Цепные ядерные реакции. Условие протекания ядерной реакции

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.

Цепная ядерная реакция - самоподдерживающаяся реакция деления тяжелых ядер, в которой непрерывно воспроизводятся нейтроны, делящие все новые и новые ядра.Ядро урана-235 под действием нейтрона делится на два радиоактивных осколка неравной массы, разлетающихся с большими скоростями в разные стороны, и два-три нейтрона. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах или атомных котлах. В настоящее время управляемые цепные реакции осуществляются на изотопах урана-235, урана-233 (искусственно получаемого из то-рия-232), плутония-239 (искусственно получаемого из у рана-238), а так же плутония-241. Очень важной задачей является выделение из природного урана его изотопа-урана-235. С первых же шагов развития атомной техники решающее значение имело использование урана-235, получение которого в чистом виде было, однако, технически затруднено, ибо уран-238 и уран-235 химически неотделимы.

50.Ядерные реакторы. Перспективы использования термоядерной энергии.

Я́дерный реа́ктор - это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми. Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный в Канаде 25 декабря1946 года . В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова.К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов. Составными частями любого ядерного реактора являются: активная зона с ядерным топливом, обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления. Корпус реактора подвержен износу (особенно под действием ионизирующего излучения) . Основной характеристикой ядерного реактора является его мощность. Мощность в 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 3·10 16 актов деления в 1 сек. Исследования физики высокотемпературной плазмы ведутся в основном в связи с перспективой создания термоядерного реактора. Наиболее близкими по параметрам к реактору являются установки типа токамак. В 1968 г. было объявлено о достижении на установке Т-3 температуры плазмы десять миллионов градусов, именно на развитии этого направления в течение последних десятилетий сконцентрированы усилия ученых многих стран.Первая демонстрация самоподдерживающейся термоядерной реакции должна быть осуществлена на сооружаемом во Франции усилиями разных стран токамаке ИТЕР. Полномасштабное использование термоядерных реакторов в энергетике предполагается во второй половине XXI столетия.Помимо токамаков существуют другие типы магнитных ловушек для удержания высокотемпературной плазмы, например, так называемые открытые ловушки. В силу ряда особенностей они могут удерживать плазму большого давления и поэтому имеют хорошие перспективы в качестве мощных источников термоядерных нейтронов, и в будущем – как термоядерные реакторы.

Успехи, достигнутые в последние годы в Институте ядерной физики СО РАН в исследованиях современных осесимметричных открытых ловушек свидетельствуют о перспективности этого подхода. Эти исследования продолжаются и одновременно в ИЯФ ведется проработка проекта установки следующего поколения, на которой уже можно будет продемонстрировать параметры плазмы, близкие к реакторным.

Деление ядер урана происходит следующим образом: вначале в ядро попадает нейтрон, словно пуля в яблоко. В случае с яблоком пуля проделала бы в нем дыру, либо разнесла бы на куски. Когда же нейтрон попадает в ядро, то он захватывается ядерными силами. Нейтрон, как известно нейтрален, поэтому он не отталкивается электростатическими силами.

Как происходит деление ядра урана

Итак, попав в состав ядра, нейтрон нарушает равновесие, и ядро возбуждается. Оно растягивается в стороны подобно гантели или знаку «бесконечность»: ∞ . Ядерные силы, как известно, действуют на расстоянии, соизмеримом с размерами частиц. Когда ядро растягивается, то действие ядерных сил становится несущественным для крайних частиц «гантели», в то время как электрические силы действуют на таком расстоянии очень мощно, и ядро попросту разрывается на две части. При этом еще излучается два-три нейтрона.

Осколки ядра и выделившиеся нейтроны разлетаются на огромной скорости в разные стороны. Осколки довольно быстро тормозятся окружающей средой, однако их кинетическая энергия огромна. Она преобразуется во внутреннюю энергию среды, которая нагревается. При этом величина выделяющейся энергии огромна. Энергия, полученная при полном делении одного грамма урана примерно равна энергии, получаемой от сжигания 2,5 тонн нефти.

Цепная реакция деления несколькоих ядер

Мы рассмотрели деление одного ядра урана. При делении выделилось несколько (чаще всего два-три) нейтронов. Они на огромной скорости разлетаются в стороны и могут запросто попасть в ядра других атомов, вызвав в них реакцию деления. Это и есть цепная реакция.

То есть полученные в результате деления ядра нейтроны возбуждают и принуждают делиться другие ядра, которые в свою очередь сами излучают нейтроны, которые продолжают стимулировать деление дальше. И так до тех пор, пока не произойдет деление всех ядер урана в непосредственной близости.

При этом цепная реакция может происходить лавинообразно , например, в случае взрыва атомной бомбы. Количество делений ядер увеличивается в геометрической прогрессии за короткий промежуток времени. Однако цепная реакция может происходить и с затуханием .

Дело в том, что не все нейтроны встречают на своем пути ядра, которые они побуждают делиться. Как мы помним, внутри вещества основной объем занимает пустота между частицами. Поэтому некоторые нейтроны пролетают все вещество насквозь, не столкнувшись по пути ни с чем. И если количество делений ядер уменьшается со временем, то реакция постепенно затухает.

Ядерные реакции и критическая масса урана

От чего зависит тип реакции? От массы урана. Чем больше масса - тем больше частиц встретит на своем пути летящий нейтрон и шансов попасть в ядро у него больше. Поэтому различают «критическую массу» урана - это такая минимальная масса, при которой возможно протекание цепной реакции.

Количество образовавшихся нейтронов будет равно количеству улетевших вовне нейтронов. И реакция будет протекать с примерно одинаковой скоростью, пока не выработается весь объем вещества. Это используют на практике на атомных электростанциях и называют управляемой ядерной реакцией.

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.

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.