Spaltkettenreaktion und Kernreaktor. Kettenreaktionen

Kernreaktion der Kette- eine Folge einzelner Kernreaktionen, von denen jede durch ein Teilchen verursacht wird, das im vorherigen Schritt der Folge als Reaktionsprodukt aufgetreten ist. Ein Beispiel für eine nukleare Kettenreaktion ist die Kettenreaktion der Spaltung der Kerne schwerer Elemente, bei der die Hauptzahl der Spaltungsereignisse durch Neutronen ausgelöst wird, die während der Spaltung von Kernen in der vorherigen Generation erhalten werden.

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Kernphysik. Kernreaktionen. Kettenreaktion der Kernspaltung. Kernkraftwerk

Kernkräfte Bindungsenergie von Teilchen im Kern Spaltung von Urankernen Kettenreaktion

Kernreaktionen

Untertitel

Power-Release-Mechanismus

Die Umwandlung eines Stoffes geht mit der Freisetzung einher freie Energie nur wenn der Stoff einen Energievorrat hat. Letzteres bedeutet, dass sich die Mikroteilchen der Materie in einem Zustand mit Energie rest befinden, der größer ist als in einem anderen möglichen Zustand, zu dem der Übergang existiert. Ein spontaner Übergang wird immer durch eine Energiebarriere verhindert, zu deren Überwindung das Mikropartikel eine gewisse Energie von außen erhalten muss - die Energie der Anregung. Die exoenergetische Reaktion besteht darin, dass bei der der Anregung folgenden Umwandlung mehr Energie freigesetzt wird, als zur Anregung des Prozesses benötigt wird. Es gibt zwei Möglichkeiten, die Energiebarriere zu überwinden: entweder durch die kinetische Energie der kollidierenden Teilchen oder durch die Bindungsenergie des ankommenden Teilchens.

Wenn wir uns die makroskopischen Skalen der Energiefreisetzung vor Augen halten, dann muss die für die Anregung von Reaktionen notwendige kinetische Energie alle oder zunächst zumindest einige der Stoffteilchen haben. Dies kann nur erreicht werden, indem die Temperatur des Mediums auf einen Wert erhöht wird, bei dem sich die Energie der thermischen Bewegung dem Wert der Energieschwelle annähert, die den Ablauf des Prozesses begrenzt. Bei molekularen Umwandlungen, also chemischen Reaktionen, beträgt ein solcher Anstieg in der Regel mehrere hundert Kelvin, bei Kernreaktionen jedoch mindestens 10 7 K Hohe Höhe Coulomb Barrieren kollidierender Kerne. Die thermische Anregung von Kernreaktionen wurde praktisch nur bei der Synthese der leichtesten Kerne durchgeführt, bei denen die Coulomb-Barrieren minimal sind (thermonukleare Fusion).

Die Anregung durch die sich verbindenden Partikel erfordert keine große kinetische Energie und hängt daher nicht von der Temperatur des Mediums ab, da sie aufgrund ungenutzter Bindungen auftritt, die den Partikeln von Anziehungskräften innewohnen. Aber andererseits sind die Teilchen selbst notwendig, um die Reaktionen anzuregen. Und wenn wir wieder nicht an einen separaten Reaktionsakt denken, sondern an die Erzeugung von Energie im makroskopischen Maßstab, dann ist dies nur möglich, wenn eine Kettenreaktion stattfindet. Letzteres entsteht, wenn die Teilchen, die die Reaktion anregen, als Produkte der exoenergetischen Reaktion wieder auftauchen.

Kettenreaktionen

Kettenreaktionen weit verbreitet unter chemische Reaktionen, wobei die Rolle der Teilchen mit ungenutzten Bindungen von freien Atomen oder Radikalen übernommen wird. Der Kettenreaktionsmechanismus bei Kernumwandlungen kann durch Neutronen bereitgestellt werden, die keine Coulomb-Barriere haben und Kerne bei Absorption anregen. Das Erscheinen des gewünschten Partikels im Medium bewirkt eine Kette von Folgereaktionen nacheinander, die bis zum Abbruch der Kette durch den Verlust des Reaktionsträgerpartikels andauert. Es gibt zwei Hauptgründe für Verluste: die Absorption eines Partikels, ohne ein sekundäres zu emittieren, und das Verlassen eines Partikels außerhalb des Volumens der Substanz, die den Kettenprozess unterstützt. Tritt bei jedem Reaktionsakt nur ein Trägerteilchen auf, spricht man von einer Kettenreaktion unverzweigt. Eine unverzweigte Kettenreaktion kann nicht zu einer Energiefreisetzung im großen Maßstab führen.

Wenn mehr als ein Teilchen in jedem Reaktionsschritt oder in einigen Gliedern der Kette erscheint, dann kommt es zu einer verzweigten Kettenreaktion, weil eines der Sekundärteilchen die Kette fortsetzt, während andere neue Ketten ergeben, die sich wieder verzweigen. Prozesse, die zu Kettenbrüchen führen, konkurrieren zwar mit dem Verzweigungsprozess, und die aktuelle Situation führt zu einschränkenden oder kritischen Phänomenen, die für verzweigte Kettenreaktionen spezifisch sind. Wenn die Anzahl der Kettenbrüche größer ist als die Anzahl der neu erscheinenden Ketten, dann selbsterhaltende Kettenreaktion(SCR) erweist sich als unmöglich. Auch wenn es künstlich angeregt wird, indem man eine bestimmte Anzahl notwendiger Teilchen in das Medium einbringt, so zerfällt der begonnene Prozess schnell, da die Anzahl der Ketten in diesem Fall nur abnehmen kann. Wenn die Anzahl der neu gebildeten Ketten die Anzahl der Brüche übersteigt, breitet sich die Kettenreaktion schnell über das gesamte Volumen der Substanz aus, wenn mindestens ein Anfangsteilchen auftritt.

Der Bereich der Aggregatszustände mit der Entwicklung einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion wird von dem Bereich getrennt, in dem eine Kettenreaktion im Allgemeinen unmöglich ist, kritischer Zustand. Der kritische Zustand ist durch Gleichheit zwischen der Anzahl neuer Ketten und der Anzahl der Unterbrechungen gekennzeichnet.

Das Erreichen eines kritischen Zustands wird durch eine Reihe von Faktoren bestimmt. Die Spaltung eines schweren Kerns wird durch ein Neutron angeregt, und als Ergebnis des Spaltungsereignisses tritt mehr als ein Neutron auf (zum Beispiel beträgt die Anzahl der bei einem Spaltungsereignis erzeugten Neutronen für 235 U im Durchschnitt 2 zu 3). Folglich kann der Spaltungsprozess eine verzweigte Kettenreaktion hervorrufen, deren Träger Neutronen sein werden. Wenn die Neutronenverlustrate (Einfang ohne Spaltung, Austritt aus dem Reaktionsvolumen etc.) die Neutronenmultiplikationsrate so kompensiert, dass der effektive Neutronenmultiplikationsfaktor genau gleich eins ist, dann läuft die Kettenreaktion stationär ab . Die Einführung negativer Rückkopplungen zwischen dem effektiven Multiplikationsfaktor und der Geschwindigkeit der Energiefreisetzung ermöglicht es, eine kontrollierte Kettenreaktion zu implementieren, die beispielsweise in der Kernenergietechnik verwendet wird. Ist der Multiplikationsfaktor größer als eins, entwickelt sich die Kettenreaktion exponentiell; unkontrollierte Spaltkettenreaktion verwendet in

Eine Kettenreaktion ist eine sich selbst erhaltende chemische Reaktion, bei der zunächst entstehende Produkte an der Bildung neuer Produkte beteiligt sind. Kettenreaktionen laufen meist mit hoher Geschwindigkeit ab und haben oft den Charakter einer Explosion.

Kettenreaktionen durchlaufen drei Hauptstadien: Keimbildung (Initiierung), Entwicklung und Kettenabbruch.

Reis. 9.13. Reaktionsenergieprofil (Auftragung der potentiellen Energie gegen die Reaktionskoordinate), das ein Minimum zeigt, das der Bildung eines Reaktionsintermediats entspricht.

Initiationsphase. In diesem Stadium erfolgt die Bildung von Zwischenprodukten (Zwischenprodukten). Zwischenprodukte können Atome, Ionen oder neutrale Moleküle sein. Die Initiierung kann durch Licht, Kernstrahlung, thermische (thermische) Energie, Anionen oder Katalysatoren erfolgen.

Entwicklungsstufe. In diesem Stadium reagieren die Zwischenprodukte mit den anfänglichen Reagenzien und bilden neue Zwischenprodukte und Endprodukte. Die Entwicklungsstufe in Kettenreaktionen wird viele Male wiederholt, was zur Bildung führt eine große Anzahl End- und Zwischenprodukte.

Kettenbruchstadium. In dieser Phase erfolgt der Endverbrauch von Zwischenprodukten oder deren Vernichtung. Als Ergebnis stoppt die Reaktion. Eine Kettenreaktion kann spontan oder unter Einwirkung spezieller Substanzen - Inhibitoren - abbrechen.

Kettenreaktionen spielen wichtige Rolle in vielen Bereichen der Chemie, insbesondere in der Photochemie, Verbrennungschemie, Kernspaltung und Kernfusionsreaktionen (s. Kap. 1), in der organischen Chemie (s. Kap. 17-20).

Photochemie

Dieser Zweig der Chemie umfasst Chemische Prozesse Zusammenhang mit der Wirkung von Licht auf Materie. Ein Beispiel für photochemische Prozesse ist die Photosynthese.

Viele Kettenreaktionen werden durch Licht ausgelöst. Das auslösende Teilchen ist in diesem Fall ein Photon, das Energie hat (siehe Abschnitt 1.2). Ein klassisches Beispiel ist die Reaktion zwischen Wasserstoff und Chlor in Gegenwart von Licht

Diese Reaktion verläuft mit einer Explosion. Es umfasst die folgenden drei Stufen.

Einleitung. In diesem Stadium bricht die kovalente Bindung im Chlormolekül auf, was zur Bildung von zwei Atomen mit jeweils einem ungepaarten Elektron führt:

Diese Art von Reaktion ist Homolyse oder hämolytische Spaltung (siehe Abschnitt 17.3). Es ist auch ein Beispiel für Photolyse. Der Begriff "Photolyse" bedeutet photochemische Zersetzung. Die beiden gebildeten Chloratome sind Zwischenprodukte (Intermediates). Sie sind Radikale. Ein Radikal ist ein Atom (oder eine Gruppe von Atomen), das mindestens ein ungepaartes Elektron hat. Es sollte beachtet werden, dass der Initiierungsschritt zwar der langsamste Schritt in der Kettenreaktion ist, aber nicht die Geschwindigkeit der gesamten Kettenreaktion bestimmt.

Entwicklungsstufe. In diesem Stadium reagieren Chloratome mit Wasserstoffmolekülen und bilden das Endprodukt - Chlorwasserstoff sowie Wasserstoffradikale. Wasserstoffradikale reagieren mit Chlormolekülen; dadurch entstehen neue Produktanteile und neue Chlorradikale:

Diese beiden Reaktionen, die zusammen das Entwicklungsstadium ausmachen, wiederholen sich millionenfach.

Kettenbruchstadium. Die Kettenreaktion bricht dadurch endgültig ab

Reaktionen wie z

Um die Energie aufzunehmen, die bei diesen Kettenabbruchreaktionen freigesetzt wird, ist es notwendig, dass ein anderer dritter Körper daran teilnimmt. Dieser dritte Körper sind üblicherweise die Wände des Gefäßes, in dem die Reaktion stattfindet.

Quantenausgabe

Die Absorption eines Lichtphotons durch ein Chlormolekül in der oben beschriebenen Kettenreaktion kann zur Bildung von Millionen von Chlorwasserstoffmolekülen führen. Das Verhältnis der Anzahl der Produktmoleküle zur Anzahl der Lichtquanten (Photonen), die die Reaktion auslösen, wird als Quantenausbeute bezeichnet. Die Quantenausbeute photochemischer Reaktionen kann von einer bis zu mehreren Millionen reichen. Eine hohe Quantenausbeute weist auf die Kettennatur der ablaufenden Reaktion hin.

Blitzphotolyse

Dies ist der Name der Technik, die verwendet wird, um Radikale mit einer Konzentration zu erhalten, die hoch genug ist, um sie nachzuweisen. Auf Abb. Abbildung 9.14 zeigt ein vereinfachtes Diagramm des für die Blitzphotolyse verwendeten Aufbaus. Das Reaktionsgemisch wird beeinflusst

Reis. 9.14. Blitzphotolyse.

starker Lichtblitz aus einer speziellen gepulsten Quelle. Eine solche Quelle ermöglicht die Erzeugung von Lichtblitzen mit einer Energie von bis zu 105 J und einer Dauer in der Größenordnung von s oder weniger. Moderne Blitzphotolysetechniken verwenden gepulste Laser mit einer Blitzdauer in der Größenordnung einer Nanosekunde (10-9 s). Die Reaktion, die als Ergebnis eines solchen Lichtblitzes auftritt, kann verfolgt werden, indem eine Sequenz von optischen Absorptionsspektren des Reaktionsgemischs aufgenommen wird. Auf den ersten Blitz folgt eine Reihe von Blitzen aus einer gepulsten Quelle mit geringer Leistung. Diese Blitze folgen in Intervallen in der Größenordnung von Millisekunden oder Mikrosekunden aufeinander und ermöglichen die Aufnahme der Absorptionsspektren des Reaktionsgemisches in solchen Zeitintervallen.

Verbrennung

Die Reaktion mit Sauerstoff, die zur Freisetzung von Wärmeenergie und Licht führt, wird als Verbrennung bezeichnet. Die Verbrennung verläuft normalerweise als komplexe Abfolge von Radikalreaktionen.

Nehmen wir als Beispiel die Verbrennung von Wasserstoff. Unter bestimmten Bedingungen verläuft diese Reaktion explosionsartig. Auf Abb. 9.15 präsentiert experimentelle Daten für die Reaktion einer stöchiometrischen Mischung aus Wasserstoff und Sauerstoff in einem Pyrex-Reaktor. Der schraffierte Teil des Diagramms entspricht dem explosiven Bereich dieser Reaktion. Für die Wasserstoffverbrennungsreaktion hat dieser Diagrammabschnitt die Form einer explosiven Halbinsel. Der Bereich der Explosion wird durch die Grenzen der Explosion begrenzt.

Reis. 9.15. Bedingungen für die explosive Reaktion der Wasserstoffverbrennung:

Nukleare Kettenreaktion- eine sich selbst erhaltende Spaltreaktion schwerer Kerne, bei der Neutronen kontinuierlich reproduziert werden und immer mehr neue Kerne teilen.Der Uran-235-Kern wird unter der Einwirkung eines Neutrons in zwei radioaktive Fragmente ungleicher Masse geteilt, die in großer Höhe auseinander fliegen Geschwindigkeiten in verschiedene Richtungen und zwei oder drei Neutronen. Kontrollierte Kettenreaktionen in Kernreaktoren oder Kernkesseln durchgeführt. Derzeit kontrollierte Kettenreaktionen werden an den Isotopen von Uran-235, Uran-233 (künstlich gewonnen aus Thorium-232), Plutonium-239 (künstlich gewonnen aus Wunde-238) sowie Plutonium-241 durchgeführt. Eine sehr wichtige Aufgabe besteht darin, sein Isotop Uran-235 aus natürlichem Uran zu isolieren. Von den ersten Schritten der Entwicklung der Atomtechnik an war die Verwendung von Uran-235 von entscheidender Bedeutung, jedoch war die Gewinnung in reiner Form technisch schwierig, da Uran-238 und Uran-235 chemisch untrennbar sind.

50. Kernreaktoren. Perspektiven für die Nutzung thermonuklearer Energie.

Kernreaktor- Dies ist ein Gerät, in dem eine kontrollierte nukleare Kettenreaktion durchgeführt wird, begleitet von der Freisetzung von Energie. Der erste Kernreaktor wurde im Dezember 1942 in den USA unter der Leitung von E. Fermi gebaut und in Betrieb genommen. Der erste Reaktor, der außerhalb der Vereinigten Staaten gebaut wurde, war ZEEP, der am 25. Dezember 1946 in Kanada gestartet wurde. In Europa war der erste Kernreaktor die Anlage F-1, die am 25. Dezember 1946 in Moskau unter der Leitung von I. V. Kurchatov in Betrieb genommen wurde. Bis 1978 waren weltweit bereits etwa hundert Kernreaktoren in Betrieb verschiedene Arten. Die Komponenten eines jeden Kernreaktors sind: ein Kern mit Kernbrennstoff, der normalerweise von einem Neutronenreflektor umgeben ist, ein Kühlmittel, ein Kettenreaktionskontrollsystem, Strahlenschutz, ein Fernsteuerungssystem. Der Reaktorbehälter unterliegt einem Verschleiß (insbesondere unter dem Einfluss ionisierender Strahlung). Das Hauptmerkmal eines Kernreaktors ist seine Leistung. Eine Leistung von 1 MW entspricht einer Kettenreaktion, bei der in 1 Sekunde 3·10 16 Spaltungen stattfinden. Die Erforschung der Physik des Hochtemperaturplasmas wird hauptsächlich im Zusammenhang mit der Aussicht auf die Schaffung eines thermonuklearen Reaktors durchgeführt. Die dem Reaktor am nächsten liegenden Parameter sind Anlagen vom Typ Tokamak. 1968 wurde bekannt gegeben, dass die T-3-Anlage eine Plasmatemperatur von zehn Millionen Grad erreicht hatte, und auf die Entwicklung dieser Richtung konzentrierten sich die Bemühungen von Wissenschaftlern aus vielen Ländern in den letzten Jahrzehnten bei der eine selbsterhaltende thermonukleare Reaktion durchgeführt werden soll verschiedene Länder ITER-Tokamak. Der großtechnische Einsatz thermonuklearer Reaktoren in der Energiewirtschaft wird in der zweiten Hälfte des 21. Jahrhunderts erwartet.Neben Tokamaks gibt es noch andere Arten von Magnetfallen zum Einschluss von Hochtemperaturplasmen, beispielsweise die sogenannten offenen Fallen. Aufgrund einer Reihe von Merkmalen können sie Hochdruckplasmen enthalten und haben daher gute Aussichten als starke Quellen thermonuklearer Neutronen und in Zukunft als thermonukleare Reaktoren.

Die Fortschritte in letzten Jahren am Institut für Kernphysik der sibirischen Abteilung der Russischen Akademie der Wissenschaften in Studien moderner axialsymmetrischer offener Fallen zeigen das Versprechen dieses Ansatzes. Diese Studien laufen, und gleichzeitig arbeitet das BINP an einem Projekt für eine Anlage der nächsten Generation, die bereits Plasmaparameter nahe denen eines Reaktors demonstrieren kann.

in denen die sie verursachenden Partikel gebildet werden und als Produkte dieser Reaktionen. Eine solche Reaktion ist die Spaltung von Uran und einigen Trans-Uran-Elementen (zum Beispiel 23 9 Pu) unter Einwirkung von Neutronen. Es wurde erstmals 1942 von E. Fermi durchgeführt. Nach der Entdeckung Kernspaltung W. Zinn, L. Szilard und G. N. Flerov zeigten dies während der Spaltung des Urankerns U mehr als ein Neutron wird emittiert: n + U → A+B+ v. Hier ABER Und IN- Spaltfragmente mit Massenzahlen A von 90 bis 150, v ist die Anzahl der Sekundärneutronen.

Neutronenmultiplikationsfaktor. Damit eine Kettenreaktion ablaufen kann, ist es notwendig, dass die durchschnittliche Anzahl freigesetzter Neutronen in einer bestimmten Uranmasse mit der Zeit nicht abnimmt oder so Neutronenmultiplikationsfaktor k größer oder gleich eins war.

Der Neutronenmultiplikationsfaktor ist das Verhältnis der Anzahl der Neutronen in einer beliebigen Generation zur Anzahl der Neutronen der vorherigen Generation. Unter Generationswechsel versteht man Kernspaltung, bei der Neutronen der alten Generation absorbiert und neue Neutronen geboren werden.

Wenn k ≥ 1, dann nimmt die Zahl der Neutronen mit der Zeit zu oder bleibt konstant, und die Kettenreaktion geht weiter. Bei k > 1 die Anzahl der Neutronen nimmt ab und eine Kettenreaktion ist unmöglich.

Aus mehreren Gründen sind von allen in der Natur vorkommenden Kernen nur Isotopenkerne für die Durchführung einer nuklearen Kettenreaktion geeignet. Der Multiplikationsfaktor wird bestimmt durch: 1) Einfang langsamer Neutronen durch Kerne gefolgt von Spaltung und Einfang schneller Neutronen durch Kerne und , ebenfalls gefolgt von Spaltung; 2) Einfang von Neutronen ohne Spaltung durch Urankerne; 3) Neutroneneinfang durch Spaltprodukte, Moderator und Strukturelemente der Anlage; 4) das Entweichen von Neutronen aus dem spaltbaren Material nach außen.

Nur der erste Prozess wird von einer Zunahme der Neutronenzahl begleitet. Für einen stationären Reaktionsfluss k sollte gleich 1 sein. Schon bei k = 1,01 eine Explosion tritt fast sofort auf.

Plutoniumbildung. Durch den Einfang eines Neutrons durch ein Uranisotop entsteht ein radioaktives Isotop mit einer Halbwertszeit von 23 Minuten. Der Zerfall erzeugt das erste transura-neue Element Neptunium:

.

β-radioaktives Neptunium (mit einer Halbwertszeit von etwa zwei Tagen), das ein Elektron emittiert, verwandelt sich in Folgendes transuranes Element — Plutonium:

Die Halbwertszeit von Plutonium beträgt 24.000 Jahre, und seine wichtigste Eigenschaft ist die Fähigkeit, unter dem Einfluss langsamer Neutronen wie ein Isotop zu spalten.Mit Plutonium kann mit der Freisetzung eine Kettenreaktion durchgeführt werden riesige Menge Energie.

Die Kettenreaktion wird von der Freisetzung enormer Energie begleitet; 200 MeV werden während der Spaltung jedes Kerns freigesetzt. Bei der Spaltung von 1 Urankern wird die gleiche Energie freigesetzt wie bei der Verbrennung von 3 Kohle oder 2,5 Tonnen Öl.

Betrachten Sie den Mechanismus der Spaltungskettenreaktion. Bei der Spaltung schwerer Kerne unter Einwirkung von Neutronen entstehen neue Neutronen. Beispielsweise entstehen bei jeder Spaltung des Uran-92-U-235-Kerns durchschnittlich 2,4 Neutronen. Einige dieser Neutronen können wiederum eine Kernspaltung verursachen. Ein solcher Lawinenprozess wird genannt Kettenreaktion .
Die Spaltkettenreaktion findet in dem Medium statt, in dem der Prozess der Neutronenvermehrung stattfindet. Eine solche Umgebung heißt Ader . Die wichtigste physikalische Größe, die die Intensität der Neutronenvervielfachung charakterisiert, ist Neutronenmultiplikationsfaktor im Medium k∞. Der Multiplikationsfaktor ist gleich dem Verhältnis der Anzahl der Neutronen in einer Generation zu ihrer Anzahl in der vorherigen Generation. Index ∞ zeigt dies an wir redenüber eine ideale Umgebung von unendlichen Dimensionen. Analog zum Wert k ∞ definieren wir Neutronenmultiplikationsfaktor in einem physikalischen System k. Der Koeffizient k ist ein Merkmal einer bestimmten Installation.
In einem spaltbaren Medium endlicher Größe wird ein Teil der Neutronen aus der aktiven Zone nach außen entweichen. Daher hängt der Koeffizient k auch von der Wahrscheinlichkeit P ab, mit der das Neutron den Kern nicht verlässt. Per Definition

k = k ∞ P.

(1)

Der Wert von P hängt von der Zusammensetzung des Kerns, seiner Größe, Form und auch davon ab, inwieweit die den Kern umgebende Substanz Neutronen reflektiert.
Die Möglichkeit des Austritts von Neutronen aus dem Kern ist damit verbunden wichtige Konzepte kritische Masse und kritische Dimensionen. kritische Größe ist die Größe der aktiven Zone, bei der k = 1 ist. kritische Masse heißt die Masse der aktiven Zone mit kritischen Abmessungen. Offensichtlich läuft die Kettenreaktion nicht ab, wenn die Masse unter der kritischen liegt, selbst wenn > 1. Im Gegenteil, ein merklicher Überschuss der Masse über die kritische Masse führt zu einer unkontrollierten Reaktion – einer Explosion.
Wenn es in der ersten Generation N Neutronen gibt, dann gibt es Nk n in der n-ten Generation. Für k = 1 läuft die Kettenreaktion also stationär ab, für k< 1 реакция гаснет, а при k >1 nimmt die Intensität der Reaktion zu. Für k = 1 wird der Reaktionsmodus aufgerufen kritisch , für k > 1 – überkritisch und für k< 1 – unterkritisch .
Die Lebensdauer einer Neutronengeneration hängt stark von den Eigenschaften des Mediums ab und liegt in der Größenordnung von 10–4 bis 10–8 s. Aufgrund der Kürze dieser Zeit ist es zur Durchführung einer kontrollierten Kettenreaktion erforderlich, die Gleichheit k = 1 mit großer Genauigkeit einzuhalten, da beispielsweise bei k = 1,01 das System fast augenblicklich explodiert. Mal sehen, welche Faktoren die Koeffizienten k ∞ und k bestimmen.
Die erste Größe, die k ∞ (oder k) bestimmt, ist die durchschnittliche Anzahl von Neutronen, die bei einem Spaltungsereignis emittiert werden. Die Anzahl hängt von der Art des Brennstoffs und von der Energie des einfallenden Neutrons ab. Im Tisch. Tabelle 1 zeigt die Werte der Hauptisotope der Kernkraft sowohl für thermische als auch für schnelle (E = 1 MeV) Neutronen.

Das Energiespektrum der Spaltneutronen für das 235U-Isotop ist in Abb. dargestellt. 1. Spektren dieser Art sind für alle spaltbaren Isotope ähnlich: Es gibt eine starke Energiestreuung, und die Masse der Neutronen hat Energien im Bereich von 1–3 MeV. Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen werden abgebremst, diffundieren über eine bestimmte Distanz und werden entweder mit oder ohne Spaltung absorbiert. Abhängig von den Eigenschaften des Mediums haben Neutronen Zeit, sich vor der Absorption auf unterschiedliche Energien zu verlangsamen. In Gegenwart eines guten Moderators haben die meisten Neutronen Zeit, auf thermische Energien in der Größenordnung von 0,025 eV abzubremsen. In diesem Fall wird die Kettenreaktion genannt schleppend, oder, was dasselbe ist, Thermal-. In Abwesenheit eines speziellen Moderators haben Neutronen Zeit, nur auf Energien von 0,1–0,4 MeV abzubremsen, da alle spaltbaren Isotope schwer sind und daher schlecht abgebremst werden. Die entsprechenden Kettenreaktionen werden aufgerufen schnell(Wir betonen, dass die Beinamen „schnell“ und „langsam“ die Geschwindigkeit von Neutronen und nicht die Reaktionsgeschwindigkeit charakterisieren). Kettenreaktionen, bei denen Neutronen auf Energien von zehn bis zu einem keV abgebremst werden, werden genannt dazwischenliegend .
Wenn ein Neutron mit einem schweren Kern kollidiert, ist immer ein strahlender Neutroneneinfang (n,γ) möglich. Dieser Prozess wird mit der Spaltung konkurrieren und dadurch den Multiplikationsfaktor verringern. Dies impliziert, dass die zweite physikalische Größe, die die Koeffizienten k ∞ , k beeinflusst, die Spaltungswahrscheinlichkeit ist, wenn ein Neutron vom Kern eines spaltbaren Isotops eingefangen wird. Diese Wahrscheinlichkeit für monoenergetische Neutronen ist offensichtlich gleich

,

(2)

wobei nf , nγ die Spaltungs- bzw. Strahlungseinfangsquerschnitte sind. Um gleichzeitig sowohl die Anzahl der Neutronen pro Spaltungsereignis als auch die Wahrscheinlichkeit des Strahlungseinfangs zu berücksichtigen, wird der Koeffizient η eingeführt, der gleich der durchschnittlichen Anzahl sekundärer Neutronen pro Einfang eines Neutrons durch einen spaltbaren Kern ist.

,

(3)

der Wert von η hängt von der Art des Brennstoffs und von der Neutronenenergie ab. Die Werte von η für die wichtigsten Isotope für thermische und schnelle Neutronen sind in derselben Tabelle angegeben. 1. Der Wert von η ist die wichtigste Eigenschaft der Brennstoffkerne. Eine Kettenreaktion kann nur ablaufen, wenn η > 1 ist. Je höher der Wert von η, desto höher die Qualität des Kraftstoffs.

Tabelle 1. Werte von ν, η für spaltbare Isotope

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

Die Qualität des Kernbrennstoffs wird durch seine Verfügbarkeit und den Koeffizienten η bestimmt. In der Natur gibt es nur drei Isotope, die als Kernbrennstoff oder Rohstoffe für seine Herstellung dienen können. Dies sind das Isotop von Thorium 232 Th und die Isotope von Uran 238 U und 235 U. Von diesen geben die ersten beiden keine Kettenreaktion, sondern können zu Isotopen verarbeitet werden, an denen die Reaktion stattfindet. Das Isotop 235 U selbst ergibt eine Kettenreaktion. IN Erdkruste Thorium ist um ein Vielfaches mehr als Uran. Natürliches Thorium besteht praktisch nur aus einem Isotop, 232 Th. Natürliches Uran besteht hauptsächlich aus dem Isotop 238 U und nur zu 0,7 % aus dem Isotop 235 U.
In der Praxis ist die Frage nach der Durchführbarkeit einer Kettenreaktion an einem natürlichen Uranisotopengemisch, bei dem auf einen 235-U-Kern 140 238 U-Kerne kommen, äußerst wichtig.Wir wollen zeigen, dass an einem natürlichen Gemisch eine langsame Reaktion möglich ist , aber ein schneller ist es nicht. Um eine Kettenreaktion in einem natürlichen Gemisch zu betrachten, ist es zweckmäßig, eine neue Größe einzuführen, den durchschnittlichen Neutronenabsorptionsquerschnitt pro Kern des 235 U-Isotops.

Für thermische Neutronen = 2,47, = 580 Barn, = 112 Barn, = 2,8 Barn (beachten Sie die Kleinheit des letzten Abschnitts). Wenn wir diese Zahlen in (5) einsetzen, erhalten wir das für langsame Neutronen in einer natürlichen Mischung

Das bedeutet, dass 100 thermische Neutronen, absorbiert in einer natürlichen Mischung, 132 neue Neutronen erzeugen. Daraus folgt direkt, dass mit natürlichem Uran eine Kettenreaktion mit langsamen Neutronen prinzipiell möglich ist. Im Prinzip, denn für die reale Durchführung einer Kettenreaktion muss man Neutronen verlustarm abbremsen können.
Für schnelle Neutronen ist ν = 2,65, 2 Barn, 0,1 Barn. Wenn die Spaltung nur am Isotop 235 U berücksichtigt wird, erhalten wir

235 (schnell) 0,3.

(7)

Aber wir müssen auch berücksichtigen, dass schnelle Neutronen mit Energien über 1 MeV auch die Kerne des 238 U-Isotops, das in einem natürlichen Gemisch sehr häufig vorkommt, mit einer merklichen relativen Intensität spalten können. Bei Division durch 238 U beträgt der Koeffizient etwa 2,5. Im Spaltungsspektrum haben etwa 60 % der Neutronen Energien oberhalb der effektiven Schwelle von 1,4 MeV Spaltung bei 238 U. Aber von diesen 60 % hat nur eines von 5 Neutronen Zeit zur Spaltung, ohne auf eine Energie unterhalb der Schwelle abgebremst zu werden zu elastischer und insbesondere unelastischer Streuung. Daher erhalten wir für den Koeffizienten 238 (schnell) die Schätzung

Daher kann eine Kettenreaktion in einem natürlichen Gemisch (235 U + 238 U) mit schnellen Neutronen nicht ablaufen. Experimentell wurde festgestellt, dass für reines metallisches Uran der Multiplikationsfaktor bei einer Anreicherung von 5,56 % Eins erreicht. In der Praxis stellt sich heraus, dass die Reaktion mit schnellen Neutronen nur in einer angereicherten Mischung aufrechterhalten werden kann, die mindestens 15 % des 235U-Isotops enthält.
Ein natürliches Uran-Isotopengemisch kann mit dem Isotop 235 U angereichert werden. Die Anreicherung ist dadurch ein aufwändiger und teurer Prozess Chemische Eigenschaften beide Isotope sind fast gleich. Wir müssen kleine Unterschiede in den Geschwindigkeiten chemischer Reaktionen, Diffusion usw. ausnutzen, die sich aus Unterschieden in den Isotopenmassen ergeben. Eine Kettenreaktion für 235 U wird fast immer in einer Umgebung mit durchgeführt toller Inhalt 238 U. Oft wird ein natürliches Isotopengemisch verwendet, für das im thermischen Neutronenbereich η = 1,32 gilt, da auch 238 U brauchbar ist. Das Isotop 238 U wird durch Neutronen mit Energien über 1 MeV gespalten. Diese Spaltung führt zu einer kleinen zusätzlichen Neutronenvervielfachung.
Vergleichen wir Kettenreaktionen der Spaltung auf thermische und schnelle Neutronen.
Für thermische Neutronen sind die Einfangquerschnitte groß und ändern sich stark beim Übergang von einem Kern zum anderen. Auf den Kernen einiger Elemente (z. B. auf Cadmium) übersteigen diese Wirkungsquerschnitte die Wirkungsquerschnitte um 235 U um das Hundert- oder Mehrfache, weshalb dem Kern thermischer Neutronen Anforderungen an eine hohe Reinheit in Bezug auf einige Verunreinigungen auferlegt werden Installationen.
Bei schnellen Neutronen sind alle Einfangquerschnitte klein und unterscheiden sich nicht so stark voneinander, so dass das Problem hoher Materialreinheit nicht auftritt. Ein weiterer Vorteil schneller Reaktionen ist eine höhere Reproduktionsrate.
Ein wichtiges Unterscheidungsmerkmal thermischer Reaktionen ist, dass der Brennstoff in der aktiven Zone viel verdünnter ist, d.h. es gibt pro Brennstoffkern deutlich mehr Kerne, die nicht an der Spaltung teilnehmen, als bei einer schnellen Reaktion. Beispielsweise gibt es bei einer thermischen Reaktion auf natürliches Uran 140 Kerne mit rohem 238 U pro Kern mit 235 U-Brennstoff, und bei einer schnellen Reaktion können nicht mehr als fünf oder sechs Kerne mit 238 U auf einen 235 U-Kern fallen. und die gleiche Energie wird bei einer thermischen Reaktion in einem viel größeren Materievolumen freigesetzt als bei einer schnellen. Somit ist es einfacher, Wärme aus der aktiven Zone einer thermischen Reaktion zu entfernen, wodurch diese Reaktion mit einer größeren Intensität durchgeführt werden kann als eine schnelle.
Die Lebensdauer einer Neutronengeneration ist bei einer schnellen Reaktion um mehrere Größenordnungen kürzer als bei einer thermischen. Daher kann sich die Geschwindigkeit einer schnellen Reaktion nach einer Änderung der physikalischen Bedingungen im Kern in sehr kurzer Zeit deutlich ändern. Bei normale Operation In einem Reaktor ist dieser Effekt unbedeutend, da hier die Betriebsweise durch die Lebensdauer von verzögerten und nicht von prompten Neutronen bestimmt wird.
In einem homogenen Medium, das nur aus spaltbaren Isotopen einer Sorte besteht, wäre der Multiplikationsfaktor gleich η. In realen Situationen gibt es jedoch neben spaltbaren Kernen immer auch andere, nicht spaltbare. Diese Fremdkerne fangen Neutronen ein und beeinflussen dadurch den Multiplikationsfaktor. Daraus folgt, dass die dritte Größe, die die Koeffizienten k ∞ , k bestimmt, die Wahrscheinlichkeit ist, dass das Neutron nicht von einem der nicht spaltbaren Kerne eingefangen wird. In realen Installationen findet ein „fremder“ Einfang an den Kernen des Moderators statt, an den Kernen verschiedener Strukturelemente, sowie an den Kernen von Spaltprodukten und Einfangprodukten.
Um eine Kettenreaktion mit langsamen Neutronen durchzuführen, werden spezielle Substanzen in den Kern eingeführt - Moderatoren, die Spaltneutronen in thermische umwandeln. In der Praxis wird eine Kettenreaktion mit langsamen Neutronen an natürlichem oder leicht angereichertem 235U-Uran durchgeführt. Das Vorhandensein einer großen Menge des 238U-Isotops im Kern erschwert den Verzögerungsprozess und macht es erforderlich, hohe Anforderungen an die Qualität des Moderators zu stellen. Die Lebensdauer einer Neutronengeneration in einem Kern mit Moderator kann grob in zwei Phasen unterteilt werden: Moderation auf thermische Energien und Diffusion c. thermische Geschwindigkeiten vor der Absorption. Damit der Hauptteil der Neutronen Zeit hat, ohne Absorption abzubremsen, muss die Bedingung erfüllt sein

wobei σ control, σ capture energiegemittelte Wirkungsquerschnitte der elastischen Streuung bzw. des Captures sind und n die Anzahl der Neutronenkollisionen mit Moderatorkernen ist, die erforderlich sind, um thermische Energie zu erreichen. Die Zahl n wächst schnell mit der Massenzahl des Moderators. Für Uran 238 U liegt die Zahl n in der Größenordnung von mehreren Tausend. Und das Verhältnis σ control / σ capture für dieses Isotop übersteigt selbst in einem relativ günstigen Energiebereich schneller Neutronen nicht 50. Der sogenannte Resonanzbereich von 1 keV bis 1 eV ist besonders „gefährlich“ in Bezug auf den Neutroneneinfang. In diesem Bereich weist der Gesamtwirkungsquerschnitt für die Wechselwirkung eines Neutrons mit 238 U-Kernen eine große Anzahl intensiver Resonanzen auf (Abb. 2). Bei niedrigen Energien übersteigen die Strahlungsbreiten die Neutronenbreiten. Daher wird im Bereich der Resonanzen das Verhältnis σ control /σ capture sogar kleiner als eins. Das heißt, wenn ein Neutron in den Bereich einer der Resonanzen eintritt, wird es mit nahezu 100-prozentiger Wahrscheinlichkeit absorbiert. Und da die Abbremsung an einem so schweren Kern wie Uran in „kleinen Schritten“ erfolgt, „stolpert“ das abbremsende Neutron beim Durchgang durch den Resonanzbereich definitiv über eine der Resonanzen und wird absorbiert. Daraus folgt, dass eine Kettenreaktion an natürlichem Uran ohne Fremdverunreinigungen nicht durchgeführt werden kann: Bei schnellen Neutronen läuft die Reaktion wegen des kleinen Koeffizienten η nicht ab, und langsame Neutronen können nicht gebildet werden, um einen resonanten Einfang zu vermeiden eines Neutrons müssen sehr leichte Kerne zum Abbremsen verwendet werden, wobei die Abbremsung mit „großen Schritten“ erfolgt, was die Wahrscheinlichkeit eines erfolgreichen „Springens“ des Neutrons durch den resonanten Energiebereich stark erhöht. Die besten moderierenden Elemente sind Wasserstoff, Deuterium, Beryllium und Kohlenstoff. Daher werden die in der Praxis verwendeten Moderatoren hauptsächlich auf schweres Wasser, Beryllium, Berylliumoxid, Graphit sowie gewöhnliches Wasser reduziert, das Neutronen nicht schlechter bremst als schweres Wasser, aber sie in viel größeren Mengen absorbiert. Der Retarder muss gut gereinigt werden. Beachten Sie, dass zur Implementierung einer langsamen Reaktion der Moderator zehn- oder sogar hundertmal größer sein muss als Uran, um resonante Kollisionen von Neutronen mit 238 U-Kernen zu verhindern.

Die moderierenden Eigenschaften des aktiven Mediums können ungefähr durch drei Größen beschrieben werden: die Wahrscheinlichkeit, dass ein Neutron beim Abbremsen nicht vom Moderator absorbiert wird, die Wahrscheinlichkeit p, ein resonantes Einfangen durch 238 U-Kerne zu vermeiden, und die Wahrscheinlichkeit f für ein thermisches Neutron eher vom Brennstoffkern als vom Moderator absorbiert werden. Der Wert f wird üblicherweise als Koeffizient bezeichnet thermische Nutzung. Die genaue Berechnung dieser Mengen ist schwierig. Üblicherweise werden zu ihrer Berechnung annähernde semiempirische Formeln verwendet.

Die Werte von p und f hängen nicht nur von der relativen Menge des Moderators ab, sondern auch von der Geometrie seiner Platzierung im Kern. Die aktive Zone, die aus einer homogenen Mischung von Uran und Moderator besteht, wird als homogen bezeichnet, und das System ihrer alternierenden Blöcke aus Uran und Moderator wird als heterogen bezeichnet (Abb. 4). Ein qualitativ heterogenes System zeichnet sich dadurch aus, dass in ihm das im Uran gebildete schnelle Neutron Zeit hat, in den Moderator zu entweichen, ohne Resonanzenergien zu erreichen. Eine weitere Verzögerung erfolgt in einem reinen Moderator. Dies erhöht die Wahrscheinlichkeit p, ein resonantes Einfangen zu vermeiden

p het > p hom.

Andererseits muss das Neutron, nachdem es im Moderator thermisch geworden ist, um an der Kettenreaktion teilzunehmen, zu seiner Grenze diffundieren, ohne im reinen Moderator absorbiert zu werden. Daher ist der thermische Nutzungsgrad f in einem heterogenen Medium kleiner als in einem homogenen:

f het< f гом.

Um den Multiplikationsfaktor k ∞ eines thermischen Reaktors abzuschätzen, ist der Näherungswert Formel der vier Faktoren

k ∞ = η pfε .

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Die ersten drei Faktoren haben wir bereits früher betrachtet. Die Größe ε wird aufgerufen Multiplikationsfaktor für schnelle Neutronen . Dieser Koeffizient wird eingeführt, um zu berücksichtigen, dass einige der schnellen Neutronen spalten können, ohne Zeit zum Verlangsamen zu haben. In seiner Bedeutung übersteigt der Koeffizient ε immer Eins. Aber dieser Überschuss ist normalerweise gering. Der Wert ε = 1,03 ist typisch für thermische Reaktionen. Für schnelle Reaktionen ist die Formel der vier Faktoren nicht anwendbar, da jeder Koeffizient von der Energie abhängt und die Energiestreuung bei schnellen Reaktionen sehr groß ist.
Da der Wert von η durch die Art des Brennstoffs bestimmt wird und der Wert von ε für langsame Reaktionen fast nicht von Eins abweicht, wird die Qualität eines bestimmten aktiven Mediums durch das Produkt pf bestimmt. Der Vorteil eines heterogenen Mediums gegenüber einem homogenen drückt sich also quantitativ darin aus, dass beispielsweise in einem System, in dem 215 Graphitkeime pro natürlichem Urankern vorhanden sind, das Produkt pf für ein heterogenes Medium 0,823 und für 0,595 beträgt ein homogenes. Und da für eine natürliche Mischung η = 1,34 gilt, erhalten wir für ein heterogenes Medium k ∞ > 1 und für ein homogenes Medium k ∞< 1.
Für die praktische Durchführung einer Kettenreaktion im stationären Zustand muss man diese Reaktion kontrollieren können. Diese Steuerung wird durch das Entweichen verzögerter Neutronen während der Spaltung stark vereinfacht. Die überwiegende Mehrheit der Neutronen fliegt fast sofort aus dem Kern (dh in einer Zeit, die viele Größenordnungen kürzer ist als die Lebensdauer einer Neutronengeneration im Kern), aber einige Zehntelprozent der Neutronen werden verzögert und fliegen heraus Fragmentkerne nach einem ziemlich langen Zeitintervall - von Sekundenbruchteilen bis zu mehreren und sogar zehn Sekunden. Qualitativ lässt sich die Wirkung verzögerter Neutronen wie folgt erklären. Lassen Sie den Multiplikationsfaktor sofort von einem unterkritischen Wert auf einen so überkritischen Wert ansteigen, dass 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.
Das Einfangen von Neutronen durch Kerne, die nicht an der Kettenreaktion teilnehmen, verringert die Intensität der Reaktion, kann jedoch in Bezug auf die Bildung neuer spaltbarer Isotope nützlich sein. Wenn also Neutronen der Uranisotope 238 U und Thorium 232 Th absorbiert werden, werden Plutonium 239 Pu und Uran 233 U Isotope gebildet (durch zwei aufeinanderfolgende β-Zerfälle), die Kernbrennstoff sind:

,

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.

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Diese beiden Reaktionen eröffnen die reale Möglichkeit Reproduktion von Kernbrennstoff während der Kettenreaktion. Im Idealfall, d. h. ohne unnötige Neutronenverluste, kann für jeden Absorptionsakt eines Neutrons durch einen Brennstoffkern durchschnittlich 1 Neutron zur Reproduktion verwendet werden.

Nukleare (atomare) Reaktoren

Ein Reaktor ist ein Gerät, in dem eine kontrollierte Spaltkettenreaktion aufrechterhalten wird. Während des Betriebs des Reaktors wird aufgrund der Exothermie der Spaltungsreaktion Wärme freigesetzt. Das Hauptmerkmal des Reaktors ist seine Leistung - die Menge an Wärmeenergie, die pro Zeiteinheit freigesetzt wird. Die Leistung des Reaktors wird in Megawatt (10 6 W) gemessen. Eine Leistung von 1 MW entspricht einer Kettenreaktion, bei der 3·10 16 Spaltungen pro Sekunde stattfinden. Erhältlich große Menge verschiedene Typen Reaktoren. Eines der typischen Schemata eines thermischen Reaktors ist in Abb. fünf.
Der Hauptteil des Reaktors ist die aktive Zone, in der die Reaktion stattfindet und somit Energie freigesetzt wird. In thermischen und intermediären Neutronenreaktoren besteht der Kern aus Brennstoff, der normalerweise mit einem nicht spaltbaren Isotop (normalerweise 238 U) und einem Moderator gemischt ist. Im Kern von schnellen Neutronenreaktoren gibt es keinen Moderator.
Das Kernvolumen variiert von Zehntellitern in einigen schnellen Neutronenreaktoren bis zu mehreren zehn Kubikmetern in großen thermischen Reaktoren. Um das Austreten von Neutronen zu verringern, erhält der Kern eine kugelförmige oder nahezu kugelförmige Form (z. B. ein Zylinder mit einer Höhe, die ungefähr dem Durchmesser entspricht, oder ein Würfel).
Je nach relativer Lage von Brennstoff und Moderator werden homogene und heterogene Reaktoren unterschieden. Ein Beispiel für eine homogene aktive Zone ist eine Lösung aus Uranylsulfatsalz und U 2 SO 4 in normalem oder schwerem Wasser. Häufiger sind heterogene Reaktoren. Bei heterogenen Reaktoren besteht der Kern aus einem Moderator, in dem Kassetten mit Brennstoff angeordnet sind. Da genau in diesen Kassetten Energie freigesetzt wird, nennt man sie Brennelemente oder abgekürzt Brennstäbe. Der Kern mit einem Reflektor ist oft in einem Stahlgehäuse eingeschlossen.

• Die Rolle verzögerter Neutronen bei der Steuerung von Kernreaktoren