатъци: ниска разделителна способност и дълго време за възстановяване.

Уравнение на верижната реакция:

където K е броят на вторичните неутрони (2-3); q - топлинна енергия

Ядрено верижна реакцияе, че под въздействието на неутроните ядрата на атома на урана се разпадат на по-леки ядра, т.нар. фрагменти на делене . В същото време те се образуват вторични неутрони и се отделя топлинна енергия. Вторичните неутрони, които отново действат върху урановите ядра, водят до тяхното делене с образуване на нови неутрони и освобождаване на енергия. Процесът се повтаря, развива се като лавина и може да доведе до ядрена експлозия.

Такова представяне на ядрена реакция обаче е идеализирано, т.к в резултат на улавянето на неутрони от примеси и излъчването на неутрони от активната област, ядрената реакция може да се разпадне.

За да се характеризират процесите, протичащи при ядрена реакция, се въвежда понятието коефициент на умножение К , което е равно на съотношението на броя на неутроните в този моментвреме спрямо броя на неутроните в предходния момент.

K > 1 Ядрената реакция се натрупва и може да доведе до експлозия

ДА СЕ< 1 Ядерная реакция затухает

K \u003d 1 Ядрената реакция протича стабилно

Класификация на неутроните в зависимост от стойността на тяхната енергия:

УСЛОВИЯ ЗА ЯДРЕНА РЕАКЦИЯ:

1) Уранът трябва да бъде пречистен от примеси и продукти на разпад;

2) При верижна реакция върху бързи неутрони е необходимо обогатяване на естествен уран, където концентрацията му е от 0,7% до концентрация от 15%.

3) При верижна реакция върху термични неутрони е необходимо да се избегне резонансното улавяне на уран-238 от неутрон. За това се използват модератори, изработени от графит.

4) Система ядрено горивои модераторът трябва да се преплита, т.е. хетерогенен.

5) Системата трябва да е сферична;

6) За да се осъществи ядрена реакция, трябва да има достатъчноядрено гориво. Минимална стойностядреното гориво, в което все още протича ядрена реакция, се нарича критична маса.

Схематична диаграма на ядрена бомба

верижна реакция на делене

Вторичните неутрони, излъчени по време на ядрено делене (2,5 на събитие на делене), могат да причинят нови събития на делене, което прави възможно извършването на верижна реакция. Верижната реакция на делене се характеризира с коефициента на размножаване на неутроните K, който е равен на съотношението на броя на неутроните в дадено поколение към техния брой в предишното поколение. Необходимо условиеразвитието на верижна реакция на делене е . При по-ниски стойности не е възможна реакция. Когато реакцията протича при постоянен брой неутрони (постоянна мощност на освободената енергия). Това е самоподдържащ се отговор. При - заглушена реакция. Коефициентът на умножение зависи от естеството на делящия се материал, от размера и формата на активната зона. Минималната маса на делящия се материал, необходима за верижна реакция, се нарича критична. За критичната маса е 9 кг, а радиусът на урановата топка е 4 см.

Верижните реакции са или контролирани, или неконтролирани. Експлозията на атомна бомба е пример за неконтролирана реакция. Ядреният заряд на такава бомба е две или повече парчета почти чисти или. Масата на всяко парче е по-малка от критичната, така че не възниква верижна реакция. Следователно, за да се получи експлозия, е достатъчно тези части да се комбинират в едно парче, с маса, по-голяма от критичната. Това трябва да стане много бързо и връзката на частите трябва да е много здраво. В противен случай ядреният заряд ще се разлети, преди да има време да реагира. За свързване използвайте обичайното експлозивно. Черупката служи като неутронен отражател и освен това предпазва ядрения заряд от разпръскване, докато максималният брой ядра не освободи цялата енергия по време на деленето. Верижната реакция в атомна бомба протича с бързи неутрони. По време на експлозията само част от неутроните на ядрения заряд има време да реагира. Верижната реакция води до освобождаване на огромна енергия. Температурата, която се развива в същото време, достига градуси. Разрушителната сила на бомбата, хвърлена над Хирошима от американците, е еквивалентна на експлозията от 20 000 тона тротил. Моделът на новото оръжие е стотици пъти по-мощен от първите. Ако добавим към това, че по време на атомна експлозия, страхотно количествофрагменти на делене, включително много дълготрайни, ще стане очевидно каква ужасна опасност представляват тези оръжия за човечеството.

Чрез промяна на коефициента на размножаване на неутроните може да се проведе контролирана верижна реакция. Устройство, в което протича контролирана реакция, се нарича ядрен реактор. Разделящият се материал е естествен или обогатен уран. За да се предотврати радиационното улавяне на неутрони от уранови ядра, относително малки блокове от делящ се материал се поставят на известно разстояние един от друг, а празнините се запълват с вещество, което задържа неутроните (модератор). Неутроните се забавят чрез еластично разсейване. В този случай енергията, загубена от забавената частица, зависи от съотношението на масите на сблъскващите се частици. Максимална сумаенергията се губи, ако частиците имат еднаква маса. Това условие се изпълнява от деутерий, графит и берилий. Първият ураново-графитен реактор е пуснат през 1942 г. в Чикагския университет под ръководството на изключителния италиански физик Ферми. За да обясним принципа на действие на реактора, нека разгледаме типична схема на реактор с термични неутрони (фиг. 1).

Фиг. 1.

Активната зона на реактора съдържа горивни елементи 1 и забавител 2, които забавят неутроните до топлинни скорости. Горивните елементи (горивни пръти) са блокове от делящ се материал, затворени в херметична обвивка, която слабо абсорбира неутроните. Поради енергията, освободена при ядрено делене, горивните елементи се нагряват и следователно за охлаждане те се поставят в потока на охлаждащата течност (3-5 - канал за охлаждаща течност). Ядрото е заобиколено от рефлектор, който намалява изтичането на неутрони. Контрол верижна реакциясе осъществява от специални контролни пръти, изработени от материали, които силно абсорбират неутрони. Параметрите на реактора са изчислени по такъв начин, че при напълно вкарани пръчки реакцията със сигурност не протича. С постепенното отстраняване на прътите коефициентът на размножаване на неутроните се увеличава и при определено положение достига единица. В този момент реакторът започва да работи. Докато реакторът работи, количеството делящ се материал в активната зона намалява и тя се замърсява с фрагменти на делене, сред които може да има силни абсорбатори на неутрони. За да предотвратите спиране на реакцията, от активната зона с помощта на автоматично устройствоконтролните пръти се отстраняват постепенно. Такъв контрол на реакцията е възможен поради наличието на забавени неутрони, излъчвани от делящи се ядра със закъснение до 1 минута. Когато ядреното гориво изгори, реакцията спира. Преди следващото стартиране на реактора отработеното ядрено гориво се отстранява и се зарежда ново. В реактора има и аварийни пръти, чието въвеждане незабавно прекратява реакцията. Ядреният реактор е мощен източник на проникваща радиация, която надвишава санитарните стандарти с около 1 фактор. Следователно всеки реактор има биологичен щит - система от екрани, изработени от защитни материали (например бетон, олово, вода), - разположени зад неговия рефлектор, и дистанционно управление.

За първи път ядрената енергия за мирни цели беше използвана в СССР. В Обнинск през 1954 г., под ръководството на Курчатов, първият атомна електроцентралас мощност 5 MW.

Термичните уранови реактори обаче могат да решат проблема със захранването в ограничен мащаб, който се определя от количеството уран.

Най-обещаващият начин за развитие на ядрената енергетика е разработването на реактори на бързи неутрони, така наречените реактори-размножители. Такъв реактор произвежда повече ядрено гориво, отколкото консумира. Реакцията протича върху бързи неутрони, следователно, не само, но и, което се превръща в, може да участва в нея. Последните могат да бъдат химически отделени от. Този процес се нарича възпроизвеждане на ядрено гориво. В специални реактори-размножители коефициентът на размножаване на ядреното гориво надвишава едно. Ядрото на развъдчиците е сплав от изотопно обогатен уран с тежък метал, който абсорбира малко неутрони. Реакторите-размножители нямат модератор. Контрол на такива реактори чрез преместване на рефлектора или промяна на масата на делящия се материал.

Контролирана верижна реакция.

Ако верижната реакция е ограничена в развитието си, така че броят на произведените неутрони за единица време, достигайки определена голяма стойност, след това да спре да се увеличава, тогава ще се осъществи тихо протичаща самоподдържаща се верижна реакция на делене. Ще бъде възможно да се контролира реакцията само ако се окаже възможно да се контролира достатъчно бавно и плавно коефициентът k eff на размножаване на неутрони и за оптимална система k eff трябва да бъде само с 0,5% по-високо от единицата. Съветските физици Я.Б. Зелдович и Ю.Б. Харитон показа теоретично (1939), че може да се проведе контролирана верижна реакция върху естествен уран.

За развитието на верижен процес в естествен уран неутроните трябва да се забавят до топлинни скорости, тъй като в този случай вероятността за тяхното улавяне от U-ядра с последващо делене рязко се увеличава. За тази цел се използват специални вещества - модератори.

Управлението на стационарна верижна реакция (k eff =1) е значително опростено поради наличието забавени неутрони(виж клауза 3.6). Оказва се, че времето T "ускоряване" на реакцията (времето, през което броят на деленията се увеличава с e "2,71 пъти) с малка степен на свръхкритичност (k eff - 1<< 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T \u003d t s × b / (k eff - 1),

където t z е средният живот на забавените неутрони (t z ~ 14,4 s),

b е частта на забавените неутрони (b ~ 0,68% за U).

Тъй като стойността на t s × b е от порядъка на ~ 5 × 10 -2 s., тогава интензитетът на реакцията ще нараства доста бавно и реакцията е добре регулирана.

Възможно е да се контролира стойността на k eff чрез автоматично въвеждане на вещества, които силно абсорбират неутроните в ядрото - абсорбатори.

12.3.1. Ядрен реактор

Устройство, в което се извършва и поддържа стационарна реакция на ядрено делене, се нарича ядрен реактор или атомен котел.

Първият ядрен реактор е построен под ръководството на Е. Ферми в края на 1942 г. (САЩ). Първият европейски реактор е създаден през 1946 г. в Москва под ръководството на И. В. Курчатов.

В момента в света работят около хиляда ядрени реактори от различни типове, които се различават по:

· по принцип на действие (реактори на термични, бързи и др. неутрони);

По вид модератори (на тежка вода, графит и др.);

· според използваното гориво (уран, торий, плутоний);

по предназначение (изследователски, медицински, енергийни, за възпроизвеждане на ядрено гориво и др.)

Основните части на ядрен реактор (виж фиг. 4.5) са:

· активната зона (1), където се намира ядреното гориво, протича верижната реакция на делене, отделя се енергия;

неутронен рефлектор (2), обграждащ ядрото;

· система за управление на верижния процес под формата на пръти-абсорбери (3) на неутрони;

радиационна защита (4) от радиация;

охлаждаща течност (5).

V хомогеннареактори, ядрено гориво и модератор се смесват, образувайки хомогенна смес (например актинуранови соли и тежка вода). V хетерогененреактори (фиг. 4.6), ядреното гориво се поставя в активната зона под формата на горивни пръти ( горивни елементи) - блокове-пръчки (1) с малко напречно сечение, затворени в херметична обвивка, която слабо абсорбира неутроните. Между горивните пръти има модератор (2).

Неутроните, получени по време на деленето на ядрата, след като не са имали време да се абсорбират в горивните елементи, попадат в забавителя, където губят енергията си, забавяйки се до топлинни скорости. Попадайки отново в един от горивните елементи, топлинните неутрони имат голяма вероятност да бъдат погълнати от ядра, способни на делене (U, U, Pu). Тези неутрони, които са уловени от U ядрата, също играят положителна роля, като попълват до известна степен консумацията на ядрено гориво.

Добри модератори са леките ядра: деутерий, берилий, въглерод, кислород. Най-добрият модератор на неутрони е комбинацията от деутерий с кислород - тежка вода. Въпреки това, поради високата си цена, въглеродът се използва по-често под формата на много чист графит. Използват се и берилият и неговият оксид.Горивните пръти и модераторът обикновено образуват редовна решетка (например уран-графит).

Поради енергията на делене горивните елементи се нагряват. За охлаждане се поставят в потока антифриз(въздух, вода, пара, He, CO 2 и др.).

Поради загубата на неутрони в ядрата на забавителя и фрагментите на делене, реакторът трябва да има свръхкритични размери и да произвежда излишък от неутрони. Контролът на верижния процес (т.е. елиминиране на излишните неутрони) се осъществява от контролни пръти (3) (виж фиг. 4.5 или 4.6), изработени от материали, които силно абсорбират неутрони (борна стомана, кадмий).

Параметрите на реактора се изчисляват по такъв начин, че когато абсорбиращите пръти са напълно вкарани в активната зона, реакцията не протича. С постепенното извличане на пръчките коефициентът на размножаване на неутроните се увеличава и при определено положение от тях k eff достига единица, реакторът започва да работи. Абсорбиращите пръти се преместват от контролния панел. Регулирането е опростено поради наличието на забавени неутрони.

Основната характеристика на ядрения реактор е неговата мощност. Мощност от 1 MW съответства на верижен процес, при който се случват 3 × 10 16 събития на делене за 1 секунда. Реакторът има спешен случайпръти, чието въвеждане при внезапно увеличаване на реакционната мощност незабавно го нулира.

По време на работа на ядрен реактор, постепенно изгаряне на ядрено гориво, натрупват се фрагменти на делене, образуват се трансуранови елементи. Натрупването на фрагменти причинява намаляване на k eff. Този процес се нарича отравянереактор (ако фрагментите са радиоактивни) и шлаковане(ако фрагментите са стабилни). При отравяне k eff намалява с (1¸3)%. За да не спре реакцията, специални (компенсиращи) пръти постепенно (автоматично) се отстраняват от активната зона. Когато ядреното гориво изгори напълно, то се отстранява (след прекратяване на реакцията) и се зарежда ново.

Сред ядрените реактори специално място заема реактори-размножителина бързи неутрони - животновъди. При тях генерирането на електричество е придружено от възпроизвеждане на вторично ядрено гориво (плутоний) поради реакцията (3.5), поради която ефективно се използва не само изотопът U, но и U (виж §3.6). Това дава възможност за радикално решаване на проблема с осигуряването на ядрено гориво: на всеки 100 използвани ядра в такъв реактор се произвеждат 150 нови, способни на делене. Технологията на реактори с бързи неутрони е в процес на търсене на най-добрите инженерни решения. Първата пилотна инсталация от този тип (Шевченко) се използва за производство на електроенергия и обезсоляване на морска вода (Каспийско море).

Верижна реакция

Верижна реакция- химична и ядрена реакция, при която се появява активна частица ( свободен радикалили атомв химикала неутронв ядрения процес) предизвиква голям брой (верига) последователни трансформации на неактивни молекулиили ядра. Свободните радикали и много атоми, за разлика от молекулите, имат свободни ненаситени валентности (несдвоени електрон), което води до взаимодействието им с оригиналните молекули. Когато свободен радикал (R) се сблъска с молекула, една от валентните връзки на последната се разрушава и по този начин в резултат на реакцията се образува нов свободен радикал, който от своя страна реагира с друга молекула - a възниква верижна реакция.

Верижните реакции в химията включват окислителни процеси ( изгаряне , експлозия), напукване , полимеризацияи други, широко използвани в химическата и петролната промишленост.

Фондация Уикимедия. 2010 г.

Вижте какво е "верижна реакция" в други речници:

ВЕРИЖНА РЕАКЦИЯ, самоподдържащ се процес на ядрено делене, при който една реакция започва втора, втора – трета и т.н. За да започне реакцията, са необходими критични условия, тоест масата на материала, способна да се раздели, ... ... Научно-технически енциклопедичен речник

верижна реакция- Всеки биологичен (или химико-физичен) процес, съставен от поредица от взаимосвързани процеси, при които продуктът (или енергията) на всеки етап е участник в следващия етап, което води до поддържане и (или) ускоряване на веригата ... ... Наръчник за технически преводач

верижна реакция- 1) Реакция, която причинява голям брой трансформации на молекулите на изходното вещество. 2) Самоподдържаща се реакция на делене на атомни ядра на тежки елементи под въздействието на неутрони. 3) разгръщане За редица действия, състояния и т.н., при които едно или едно ... ... Речник на много изрази

Верижна реакция Всеки биологичен (или химико-физичен) процес, съставен от поредица от взаимосвързани процеси, където продуктът (или енергията) на всеки етап е участник в следващия етап, което води до поддържане и (или) ... .. . Молекулярна биология и генетика. Речник.

верижна реакция- grandininė reakcija statusas T sritis chemija apibrėžtis Cheminė ar branduolinė реакция, kurios aktyvusis centras sukelia ilgą kitimų grandinę. atitikmenys: engl. верижна реакция. верижна реакция … Chemijos terminų aiskinamasis žodynas

верижна реакция- grandininė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. верижна реакция вок. реакция на Кетенкер, f; Kettenreaktion, f rus. верижна реакция, f pranc. réaction en chaîne, f … Fizikos terminų žodynas

Разг. За продължаващия, неконтролиран процес на включване на някого, нещо. в какво л. BMS 1998, 489; BTS, 1462 ... Голям речник на руските поговорки

Научна концепция за верижна реакция. И също така "Верижна реакция" е името на няколко игрални филма: филмът "Верижна реакция" на СССР през 1962 г. Верижна реакция е френска криминална комедия от 1963 г. „Верига ... ... Уикипедия

Верижна реакция (филм, 1963) Този термин има други значения, вижте Верижна реакция (значения). Chain Reaction Carambolages ... Wikipedia

Книги

Верижна реакция, Елкелес Симоне. Възраст 18+ 3 включва: - Бестселър от The New York Times, Amazon - От автора на световните бестселъри "Перфектна химия" и "Закон на привличането" - За тези, които вярват, че любовта променя всичко" Страхотно...