Kettenreaktion. Die Bedingung für das Auftreten einer Kernreaktion

GLEICHUNG DER KETTENREAKTION. KLASSIFIZIERUNG VON NEURONEN

GERÄT UND FUNKTIONSPRINZIP EINES GASENTLADUNGSZÄHLER

AUFBAU UND FUNKTIONSPRINZIP DER IONISATIONSKAMMER

Abhängig von der angelegten Spannung kann der Detektor in den Modi Ionisationskammer, Proportionalzähler und Geiger-Müller-Zähler betrieben werden.

Der einfachste Ionisationsdetektor ist Ionisationskammer , das ist ein Kondensator, der aus zwei parallelen Platten besteht, deren Zwischenraum mit Luft oder Gas gefüllt ist. An die Elektroden wird eine Spannung von ca. 100 Volt angelegt, was 1 Abschnitt der I-V-Kennlinie entspricht. Bei Abwesenheit ionisierende Strahlung die Lücke zwischen den Elektroden ist dielektrisch und es fließt kein Strom im Stromkreis.

Unter Einwirkung ionisierender Strahlung zwischen den Elektroden kommt es zur Ionisierung von Molekülen und Gasatomen und zur Bildung von positiven und negativen Ionen. Negative Ionen bewegen sich in Richtung der positiven Elektrode und positive Ionen umgekehrt. In der Schaltung wird ein Strom erzeugt. Die Spannung zwischen den Elektroden wird so gewählt, dass alle gebildeten Ionen die Elektroden erreichen, ohne Zeit zum Rekombinieren zu haben, aber nicht so stark beschleunigt werden, dass eine sekundäre Ionisation verursacht wird.

Ionisationskammern sind einfach zu bedienen, zeichnen sich durch eine hohe Registrierungseffizienz aus, haben jedoch den Nachteil einer geringen Empfindlichkeit. Die an die Elektroden der Ionisationskammer angelegte Spannung sollte etwa 100 V betragen.

Gasentladungszähler ist metallisch oder Glaszylinder, die innere Oberfläche ist mit Metall bedeckt, das die Kathode ist. Ein dünner Metallfaden mit einem Durchmesser von etwa 100 µm, der die Anode darstellt, wird entlang der Zylinderachse gespannt.

Proportionalzähler arbeiten mit Spannungen entsprechend Abschnitt 2 der I - V-Kennlinie. Bei einer Spannung von 100-1000 V entsteht zwischen den Elektroden eine hohe elektrische Feldstärke und die gebildeten Primärionen bewirken eine Sekundärionisation von Gasatomen und -molekülen. Bei solchen Messgeräten hängt der Stromwert von der Höhe der ionisierenden Strahlung ab.

Geiger-Müller-Zähler arbeiten auf 3 Abschnitten der I-V-Kennlinie bei Spannungen über 1000 V. Unter Einwirkung ionisierender Strahlung bilden sich im Raum zwischen den Elektroden positive Ionen und negative Elektronen, die auf der Anodenseite Sekundär Ionisation. Durch die hohe Stärke des elektrischen Feldes in der Nähe der Anode, verbunden mit der kleinen Fläche, werden die Sekundärelektronen so stark beschleunigt, dass sie das Gas wieder ionisieren. Die Zahl der Elektronen nimmt lawinenartig zu, es entsteht eine Koronaentladung, die nach Beendigung der ionisierenden Strahlung wirkt. Die Ladung wird durch Einschalten eines großen Widerstands von 1 Megaohm abgeschaltet.

Geiger-Müller-Zähler zeichnen sich durch hohe Registrierungseffizienz und große Signalamplitude (ca. 40 Volt) aus. Nachteile: geringe Auflösung und lange Wiederherstellungszeit.

Kettenreaktionsgleichung:

wobei K die Anzahl der Sekundärneutronen (2-3) ist; q - Wärmeenergie

Kernkettenreaktion liegt darin, dass unter dem Einfluss von Neutronen die Kerne des Uranatoms in leichtere Kerne zerfallen, genannt Spaltfragmente ... In diesem Fall, sekundäre Neutronen und Wärmeenergie wird freigesetzt. Sekundäre Neutronen, die wiederum auf Urankerne einwirken, führen zu deren Spaltung unter Bildung neuer Neutronen und Freisetzung von Energie. Der Vorgang wiederholt sich, entwickelt sich wie eine Lawine und kann zu einer nuklearen Explosion führen.

Eine solche Darstellung einer Kernreaktion ist jedoch idealisiert, da durch den Einfang von Neutronen durch Verunreinigungen und die Emission von Neutronen aus dem aktiven Bereich kann die Kernreaktion zerfallen.

Um die bei einer Kernreaktion ablaufenden Prozesse zu charakterisieren, wird das Konzept eingeführt Multiplikationsfaktor K , was gleich dem Verhältnis der Neutronenzahl in . ist dieser Moment Zeit auf die Neutronenzahl zum vorherigen Zeitpunkt.

K> 1 Kernreaktion wächst und kann zu einer Explosion führen

ZU< 1 Ядерная реакция затухает

K = 1 Die Kernreaktion ist stabil

Klassifizierung von Neutronen nach dem Wert ihrer Energie:

BEDINGUNGEN DER NUKLEAREN REAKTION:

1) Uran muss von Verunreinigungen und Zerfallsprodukten gereinigt werden;

2) Bei einer Kettenreaktion an schnellen Neutronen ist es notwendig, natürliches Uran, dessen Konzentration 0,7% beträgt, auf eine Konzentration von 15% anzureichern.

3) Bei einer Kettenreaktion an thermischen Neutronen ist es notwendig, einen Resonanzeinfang durch ein Neutron durch Uran-238 zu vermeiden. Dazu werden Retarder aus Graphit verwendet.

4) System Kernbrennstoff und der Retarder muss alternierend sein, d.h. heterogen.

5) Das System muss kugelförmig sein;

6) Damit eine Kernreaktion stattfinden kann, muss genug Kernbrennstoff. Mindestwert Kernbrennstoff, bei dem noch eine Kernreaktion abläuft, wird als kritische Masse bezeichnet.

Schema der Vorrichtung einer Atombombe

Spaltkettenreaktion

Bei der Spaltung emittierte Sekundärneutronen (2,5 Stück pro Spaltungsakt) können neue Spaltungsereignisse auslösen, was die Durchführung einer Kettenreaktion ermöglicht. Die Spaltungskettenreaktion ist durch den Neutronenmultiplikationsfaktor K gekennzeichnet, der gleich dem Verhältnis der Neutronenzahl in einer gegebenen Generation zu ihrer Zahl in der vorherigen Generation ist. Voraussetzung die Entwicklung einer Kettenreaktion der Spaltung ist. Bei weniger ist die Reaktion unmöglich. Wenn die Reaktion mit einer konstanten Neutronenzahl abläuft (konstante Leistung der freigesetzten Energie). Dies ist eine selbsttragende Reaktion. At ist eine gedämpfte Reaktion. Der Multiplikationsfaktor hängt von der Art des Spaltmaterials, der Größe und Form des Kerns ab. Die Mindestmasse an spaltbarem Material, die für eine Kettenreaktion erforderlich ist, wird als kritisch bezeichnet. Denn die kritische Masse beträgt 9 kg, während der Radius der Urankugel 4 cm beträgt.

Kettenreaktionen können kontrolliert und unkontrolliert sein. Die Explosion einer Atombombe ist ein Beispiel für eine außer Kontrolle geratene Reaktion. Die Kernladung einer solchen Bombe besteht aus zwei oder mehr Stücken von fast reinem oder. Die Masse jedes Teils ist geringer als die kritische, sodass keine Kettenreaktion auftritt. Daher reicht es für eine Explosion aus, diese Teile zu einem Stück mit einer Masse zu kombinieren, die größer als die kritische ist. Dies muss sehr schnell geschehen und die Verbindung der Teile muss sehr dicht sein. Andernfalls fliegt die Kernladung auseinander, bevor sie reagieren kann. Um eine Verbindung herzustellen, verwenden Sie die üblichen explosiv... Die Hülle dient als Neutronenreflektor und verhindert außerdem das Zerstäuben der Kernladung, bis die maximale Anzahl von Kernen bei der Spaltung die gesamte Energie freisetzt. Die Kettenreaktion in einer Atombombe läuft mit schnellen Neutronen. Während der Explosion hat nur ein Teil der Neutronen der Kernladung Zeit zum Reagieren. Die Kettenreaktion führt zur Freisetzung kolossaler Energie. Die sich gleichzeitig entwickelnde Temperatur erreicht Grad. Die Zerstörungskraft der von den Amerikanern auf Hiroshima abgeworfenen Bombe entsprach der Explosion von 20.000 Tonnen TNT. Die neuen Waffen sind hundertmal stärker als die ersten. Wenn wir noch hinzufügen, dass bei einer Atomexplosion große Menge Spaltfragmente, auch sehr langlebige, wird deutlich, welch schreckliche Gefahr diese Waffe für die Menschheit darstellt.

Durch Änderung des Neutronenmultiplikationsfaktors kann eine kontrollierte Kettenreaktion realisiert werden. Die Vorrichtung, in der eine kontrollierte Reaktion durchgeführt wird, wird als Kernreaktor bezeichnet. Als Spaltmaterial dient natürliches oder angereichertes Uran. Um den Strahlungseinfang von Neutronen durch Urankerne zu verhindern, werden relativ kleine Blöcke spaltbarer Materie in einiger Entfernung voneinander platziert und die Lücken mit einer Substanz gefüllt, die Neutronen verlangsamt (Moderator). Neutronen werden durch elastische Streuung verlangsamt. In diesem Fall hängt der Energieverlust des abgebremsten Teilchens vom Verhältnis der Massen der kollidierenden Teilchen ab. Höchstbetrag Energie geht verloren, wenn die Teilchen die gleiche Masse haben. Deuterium, Graphit und Beryllium erfüllen diese Bedingung. Der erste Uran-Graphit-Reaktor wurde 1942 an der University of Chicago unter der Leitung des bedeutenden italienischen Physikers Fermi in Betrieb genommen. Um das Funktionsprinzip des Reaktors zu verdeutlichen, betrachten wir ein typisches Schema eines thermischen Reaktors in Abb. 1.

Abb. 1.

Im Reaktorkern befinden sich Brennelemente 1 und ein Moderator 2, der Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten verlangsamt. Brennelemente (Brennstäbe) sind Blöcke aus spaltbarem Material, die in einer versiegelten Hülle eingeschlossen sind, die Neutronen schwach absorbiert. Durch die bei der Kernspaltung freigesetzte Energie werden die Brennelemente erhitzt und daher zur Kühlung in den Kühlmittelstrom (3-5 - Kühlmittelkanal) gelegt. Der Kern ist von einem Reflektor umgeben, um die Neutronenleckage zu reduzieren. Steuerung Kettenreaktion erfolgt durch spezielle Steuerstäbe aus Materialien, die Neutronen stark absorbieren. Die Parameter des Reaktors sind so bemessen, dass bei vollständig eingeschobenen Stäben die Reaktion sicher nicht stattfindet. Mit dem allmählichen Entfernen der Stäbe erhöht sich der Neutronenmultiplikationsfaktor und erreicht an einer bestimmten Position eins. In diesem Moment beginnt der Reaktor zu arbeiten. Während der Reaktor arbeitet, nimmt die Menge an spaltbarem Material im Kern ab und er wird mit Spaltfragmenten kontaminiert, unter denen sich starke Neutronenabsorber befinden können. Damit die Reaktion nicht aufhört, aus dem Kern mit Hilfe von automatisches Gerät die Steuerstäbe werden nach und nach zurückgezogen. Eine solche Kontrolle von Reaktionen ist aufgrund der Existenz von verzögerten Neutronen möglich, die von spaltbaren Kernen mit einer Verzögerung von bis zu 1 Minute emittiert werden. Wenn der Kernbrennstoff ausbrennt, stoppt die Reaktion. Vor dem Wiederanfahren des Reaktors wird der ausgebrannte Kernbrennstoff entnommen und mit einem neuen beladen. Im Reaktor befinden sich auch Notstäbe, deren Einführung die Reaktion sofort unterbricht. Ein Kernreaktor ist eine starke Quelle durchdringender Strahlung, die die Hygienestandards um etwa den Faktor eins übertrifft. Daher verfügt jeder Reaktor über einen biologischen Schutz - ein System von Schilden aus Schutzmaterialien (z. B. Beton, Blei, Wasser) - hinter seinem Reflektor und einer Fernbedienung.

Erstmals wurde in der UdSSR Atomenergie für friedliche Zwecke genutzt. In Obninsk im Jahr 1954 unter der Führung von Kurchatov die erste Kernkraftwerk mit einer Leistung von 5 MW.

Thermische Uranreaktoren können jedoch das Problem der Stromversorgung in begrenztem Umfang lösen, der durch die Uranmenge bestimmt wird.

Der vielversprechendste Weg zur Entwicklung der Kernenergie ist die Entwicklung schneller Neutronenreaktoren, der sogenannten Brutreaktoren. Ein solcher Reaktor produziert mehr Kernbrennstoff als er verbraucht. Die Reaktion findet an schnellen Neutronen statt, kann also nicht nur daran teilnehmen, sondern auch, was in. Letztere lassen sich chemisch abtrennen. Dieser Vorgang wird als Kernbrennstoffreproduktion bezeichnet. In speziellen Brutreaktoren überschreitet das Brutverhältnis des Kernbrennstoffs Eins. Die aktive Zone der Züchter ist eine Legierung aus isotopenangereichertem Uran mit einem Schwermetall, das Neutronen wenig absorbiert. In Brutreaktoren gibt es keinen Moderator. Steuerung solcher Reaktoren durch Bewegen des Reflektors oder Ändern der Masse der spaltbaren Materie.

Kontrollierte Kettenreaktion.

Wenn die Kettenreaktion in ihrer Entwicklung so begrenzt wird, dass die Anzahl der pro Zeiteinheit erzeugten Neutronen, die einen bestimmten großen Wert erreicht hat, dann nicht mehr zunimmt, dann findet eine ruhig ablaufende, sich selbst erhaltende Kettenreaktion der Spaltung statt. Eine Kontrolle der Reaktion wird nur möglich sein, wenn sich der Koeffizient k eff der Neutronenmultiplikation relativ langsam und sanft regeln lässt, und für optimales System k eff sollte nur um 0,5 % größer als eins sein. Sowjetische Physiker Ya.B. Zeldovich und Yu.B. Khariton hat (1939) theoretisch gezeigt, dass mit natürlichem Uran eine kontrollierte Kettenreaktion durchgeführt werden kann.

Für die Entwicklung eines Kettenprozesses im Natururan müssen Neutronen auf thermische Geschwindigkeiten abgebremst werden, da in diesem Fall die Wahrscheinlichkeit ihres Einfangens durch U-Kerne mit anschließender Spaltung stark ansteigt. Zu diesem Zweck werden spezielle Substanzen verwendet - Verzögerer.

Die Kontrolle einer stationär fließenden Kettenreaktion (k eff = 1) wird durch die Anwesenheit stark vereinfacht verzögerte Neutronen(siehe Abschnitt 3.6). Es stellt sich heraus, dass die Zeit T der "Beschleunigung" der Reaktion (die Zeit, während der sich die Anzahl der Teilungen um das "2,71-fache" erhöht) mit einem geringen Grad an Überkritikalität (k eff - 1<< 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T = t s × b / (k eff - 1),

wobei t s die durchschnittliche Lebensdauer verzögerter Neutronen ist (t s ~ 14,4 s),

b ist der Anteil verzögerter Neutronen (b ~ 0,68 % für U).

Da der Wert von t z × b in der Größenordnung von ~ 5 × 10 –2 s liegt, wird die Intensität der Reaktion ziemlich langsam ansteigen und die Reaktion wird gut reguliert.

Der Wert von k eff kann durch automatisches Einbringen von Substanzen in die aktive Zone gesteuert werden, die Neutronen stark absorbieren - Absorber.

12.3.1. Kernreaktor

Die Vorrichtung, in der eine stationäre Kernspaltungsreaktion durchgeführt und aufrechterhalten wird, wird als Kernreaktor oder Atomkessel bezeichnet.

Der erste Kernreaktor wurde Ende 1942 (USA) unter der Leitung von E. Fermi gebaut. Der erste europäische Reaktor wurde 1946 in Moskau unter der Leitung von I. V. Kurchatov gebaut.

Derzeit gibt es auf der Welt etwa tausend Kernreaktoren verschiedener Typen, die sich unterscheiden:

· Durch das Funktionsprinzip (Reaktoren auf thermischen, schnellen, etc. Neutronen);

· Nach der Art der Moderatoren (für schweres Wasser, Graphit usw.);

· Verwendeter Brennstoff (Uran, Thorium, Plutonium);

Für den vorgesehenen Zweck (Forschung, Medizin, Energie, zur Reproduktion von Kernbrennstoffen usw.)

Die Hauptteile eines Kernreaktors (siehe Abb. 4.5) sind:

· Der Kern (1), in dem sich der Kernbrennstoff befindet, die Spaltungskettenreaktion läuft ab, Energie wird freigesetzt;

· einen Neutronenreflektor (2), der den Kern umgibt;

· Kontrollsystem des Kettenprozesses in Form von Stäbchen-Absorbern (3) von Neutronen;

· Strahlenschutz (4) vor Strahlung;

Wärmeträger (5).

V homogen In Reaktoren werden der Kernbrennstoff und der Moderator vermischt und bilden ein homogenes Gemisch (zB Actinouronsalze und Schwerwasser). V heterogen Reaktoren (Abb. 4.6) wird der Kernbrennstoff in Form von Brennstäben ( Brennelemente) - Blockstäbe (1) mit kleinem Querschnitt, eingeschlossen in eine hermetische Hülle, die Neutronen schwach absorbiert. Zwischen den Brennstäben befindet sich ein Moderator (2).

Die bei der Kernspaltung gebildeten Neutronen, die keine Zeit haben, in den Brennelementen absorbiert zu werden, gelangen in den Moderator, wo sie ihre Energie verlieren und sich auf thermische Geschwindigkeiten verlangsamen. Beim Zurückfallen in einen der Brennstäbe werden thermische Neutronen mit hoher Wahrscheinlichkeit von spaltbaren Kernen (U, U, Pu) absorbiert. Eine positive Rolle spielen auch die Neutronen, die von U-Kernen eingefangen werden und den Verbrauch an Kernbrennstoff teilweise wieder auffüllen.

Leichte Kerne sind gute Moderatoren: Deuterium, Beryllium, Kohlenstoff, Sauerstoff. Der beste Neutronenmoderator ist die Kombination von Deuterium mit Sauerstoff - schweres Wasser... Aufgrund seiner hohen Kosten wird Kohlenstoff jedoch häufiger in Form von sehr reinem . verwendet Graphit... Beryllium und sein Oxid werden ebenfalls verwendet. Brennstäbe und ein Moderator bilden in der Regel ein regelmäßiges Gitter (zB Uran-Graphit).

Durch die Spaltenergie werden die Brennstäbe erhitzt. Zur Kühlung werden sie in den Bach gelegt Kühlmittel(Luft, Wasser, Dampf, He, CO 2 usw.).

Da Neutronen im Moderator und in Spaltfragmenten verloren gehen, muss der Reaktor überkritische Dimensionen haben und einen Neutronenüberschuss erzeugen. Die Steuerung des Kettenprozesses (d. h. die Eliminierung überschüssiger Neutronen) erfolgt durch Steuerstäbe (3) (siehe Abb. 4.5 bzw. 4.6) aus neutronenstarken Materialien (Borstahl, Cadmium).

Die Parameter des Reaktors sind so bemessen, dass bei vollständiger Einbringung der Absorberstäbe in den Kern die Reaktion nicht stattfindet. Mit dem allmählichen Zurückziehen der Stäbe erhöht sich der Neutronenmultiplikationsfaktor, und an einer bestimmten Position erreicht k eff eins, der Reaktor beginnt zu arbeiten. Die Absorberstäbe werden vom Bedienfeld aus bewegt. Die Regulierung wird durch das Vorhandensein verzögerter Neutronen vereinfacht.

Das Hauptmerkmal eines Kernreaktors ist seine Leistung. Eine Leistung von 1 MW entspricht einem Kettenprozess, bei dem 3 × 10 16 Spaltereignisse in 1 Sekunde auftreten. Der Reaktor enthält Notfall Stäbchen, deren Einführung bei einer plötzlichen Zunahme der Reaktionskraft sofort abfällt.

Während des Betriebs eines Kernreaktors wird eine allmähliche Abbrennen von Kernbrennstoff, Spaltfragmente sammeln sich an, Transurane bilden sich. Die Akkumulation von Fragmenten verursacht eine Abnahme von k eff. Dieser Vorgang heißt Vergiftung Reaktor (wenn die Fragmente radioaktiv sind) und Verschlackung(wenn die Scherben stabil sind). Bei einer Vergiftung sinkt k eff um (1-3) %. Damit die Reaktion nicht zum Stillstand kommt, werden spezielle (Ausgleichs-)Stäbchen nach und nach (automatisch) aus dem Kern entfernt. Wenn der Kernbrennstoff vollständig ausbrennt, wird er (nach Beendigung der Reaktion) entfernt und mit einem neuen beladen.

Unter den Kernreaktoren nimmt ein besonderer Platz ein Brutreaktoren auf schnellen Neutronen - Züchter... In ihnen wird die Stromerzeugung von der Reproduktion von sekundärem Kernbrennstoff (Plutonium) aufgrund der Reaktion (3.5) begleitet, wodurch nicht nur das Isotop U, sondern auch U effektiv genutzt wird (siehe §3.6). Damit lässt sich das Problem der Bereitstellung von Kernbrennstoff radikal lösen: Auf 100 verbrauchte Kerne in einem solchen Reaktor werden 150 neue spaltungsfähige Kerne produziert. Die Schnellreaktortechnologie ist dabei, nach den besten technischen Lösungen zu suchen. Die erste experimentelle Industriestation dieser Art (Shevchenko) dient der Stromerzeugung und der Meerwasserentsalzung (Kaspisches Meer).

Kettenreaktion

Kettenreaktion- eine chemische und nukleare Reaktion, bei der das Auftreten eines aktiven Teilchens ( freie Radikale oder Atom im chemischen, Neutron im Kernprozess) verursacht eine große Anzahl (Kette) aufeinanderfolgender Umwandlungen von inaktiven Moleküle oder Kerne. Freie Radikale und viele Atome haben im Gegensatz zu Molekülen freie ungesättigte Valenzen (ungepaarte Elektron), was zu ihrer Wechselwirkung mit den ursprünglichen Molekülen führt. Wenn ein freies Radikal (R) mit einem Molekül kollidiert, bricht eine der Valenzbindungen des letzteren und so entsteht durch die Reaktion ein neues freies Radikal, das wiederum mit einem anderen Molekül reagiert - a Kettenreaktion auftritt.

Kettenreaktionen in der Chemie umfassen Oxidationsprozesse ( Verbrennung , Explosion), knacken , Polymerisation und andere, die in der chemischen und Erdölindustrie weit verbreitet sind.

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Ausbreitung. Über den andauernden, unkontrollierten Prozess des Einbeziehens s., What l. was ich. BMS 1998, 489; BTS, 1462 ... Ein großes Wörterbuch russischer Sprüche

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