Skilimo grandininė reakcija ir branduolinis reaktorius. Grandininės reakcijos

Grandininė branduolinė reakcija- pavienių branduolinių reakcijų seka, kurių kiekvieną sukelia dalelė, kuri pasirodė kaip reakcijos produktas ankstesniame sekos etape. Branduolinės grandininės reakcijos pavyzdys yra sunkiųjų elementų branduolių dalijimosi grandininė reakcija, kurioje daugumą dalijimosi įvykių inicijuoja neutronai, gauti iš ankstesnės kartos branduolio dalijimosi.

Kolegialus „YouTube“.

1 / 3

Branduolinė fizika. Branduolinės reakcijos. Branduolio dalijimosi grandininė reakcija. atominė elektrinė

Branduolinės jėgos Dalelių surišimo energija branduolyje Urano branduolių skilimas Grandininė reakcija

Branduolinės reakcijos

Subtitrai

Energijos išleidimo mechanizmas

Medžiagos virsmą lydi išsiskyrimas nemokama energija tik tuo atveju, jei medžiaga turi energijos atsargų. Pastarasis reiškia, kad medžiagos mikrodalelės yra būsenoje, kurios ramybės energija yra didesnė nei kitoje galimoje būsenoje, į kurią vyksta perėjimas. Spontaniškam perėjimui visada trukdo energetinis barjeras, kurį įveikti mikrodalelė turi gauti iš išorės tam tikrą energijos kiekį – sužadinimo energiją. Egzoenergetinė reakcija susideda iš to, kad transformuojant po sužadinimo išsiskiria daugiau energijos, nei reikia procesui sužadinti. Energijos barjerą galima įveikti dviem būdais: arba dėl susidūrusių dalelių kinetinės energijos, arba dėl besijungiančios dalelės surišimo energijos.

Jei turėsime omenyje makroskopines energijos išsiskyrimo skales, tai kinetinė energija, reikalinga reakcijoms sužadinti, turi turėti visas arba, pirma, bent dalį medžiagos dalelių. Tai pasiekiama tik tada, kai terpės temperatūra pakyla iki tokios vertės, kuriai esant šiluminio judėjimo energija artėja prie energijos slenksčio, ribojančio proceso eigą, vertės. Molekulinių virsmų, tai yra cheminių reakcijų atveju toks padidėjimas dažniausiai siekia šimtus kelvinų, branduolinių reakcijų atveju – minimalus 10 7 K dėl paties didelis aukštis Susidūrusių branduolių kuloniniai barjerai. Branduolinių reakcijų terminis sužadinimas praktiškai realizuojamas tik lengviausių branduolių sintezėje, kuriems Kulono barjerai yra minimalūs (termobrandulių sintezė).

Sužadinimas prijungiant daleles nereikalauja didelės kinetinės energijos, todėl nepriklauso nuo terpės temperatūros, nes tai vyksta dėl nepanaudotų ryšių, būdingų traukos jėgų dalelėms. Bet kita vertus, pačios dalelės reikalingos reakcijoms sužadinti. Ir jei vėl turime omenyje ne atskirą reakcijos veiksmą, o energijos gamybą makroskopiniu mastu, tai tai įmanoma tik tada, kai įvyksta grandininė reakcija. Pastaroji atsiranda, kai reakciją sužadinančios dalelės vėl pasirodo kaip egzoenergetinės reakcijos produktai.

Grandininės reakcijos

Grandininės reakcijos plačiai paplitę tarp cheminės reakcijos, kur dalelių su nepanaudotomis jungtimis vaidmenį atlieka laisvieji atomai arba radikalai. Grandininės reakcijos mechanizmą branduolinių transformacijų metu gali užtikrinti neutronai, kurie neturi Kulono barjero ir sužadina branduolius absorbuodami. Reikalingos dalelės atsiradimas terpėje sukelia vėlesnių, vieną po kitos vykstančių reakcijų grandinę, kuri tęsiasi tol, kol grandinė nutrūksta dėl reakcijos nešiklio dalelės praradimo. Yra dvi pagrindinės nuostolių priežastys: dalelės absorbcija neišskiriant antrinės ir dalelės išėjimas už grandinės procesą palaikančios medžiagos tūrio. Jeigu kiekviename reakcijos veiksme atsiranda tik viena nešiklio dalelė, vadinasi grandininė reakcija nešakotas... Neišsišakojusi grandininė reakcija negali sukelti didelio masto energijos išsiskyrimo.

Jei kiekviename reakcijos veiksme ar kai kuriose grandinės grandyse atsiranda daugiau nei viena dalelė, tada kyla šakotoji grandininė reakcija, nes viena iš antrinių dalelių tęsia pradėtą grandinę, o kitos duoda naujas grandines, kurios vėl išsišakoja. Tiesa, procesai, vedantys į grandinės pertraukas, konkuruoja su šakojimosi procesu, o susidariusi situacija sukelia ribojančius arba kritinius reiškinius, būdingus šakotoms grandinės reakcijoms. Jei atvirų grandinių skaičius yra didesnis nei atsirandančių naujų grandinių, tada save palaikanti grandininė reakcija(SCR) pasirodo neįmanoma. Net jei jis sužadinamas dirbtinai, į terpę įvedant tam tikrą kiekį reikalingų dalelių, tai, kadangi grandinių skaičius tokiu atveju gali tik mažėti, prasidėjęs procesas greitai užgęsta. Jei susidariusių naujų grandinių skaičius viršija pertrūkių skaičių, grandininė reakcija greitai išplinta visame medžiagos tūryje, kai atsiranda bent viena pradinė dalelė.

Medžiagų būsenų regionas, kuriame išsivysto savaime išsilaikanti grandininė reakcija, yra atskirtas nuo regiono, kuriame grandininė reakcija paprastai neįmanoma, kritinės būklės... Kritinė būklė apibūdinama lygybė tarp naujų grandinių skaičiaus ir pertraukų skaičiaus.

Kritinės būsenos pasiekimą lemia daugybė veiksnių. Sunkaus branduolio dalijimąsi sužadina vienas neutronas, o dėl dalijimosi akto atsiranda daugiau nei vienas neutronas (pavyzdžiui, 235 U, per vieną dalijimosi veiksmą gimsta vidutiniškai nuo 2 iki 3 neutronų) . Vadinasi, dalijimosi procesas gali sukelti šakotą grandininę reakciją, kurią neša neutronai. Jei neutronų praradimo greitis (pagaunamas be dalijimosi, nukrypimai nuo reakcijos tūrio ir pan.) kompensuoja neutronų dauginimosi greitį taip, kad efektyvusis neutronų dauginimo koeficientas yra lygiai vienetas, grandininė reakcija vyksta stacionariu režimu. . Įvedus neigiamus grįžtamuosius ryšius tarp efektyvaus dauginimo koeficiento ir energijos išsiskyrimo greičio, galima kontroliuoti grandininę reakciją, kuri naudojama, pavyzdžiui, atominėje elektrinėje. Jei dauginimo koeficientas didesnis už vieną, grandininė reakcija vystosi eksponentiškai; naudojama nekontroliuojama dalijimosi grandininė reakcija

Grandininė reakcija – savaime išsilaikanti cheminė reakcija, kurios metu iš pradžių atsiradę produktai dalyvauja formuojant naujus produktus. Grandininės reakcijos paprastai vyksta dideliu greičiu ir dažnai turi sprogimo pobūdį.

Grandininės reakcijos vyksta per tris pagrindinius etapus: branduolio susidarymą (iniciaciją), vystymąsi ir grandinės nutraukimą.

Ryžiai. 9.13. Reakcijos energijos profilis (potencinės energijos ir reakcijos koordinatės grafikas), rodantis minimumą, atitinkantį reakcijos tarpinės medžiagos susidarymą.

Iniciacijos stadija. Šiame etape susidaro tarpiniai produktai (tarpiniai produktai). Tarpiniai produktai gali būti atomai, jonai arba neutralios molekulės. Inicijavimas gali būti atliekamas naudojant šviesą, branduolinę spinduliuotę, šiluminę (šiluminę) energiją, anijonus arba katalizatorius.

Vystymo stadija. Šiame etape tarpiniai produktai reaguoja su pradiniais reagentais, sudarydami naujus tarpinius produktus ir galutinius produktus. Grandininių reakcijų vystymosi etapas kartojasi daug kartų, o tai lemia formavimąsi didelis skaičius galutiniai ir tarpiniai produktai.

Grandinės nutrūkimo stadija. Šiame etape įvyksta galutinis tarpinių produktų suvartojimas arba jų sunaikinimas. Dėl to reakcija sustoja. Grandininė reakcija gali nutrūkti spontaniškai arba veikiant specialioms medžiagoms – inhibitoriams.

Groja grandininės reakcijos svarbus vaidmuo daugelyje chemijos šakų, ypač fotochemijoje, degimo chemijoje, branduolių dalijimosi ir branduolių sintezės reakcijose (žr. 1 sk.), organinėje chemijoje (žr. sk. 17-20).

Fotochemija

Šis chemijos skyrius apima cheminiai procesai susijęs su šviesos poveikiu medžiagai. Fotosintezė yra fotocheminių procesų pavyzdys.

Daugelį grandininių reakcijų inicijuoja šviesa. Šiuo atveju inicijuojanti dalelė yra fotonas, turintis energiją (žr. 1.2 skyrių). Klasikinis pavyzdys yra vandenilio ir chloro reakcija esant šviesai

Ši reakcija yra sprogi. Tai apima tris toliau nurodytus etapus.

Iniciacija. Šiame etape kovalentinė jungtis chloro molekulėje nutrūksta, todėl susidaro du atomai, kurių kiekvienas turi nesuporuotą elektroną:

Šio tipo reakcija yra homolizė arba hemolizinis dalijimasis (žr. 17.3 skyrių). Tai taip pat fotolizės pavyzdys. Terminas „fotolizė“ reiškia fotocheminį skaidymą. Du susidarę chloro atomai yra tarpiniai produktai (tarpiniai produktai). Jie yra radikalai. Radikalas yra atomas (arba atomų grupė), turintis bent vieną nesuporuotą elektroną. Reikėtų pažymėti, kad nors iniciacijos žingsnis yra lėčiausias grandininės reakcijos žingsnis, jis nenulemia visos grandininės reakcijos greičio.

Vystymo stadija. Šiame etape chloro atomai reaguoja su vandenilio molekulėmis, sudarydami galutinį produktą – vandenilio chloridą, taip pat vandenilio radikalus. Vandenilio radikalai reaguoja su chloro molekulėmis; dėl to susidaro naujos produkto dalys ir nauji chloro radikalai:

Šios dvi reakcijos, kartu sudarančios vystymosi stadiją, kartojasi milijonus kartų.

Grandinės nutrūkimo stadija. Grandininė reakcija galiausiai baigiasi

reakcijos, pvz

Norint sugerti energiją, kuri išsiskiria per šias grandinės nutraukimo reakcijas, būtina, kad jose dalyvautų koks nors kitas trečiasis kūnas. Šis trečiasis kūnas paprastai yra indo, kuriame vyksta reakcija, sienelės.

Kvantinė išvestis

Pirmiau aprašytoje grandininėje reakcijoje chloro molekulei sugerus vieną šviesos fotoną, gali susidaryti milijonai vandenilio chlorido molekulių. Produkto molekulių skaičiaus ir reakciją inicijuojančių šviesos kvantų (fotonų) skaičiaus santykis vadinamas kvantine išeiga. Fotocheminių reakcijų kvantinė išeiga gali svyruoti nuo vieno iki kelių milijonų. Didelė kvantinė išeiga rodo vykstančios reakcijos grandininį pobūdį.

Impulsinė fotolizė

Taip vadinamas metodas, naudojamas norint gauti radikalus, kurių koncentracija pakankamai didelė, kad būtų galima juos aptikti. Fig. 9.14 parodyta supaprastinta pulsinei fotolizei naudojamos sąrankos schema. Paveikiamas reakcijos mišinys

Ryžiai. 9.14. Impulsinė fotolizė.

galingas šviesos blyksnis iš specialaus impulsinio šaltinio. Toks šaltinis leidžia sukurti šviesos blyksnius, kurių energija yra iki 105 J ir kurių trukmė yra s arba mažesnė. Šiuolaikiniuose impulsinės fotolizės metoduose naudojami impulsiniai lazeriai, kurių blykstės trukmė yra nanosekundės (10-9 s). Reakciją, atsirandančią dėl tokio šviesos blyksnio, galima sekti registruojant reakcijos mišinio optinės sugerties spektrų seką. Po pirmojo blyksnio seka mažos galios impulsinio šaltinio blyksnių serija. Šie blyksniai seka vienas kitą milisekundžių ar mikrosekundžių intervalais ir leidžia tokiais laiko intervalais užregistruoti reakcijos mišinio sugerties spektrus.

Degimas

Reakcija su deguonimi, dėl kurios išsiskiria šilumos energija ir šviesa, vadinama degimu. Degimas paprastai vyksta kaip sudėtinga radikalių reakcijų seka.

Kaip pavyzdį paimkime vandenilio deginimą. Tam tikromis sąlygomis ši reakcija vyksta sprogimu. Fig. 9.15 pateikti eksperimentiniai duomenys apie stechiometrinio vandenilio ir deguonies mišinio reakciją Pyrex reaktoriuje. Tamsinta diagramos dalis atitinka sprogiąją šios reakcijos sritį. Dėl vandenilio degimo reakcijos ši diagramos dalis turi sprogstamojo pusiasalio formą. Sprogimo plotą riboja sprogimo ribos.

Ryžiai. 9.15. Vandenilio degimo reakcijos sprogstamumo sąlygos:

Branduolinė grandininė reakcija- savaime išsilaikanti sunkiųjų branduolių dalijimosi reakcija, kurios metu neutronai nuolat dauginasi, dalijant vis daugiau branduolių.. Urano-235 branduolys, veikiamas neutrono, yra padalintas į du nevienodos masės radioaktyvius fragmentus, dideliu greičiu sklaidantis skirtingomis kryptimis ir du ar trys neutronai. Valdomos grandininės reakcijos atliekami branduoliniuose reaktoriuose arba branduoliniuose katiluose. Šiuo metu kontroliuojamos grandininės reakcijos yra atliekami su urano-235, urano-233 (dirbtinai gauto iš torio-232), plutonio-239 (dirbtinai iš žaizdos-238), taip pat plutonio-241 izotopų. Labai svarbi užduotis yra jo izotopo urano-235 atskyrimas nuo natūralaus urano. Nuo pat pirmųjų atominės technologijos kūrimo žingsnių lemiamą reikšmę turėjo urano-235 panaudojimas, kurio gryno pavidalo gamyba buvo techniškai sudėtinga, nes uranas-238 ir uranas-235 yra chemiškai neatsiejami.

50. Branduoliniai reaktoriai. Termobranduolinės energijos panaudojimo perspektyvos.

Branduolinis reaktorius yra prietaisas, kuriame vykdoma kontroliuojama branduolinė grandininė reakcija, kartu išsiskirianti energija. Pirmasis branduolinis reaktorius buvo pastatytas ir paleistas 1942 metų gruodį JAV vadovaujant E. Fermi. Pirmasis reaktorius, pastatytas už JAV ribų, buvo ZEEP, Kanadoje paleistas 1946 m. gruodžio 25 d. Europoje pirmasis branduolinis reaktorius buvo blokas F-1, pradėtas eksploatuoti 1946 metų gruodžio 25 dieną Maskvoje vadovaujant I. V. Kurchatovui, 1978 metais pasaulyje jau veikė apie šimtas branduolinių reaktorių. skirtingi tipai... Bet kurio branduolinio reaktoriaus sudedamosios dalys yra: aktyvioji zona su branduoliniu kuru, paprastai apsupta neutronų reflektoriaus, aušinimo skystis, grandininės reakcijos valdymo sistema, radiacinė apsauga ir nuotolinio valdymo sistema. Reaktoriaus indas yra nusidėvėjęs (ypač dėl jonizuojančiosios spinduliuotės). Pagrindinė branduolinio reaktoriaus savybė yra jo galia. 1 MW galia atitinka grandininę reakciją, kurios metu per 1 sek. įvyksta 3 × 10 16 dalijimosi įvykių. Aukštos temperatūros plazmos fizikos tyrimai daugiausia atliekami siekiant sukurti termobranduolinį reaktorių. Pagal parametrus arčiausiai reaktoriaus yra tokamako tipo įrenginiai. 1968 metais buvo paskelbta, kad T-3 instaliacijoje buvo pasiekta dešimties milijonų laipsnių plazmos temperatūra, ir būtent šios krypties plėtrai per pastaruosius dešimtmečius buvo sutelktos daugelio šalių mokslininkų pastangos. skirtingos salys tokamak ITER. Viso termobranduolinių reaktorių panaudojimas energetikos srityje numatomas XXI amžiaus antroje pusėje. Be tokamakų, yra ir kitų tipų magnetinių gaudyklių, skirtų aukštos temperatūros plazmai suvaržyti, pavyzdžiui, vadinamieji atvirieji spąstai. . Dėl daugybės savybių jie gali išlaikyti aukšto slėgio plazmą, todėl turi geras perspektyvas kaip galingi termobranduolinių neutronų šaltiniai, o ateityje – kaip termobranduoliniai reaktoriai.

Pasiektos sėkmės m pastaraisiais metais Branduolinės fizikos institute SB RAS šiuolaikinių ašiesimetrinių atvirų spąstų tyrimai rodo, kad šis metodas yra perspektyvus. Šie tyrimai tęsiami, o tuo pat metu INP rengia naujos kartos įrenginio projektą, kuriame jau bus galima pademonstruoti plazmos parametrus, artimus reaktoriaus parametrams.

Kuriame susidaro jas sukeliančios dalelės ir kaip šių reakcijų produktai. Tokia reakcija yra urano ir kai kurių trans-urano elementų (pvz. 23 9 Pu) veikiant neutronams. Pirmą kartą jį E. Fermi atliko 1942 m. branduolio dalijimasis W. Zinnas, L. Szilardas ir G. N. Flerovas parodė, kad dalijantis urano branduoliui U išskiriamas daugiau nei vienas neutronas: n + U → A + B + v... čia A ir V- dalijimosi fragmentai, kurių masės skaičius A yra nuo 90 iki 150, v- antrinių neutronų skaičius.

Neutronų dauginimo koeficientas... Kad grandininė reakcija vyktų, būtina, kad vidutinis išlaisvintų neutronų skaičius tam tikroje urano masėje laikui bėgant nemažėtų arba neutronų dauginimo koeficientas k buvo didesnis arba lygus vienam.

Neutronų dauginimo koeficientas yra bet kurios kartos neutronų skaičiaus ir ankstesnės kartos neutronų skaičiaus santykis. Kartų kaita suprantama kaip branduolio dalijimasis, kurio metu absorbuojami senosios kartos neutronai ir gimsta nauji neutronai.

Jeigu k ≥ 1, tada neutronų skaičius laikui bėgant didėja arba išlieka pastovus, ir vyksta grandininė reakcija. At k> 1 neutronų skaičius mažėja, o grandininė reakcija neįmanoma.

Dėl daugelio priežasčių iš visų gamtoje aptinkamų branduolių tik izotopo branduoliai yra tinkami branduolinei grandininei reakcijai įgyvendinti. Dauginimo koeficientas nustatomas pagal: 1) lėtų neutronų gaudymą branduoliais, po kurio vyksta skilimas ir greitųjų neutronų gaudymas branduoliais, taip pat su vėlesniu skilimu; 2) neutronų gaudymas be dalijimosi urano branduoliais; 3) neutronų gaudymas skilimo produktais, įrenginio moderatoriais ir konstrukciniais elementais; 4) neutronų emisija iš skiliosios medžiagos į išorę.

Tik pirmąjį procesą lydi neutronų skaičiaus padidėjimas. Dėl pastovios reakcijos k turėtų būti lygus 1. Jau prie k = 1,01 beveik akimirksniu įvyks sprogimas.

Plutonio susidarymas... Urano izotopu sugavus neutroną, susidaro radioaktyvus izotopas, kurio pusinės eliminacijos laikas yra 23 minutės. Irstant atsiranda pirmasis transura-naujas elementas neptūnas:

β-radioaktyvusis neptūnas (kurio pusinės eliminacijos laikas yra apie dvi dienas), išspinduliuojantis elektroną, virsta kitu transurano elementas — plutonis:

Plutonio pusinės eliminacijos laikas yra 24 000 metų, o svarbiausia jo savybė yra gebėjimas dalytis veikiant lėtiems neutronams taip pat, kaip ir izotopo.. Plutonio pagalba gali būti vykdoma grandininė reakcija su išsiskyrimu. didelis kiekis energijos.

Grandininę reakciją lydi didžiulės energijos išsiskyrimas; kiekvieno branduolio dalijimasis išskiria 200 MeV. Dalijantis 1 urano branduoliui, išsiskiria tokia pati energija, kaip ir degant 3 anglims arba 2,5 tonos naftos.

Apsvarstykite skilimo grandininės reakcijos mechanizmą. Kai sunkieji branduoliai dalijasi veikiant neutronams, susidaro nauji neutronai. Pavyzdžiui, su kiekvienu urano 92 U 235 branduolio skilimu vidutiniškai atsiranda 2,4 neutrono. Kai kurie iš šių neutronų vėl gali sukelti branduolio dalijimąsi. Toks laviną primenantis procesas vadinamas grandininė reakcija .
Skilimo grandininė reakcija vyksta terpėje, kurioje vyksta neutronų dauginimosi procesas. Ši aplinka vadinama aktyvi zona ... Svarbiausias fizikinis dydis, apibūdinantis neutronų dauginimosi intensyvumą vidutinis neutronų dauginimo koeficientas k ∞. Dauginimo koeficientas yra lygus neutronų skaičiaus vienoje kartoje ir jų skaičiaus ankstesnėje kartoje santykiui. Indeksas ∞ rodo tai ateina apie idealią begalinių matmenų aplinką. Panašiai kaip ir k ∞ reikšmę, apibrėžiame neutronų dauginimo koeficientas fizikinėje sistemoje k. Koeficientas k yra konkretaus įrenginio charakteristika.
Ribinių matmenų skiliojoje terpėje dalis neutronų pateks iš šerdies į išorę. Todėl koeficientas k priklauso ir nuo tikimybės P, kad neutronas nepaliks šerdies. Pagal apibrėžimą

k = k ∞ P.

(1)

P reikšmė priklauso nuo šerdies sudėties, jos dydžio, formos, taip pat nuo to, kiek šerdį supanti medžiaga atspindi neutronus.
Susijęs su galimybe neutronams palikti šerdį svarbios sąvokos kritinė masė ir kritiniai matmenys. Kritinis dydis yra šerdies dydis, kai k = 1. Kritinė masė vadinama kritinių matmenų šerdies mase. Akivaizdu, kad esant masei, žemesnei už kritinę, grandininė reakcija neįvyksta, net jei > 1. Priešingai, pastebimas masės perteklius virš kritinės sukelia nekontroliuojamą reakciją – sprogimą.
Jei pirmoje kartoje yra N neutronų, tai n-oje kartoje bus Nk n. Todėl, kai k = 1, grandininė reakcija vyksta stacionariai, kai k< 1 реакция гаснет, а при k >1, reakcijos intensyvumas didėja. Jei k = 1, vadinamas reakcijos režimas kritiškas , k> 1 - superkritinis ir už k< 1 – subkritinis .
Vienos kartos neutronų gyvavimo trukmė labai priklauso nuo terpės savybių ir yra maždaug 10–4–10–8 s. Dėl šio laiko mažumo, norint įgyvendinti valdomą grandininę reakciją, būtina labai tiksliai išlaikyti lygybę k = 1, nes, tarkime, esant k = 1,01, sistema beveik akimirksniu sprogs. Pažiūrėkime, kokie veiksniai lemia koeficientus k ∞ ir k.
Pirmasis dydis, nustatantis k ∞ (arba k), yra vidutinis neutronų, išmetamų per vieną dalijimosi įvykį, skaičius. Skaičius priklauso nuo kuro rūšies ir krintančio neutrono energijos. Lentelė 1 parodytos pagrindinių branduolinės energijos izotopų reikšmės tiek šiluminiams, tiek greitiesiems (E = 1 MeV) neutronams.

235 U izotopo dalijimosi neutronų energijos spektras parodytas Fig. 1. Šio tipo spektrai yra panašūs visų skiliųjų izotopų: stipriai pasiskirsto energijos, o didžiosios dalies neutronų energija yra 1–3 MeV. Skilimo metu susidarantys neutronai sulėtėja, pasklinda tam tikru atstumu ir yra absorbuojami dalijimosi metu arba be jo. Priklausomai nuo terpės savybių, prieš absorbciją neutronai turi laiko sulėtėti iki skirtingos energijos. Esant geram moderatoriui, didžioji dalis neutronų turi laiko sulėtėti iki šiluminės energijos, kurios dydis yra 0,025 eV. Šiuo atveju vadinama grandininė reakcija lėtas, arba, kuris yra tas pats, terminis... Jei nėra specialaus moderatoriaus, neutronai turi laiko sulėtėti tik iki 0,1–0,4 MeV energijos, nes visi skilintys izotopai yra sunkūs ir todėl prastai sulėtėja. Atitinkamos grandininės reakcijos vadinamos greitas(Pabrėžiame, kad epitetai „greitas“ ir „lėtas“ apibūdina neutronų greitį, o ne reakcijos greitį). Vadinamos grandininės reakcijos, kurių metu neutronai sulėtėja iki energijos nuo dešimčių iki vieno keV tarpinis .
Kai neutronas susiduria su sunkiuoju branduoliu, neutroną (n, γ) visada galima pagauti spinduliuote. Šis procesas konkuruos su dalijimusi ir taip sumažins dauginimo koeficientą. Iš to išplaukia, kad antrasis fizikinis dydis, turintis įtakos koeficientams k ∞, k yra dalijimosi tikimybė, kai neutroną užfiksuoja skiliojo izotopo branduolys. Ši monoenergetinių neutronų tikimybė akivaizdžiai lygi

(2)

kur nf, nγ yra atitinkamai dalijimosi ir spinduliuotės gaudymo skerspjūviai. Siekiant vienu metu atsižvelgti ir į neutronų skaičių per dalijimosi veiksmą, ir į spinduliuotės gaudymo tikimybę, įvedamas koeficientas η, kuris yra lygus vidutiniam antrinių neutronų skaičiui vienam neutronui, kurį sugauna skilusis branduolys.

(3)

η reikšmė priklauso nuo kuro rūšies ir nuo neutronų energijos. Svarbiausių šiluminių ir greitųjų neutronų izotopų η reikšmės pateiktos toje pačioje lentelėje. 1. Dydis η yra svarbiausia kuro branduolių charakteristika. Grandininė reakcija gali vykti tik esant η> 1. Kuo didesnė η reikšmė, tuo aukštesnė kuro kokybė.

1 lentelė. Daliųjų izotopų ν, η reikšmės

Šerdis		92 U 233	92 U 235	94 Pu 239
Šiluminiai neutronai (E = 0,025 eV)	ν	2.52	2.47	2.91
Šiluminiai neutronai (E = 0,025 eV)	η	2.28	2.07	2.09
Greitieji neutronai (E = 1 MeV)	ν	2.7	2.65	3.0
Greitieji neutronai (E = 1 MeV)	η	2.45	2.3	2.7

Branduolinio kuro kokybę lemia jo prieinamumas ir koeficientas η. Gamtoje yra tik trys izotopai, kurie gali būti naudojami kaip branduolinis kuras arba žaliavos jo gamybai. Tai torio izotopas 232 Th ir urano izotopai 238 U ir 235 U. Iš jų pirmieji du nesukelia grandininės reakcijos, bet gali būti perdirbami į izotopus, ant kurių vyksta reakcija. Pats 235 U izotopas sukelia grandininę reakciją. V žemės pluta torio yra kelis kartus daugiau nei urano. Natūralus toris praktiškai susideda tik iš vieno izotopo – 232 Th. Gamtinį uraną daugiausia sudaro 238 U izotopas ir tik 0,7 % 235 U izotopo.
Praktikoje nepaprastai svarbus klausimas dėl grandininės reakcijos į natūralų urano izotopų mišinį, kuriame 235 U branduolyje yra 140 238 U branduoliai. Parodykime, kad natūraliame mišinyje galima lėta reakcija. bet greitas nėra. Norint įvertinti grandininę reakciją natūraliame mišinyje, patogu įvesti naują reikšmę – vidutinį neutronų sugerties skerspjūvį, nurodytą vienam 235 U izotopo branduoliui.

Šiluminiams neutronams = 2,47, = 580 barn, = 112 barn, = 2,8 barn (atkreipkite dėmesį į paskutinio skerspjūvio mažumą). Pakeitę šiuos skaičius (5), mes nustatome, kad lėtieji neutronai natūraliame mišinyje

Tai reiškia, kad 100 šiluminių neutronų, absorbuotų natūraliame mišinyje, sukurs 132 naujus neutronus. Iš to tiesiogiai išplaukia, kad lėtųjų neutronų grandininė reakcija iš esmės įmanoma gamtiniame urane. Iš esmės todėl, kad norint realiai įgyvendinti grandininę reakciją, reikia sugebėti sulėtinti neutronus su mažais nuostoliais.
Greitiesiems neutronams ν = 2,65, 2 barn, 0,1 barn. Jei atsižvelgsime į dalijimąsi tik 235 U izotopu, gautume

235 (greitai) 0,3.

(7)

Tačiau reikia atsižvelgti ir į tai, kad greitieji neutronai, kurių energija viršija 1 MeV, taip pat gali suskaidyti 238 U izotopo branduolius su pastebimu santykiniu intensyvumu, kurio natūraliame mišinyje yra daug. Padalijus iš 238 U koeficientas yra maždaug 2,5. Skilimo spektre apie 60 % neutronų energija viršija efektyviąją 1,4 MeV dalijimosi slenkstį 238 U. Tačiau iš šių 60 % tik vienas iš 5 neutronų turi laiko sukelti dalijimąsi nesulėtinant iki energijos, mažesnės už slenkstis dėl tamprios ir ypač neelastingos sklaidos. Taigi koeficientui 238 (greitai) gauname įvertį

Taigi grandininė reakcija natūraliame mišinyje (235 U + 238 U) negali vykti su greitaisiais neutronais. Eksperimentiškai nustatyta, kad gryno urano metalo dauginimo koeficientas pasiekia vienetą, kai sodrinimas yra 5,56%. Praktiškai paaiškėja, kad greitųjų neutronų reakcija gali būti palaikoma tik praturtintame mišinyje, kuriame yra ne mažiau kaip 15% 235 U izotopo.
Natūralus urano izotopų mišinys gali būti prisodrintas izotopu 235 U. Sodrinimas yra sudėtingas ir brangus procesas dėl to, kad Cheminės savybės abu izotopai yra beveik vienodi. Turime pasinaudoti nedideliais cheminių reakcijų, difuzijos ir kt. greičio skirtumais, atsirandančiais dėl izotopų masių skirtumo. 235 U grandininė reakcija beveik visada atliekama aplinkoje su didelis kiekis 238 U. Dažnai naudojamas natūralus izotopų mišinys, kurio šiluminių neutronų diapazone η = 1,32, nes naudinga ir 238 U. 238 U izotopas dalijasi neutronais, kurių energija viršija 1 MeV. Dėl šio dalijimosi atsiranda nedidelis papildomas neutronų dauginimasis.
Palyginkime šiluminių ir greitųjų neutronų dalijimosi grandinines reakcijas.
Šiluminių neutronų gaudymo skerspjūviai yra dideli ir labai skiriasi pereinant iš vieno branduolio į kitą. Kai kurių elementų branduoliuose (pavyzdžiui, ant kadmio) šie skerspjūviai yra šimtus ir daugiau kartų didesni už skerspjūvius 235 U. Todėl kai kurių šiluminių neutronų įrenginių šerdims keliami didelio grynumo reikalavimai. priemaišų.
Greitiesiems neutronams visi gaudymo skerspjūviai yra maži ir nesiskiria vienas nuo kito, kad nekiltų didelio medžiagų grynumo problema. Kitas greitų reakcijų privalumas – didesnis reprodukcijos greitis.
Svarbus išskirtinis šiluminių reakcijų bruožas yra tai, kad branduolyje esantis kuras yra daug labiau atskiestas, tai yra, vienam kuro branduoliui yra žymiai daugiau branduolių, kurie nedalyvauja skilimo procese, nei greitoje reakcijoje. Pavyzdžiui, natūralaus urano šiluminės reakcijos metu 235 U kuro šerdis sudaro 140 žaliavos 238 U branduolių, o greitos reakcijos metu ant 235 U branduolio gali nukristi ne daugiau kaip nuo penkių iki šešių 238 U branduolių. ir ta pati energija šiluminės reakcijos metu išsiskiria daug didesniame medžiagos tūryje nei greitoje. Taigi iš aktyviosios šiluminės reakcijos zonos lengviau pašalinti šilumą, todėl šią reakciją galima atlikti intensyviau nei greitą.
Vienos kartos neutronų gyvavimo laikas greitos reakcijos metu yra keliomis eilėmis trumpesnis nei šiluminės. Todėl greitos reakcijos greitis gali pastebimai pasikeisti per labai trumpą laiką, pasikeitus fizinėms sąlygoms šerdyje. At normalus darbas Reaktoryje šis poveikis yra nereikšmingas, nes šiuo atveju veikimo režimą lemia uždelstų, o ne greitųjų neutronų tarnavimo laikas.
Vienalytėje terpėje, susidedančioje tik iš to paties tipo skiliųjų izotopų, dauginimo koeficientas būtų lygus η. Tačiau realiose situacijose, be skiliųjų branduolių, visada yra ir kitų neskilusių. Šie svetimi branduoliai užfiksuos neutronus ir taip paveiks dauginimo koeficientą. Iš to išplaukia, kad trečiasis dydis, apibrėžiantis koeficientus k ∞, k yra tikimybė, kad neutrono neužfiksuos vienas iš neskilusių branduolių. Realiuose įrenginiuose „pašalinis“ fiksavimas vyksta moderatoriaus branduoliuose, įvairių konstrukciniai elementai, taip pat skilimo produktų ir gaudymo produktų branduoliuose.
Norint atlikti grandininę lėtų neutronų reakciją, į šerdį įvedamos specialios medžiagos - moderatoriai, kurie dalijimosi neutronus paverčia šiluminiais. Praktiškai lėtųjų neutronų grandininė reakcija vykdoma natūraliam arba šiek tiek prisodrintam 235 U izotopu uranu. Didelis 238 U izotopo kiekis šerdyje apsunkina lėtėjimo procesą ir todėl reikia kelti aukštus reikalavimus moderatoriaus kokybei. Vienos kartos neutronų gyvavimo trukmė reguliuojamoje šerdyje gali būti grubiai suskirstyta į du etapus: lėtėjimą iki šiluminės energijos ir difuziją c. šiluminės normos prieš absorbciją. Kad didžioji neutronų dalis spėtų sulėtėti be absorbcijos, būtina patenkinti sąlygą

kur σ el, σ gaudymas yra atitinkamai tamprios sklaidos ir gaudymo energijos vidurkis, o n yra neutrono susidūrimų su moderatoriaus branduoliais skaičius, reikalingas šiluminei energijai pasiekti. Skaičius n sparčiai auga didėjant moderatoriaus masės skaičiui. Urano 238 U skaičius n yra keli tūkstančiai. O šio izotopo sugriebimo santykis σ el / σ net gana palankioje greitųjų neutronų energijų srityje neviršija 50. Vadinamoji rezonanso sritis nuo 1 keV iki 1 eV yra ypač „pavojinga“ neutronų atžvilgiu. užfiksuoti. Šiame regione bendras neutrono sąveikos su 238 U branduoliais skerspjūvis turi daug intensyvių rezonansų (2 pav.). Esant mažoms energijoms, spinduliuotės plotis viršija neutronų plotį. Todėl rezonansų srityje santykis σ el / σ gaudymas tampa net mažesnis už vienetą. Tai reiškia, kad patekęs į vieno iš rezonansų sritį, neutronas sugeriamas beveik šimtaprocentine tikimybe. Ir kadangi tokio sunkesnio branduolio, kaip uranas, lėtėjimas vyksta „mažais žingsneliais“, eidamas per rezonanso sritį, lėtėjantis neutronas tikrai „užklups“ ant vieno iš rezonansų ir bus absorbuojamas. Iš to seka, kad grandininė reakcija negali būti vykdoma ant gamtinio urano be priemaišų: greituosiuose neutronuose reakcija nevyksta dėl koeficiento η mažumo, o lėtųjų neutronų susidaryti negalima. Siekiant išvengti rezonansinio neutronų gaudymo, sulėtinti reikia naudoti labai lengvus branduolius, kurių lėtėjimas vyksta „dideliais žingsniais“, o tai smarkiai padidina sėkmingo neutrono „paslydimo“ per rezonanso energijos sritį tikimybę. Geriausi stabdantys elementai yra vandenilis, deuteris, berilis ir anglis. Todėl praktikoje naudojami moderatoriai daugiausia redukuojami iki sunkiojo vandens, berilio, berilio oksido, grafito, taip pat paprasto vandens, kuris sulėtina neutronus ne prasčiau nei sunkusis vanduo, tačiau sugeria juos daug didesniais kiekiais. Retarderis turi būti gerai išvalytas. Atkreipkite dėmesį, kad lėtai reakcijai įvykti, moderatorius turi būti dešimtis ar net šimtus kartų didesnis nei urano, kad būtų išvengta rezonansinio neutronų susidūrimo su 238 U branduoliais.

Aktyvios terpės lėtėjimo savybes galima apytiksliai apibūdinti trimis dydžiais: tikimybe, kad neutronas lėtėjimo metu nesugers moderatoriaus, tikimybe p išvengti rezonanso gaudymo 238 U branduoliais ir tikimybe f, kad šiluminis neutronas sugeria kuro šerdis, o ne moderatorius. Dydis f paprastai vadinamas koeficientu terminis naudojimas... Sunku tiksliai apskaičiuoti šiuos kiekius. Paprastai joms apskaičiuoti naudojamos apytikslės pusempirinės formulės.

P ir f reikšmės priklauso ne tik nuo santykinio moderatoriaus kiekio, bet ir nuo jo išdėstymo šerdyje geometrijos. Aktyvioji zona, susidedanti iš homogeninio urano ir moderatoriaus mišinio, vadinama vienalyte, o jų besikeičiančių urano ir moderatoriaus blokų sistema – nevienalyte (4 pav.). Kokybiškai nevienalytė sistema išsiskiria tuo, kad joje greitasis neutronas, susidaręs urane, sugeba ištrūkti į moderatorių nepasiekdamas rezonanso energijų. Tolesnis lėtėjimas vyksta gryname moderatoriuje. Tai padidina tikimybę p išvengti rezonansinio spąstų.

p het> p hom.

Kita vertus, priešingai, neutronas, tapęs terminiu moderatoriuje, turi difunduoti, kad dalyvautų grandininėje reakcijoje, o ne absorbuojamas gryname moderatoriuje, iki jo ribos. Todėl šiluminio panaudojimo koeficientas f heterogeninėje aplinkoje yra mažesnis nei homogeninėje:

f gett< f гом.

Norint įvertinti šiluminio reaktoriaus dauginimo koeficientą k ∞, apytikslis keturių faktorių formulė

k ∞ = η pfε .

(11)

Pirmuosius tris veiksnius jau apsvarstėme anksčiau. Dydis ε vadinamas greitas neutronų dauginimo koeficientas ... Šis koeficientas įvedamas siekiant atsižvelgti į tai, kad kai kurie greitieji neutronai gali sukelti dalijimąsi nespėję sulėtėti. Pagal savo reikšmę koeficientas ε visada viršija vienetą. Tačiau šis perteklius paprastai yra mažas. Šiluminėms reakcijoms būdinga ε = 1,03. Greitoms reakcijoms keturių faktorių formulė netaikoma, nes kiekvienas koeficientas priklauso nuo energijos, o energijų sklaida greitų reakcijų metu yra labai didelė.
Kadangi η reikšmę lemia kuro rūšis, o ε reikšmė lėtoms reakcijoms beveik nesiskiria nuo vieneto, tai konkrečios aktyviosios terpės kokybę lemia sandauga pf. Taigi, nevienalytės terpės pranašumas prieš homogeninę kiekybiškai pasireiškia tuo, kad, pavyzdžiui, sistemoje, kurioje natūralaus urano branduolyje yra 215 grafito branduolių, sandauga pf yra 0,823 heterogeninei terpei ir 0,595. vienalytei. O kadangi natūraliam mišiniui η = 1,34, gauname, kad heterogeninei terpei k ∞> 1, o homogeninei k ∞< 1.
Praktiniam stacionarios srovės grandininės reakcijos įgyvendinimui būtina mokėti valdyti šią reakciją. Šis valdymas yra labai supaprastintas dėl uždelstų neutronų emisijos dalijimosi metu. Didžioji dauguma neutronų iš branduolio išsiskiria beveik akimirksniu (ty per laiką, kuris daug dydžių yra trumpesnis už neutronų kartos gyvavimo trukmę šerdyje), tačiau kelios dešimtosios procento neutronų yra uždelstos ir išspinduliuojami. iš fragmentų branduolių po gana ilgo laiko intervalo – nuo frakcijų sekundžių iki kelių ar net dešimčių sekundžių. Uždelstų neutronų poveikį galima kokybiškai paaiškinti taip. Tegul daugybos koeficientas akimirksniu padidėja nuo subkritinės reikšmės iki tokios superkritinės reikšmės, kad 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.
Neutronų gaudymas branduoliais, nedalyvaujančiais grandininėje reakcijoje, sumažina reakcijos intensyvumą, tačiau gali būti naudingas formuojant naujus skiliuosius izotopus. Taigi, kai neutronus sugeria urano 238 U ir torio 232 Th izotopai, susidaro plutonio 239 Pu ir urano 233 U izotopai (per du nuoseklius β skilimus), kurie yra branduolinis kuras:

(12)

(13)

Šios dvi reakcijos suteikia realią galimybę branduolinio kuro dauginimas vykstant grandininei reakcijai. Idealiu atveju, ty nesant nereikalingų neutronų nuostolių, reprodukcijai gali būti išleistas vidutiniškai 1 neutronas kiekvienam kuro branduolio neutrono absorbcijos veiksmui.

Branduoliniai (atominiai) reaktoriai

Reaktorius yra įrenginys, kuriame palaikoma kontroliuojama dalijimosi grandininė reakcija. Veikiant reaktoriui, dėl dalijimosi reakcijos egzotermiškumo išsiskiria šiluma. Pagrindinė reaktoriaus charakteristika yra jo galia – per laiko vienetą išsiskiriančios šiluminės energijos kiekis. Reaktoriaus galia matuojama megavatais (10 6 W). 1 MW galia atitinka grandininę reakciją, kurios metu per sekundę įvyksta 3 × 10 16 dalijimosi įvykių. Yra didelis skaičius skirtingi tipai reaktoriai. Viena iš tipiškų šiluminio reaktoriaus schemų parodyta fig. 5.
Pagrindinė reaktoriaus dalis yra aktyvioji zona, kurioje vyksta reakcija ir taip išsiskiria energija. Šiluminiuose ir tarpiniuose neutroniniuose reaktoriuose šerdį sudaro kuras, paprastai sumaišytas su neskilusiu izotopu (dažniausiai 238 U), ir moderatoriaus. Greitųjų reaktorių branduolyje nėra moderatoriaus.
Aktyvios zonos tūris svyruoja nuo dešimtųjų litro dalių kai kuriuose greituose reaktoriuose iki dešimčių kubinių metrų dideliuose šiluminiuose reaktoriuose. Siekiant sumažinti neutronų nuotėkį, šerdis yra sferinė arba beveik sferinė (pavyzdžiui, cilindras, kurio aukštis maždaug lygus skersmeniui, arba kubas).
Atsižvelgiant į santykinę kuro ir moderatoriaus padėtį, išskiriami vienarūšiai ir nevienalyčiai reaktoriai. Vienalytės šerdies pavyzdys yra uranilsulfato druskos ir U 2 SO 4 tirpalas paprastame arba sunkiajame vandenyje. Dažniau naudojami heterogeniniai reaktoriai. Heterogeniniuose reaktoriuose šerdį sudaro moderatorius, į kurį dedamos kuro kasetės. Kadangi energija išsiskiria būtent šiose kasetėse, jos vadinamos kuro elementai arba sutrumpintai kuro strypai... Atšvaito šerdis dažnai yra įdėta į plieninį korpusą.

Uždelstų neutronų vaidmuo valdant branduolinį reaktorių