Как происходит цепная реакция. Управляемая цепная реакция
УРАВНЕНИЕ ЦЕПНОЙ РЕАКЦИИ. КЛАССИФИКАЦИЯ НЕЙРОНОВ
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ГАЗОРАЗРЯДНОГО СЧЕТЧИКА
УСТРОЙСТВО И ПРИНЦИП РАБОТЫ ИОНИЗАЦИОННОЙ КАМЕРЫ
В зависимости от подаваемого напряжения детектор может работать в режиме ионизационной камеры, пропорционального счётчика и счётчика Гейгера-Мюллера.
Простейшим ионизационным детектором является ионизационная камера , представляющая собой конденсатор, состоящий из двух параллельных пластин, пространство между которыми заполнено воздухом или газом. К электродам прикладывается напряжение порядка 100 вольт, что соответствует 1 участку ВАХ. При отсутствии ионизирующего излучения промежуток между электродами является диэлектриком и ток в цепи отсутствует.
При действии ионизирующего излучения между электродами происходит ионизация молекул и атомов газа и образование положительных и отрицательных ионов. Отрицательные ионы движутся к положительному электроду, а положительные ионы наоборот. В цепи возникает ток. Напряжение между электродами подбирается таким, чтобы все образовавшиеся ионы достигли электродов, не успев рекомбинироваться, но и не разогнались бы до такой степени, чтобы вызвать вторичную ионизацию.
Ионизационные камеры просты в эксплуатации, характеризуются высокой эффективностью регистрации, но недостатками является низкая чувствительность. Напряжение, подаваемое на электроды ионизационной камеры должно составлять порядка 100 В.
Газоразрядный счётчик представляет собой металлический или стеклянный цилиндр, внутренняя поверхность покрытая металлом, который является катодом. Вдоль оси цилиндра натягивается тонкая металлическая нить диаметром порядка 100 микрон, которая является анодом.
Пропорциональные счётчики работают при напряжениях, соответствующих участку 2 ВАХ. При напряжении 100‑1000 В между электродами создаётся высокая напряжённость электрического поля и образовавшиеся первичные ионы создают вторичную ионизацию атомов и молекул газа. В таких счётчиках величина тока зависит от уровня ионизирующего излучения.
Счётчики Гейгера-Мюллера работают на 3 участке ВАХ при напряжениях превышающих 1000 В. При действии ионизирующего излучения в пространстве между электродами образуются положительные ионы и отрицательные электроны, которые двигаясь к аноду создают вторичную ионизацию. За счёт высокой напряжённости электрического поля вблизи анода, связанной с малой его площадью, вторичные электроны ускоряются настолько, что вновь ионизируют газ. Число электронов возрастает лавинообразно, возникает коронный разряд, который действует после прекращения ионизирующего излучения. Заряд обрывается включением большого сопротивления 1 МОм.
Счётчики Гейгера-Мюллера характеризуются высокой эффективностью регистрации и большой амплитудой сигнала (около 40 вольт). Недостатки: малая разрешающая способность и большое время восстановления.
Уравнение цепной реакции:
где K – количество вторичных нейтронов (2-3); q – тепловая энергия
Цепная ядерная реакция заключается в том, что под воздействием нейтронов ядра атома урана распадаются на более лёгкие ядра, называемые осколки деления . При этом образуются вторичные нейтроны и выделяется тепловая энергия. Вторичные нейтроны вновь воздействуя на ядра урана приводят к их делению с образованием новых нейтронов и выделению энергии. Процесс повторяется, развивается лавинообразно и может привести к ядерному взрыву.
Однако такое представление ядерной реакции является идеализированным, т.к. в результате захвата нейтронов примесями и вылета нейтронов из активной области ядерная реакция может затухать.
Для характеристики процессов, протекающих в ядерной реакции, вводится понятие коэффициент размножения K , который равен отношению количества нейтронов в данный момент времени к количеству нейтронов в предыдущий момент времени.
К > 1 Ядерная реакция нарастает и может привести к взрыву
К < 1 Ядерная реакция затухает
К = 1 Ядерная реакция протекает стабильно
Классификация нейтронов в зависимости от величины их энергии:
УСЛОВИЯ ПРОТЕКАНИЯ ЯДЕРНОЙ РЕАКЦИИ :
1) Уран должен быть очищен от примесей и продуктов распада;
2) При цепной реакции на быстрых нейтронах необходимо обогащение естественного урана, где его концентрация составляет 0,7% до концентрации 15%.
3) При цепной реакции на тепловых нейтронах необходимо избежать резонансного захвата нейтроном ураном-238. Для этого используются замедлители, изготовленные из графита.
4) Система ядерного топлива и замедлитель должна быть чередующаяся, т.е. гетерогенная.
5) Система должна быть сферической;
6) Для осуществления ядерной реакции должно быть достаточным количество ядерного топлива. Минимальное значение ядерного топлива, при котором еще протекает ядерная реакция, называется критическая масса.
В которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Такой реакцией является деление урана и некоторых транс-урановых элементов (например, 23 9 Pu ) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена Э. Ферми в 1942 г. После открытия деления ядер У. Зинн, Л. Силард и Г. Н. Флеров показали, что при делении ядра урана U вылетает больше одного нейтрона: n + U → А + В + v . Здесь А и В — осколки деления с массовыми числами А от 90 до 150, v — число вторичных нейтронов.
Коэффициент размножения нейтронов . Для течения цепной реакции необходимо, чтобы сред-нее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось со временем, или что-бы коэффициент размножения нейтронов k был больше или равен единице.
Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов предшествующего поколения. Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого поколения и рождаются новые нейтроны.
Если k ≥ 1 , то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным, и цепная реакция идет. При k > 1 число нейтронов убывает, и цепная реакция невозможна.
В силу ряда причин из всех ядер, встречающихся в природе, для осуществления цепной ядер-ной реакции пригодны лишь ядра изотопа . Коэффициент размножения определяется: 1) захватом медленных нейтронов ядрами последующим делением и захватом быстрых нейтронов ядрами и , также с последующим делением; 2) захватом нейтронов без деления ядрами урана; 3) захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем и конструктивными элементами установки; 4) вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.
Лишь первый процесс сопровождается увеличением числа нейтронов. Для стационарного тече-ния реакции k должно быть равно 1. Уже при k = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв.
Образование плутония . В результате захвата изотопом урана нейтрона образуется радиоактивный изотоп с периодом полураспада 23 мин. При распаде возникает первый трансура-новый элемент нептуний :
.
β-радиоактивный нептуний (с периодом полураспада около двух дней), испуская электрон, превращается в следующий трансурановый элемент — плутоний :
Период полураспада плутония 24000 лет, и его важнейшим свойством является способность делиться под влиянием медленных нейтронов так же, как и изотоп С помощью плутония может быть осуществлена цепная реакция с выделением огромного количества энергии.
Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии; при делении каждого ядра выделяется 200 МэВ. При делении 1 ядер урана выделяется такая же энергия, как при сжига-нии 3 угля или 2,5 т нефти.
Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления - ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k 1.
Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.
Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа - от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой.
Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т - среднее время жизни одного поколения, а N - число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их число равно kN, т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN= kN-N=N (k- 1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. скорость
нарастания цепной реакции,
dN/dt=N(k-1)/T (266.1)
Интегрируя (266.1), получим
N=N 0 e (k-1)t/T ,
где No - число нейтронов в начальный момент времени, а N -их число в момент времени t. N определяется знаком (k-1). При k> 1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k= 1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k<1 идет затухающая реакция.
Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней 235 92 U (или 2 39 94 Pu) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывная цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах (см. §267).
В природе имеется три изотопа, которые могут служить ядерным топливом (235 92 U: в естественном уране его содержится примерно 0,7 %) или сырьем для его получения (232 90 Th и 238 92 U: в естественном уране его содержится примерно 99,3%). 232 90 Th служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива 233 92 U (см. реакцию (265.2)), a 238 92 U, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных - -распадов - для превращения в ядро 2 39 94 Pu:
Реакции (266.2) и (265.2), таким образом, открывают реальную возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции деления.
Цепная ядерная реакция
Цепна́я я́дерная реа́кция - последовательность единичных ядерных реакций , каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами , полученными при делении ядер в предыдущем поколении.
Механизм энерговыделения
Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер , для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии - энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.
Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога , ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций , такое повышение обычно составляет сотни кельвинов, в случае же ядерных реакций - это минимум 10 7 К из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).
Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счет неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются как продукты экзоэнергетической реакции.
Цепные реакции
Цепные реакции широко распространены среди химических реакций, где роль частиц с неиспользованными связями выполняют свободные атомы или радикалы . Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны , не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой . Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.
Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления. Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объёму вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.
Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием . Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.
Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для 235 U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно 2,5). Следовательно, процесс деления может породить разветвленную цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления, вылетов из реакционного объёма и т. д.) компенсирует скорость размножения нейтронов таким образом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратных связей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется, например, в ядерной энергетике . Если коэффициент размножения больше единицы, цепная реакция развивается экспоненциально; неуправляемая цепная реакция деления используется в ядерном оружии .
См. также
- Цепная химическая реакция
Литература
- Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. - М. Атомиздат, .
- Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы / 4-е изд. - М.: Атомиздат, .
- Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. - М.: Атомиздат, .
Wikimedia Foundation . 2010 .
Смотреть что такое "Цепная ядерная реакция" в других словарях:
Chain nuclear reaction последовательность ядерных реакций, возбуждаемых частицами (например, нейтронами), рождающимися в каждом акте реакции. В зависимости от среднего числа реакций, следующих за одной предыдущей меньшего, равного или… … Термины атомной энергетики
цепная ядерная реакция - Последовательность ядерных реакций, возбуждаемых частицами (например, нейтронами), рождающимися в каждом акте реакции. В зависимости от среднего числа реакций, следующих за одной предыдущей меньшего, равного или превосходящего единицу реакция… …
цепная ядерная реакция - grandininė branduolinė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. nuclear chain reaction vok. Kettenkernreaktion, f rus. цепная ядерная реакция, f pranc. réaction en chaîne nucléaire, f; réaction nucléaire en chaîne, f … Fizikos terminų žodynas
Реакция деления атомных ядер тяжёлых элементов под действием нейтронов, в каждом акте к рой число нейтронов возрастает, так что может возникнуть самоподдерживающийся процесс деления. Напр., при делении одного ядра изотопа урана 235U под действием … Большой энциклопедический политехнический словарь
Цепная ядерная реакция - реакция деления атомных ядер под действием нейтронов, в каждом акте которой испускается не менее одного нейтрона, что обеспечивает поддержание реакции. Используется как источник энергии в ядерных зарядах (взрывная Ц. я. р.) и ядерных реакторах… … Словарь военных терминов
цепная ядерная реакция деления на нейтронах - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN divergent reaction … Справочник технического переводчика
Самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция - 7. Самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция СЦР Цепная ядерная реакция, характеризующаяся значением эффективного коэффициента размножения, превышающим или равным единице
Схема устройства ядерной бомбы
Цепная реакция деления
Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны (2,5 штуки на акт деления) могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения нейтронов К, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении . Необходимым условием развития цепной реакции деления является . При меньших реакция невозможна. При реакция идет при постоянном количестве нейтронов (постоянной мощности выделяемой энергии). Это самоподдерживающая реакция. При - затухающая реакция. Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, размеров и формы активной зоны. Минимальная масса делящегося вещества, необходимая для осуществления цепной реакции называется критической. Для критическая масса равна 9 кг, при этом радиус уранового шара равен 4 см.
Цепные реакции бывают управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы является примером неуправляемой реакции. Ядерный заряд такой бомбы два или более кусков почти чистого или . Масса каждого куска меньше критической, поэтому цепная реакция не возникает. Поэтому чтобы произошел взрыв достаточно эти части соединить в один кусок, с массой больше чем критическая. Это нужно сделать очень быстро и соединение кусков должно быть очень плотным. В противном случае ядерный заряд разлетится на части, прежде чем успеет прореагировать. Для соединения используют обычное взрывчатое вещество. Оболочка служит отражателем нейтронов и, кроме того, удерживает ядерный заряд от распыления до тех пор, пока максимальное число ядер не выделит всю энергию при делении. Цепная реакция в атомной бомбе идет на быстрых нейтронах. При взрыве успевает прореагировать только часть нейтронов ядерного заряда. Цепная реакция приводит к выделению колоссальной энергии. Температура, развивающаяся при этом, достигает градусов. Разрушительная сила бомбы сброшенной на Хиросиму американцами, была эквивалентна взрыву 20000 тонн тринитротолуола. Образцу нового оружия по мощности в сотни раз превосходят первые. Если к этому добавить, что при атомном взрыве возникает огромное количество осколков деления, в том числе и весьма долгоживущих, то станет очевидным, какую ужасную опасность для человечества представляет это оружие.
Изменяя коэффициент размножения нейтронов можно осуществить управляемую цепную реакцию. Устройство, в котором осуществляется управляемая реакция, называется ядерным реактором. В качестве делящегося вещества служит природный или обогащенный уран. Чтобы предотвратить радиационный захват нейтронов ядрами урана, сравнительно небольшие блоки делящегося вещества размещают на некотором расстоянии друг от друга, а промежутки заполняют веществом, замедляющим нейтроны (замедлителем). Замедление нейтронов осуществляется за счет упругого рассеяния. В этом случае энергия, теряемая замедляемой частицей, зависит от соотношения масс сталкивающихся частиц. Максимальное количество энергии теряется в случае, если частицы имеют одинаковую массу. Этому условию удовлетворяют дейтерий, графит и бериллий. Первый уран-графитовый реактор был запущен в 1942 году в чикагском университете под руководством выдающегося итальянского физика Ферми. Для пояснения принципа работы реактора рассмотрим типичную схему реактора на тепловых нейтронах рис.1.
Рис.1.
|
В активной зоне реактора расположены тепловыделяющие элементы 1 и замедлитель 2, который замедляет нейтроны до тепловых скоростей. Тепловыделяющие элементы (твэлы) представляют собой блоки из делящегося материала, заключенные в герметичную оболочку, слабо поглощающую нейтроны. За счет энергии, выделяющиеся при делении ядер, твэлы разогреваются, а потому, для охлаждения они помещаются в поток теплоносителя (3-5 – канал теплоносителя). Активная зона окружается отражателем, уменьшающим утечку нейтронов. Управление цепной реакцией осуществляется специальными управляющими стержнями из материалов, сильно поглощающих нейтроны. Параметры реактора рассчитываются так, что при полностью вставленных стержнях реакция заведомо не идет. При постепенном вынимании стержней коэффициент размножения нейтронов растет и при некотором их положении доходит до единицы. В этот момент реактор начинает работать. По мере работы реактора количество делящегося материала в активной зоне уменьшается и происходит ее загрязнение осколками деления, среди которых могут быть сильные поглотители нейтронов. Чтобы реакция не прекратилась, из активной зоны с помощью автоматического устройства постепенно извлекаются управляющие стержни. Подобное управление реакций возможно благодаря существованию запаздывающих нейтронов, испускаемых делящимися ядрами с запаздыванием до 1 мин. Когда ядерное топливо выгорает, реакция прекращается. До нового запуска реактора выгоревшее ядерное топливо извлекают и загружают новое. В реакторе имеются также аварийные стержни, введение которых немедленно обрывает реакцию. Ядерный реактор является мощным источником проникающей радиации, примерно в раз превышает санитарные нормы. Поэтому любой реактор имеет биологическую защиту – систему экранов из защитных материалов (например, бетон, свинец, вода) – располагающуюся за его отражателем, и пульт дистанционного управления.
Впервые ядерная энергия для мирных целей была использована в СССР. В Обнинске в 1954 под руководством Курчатова введена в эксплуатацию первая атомная электростанция мощностью 5 МВт.
Однако, урановые реакторы на тепловых нейтронах могут решить задачу электроснабжения в ограниченном масштабе, который определяется количеством урана .
Наиболее перспективным путем развития атомной энергетики является разработка реакторов на быстрых нейтронах, так называемых реакторов размножителей. Такой реактор производит больше ядерного топлива, чем потребляет. Реакция идет на быстрых нейтронах, поэтому в ней могут участвовать не только но и , который превращается в . Последний химическим путем может быть отделен от . Этот процесс называется воспроизводством ядерного горючего. В специальных бридерных реакторах коэффициент воспроизводства ядерного топлива превышает единицу. Активной зоной бридеров является сплав урана, обогащенного изотопами , с тяжелым металлом, мало поглощающим нейтроны. В бридерных реакторах отсутствует замедлитель. Управление такими реакторами перемещением отражателя или изменением массы делящегося вещества.
