Nuklear kædereaktion- en selvopretholdende fissionsreaktion af tunge kerner, hvor neutroner kontinuerligt produceres, der deler flere og flere nye kerner. Uran-235-kernen under påvirkning af en neutron er opdelt i to radioaktive fragmenter med ulige masse, der flyver med høje hastigheder. i forskellige retninger og to eller tre neutroner. Kontrollerede kædereaktioner udføres i atomreaktorer eller atomkedler. For tiden kontrollerede kædereaktioner udføres på isotoper af uran-235, uran-233 (kunstigt opnået fra thorium-232), plutonium-239 (kunstigt opnået fra uran-238) samt plutonium-241. En meget vigtig opgave er at isolere dens isotop, uran-235, fra naturligt uran. Fra de allerførste trin i udviklingen af nuklear teknologi var brugen af uran-235 af afgørende betydning at få det i sin rene form, men det var teknisk vanskeligt, da uran-238 og uran-235 er kemisk uadskillelige.
50.Atomreaktorer. Udsigter for anvendelse af termonuklear energi.
Atomreaktor er et apparat, hvori der opstår en kontrolleret kernekædereaktion, ledsaget af frigivelse af energi. Den første atomreaktor blev bygget og opsendt i december 1942 i USA under ledelse af E. Fermi. Den første reaktor bygget uden for USA var ZEEP, opsendt i Canada den 25. december 1946. I Europa var den første atomreaktor F-1-installationen, som begyndte at arbejde den 25. december 1946 i Moskva under ledelse af I.V. Kurchatov. I 1978 var omkring hundrede atomreaktorer i drift i verden. Komponenterne i enhver atomreaktor er: en kerne med nukleart brændsel, normalt omgivet af en neutronreflektor, et kølemiddel, et kædereaktionskontrolsystem, strålingsbeskyttelse og et fjernbetjeningssystem. Reaktorbeholderen er udsat for slid (især under påvirkning af ioniserende stråling). Det vigtigste kendetegn ved en atomreaktor er dens kraft. En effekt på 1 MW svarer til en kædereaktion, hvor der sker 3·1016 fissionsbegivenheder på 1 sekund. Forskning i højtemperaturplasmas fysik udføres hovedsageligt i forbindelse med udsigten til at skabe en termonuklear reaktor. De nærmeste parametre til en reaktor er installationer af tokamak-typen. I 1968 blev det annonceret, at T-3-installationen havde nået en plasmatemperatur på ti millioner grader, det er på udviklingen af denne retning, at videnskabsmænd fra mange lande har koncentreret deres indsats i løbet af de sidste årtier -vedligeholdelse af termonuklear reaktion bør udføres på en tokamak, der bygges i Frankrig ved indsats fra forskellige lande ITER. Fuldskala brug af termonukleare reaktorer i energisektoren forventes i anden halvdel af det 21. århundrede. Ud over tokamaks findes der andre typer magnetiske fælder til indeslutning af højtemperaturplasma, for eksempel såkaldte åbne fælder. På grund af en række funktioner kan de holde højtryksplasma og har derfor gode udsigter som kraftige kilder til termonukleare neutroner og i fremtiden som termonukleare reaktorer.
De succeser, der er opnået i de senere år ved Institut for Nuklear Fysik SB RAS i forskningen af moderne aksesymmetriske åbne fælder, indikerer løftet om denne tilgang. Disse undersøgelser er i gang, og samtidig arbejder BINP på et design til en næste generations facilitet, som allerede vil være i stand til at demonstrere plasmaparametre tæt på en reaktors.
Lad os overveje mekanismen for fissionskædereaktionen. Når tunge kerner spaltes under påvirkning af neutroner, dannes nye neutroner. For eksempel produceres der ved hver fission af uran 92 U 235 kernen i gennemsnit 2,4 neutroner. Nogle af disse neutroner kan igen forårsage nuklear fission. Denne lavine-lignende proces kaldes kædereaktion
.
Fissionskædereaktionen forekommer i et miljø, hvor processen med neutronmultiplikation finder sted. Dette miljø kaldes kerne
. Den vigtigste fysiske størrelse, der karakteriserer intensiteten af neutronmultiplikation, er neutron multiplikationsfaktor i mediet
k ∞ . Multiplikationskoefficienten er lig med forholdet mellem antallet af neutroner i en generation og deres antal i den foregående generation. Indekset ∞ indikerer, at vi taler om et ideelt miljø med uendelige dimensioner. På samme måde som værdien k ∞ bestemmes neutron multiplikationsfaktor i et fysisk system
k. K-faktoren er et kendetegn ved en specifik installation.
I et fissilt medium med endelige dimensioner vil nogle neutroner undslippe fra kernen til ydersiden. Derfor afhænger koefficienten k også af sandsynligheden P for, at en neutron ikke slipper ud af kernen. Per definition
| k = k ∞ P. | (1) |
Værdien af P afhænger af sammensætningen af den aktive zone, dens størrelse, form og også af, i hvor høj grad stoffet omkring den aktive zone afspejler neutroner.
De vigtige begreber kritisk masse og kritiske dimensioner er forbundet med muligheden for, at neutroner forlader kernen. Kritisk størrelse
er størrelsen af den aktive zone, hvor k = 1. Kritisk masse
kaldes massen af kernen af kritiske dimensioner. Det er åbenlyst, at ved en masse under den kritiske, sker kædereaktionen ikke, selvom > 1. Tværtimod fører et mærkbart overskud af massen over den kritiske til en ukontrolleret reaktion - en eksplosion.
Hvis der i den første generation er N neutroner, så vil der i den n. generation være Nk n. Derfor forløber kædereaktionen stationær ved k = 1, ved k< 1 реакция гаснет, а при k >1 intensiteten af reaktionen stiger. Når k = 1 kaldes reaktionstilstanden kritisk
, for k > 1 – superkritisk
og ved k< 1 – subkritisk
.
Levetiden for en generation af neutroner afhænger stærkt af mediets egenskaber og er i størrelsesordenen 10-4 til 10-8 s. På grund af den korte tid, for at udføre en kontrolleret kædereaktion, er det nødvendigt at opretholde ligheden k = 1 med stor nøjagtighed, da f.eks. ved k = 1,01 vil systemet eksplodere næsten øjeblikkeligt. Lad os se, hvilke faktorer der bestemmer koefficienterne k ∞ og k.
Den første størrelse, der bestemmer k ∞ (eller k) er det gennemsnitlige antal neutroner, der udsendes i en fissionsbegivenhed. Antallet afhænger af typen af brændstof og energien af den indfaldende neutron. I tabel Tabel 1 viser værdierne af de vigtigste isotoper af kerneenergi for både termiske og hurtige (E = 1 MeV) neutroner.
Energispektret af fissionsneutroner for 235 U isotopen er vist i fig. 1. Spektre af denne art er ens for alle fissile isotoper: der er en stærk spredning i energier, hvor hovedparten af neutroner har energier i området 1-3 MeV. Neutronerne produceret under fission bremser, diffunderer over en vis afstand og absorberes enten med eller uden fission. Afhængigt af mediets egenskaber har neutroner tid til at bremse til forskellige energier før absorption. I nærværelse af en god moderator har de fleste neutroner tid til at bremse til termiske energier i størrelsesordenen 0,025 eV. I dette tilfælde kaldes kædereaktionen langsom, eller hvad er det samme, termisk. I mangel af en speciel moderator har neutroner kun tid til at bremse ned til energier på 0,1-0,4 MeV, da alle fissile isotoper er tunge og derfor bremser dårligt. De tilsvarende kædereaktioner kaldes hurtig(vi understreger, at betegnelserne "hurtig" og "langsom" karakteriserer neutronernes hastighed og ikke reaktionshastigheden). Kædereaktioner, hvor neutroner bremses til energier fra 10 til 1 keV, kaldes mellemliggende
.
Når en neutron kolliderer med en tung kerne, er strålingsindfangning af en neutron (n, γ) altid mulig. Denne proces vil konkurrere med division og derved reducere multiplikationshastigheden. Det følger heraf, at den anden fysiske størrelse, der påvirker koefficienterne k ∞ , k, er sandsynligheden for fission, når en neutron fanges af kernen i en fissil isotop. Denne sandsynlighed for monoenergetiske neutroner er åbenbart lig med
| , | (2) |
hvor nf, nγ er henholdsvis fissions- og strålingsfangstværsnittene. For samtidig at tage hensyn til både antallet af neutroner pr. fissionsbegivenhed og sandsynligheden for strålingsindfangning, indføres en koefficient η, svarende til det gennemsnitlige antal sekundære neutroner pr. neutronfangst af en fissil kerne.
| , | (3) |
værdien af η afhænger af brændstoftypen og neutronenergien. Værdierne af η for de vigtigste isotoper for termiske og hurtige neutroner er angivet i samme tabel. 1. Værdien af η er den vigtigste egenskab ved brændselskerner. En kædereaktion kan kun forekomme, når η > 1. Jo højere værdien af η, desto højere kvalitet af brændstoffet.
Tabel 1. Værdier af ν, η for fissile isotoper
| Kerne | 92 U 233 | 92 U 235 | 94 Pu 239 | |
| Termiske neutroner (E = 0,025 eV) |
ν | 2.52 | 2.47 | 2.91 |
| η | 2.28 | 2.07 | 2.09 | |
| Hurtige neutroner (E = 1 MeV) |
ν | 2.7 | 2.65 | 3.0 |
| η | 2.45 | 2.3 | 2.7 | |
Kvaliteten af nukleart brændsel bestemmes af dets tilgængelighed og koefficient η. Kun tre isotoper findes i naturen, der kan tjene som nukleart brændsel eller råmateriale til dets produktion. Det er isotopen af thorium 232 Th og isotoperne af uran 238 U og 235 U. Af disse giver de to første ikke en kædereaktion, men kan bearbejdes til isotoper, hvorpå reaktionen sker. Selve 235 U-isotopen giver en kædereaktion. Der er flere gange mere thorium i jordskorpen end uran. Naturligt thorium består praktisk talt kun af én isotop, 232 Th. Naturligt uran består hovedsageligt af 238 U isotopen og kun 0,7% af 235 U isotopen.
I praksis er spørgsmålet om gennemførligheden af en kædereaktion på en naturlig blanding af uranisotoper, hvori der er 140 238 U-kerner pr. 235 U-kerne, ekstremt vigtigt. Lad os vise, at på en naturlig blanding er en langsom reaktion mulig , men en hurtig er det ikke. For at overveje en kædereaktion i en naturlig blanding er det praktisk at indføre en ny mængde - det gennemsnitlige neutronabsorptionstværsnit pr. en kerne af 235 U-isotopen
For termiske neutroner = 2,47, = 580 stald, = 112 stald, = 2,8 stald (bemærk hvor lille det sidste tværsnit er). Sætter vi disse tal ind i (5), får vi det for langsomme neutroner i en naturlig blanding
Det betyder, at 100 termiske neutroner, absorberet i den naturlige blanding, vil skabe 132 nye neutroner. Det følger direkte heraf, at en kædereaktion med langsomme neutroner i princippet er mulig på naturligt uran. I princippet, fordi for rent faktisk at implementere en kædereaktion, skal du være i stand til at bremse neutroner med lave tab.
For hurtige neutroner ν = 2,65, 2 barn, 0,1 barn. Hvis vi kun tager hensyn til fission på 235 U isotopen, opnår vi
| 235 (hurtigt) 0,3. | (7) |
Men vi skal også tage højde for, at hurtige neutroner med energier større end 1 MeV med mærkbar relativ intensitet kan dele kernerne i 238 U isotopen, som er meget rigeligt i den naturlige blanding. For division med 238 U er koefficienten cirka 2,5. I fissionsspektret har cirka 60 % af neutronerne energier over den effektive tærskel på 1,4 MeV fission med 238 U. Men af disse 60 % formår kun én neutron ud af 5 at fission uden at bremse til en energi under tærsklen pga. elastisk og især uelastisk spredning. Herfra får vi for koefficienten 238 (hurtigt) estimatet
En kædereaktion i en naturlig blanding (235 U + 238 U) kan således ikke forekomme med hurtige neutroner. Det er eksperimentelt blevet fastslået, at for rent metallisk uran når multiplikationsfaktoren en værdi på enhed med en berigelse på 5,56 %. I praksis viser det sig, at reaktionen med hurtige neutroner kun kan opretholdes i en beriget blanding indeholdende mindst 15 % af 235 U-isotopen.
En naturlig blanding af uranisotoper kan beriges med 235 U-isotopen. Berigelse er en kompleks og dyr proces, fordi de kemiske egenskaber for begge isotoper er næsten de samme. Det er nødvendigt at drage fordel af små forskelle i hastighederne for kemiske reaktioner, diffusion osv., der opstår på grund af forskelle i isotopermasserne. Kædereaktionen med 235 U udføres næsten altid i et miljø med et højt indhold på 238 U. Der anvendes ofte en naturlig blanding af isotoper, hvor η = 1,32 i det termiske neutronområde, da 238 U også er nyttig. 238 U-isotopen er fissiel af neutroner med energier over 1 MeV. Denne fission resulterer i en lille yderligere multiplikation af neutroner.
Lad os sammenligne fissionskædereaktioner med termiske og hurtige neutroner.
For termiske neutroner er indfangningstværsnittene store og varierer meget, når de passerer fra en kerne til en anden. På kernerne af nogle grundstoffer (for eksempel cadmium) er disse tværsnit hundrede eller flere gange højere end tværsnittene på 235 U. Derfor stilles der høje renhedskrav til kernen af termiske neutroninstallationer i forhold til visse urenheder.
For hurtige neutroner er alle indfangningstværsnit små og ikke så forskellige fra hinanden, så problemet med høj renhed af materialer opstår ikke. En anden fordel ved hurtige reaktioner er en højere reproduktionshastighed.
En vigtig karakteristisk egenskab ved termiske reaktioner er, at brændslet i kernen er meget mere fortyndet, det vil sige, at der pr. brændselskerne er betydeligt flere kerner, der ikke deltager i fission end i en hurtig reaktion. For eksempel, i en termisk reaktion på naturligt uran er der 140 kerner af 238 U råmateriale pr. 235 U brændstofkerne, og i en hurtig reaktion kan der ikke være mere end fem eller seks 238 U kerner per 235 U kerne fortynding af brændstof i en termisk reaktion fører til, at en og samme energi i en termisk reaktion frigives i en meget større mængde stof end ved en hurtig reaktion. Det er således lettere at fjerne varme fra den aktive zone af en termisk reaktion, hvilket gør det muligt at udføre denne reaktion med større intensitet end en hurtig.
Levetiden for en generation af neutroner til en hurtig reaktion er flere størrelsesordener kortere end for en termisk. Derfor kan hastigheden af en hurtig reaktion ændre sig mærkbart inden for meget kort tid efter en ændring i de fysiske forhold i kernen. Under normal drift af reaktoren er denne effekt ubetydelig, da driftstilstanden i dette tilfælde bestemmes af levetiden af forsinkede snarere end prompte neutroner.
I et homogent medium, der kun består af fissile isotoper af én type, ville multiplikationsfaktoren være lig med η. Men i virkelige situationer er der ud over fissile kerner altid andre, ikke-spaltelige. Disse fremmede kerner vil fange neutroner og derved påvirke multiplikationsfaktoren. Det følger heraf, at den tredje størrelse, der bestemmer koefficienterne k ∞ , k, er sandsynligheden for, at neutronen ikke vil blive fanget af en af de ikke-fissile kerner. I virkelige installationer forekommer "fremmed" fangst på moderatorkernerne, på kernerne af forskellige strukturelle elementer samt på kernerne af fissionsprodukter og fangstprodukter.
For at udføre en kædereaktion med langsomme neutroner indføres specielle stoffer i kernen - moderatorer, som omdanner fissionsneutroner til termiske. I praksis udføres den langsomme neutronkædereaktion på naturlig eller let beriget 235 U isotop. Tilstedeværelsen af en stor mængde af 238 U isotopen i kernen komplicerer modereringsprocessen og gør det nødvendigt at stille høje krav til moderatorens kvalitet. Levetiden for en generation af neutroner i en kerne med en moderator kan tilnærmelsesvis opdeles i to faser: moderering til termiske energier og diffusion. termiske hastigheder før absorption. For at størstedelen af neutroner skal nå at bremse uden absorption, skal betingelsen være opfyldt
hvor σ kontrol, σ capture er det energigennemsnitlige tværsnit for henholdsvis elastisk spredning og capture, og n er antallet af neutronkollisioner med moderatorkerner, der kræves for at opnå termisk energi. Antallet n stiger hurtigt med stigende massetal for moderatoren. For uran 238 U er tallet n af størrelsesordenen flere tusinde. Og forholdet σ kontrol /σ capture for denne isotop, selv i det relativt gunstige energiområde for hurtige neutroner, overstiger ikke 50. Det såkaldte resonansområde fra 1 keV til 1 eV er særligt "farligt" i forhold til neutronfangst . I denne region har det samlede tværsnit for interaktionen af en neutron med 238 U kerner et stort antal intense resonanser (fig. 2). Ved lave energier overstiger strålingsbredderne neutronbredderne. Derfor bliver forholdet σ kontrol/σ-indfangning i resonansområdet endnu mindre end enhed. Det betyder, at når en neutron kommer ind i området for en af resonanserne, absorberes den med næsten hundrede procent sandsynlighed. Og da afmatningen på en så tungere kerne som uran sker i "små trin", så når den passerer gennem resonansområdet, vil den bremsende neutron helt sikkert "støde ind i" en af resonanserne og blive absorberet. Heraf følger, at en kædereaktion ikke kan udføres på naturligt uran uden fremmede urenheder: på hurtige neutroner sker reaktionen ikke på grund af den lille koefficient η, og langsomme neutroner kan ikke dannes. For at undgå resonant neutronindfangning, meget lette kerner skal bruges til at bremse dem , hvor afmatningen sker i "store trin", hvilket kraftigt øger sandsynligheden for, at en neutron med succes "springer" gennem resonansenergiområdet. De bedste moderatorelementer er brint, deuterium, beryllium og kulstof. Derfor kommer moderatorer, der bruges i praksis, hovedsageligt til tungt vand, beryllium, berylliumoxid, grafit samt almindeligt vand, som ikke bremser neutronerne værre end tungt vand, men absorberer dem i meget større mængder. Retarderen skal være godt rengjort. Bemærk, at for at udføre en langsom reaktion, skal moderatoren være tiere eller endda hundredvis af gange mere end uran for at forhindre resonanskollisioner af neutroner med 238 U-kerner.
De modererende egenskaber af det aktive medium kan tilnærmelsesvis beskrives ved tre størrelser: sandsynligheden for, at en neutron undgår absorption af en moderator under moderering, sandsynligheden p for at undgå resonansindfangning af 238 U-kerner, og sandsynligheden f for, at en termisk neutron absorberes af en brændstofkerne frem for en moderator. Værdien f kaldes normalt for den termiske udnyttelseskoefficient. Nøjagtig beregning af disse mængder er vanskelig. Normalt bruges omtrentlige semi-empiriske formler til at beregne dem.
Værdierne af p og f afhænger ikke kun af moderatorens relative mængde, men også af geometrien af dens placering i kernen. Den aktive zone, der består af en homogen blanding af uran og moderator, kaldes homogen, og systemet med deres vekslende blokke af uran og moderator kaldes heterogen (fig. 4). Et kvalitativt heterogent system er kendetegnet ved, at den hurtige neutron, der dannes i uran, i det formår at gå ind i moderatoren uden at nå resonansenergier. Yderligere deceleration sker i en ren moderator. Dette øger sandsynligheden p for at undgå resonansindfangning
p het > p homo.
På den anden side, tværtimod, efter at være blevet termisk i moderatoren, skal neutronen, for at deltage i kædereaktionen, diffundere, uden at blive absorberet i den rene moderator, til sin grænse. Derfor er den termiske udnyttelsesfaktor f i et heterogent miljø lavere end i et homogent:
f få< f гом.
For at estimere multiplikationsfaktoren k ∞ for en termisk reaktor, en omtrentlig fire faktor formel
| k∞ = η pfε . | (11) |
Vi har allerede overvejet de tre første faktorer tidligere. Mængden ε kaldes hurtig neutron multiplikationsfaktor
. Denne koefficient er indført for at tage højde for, at nogle hurtige neutroner kan fission uden at have tid til at bremse. I sin betydning overstiger koefficienten ε altid én. Men dette overskud er normalt lille. Typisk for termiske reaktioner er værdien ε = 1,03. For hurtige reaktioner er formlen med fire faktorer ikke anvendelig, da hver koefficient afhænger af energi og energispredningen i hurtige reaktioner er meget stor.
Da værdien af η er bestemt af typen af brændstof, og værdien af ε for langsomme reaktioner næsten ikke adskiller sig fra enhed, er kvaliteten af et bestemt aktivt medium bestemt af produktet pf. Fordelen ved et heterogent medium frem for et homogent medium viser sig således kvantitativt i, at f.eks. i et system, hvor der er 215 grafitkerner pr. naturlig urankerne, er produktet pf lig med 0,823 for et heterogent medium og 0,595 for en homogen. Og da for en naturlig blanding η = 1,34, får vi det for et heterogent medium k ∞ > 1, og for et homogent medium k ∞< 1.
For den praktiske implementering af en stationær kædereaktion skal man kunne kontrollere denne reaktion. Denne kontrol er meget forenklet på grund af emissionen af forsinkede neutroner under fission. Det overvældende flertal af neutroner undslipper fra kernen næsten øjeblikkeligt (dvs. i en tid, der er mange størrelsesordener kortere end levetiden for en generation af neutroner i kernen), men flere tiendedele af en procent af neutronerne er forsinket og undslipper fra fragmentere kerner efter et ret langt tidsrum - fra fraktioner af sekunder til flere og endda titusinder af sekunder. Virkningen af forsinkede neutroner kan kvalitativt forklares som følger. Lad multiplikationsfaktoren øjeblikkeligt stige fra en subkritisk værdi til en sådan superkritisk værdi, at 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.
Indfangning af neutroner af kerner, der ikke deltager i kædereaktionen, reducerer intensiteten af reaktionen, men kan være gavnlig i forhold til dannelsen af nye fissile isotoper. Når neutroner absorberes fra isotoper af uranium 238 U og thorium 232 Th, dannes isotoperne af plutonium 239 Pu og uranium 233 U (gennem to på hinanden følgende β-henfald), som er nukleart brændsel:
| , | (12) |
| . | (13) |
Disse to reaktioner åbner op for en reel mulighed reproduktion af nukleart brændsel under en kædereaktion. I det ideelle tilfælde, dvs. i fravær af unødvendige tab af neutroner, kan et gennemsnit på 1 neutron bruges til reproduktion for hver handling af absorption af en neutron af en brændstofkerne.
Nukleare (atomare) reaktorer
En reaktor er en anordning, hvori en kontrolleret fissionskædereaktion opretholdes. Når reaktoren er i drift, frigives varme på grund af fissionsreaktionens eksoterme natur. Det vigtigste kendetegn ved en reaktor er dens effekt - mængden af termisk energi, der frigives pr. tidsenhed. Reaktoreffekten måles i megawatt (10 6 W). En effekt på 1 MW svarer til en kædereaktion, hvor der sker 3·1016 fissionsbegivenheder pr. sekund. Der findes et stort antal forskellige typer reaktorer. Et af de typiske skemaer for en termisk reaktor er vist i fig. 5.
Hoveddelen af reaktoren er den aktive zone, hvori reaktionen sker og derved frigiver energi. I termiske og mellemliggende neutronreaktorer består kernen af et brændstof, normalt blandet med en ikke-fissil isotop (normalt 238 U), og en moderator. Der er ingen moderator i kernen af hurtige neutronreaktorer.
Kernevolumenet varierer fra tiendedele af en liter i nogle hurtige neutronreaktorer til snesevis af kubikmeter i store termiske reaktorer. For at reducere neutronlækage får kernen en sfærisk eller næsten sfærisk form (for eksempel en cylinder med en højde omtrent lig med diameteren eller en terning).
Afhængigt af den relative placering af brændslet og moderatoren skelnes der mellem homogene og heterogene reaktorer. Et eksempel på en homogen aktiv zone er en opløsning af uranylsulfatsalt og U 2 SO 4 i almindeligt eller tungt vand. Heterogene reaktorer er mere almindelige. I heterogene reaktorer består kernen af en moderator, hvori kassetter indeholdende brændstof er placeret. Da der frigives energi i disse kassetter, kaldes de brændselselementer
eller kort sagt brændstofstænger. Den aktive zone med reflektor er ofte indesluttet i et stålhus.
- Rollen af forsinkede neutroner i atomreaktorkontrol
Spaltning af urankerner forekommer som følger: Først rammer en neutron kernen, som en kugle, der rammer et æble. I tilfælde af et æble ville en kugle enten lave et hul i det eller blæse det i stykker. Når en neutron kommer ind i kernen, fanges den af kernekræfter. Neutronen er kendt for at være neutral, så den frastødes ikke af elektrostatiske kræfter.
Hvordan opstår en urankerne fission?
Så når neutronen er kommet ind i kernen, forstyrrer den ligevægten, og kernen er exciteret. Den strækker sig ud til siderne som en håndvægt eller et uendelighedstegn: ∞ . Nukleare kræfter virker som bekendt i en afstand svarende til partiklernes størrelse. Når kernen strækkes, bliver virkningen af kernekræfter ubetydelig for de ydre partikler af "håndvægten", mens elektriske kræfter virker meget kraftigt på en sådan afstand, og kernen bliver simpelthen revet i to dele. I dette tilfælde udsendes to eller tre neutroner mere.
Fragmenter af kernen og frigivne neutroner spredes med stor hastighed i forskellige retninger. Fragmenterne bremses ret hurtigt af miljøet, men deres kinetiske energi er enorm. Det omdannes til intern energi i miljøet, som opvarmes. I dette tilfælde er mængden af frigivet energi enorm. Den energi, der opnås ved fuldstændig fission af et gram uran, er omtrent lig med den energi, der opnås ved afbrænding af 2,5 tons olie.
Kædereaktion af fission af flere kerner
Vi så på spaltningen af en urankerne. Under fission frigives flere (normalt to eller tre) neutroner. De flyver fra hinanden med stor hastighed og kan nemt komme ind i andre atomers kerner, hvilket forårsager en fissionsreaktion i dem. Dette er en kædereaktion.
Det vil sige, at neutronerne opnået som følge af kernefission exciterer og tvinger andre kerner til fission, som igen selv udsender neutroner, som fortsætter med at stimulere yderligere fission. Og så videre, indtil der sker spaltning af alle urankerner i umiddelbar nærhed.
I dette tilfælde kan der opstå en kædereaktion lavine-lignende for eksempel i tilfælde af en atombombeeksplosion. Antallet af nukleare spaltninger stiger eksponentielt på kort tid. Der kan dog også forekomme en kædereaktion med dæmpning.
Faktum er, at ikke alle neutroner møder kerner på deres vej, som de inducerer til fission. Som vi husker, er hovedvolumenet inde i et stof optaget af hulrummet mellem partiklerne. Derfor flyver nogle neutroner gennem alt stof uden at kollidere med noget undervejs. Og hvis antallet af nukleare spaltninger falder over tid, så falmer reaktionen gradvist.
Nukleare reaktioner og kritisk masse af uran
Hvad bestemmer typen af reaktion? Fra massen af uran. Jo større masse, jo flere partikler vil den flyvende neutron møde på sin vej og jo større er chancen for at komme ind i kernen. Derfor skelnes der mellem en "kritisk masse" af uran - dette er den minimale masse, hvor en kædereaktion er mulig.
Antallet af producerede neutroner vil være lig med antallet af neutroner, der flyver ud. Og reaktionen vil forløbe med nogenlunde samme hastighed, indtil hele volumen af stoffet er produceret. Dette bruges i praksis i atomkraftværker og kaldes en kontrolleret atomreaktion.
Diagram af en atombombe
Fission kædereaktion
Sekundære neutroner udsendt under nuklear fission (2,5 pr. fissionshandling) kan forårsage nye fissionshandlinger, som muliggør en kædereaktion. Fissionskædereaktionen er karakteriseret ved neutronmultiplikationsfaktoren K, som er lig med forholdet mellem antallet af neutroner i en given generation og deres antal i den foregående generation. En nødvendig betingelse for udviklingen af en fissionskædereaktion er. Med mindre er reaktionen umulig. Når reaktionen sker ved et konstant antal neutroner (konstant energi frigivet). Dette er en selvopretholdende reaktion. Ved - dæmpet reaktion. Multiplikationsfaktoren afhænger af arten af det fissile materiale, størrelsen og formen af kernen. Den minimale masse af fissilt materiale, der kræves for at udføre en kædereaktion, kaldes kritisk. For den kritiske masse er 9 kg, mens urankuglens radius er 4 cm.
Kædereaktioner kan være kontrollerede eller ukontrollerbare. Eksplosionen af en atombombe er et eksempel på en ukontrolleret reaktion. Atomladningen af en sådan bombe er to eller flere stykker af næsten ren eller. Massen af hvert stykke er mindre end kritisk, så der opstår ikke en kædereaktion. For at en eksplosion skal opstå, er det derfor nok at kombinere disse dele i ét stykke med en masse større end den kritiske. Dette skal gøres meget hurtigt, og forbindelsen af stykkerne skal være meget tæt. Ellers vil atomladningen flyve fra hinanden, før den når at reagere. Et almindeligt sprængstof bruges til tilslutning. Skallen fungerer som neutronreflektor og forhindrer desuden kerneladningen i at sputtere, indtil det maksimale antal kerner frigiver al energien under fission. Kædereaktionen i en atombombe drives af hurtige neutroner. Under en eksplosion har kun en del af neutronerne i en atomladning tid til at reagere. Kædereaktionen fører til frigivelse af kolossal energi. Temperaturen, der udvikler sig, når grader. Den ødelæggende kraft af bomben, som amerikanerne kastede over Hiroshima, svarede til eksplosionen af 20.000 tons trinitrotoluen. Det nye våbens kraft er hundredvis af gange større end det førstes. Hvis vi tilføjer dette, at en atomeksplosion producerer et stort antal fissionsfragmenter, inklusive meget langlivede, så bliver det indlysende, hvilken frygtelig fare disse våben udgør for menneskeheden.
Ved at ændre neutronmultiplikationsfaktoren kan der opnås en kontrolleret kædereaktion. Enheden, hvori en kontrolleret reaktion sker, kaldes en atomreaktor. Det fissile materiale er naturligt eller beriget uran. For at forhindre urankernes strålingsindfangning af neutroner placeres relativt små blokke af fissilt materiale i nogen afstand fra hinanden, og hullerne fyldes med et stof, der modererer neutronerne (moderator). Neutronmoderation opstår på grund af elastisk spredning. I dette tilfælde afhænger den energi, der tabes ved, at partiklen bremses, af forholdet mellem masserne af de kolliderende partikler. Den maksimale mængde energi går tabt, hvis partiklerne har samme masse. Deuterium, grafit og beryllium opfylder denne betingelse. Den første uran-grafit reaktor blev lanceret i 1942 ved University of Chicago under ledelse af den fremragende italienske fysiker Fermi. For at forklare princippet om drift af reaktoren, lad os overveje et typisk diagram af en termisk neutronreaktor i figur 1.
 Fig.1. |
I reaktorkernen er der brændselselementer 1 og moderator 2, som sænker neutroner til termisk hastighed. Brændselselementer (brændstofstænger) er blokke af fissilt materiale indesluttet i en forseglet skal, der svagt absorberer neutroner. På grund af den energi, der frigives under nuklear fission, opvarmes brændselselementerne, og derfor placeres de til afkøling i kølevæskestrømmen (3-5 - kølevæskekanal). Kernen er omgivet af en reflektor, der reducerer neutronlækage. Kædereaktionen styres af specielle styrestænger lavet af materialer, der kraftigt absorberer neutroner. Reaktorparametrene er beregnet således, at når stavene er sat helt ind, sker reaktionen bestemt ikke. Når stængerne gradvist fjernes, stiger neutronmultiplikationsfaktoren og når i en bestemt position enhed. I dette øjeblik begynder reaktoren at fungere. Når reaktoren er i drift, falder mængden af fissilt materiale i kernen, og det bliver forurenet med fissionsfragmenter, som kan omfatte stærke neutronabsorbere. For at forhindre reaktionen i at stoppe, fjernes kontrolstængerne gradvist fra kernen ved hjælp af en automatisk anordning. Sådan kontrol af reaktioner er mulig på grund af eksistensen af forsinkede neutroner udsendt af fissile kerner med en forsinkelse på op til 1 minut. Når det nukleare brændsel brænder ud, stopper reaktionen. Inden reaktoren genstartes, fjernes det udbrændte atombrændsel, og nyt brændsel påfyldes. Reaktoren har også nødstænger, hvis indføring straks stopper reaktionen. En atomreaktor er en kraftig kilde til gennemtrængende stråling, cirka gange højere end sanitære standarder. Derfor har enhver reaktor biologisk beskyttelse - et system af skærme lavet af beskyttende materialer (for eksempel beton, bly, vand) - placeret bag sin reflektor og en fjernbetjening.
For første gang blev atomenergi brugt til fredelige formål i USSR. I Obninsk i 1954, under ledelse af Kurchatov, blev det første atomkraftværk med en kapacitet på 5 MW sat i drift.
Termiske uran-neutronreaktorer kan dog løse problemet med strømforsyning i begrænset skala, som bestemmes af mængden af uran.
Den mest lovende måde at udvikle atomenergi på er udviklingen af hurtige neutronreaktorer, de såkaldte forædlingsreaktorer. En sådan reaktor producerer mere nukleart brændsel, end den forbruger. Reaktionen forløber med hurtige neutroner, så ikke kun, men kan også deltage i det, hvilket bliver til. Sidstnævnte kan adskilles kemisk fra. Denne proces kaldes reproduktion af nukleart brændsel. I særlige forædlingsreaktorer overstiger avlsfaktoren for nukleart brændsel én. Kernen hos opdrættere er en legering af isotopberiget uran med et tungmetal, der absorberer få neutroner. Opdrætterreaktorer har ikke en moderator. Kontrol af sådanne reaktorer ved at flytte reflektoren eller ændre massen af fissilt materiale.
KÆDEREAKTIONSLIGNING. KLASSIFIKATION AF NEURONER
ENHED OG PRINCIP FOR BETJENING AF EN GASUDLEDNINGSTÆLLER
STRUKTUR OG PRINCIP FOR DRIFT AF IONISATIONSKAMMET
Afhængigt af den leverede spænding kan detektoren fungere i ioniseringskammer, proportional tæller og Geiger-Muller tæller modes.
Den enkleste ioniseringsdetektor er ioniseringskammer , som er en kondensator bestående af to parallelle plader, hvor mellemrummet er fyldt med luft eller gas. En spænding på omkring 100 volt påføres elektroderne, hvilket svarer til 1 sektion af strøm-spændingskarakteristikken. I fravær af ioniserende stråling er afstanden mellem elektroderne et dielektrikum, og der er ingen strøm i kredsløbet.
Når de udsættes for ioniserende stråling mellem elektroderne, ioniseres gasmolekyler og atomer, og der dannes positive og negative ioner. Negative ioner bevæger sig mod den positive elektrode, og positive ioner omvendt. Der opstår en strøm i kredsløbet. Spændingen mellem elektroderne vælges således, at alle de dannede ioner når elektroderne uden at have tid til at rekombinere, men heller ikke accelererer i en sådan grad, at de forårsager sekundær ionisering.
Ioniseringskamre er nemme at betjene og er kendetegnet ved høj registreringseffektivitet, men ulemperne er lav følsomhed. Spændingen, der leveres til elektroderne i ioniseringskammeret, skal være omkring 100 V.
Gasudledningsmåler er en metal- eller glascylinder, er den indre overflade belagt med metal, som er katoden. En tynd metaltråd med en diameter på omkring 100 mikron, som er anoden, strækkes langs cylinderens akse.
Proportionalmålere arbejder ved spændinger svarende til sektion 2 i strøm-spændingskarakteristikken. Ved en spænding på 100-1000 V skabes en høj elektrisk feltstyrke mellem elektroderne, og de resulterende primære ioner skaber sekundær ionisering af gasatomer og molekyler. I sådanne målere afhænger den aktuelle værdi af niveauet af ioniserende stråling.
Geiger-Muller-tællere fungerer i 3. sektion af strøm-spændingskarakteristikken ved spændinger, der overstiger 1000 V. Under påvirkning af ioniserende stråling dannes positive ioner og negative elektroner i rummet mellem elektroderne, som bevæger sig mod anoden, skaber sekundær ionisering. På grund af den høje elektriske feltstyrke nær anoden, forbundet med dens lille areal, accelereres sekundære elektroner så meget, at de re-ioniserer gassen. Antallet af elektroner stiger som en lavine, der opstår en koronaudladning, som virker efter ophør af ioniserende stråling. Ladningen afsluttes ved at tænde for en stor modstand på 1 MOhm.
Geiger-Muller-tællere er kendetegnet ved høj optageeffektivitet og stor signalamplitude (ca. 40 volt). Ulemper: lav opløsning og lang restitutionstid.
Kædereaktionsligning:
hvor K er antallet af sekundære neutroner (2-3); q – termisk energi
Nuklear kædereaktion er, at under påvirkning af neutroner henfalder kernerne i et uranatom til lettere kerner kaldet fissionsfragmenter . I dette tilfælde, sekundære neutroner og termisk energi frigives. Sekundære neutroner, der igen påvirker urankerner, fører til deres fission med dannelse af nye neutroner og frigivelse af energi. Processen gentages, udvikler sig som en lavine og kan føre til en atomeksplosion.
Imidlertid er denne repræsentation af en nuklear reaktion idealiseret, fordi Som et resultat af opfangning af neutroner af urenheder og udslip af neutroner fra den aktive region, kan kernereaktionen henfalde.
For at karakterisere de processer, der sker i en kernereaktion, introduceres begrebet multiplikationsfaktor K , som er lig med forholdet mellem antallet af neutroner på et givet tidspunkt og antallet af neutroner på det foregående tidspunkt.
K > 1 Kernereaktionen vokser og kan føre til en eksplosion
TIL< 1 Ядерная реакция затухает
K = 1 Nuklear reaktion forløber stabilt
Klassificering af neutroner afhængigt af størrelsen af deres energi:
BETINGELSER FOR EN NUKLEAR REAKTION:
1) Uran skal renses for urenheder og henfaldsprodukter;
2) I en hurtig neutronkædereaktion er det nødvendigt at berige naturligt uran, hvor dets koncentration er 0,7 % til en koncentration på 15 %.
3) I en kædereaktion med termiske neutroner er det nødvendigt at undgå resonansindfangning af en neutron med uran-238. Til dette formål bruges moderatorer lavet af grafit.
4) Det nukleare brændsel og moderatorsystemet skal være alternerende, dvs. heterogen.
5) Systemet skal være sfærisk;
6) For at udføre en nuklear reaktion skal der være en tilstrækkelig mængde nukleart brændsel. Minimumsværdien af nukleart brændsel, ved hvilken en nuklear reaktion stadig finder sted, kaldes kritisk masse.