Reaksioni zinxhir bërthamor- një reaksion i vetëqëndrueshëm i ndarjes së bërthamave të rënda, në të cilin prodhohen vazhdimisht neutrone, duke ndarë gjithnjë e më shumë bërthama të reja. në drejtime të ndryshme, dhe dy ose tre neutrone. Reaksionet zinxhir të kontrolluara kryhet në reaktorë bërthamorë ose kaldaja bërthamore. Aktualisht reaksionet zinxhir të kontrolluara kryhen në izotopet e uranium-235, uranium-233 (përftuar artificialisht nga toriumi-232), plutonium-239 (i marrë artificialisht nga urium-238), si dhe plutonium-241. Një detyrë shumë e rëndësishme është izolimi i izotopit të tij, uranium-235, nga uraniumi natyror. Që në hapat e parë të zhvillimit të teknologjisë bërthamore, përdorimi i uraniumit-235 ishte i një rëndësie vendimtare, marrja e tij në formën e tij të pastër ishte, megjithatë, teknikisht e vështirë, pasi uraniumi-238 dhe uraniumi-235 janë kimikisht të pandashëm.
50.Reaktorët bërthamorë. Perspektivat për përdorimin e energjisë termonukleare.
Reaktor bërthamorështë një pajisje në të cilën ndodh një reaksion zinxhir i kontrolluar bërthamor, i shoqëruar nga çlirimi i energjisë. Reaktori i parë bërthamor u ndërtua dhe u nis në dhjetor 1942 në SHBA nën udhëheqjen e E. Fermi. Reaktori i parë i ndërtuar jashtë Shteteve të Bashkuara ishte ZEEP, i nisur në Kanada më 25 dhjetor 1946. Në Evropë, reaktori i parë bërthamor ishte instalimi F-1, i cili filloi të punojë në 25 dhjetor 1946 në Moskë nën udhëheqjen e I.V. Komponentët e çdo reaktori bërthamor janë: një bërthamë me lëndë djegëse bërthamore, zakonisht e rrethuar nga një reflektor neutron, një ftohës, një sistem kontrolli të reaksionit zinxhir, mbrojtje nga rrezatimi dhe një sistem kontrolli në distancë. Ena e reaktorit është subjekt i konsumimit (veçanërisht nën ndikimin e rrezatimit jonizues). Karakteristika kryesore e një reaktori bërthamor është fuqia e tij. Një fuqi prej 1 MW korrespondon me një reaksion zinxhir në të cilin ndodhin 3·1016 ngjarje të ndarjes në 1 sekondë. Hulumtimi në fizikën e plazmës me temperaturë të lartë kryhet kryesisht në lidhje me perspektivën e krijimit të një reaktori termonuklear. Parametrat më të afërt me një reaktor janë instalimet e tipit tokamak. Në vitin 1968, u njoftua se instalimi T-3 kishte arritur një temperaturë prej dhjetë milionë gradësh, pikërisht në zhvillimin e këtij drejtimi, shkencëtarët nga shumë vende kanë përqendruar përpjekjet e tyre gjatë dekadave të fundit -Reaksioni termonuklear i qëndrueshëm duhet të kryhet në një tokamak që po ndërtohet në Francë me përpjekjet e vendeve të ndryshme ITER. Përdorimi i plotë i reaktorëve termonuklear në sektorin e energjisë pritet në gjysmën e dytë të shekullit të 21-të, përveç tokamakëve, ekzistojnë lloje të tjera të kurtheve magnetike për mbylljen e plazmës me temperaturë të lartë, për shembull, të ashtuquajturat kurthe të hapura. Për shkak të një numri karakteristikash, ato mund të mbajnë plazmë me presion të lartë dhe për këtë arsye kanë perspektiva të mira si burime të fuqishme të neutroneve termonukleare dhe në të ardhmen si reaktorë termonuklear.
Sukseset e arritura vitet e fundit në Institutin e Fizikës Bërthamore SB RAS në kërkimin e kurtheve të hapura moderne aksimetrike tregojnë premtimin e kësaj qasjeje. Këto studime janë në vazhdim, dhe në të njëjtën kohë, BINP po punon për një dizajn për një strukturë të gjeneratës së ardhshme, e cila tashmë do të jetë në gjendje të demonstrojë parametrat e plazmës afër atyre të një reaktori.
Le të shqyrtojmë mekanizmin e reaksionit zinxhir të ndarjes. Kur bërthamat e rënda ndahen nën ndikimin e neutroneve, prodhohen neutrone të reja. Për shembull, me çdo ndarje të bërthamës së uraniumit 92 U 235, prodhohen mesatarisht 2.4 neutrone. Disa nga këto neutrone mund të shkaktojnë përsëri ndarje bërthamore. Ky proces i ngjashëm me ortek quhet reaksion zinxhir
.
Reaksioni zinxhir i ndarjes ndodh në një mjedis në të cilin ndodh procesi i shumëzimit të neutroneve. Ky mjedis quhet bërthamë
. Madhësia fizike më e rëndësishme që karakterizon intensitetin e shumëzimit të neutroneve është faktori i shumëzimit të neutronit në mjedis
k ∞ . Koeficienti i shumëzimit është i barabartë me raportin e numrit të neutroneve në një gjeneratë me numrin e tyre në gjeneratën e mëparshme. Indeksi ∞ tregon se po flasim për një mjedis ideal me përmasa të pafundme. Ngjashëm me vlerën k ∞ përcaktohet faktori i shumëzimit të neutronit në një sistem fizik
k. Faktori k është një karakteristikë e një instalimi specifik.
Në një mjedis të zbërthyer me dimensione të fundme, disa neutrone do të shpëtojnë nga bërthama në pjesën e jashtme. Prandaj, koeficienti k varet gjithashtu nga probabiliteti P që një neutron të mos ikë nga bërthama. A-parësore
| k = k ∞ P. | (1) |
Vlera e P varet nga përbërja e zonës aktive, madhësia, forma e saj dhe gjithashtu nga shkalla në të cilën substanca që rrethon zonën aktive reflekton neutronet.
Konceptet e rëndësishme të masës kritike dhe dimensioneve kritike lidhen me mundësinë e largimit të neutroneve nga bërthama. Madhësia kritike
është madhësia e zonës aktive në të cilën k = 1. Masë kritike
quhet masa e bërthamës së përmasave kritike. Natyrisht, me një masë nën vlerën kritike, reaksioni zinxhir nuk ndodh, edhe nëse > 1. Përkundrazi, një tepricë e dukshme e masës mbi atë kritike çon në një reagim të pakontrolluar - një shpërthim.
Nëse në gjeneratën e parë ka N neutrone, atëherë në gjeneratën e n-të do të ketë Nk n. Prandaj, në k = 1 reaksioni zinxhir vazhdon i palëvizshëm, në k< 1 реакция гаснет, а при k >1 intensiteti i reaksionit rritet. Kur k = 1 thirret mënyra e reagimit kritike
, për k > 1 - superkritike
dhe në k< 1 – nënkritike
.
Jetëgjatësia e një gjenerate të neutroneve varet fuqishëm nga vetitë e mediumit dhe është në rendin nga 10-4 deri në 10-8 s. Për shkak të shkurtësisë së kësaj kohe, për të kryer një reaksion zinxhir të kontrolluar, është e nevojshme të ruhet barazia k = 1 me saktësi të madhe, pasi, të themi, në k = 1.01 sistemi do të shpërthejë pothuajse menjëherë. Le të shohim se cilët faktorë përcaktojnë koeficientët k ∞ dhe k.
Madhësia e parë që përcakton k ∞ (ose k) është numri mesatar i neutroneve të emetuara në një ngjarje të ndarjes. Numri varet nga lloji i karburantit dhe energjia e neutronit të rënë. Në tabelë Tabela 1 tregon vlerat e izotopeve kryesore të energjisë bërthamore për neutronet termike dhe të shpejta (E = 1 MeV).
Spektri i energjisë i neutroneve të ndarjes për izotopin 235 U është paraqitur në Fig. 1. Spektrat e këtij lloji janë të ngjashme për të gjithë izotopet e zbërthyer: ka një shpërndarje të fortë në energji, me pjesën më të madhe të neutroneve që kanë energji në intervalin 1-3 MeV. Neutronet e prodhuara gjatë ndarjes ngadalësohen, shpërndahen në një distancë të caktuar dhe absorbohen ose me ose pa ndarje. Në varësi të vetive të mediumit, neutronet kanë kohë të ngadalësohen në energji të ndryshme përpara përthithjes. Në prani të një moderatori të mirë, shumica e neutroneve kanë kohë të ngadalësohen në energji termike të rendit 0,025 eV. Në këtë rast quhet reaksion zinxhir i ngadalshëm, ose, çfarë është e njëjta, termike. Në mungesë të një moderatori të veçantë, neutronet kanë kohë vetëm të ngadalësohen në energji prej 0,1-0,4 MeV, pasi të gjithë izotopet e zbërthyer janë të rëndë dhe për këtë arsye ngadalësohen dobët. Reaksionet zinxhir përkatës quhen shpejtë(theksojmë se epitetet "i shpejtë" dhe "i ngadalshëm" karakterizojnë shpejtësinë e neutroneve, dhe jo shpejtësinë e reagimit). Reaksionet zinxhir në të cilat neutronet ngadalësohen në energji që variojnë nga dhjetëra në një keV quhen e ndërmjetme
.
Kur një neutron përplaset me një bërthamë të rëndë, kapja rrezatuese e një neutroni (n, γ) është gjithmonë e mundur. Ky proces do të konkurrojë me pjesëtimin dhe në këtë mënyrë do të zvogëlojë shkallën e shumëzimit. Nga kjo rezulton se madhësia e dytë fizike që ndikon në koeficientët k ∞ , k është probabiliteti i ndarjes kur një neutron kapet nga bërthama e një izotopi të zbërthyer. Ky probabilitet për neutronet monoenergjetike është padyshim i barabartë me
| , | (2) |
ku nf, nγ janë përkatësisht seksionet kryq të ndarjes dhe kapjes së rrezatimit. Për të marrë parasysh njëkohësisht numrin e neutroneve për ngjarje të ndarjes dhe probabilitetin e kapjes rrezatuese, futet një koeficient η, i barabartë me numrin mesatar të neutroneve dytësore për kapjen e neutronit nga një bërthamë e zbërthyer.
| , | (3) |
vlera e η varet nga lloji i karburantit dhe nga energjia e neutronit. Vlerat e η për izotopet më të rëndësishme për neutronet termike dhe të shpejta janë dhënë në të njëjtën tabelë. 1. Vlera e η është karakteristika më e rëndësishme e bërthamave të karburantit. Një reaksion zinxhir mund të ndodhë vetëm kur η > 1. Sa më e lartë të jetë vlera e η, aq më e lartë është cilësia e karburantit.
Tabela 1. Vlerat e ν, η për izotopet e zbërthyer
| Bërthamë | 92 U 233 | 92 U 235 | 94 Pu 239 | |
| Neutronet termike (E = 0,025 eV) |
ν | 2.52 | 2.47 | 2.91 |
| η | 2.28 | 2.07 | 2.09 | |
| Neutronet e shpejta (E = 1 MeV) |
ν | 2.7 | 2.65 | 3.0 |
| η | 2.45 | 2.3 | 2.7 | |
Cilësia e karburantit bërthamor përcaktohet nga disponueshmëria dhe koeficienti η. Në natyrë gjenden vetëm tre izotope që mund të shërbejnë si lëndë djegëse bërthamore ose lëndë e parë për prodhimin e tij. Këta janë izotopi i toriumit 232 Th dhe izotopet e uraniumit 238 U dhe 235 U. Nga këta, dy të parët nuk japin një reaksion zinxhir, por mund të përpunohen në izotope mbi të cilët ndodh reaksioni. Vetë izotopi 235 U jep një reaksion zinxhir. Në koren e tokës ka disa herë më shumë torium sesa uranium. Toriumi natyror praktikisht përbëhet nga vetëm një izotop, 232 Th. Uraniumi natyror përbëhet kryesisht nga izotopi 238 U dhe vetëm 0,7% nga izotopi 235 U.
Në praktikë, çështja e realizueshmërisë së një reaksioni zinxhir në një përzierje natyrale të izotopeve të uraniumit, në të cilën ka 140 238 bërthama U për 235 U, është jashtëzakonisht e rëndësishme , por një i shpejtë nuk është. Për të marrë në konsideratë një reaksion zinxhir në një përzierje natyrale, është e përshtatshme të futet një sasi e re - seksioni kryq mesatar i thithjes së neutronit për një bërthamë të izotopit 235 U
Për neutronet termike = 2,47, = 580 hambar, = 112 hambar, = 2,8 hambar (vini re se sa i vogël është seksioni i fundit kryq). Duke i zëvendësuar këto shifra në (5), marrim atë për neutronet e ngadalta në një përzierje natyrale
Kjo do të thotë se 100 neutrone termike, të zhytur në përzierjen natyrore, do të krijojnë 132 neutrone të reja. Nga kjo rrjedh drejtpërdrejt se një reaksion zinxhir me neutrone të ngadalta është në parim i mundur në uraniumin natyror. Në parim, sepse për të zbatuar një reaksion zinxhir, duhet të jeni në gjendje të ngadalësoni neutronet me humbje të ulëta.
Për neutronet e shpejta ν = 2,65, 2 hambar, 0,1 hambar. Nëse marrim parasysh ndarjen vetëm në izotopin 235 U, marrim
| 235 (i shpejtë) 0.3. | (7) |
Por duhet të kemi parasysh gjithashtu se neutronet e shpejta me energji më të mëdha se 1 MeV munden, me intensitet relativ të dukshëm, të ndajnë bërthamat e izotopit 238 U, i cili është shumë i bollshëm në përzierjen natyrore. Për pjesëtimin me 238 U, koeficienti është afërsisht 2.5. Në spektrin e ndarjes, afërsisht 60% e neutroneve kanë energji mbi pragun efektiv të ndarjes 1.4 MeV me 238 U. Por nga këto 60%, vetëm një neutron në 5 arrin të zbërthehet pa u ngadalësuar në një energji nën pragun për shkak të shpërndarje elastike dhe veçanërisht joelastike. Nga këtu, për koeficientin 238 (i shpejtë) marrim vlerësimin
Kështu, një reaksion zinxhir në një përzierje natyrale (235 U + 238 U) nuk mund të ndodhë me neutronet e shpejtë. Eksperimentalisht është vërtetuar se për uraniumin e pastër metalik faktori i shumëzimit arrin një vlerë uniteti me një pasurim prej 5.56%. Në praktikë, rezulton se reagimi me neutronet e shpejta mund të mbahet vetëm në një përzierje të pasuruar që përmban të paktën 15% të izotopit 235 U.
Një përzierje natyrale e izotopeve të uraniumit mund të pasurohet me izotopin 235 U Pasurimi është një proces kompleks dhe i shtrenjtë për shkak të faktit se vetitë kimike të të dy izotopeve janë pothuajse të njëjta. Shtë e nevojshme të përfitoni nga ndryshimet e vogla në shpejtësinë e reaksioneve kimike, difuzionit, etj., që lindin për shkak të dallimeve në masat e izotopeve. Reaksioni zinxhir me 235 U kryhet pothuajse gjithmonë në një mjedis me përmbajtje të lartë 238 U. Shpesh përdoret një përzierje natyrale izotopësh, për të cilat η = 1,32 në rajonin termik të neutronit, pasi 238 U është gjithashtu i dobishëm. Izotopi 238 U është i zbërthyeshëm nga neutronet me energji mbi 1 MeV. Ky ndarje rezulton në një shumëzim të vogël shtesë të neutroneve.
Le të krahasojmë reaksionet zinxhirore të ndarjes me neutronet termike dhe ato të shpejta.
Për neutronet termike, seksionet kryq të kapjes janë të mëdha dhe ndryshojnë shumë kur kalojnë nga një bërthamë në tjetrën. Në bërthamat e disa elementeve (për shembull, kadmiumi), këto seksione tërthore janë qindra ose më shumë herë më të larta se seksionet tërthore në 235 U. Prandaj, kërkesat e larta të pastërtisë vendosen në thelbin e instalimeve termike neutron në lidhje me papastërtitë e caktuara.
Për neutronet e shpejta, të gjitha seksionet kryq të kapjes janë të vogla dhe jo aq të ndryshme nga njëra-tjetra, kështu që problemi i pastërtisë së lartë të materialeve nuk lind. Një avantazh tjetër i reagimeve të shpejta është një shkallë më e lartë e riprodhimit.
Një veti e rëndësishme dalluese e reaksioneve termike është se në bërthamë karburanti është shumë më i holluar, d.m.th., për bërthamën e karburantit ka dukshëm më shumë bërthama që nuk marrin pjesë në ndarje sesa në një reagim të shpejtë. Për shembull, në një reaksion termik në uranium natyror, ka 140 bërthama të lëndës së parë 238 U për bërthamën e karburantit 235 U, dhe në një reaksion të shpejtë, nuk mund të ketë më shumë se pesë deri në gjashtë bërthama 238 U për 235 U hollimi i karburantit në një reaksion termik çon në faktin se një dhe e njëjta energji në një reaksion termik lirohet në një vëllim shumë më të madh të lëndës sesa në një reaksion të shpejtë. Kështu, është më e lehtë të largohet nxehtësia nga zona aktive e një reaksioni termik, gjë që lejon që ky reagim të kryhet me intensitet më të madh se ai i shpejtë.
Jetëgjatësia e një gjenerate të neutroneve për një reaksion të shpejtë është disa rend me madhësi më të shkurtër se sa për një reaksion termik. Prandaj, shpejtësia e një reagimi të shpejtë mund të ndryshojë dukshëm brenda një kohe shumë të shkurtër pas një ndryshimi në kushtet fizike në bërthamë. Gjatë funksionimit normal të reaktorit, ky efekt është i parëndësishëm, pasi në këtë rast mënyra e funksionimit përcaktohet nga jetëgjatësia e neutroneve të vonuara dhe jo të shpejta.
Në një mjedis homogjen që përbëhet vetëm nga izotope të zbërthyer të një lloji, faktori i shumëzimit do të ishte i barabartë me η. Mirëpo, në situata reale, përveç bërthamave të zbërthyeshme, ka gjithmonë të tjera, jo të zbërthyeshme. Këto bërthama të jashtme do të kapin neutronet dhe në këtë mënyrë do të ndikojnë në faktorin e shumëzimit. Nga kjo rrjedh se sasia e tretë që përcakton koeficientët k ∞ , k, është probabiliteti që neutroni të mos kapet nga një prej bërthamave jo të zbërthyeshme. Në instalimet reale, kapja "e huaj" ndodh në bërthamat e moderatorit, në bërthamat e elementeve të ndryshëm strukturorë, si dhe në bërthamat e produkteve të ndarjes dhe produkteve të kapjes.
Për të kryer një reaksion zinxhir me neutrone të ngadalta, substanca të veçanta futen në bërthamë - moderatorë, të cilët shndërrojnë neutronet e ndarjes në ato termike. Në praktikë, reaksioni i ngadaltë i zinxhirit të neutronit kryhet në uranium natyral ose pak të pasuruar me izotop 235 U. Prania e një sasie të madhe të izotopit 238 U në bërthamë e ndërlikon procesin e moderimit dhe e bën të nevojshme vendosjen e kërkesave të larta për cilësinë e moderatorit. Jeta e një gjenerate të neutroneve në një bërthamë me një moderator mund të ndahet afërsisht në dy faza: moderimi në energjitë termike dhe difuzioni. normat termike para përthithjes. Në mënyrë që shumica e neutroneve të kenë kohë të ngadalësohen pa përthithje, kushti duhet të plotësohet
ku kontrolli σ, kapja σ janë seksionet kryq mesatarisht të energjisë për shpërndarjen dhe kapjen elastike, përkatësisht, dhe n është numri i përplasjeve të neutroneve me bërthamat moderatore të nevojshme për të arritur energjinë termike. Numri n rritet me shpejtësi me rritjen e numrit masiv të moderatorit. Për uraniumin 238 U, numri n është i rendit të disa mijërave. Dhe raporti σ kontroll /σ kapje për këtë izotop, edhe në rajonin relativisht të favorshëm të energjisë së neutroneve të shpejta, nuk i kalon 50. I ashtuquajturi rajon i rezonancës nga 1 keV në 1 eV është veçanërisht "i rrezikshëm" në lidhje me kapjen e neutroneve. . Në këtë rajon, seksioni kryq i përgjithshëm për bashkëveprimin e një neutroni me 238 bërthama U ka një numër të madh rezonancash intensive (Fig. 2). Në energji të ulëta, gjerësia e rrezatimit tejkalon gjerësinë e neutronit. Prandaj, në rajonin e rezonancës, raporti σ kontroll / kapje σ bëhet edhe më i vogël se uniteti. Kjo do të thotë që kur një neutron hyn në rajonin e një prej rezonancave, ai absorbohet me një probabilitet pothuajse 100%. Dhe meqenëse ngadalësimi në një bërthamë kaq të rëndë si uraniumi ndodh në "hapa të vegjël", atëherë kur kalon nëpër rajonin rezonant, neutroni i ngadalësuar patjetër do të "përplaset" në një nga rezonancat dhe do të përthithet. Nga kjo rrjedh se një reaksion zinxhir nuk mund të kryhet në uranium natyror pa papastërti të huaja: në neutronet e shpejta reaksioni nuk ndodh për shkak të vogëlsisë së koeficientit η, dhe neutronet e ngadalta nuk mund të formohen në mënyrë që të shmanget kapja e neutronit rezonant është e nevojshme të përdoren bërthama shumë të lehta për t'i ngadalësuar ato, në të cilat ngadalësimi ndodh në "hapa të mëdhenj", gjë që rrit ndjeshëm probabilitetin që një neutron të "kalojë" me sukses nëpër rajonin e energjisë rezonante. Elementët më të mirë moderatorë janë hidrogjeni, deuteriumi, beriliumi dhe karboni. Prandaj, moderatorët e përdorur në praktikë vijnë kryesisht në ujë të rëndë, berilium, oksid beriliumi, grafit, si dhe ujë të zakonshëm, i cili ngadalëson neutronet jo më keq se uji i rëndë, por i thith ato në sasi shumë më të mëdha. Retarderi duhet të pastrohet mirë. Vini re se për të kryer një reagim të ngadaltë, moderatori duhet të jetë dhjetëra apo edhe qindra herë më shumë se uraniumi në mënyrë që të parandalohen përplasjet rezonante të neutroneve me bërthamat 238 U.
Vetitë moderatore të mediumit aktiv mund të përshkruhen përafërsisht nga tre sasi: probabiliteti që një neutron të shmangë thithjen nga një moderator gjatë moderuar, probabiliteti p për të shmangur kapjen rezonante nga 238 bërthama U dhe probabiliteti f që një neutron termik të absorbohet. nga një bërthamë karburanti dhe jo nga një moderator. Vlera f zakonisht quhet koeficienti i shfrytëzimit termik. Llogaritja e saktë e këtyre sasive është e vështirë. Zakonisht, për llogaritjen e tyre përdoren formula të përafërta gjysmë empirike.
Vlerat e p dhe f varen jo vetëm nga sasia relative e moderatorit, por edhe nga gjeometria e vendosjes së tij në bërthamë. Zona aktive, e përbërë nga një përzierje homogjene e uraniumit dhe moderatorit, quhet homogjene, dhe sistemi i blloqeve të tyre të alternuara të uraniumit dhe moderator quhet heterogjen (Fig. 4). Një sistem cilësor heterogjen dallohet nga fakti se në të neutroni i shpejtë i formuar në uranium arrin të hyjë në moderator pa arritur energji rezonante. Ngadalësimi i mëtejshëm ndodh në një moderator të pastër. Kjo rrit probabilitetin p për të shmangur kapjen rezonante
p het > p homo.
Nga ana tjetër, përkundrazi, pasi është bërë termik në moderator, neutroni duhet që, për të marrë pjesë në reaksionin zinxhir, të shpërndahet, pa u zhytur në moderatorin e pastër, në kufirin e tij. Prandaj, faktori i përdorimit termik f në një mjedis heterogjen është më i ulët se në një mjedis homogjen:
f marr< f гом.
Për të vlerësuar faktorin e shumëzimit k ∞ të një reaktori termik, është i përafërt formula me katër faktorë
| k∞ = η pfε . | (11) |
Ne kemi konsideruar tashmë tre faktorët e parë më herët. Sasia ε quhet faktori i shpejtë i shumëzimit të neutronit
. Ky koeficient është paraqitur për të marrë parasysh se disa neutrone të shpejtë mund të zbërthehen pa pasur kohë për të ngadalësuar. Në kuptimin e tij, koeficienti ε gjithmonë tejkalon një. Por kjo tepricë është zakonisht e vogël. Tipike për reaksionet termike është vlera ε = 1.03. Për reaksionet e shpejta, formula e katër faktorëve nuk është e zbatueshme, pasi secili koeficient varet nga energjia dhe shpërndarja e energjisë në reaksionet e shpejta është shumë e madhe.
Meqenëse vlera e η përcaktohet nga lloji i karburantit, dhe vlera e ε për reaksione të ngadalta pothuajse nuk ndryshon nga uniteti, cilësia e një mediumi të veçantë aktiv përcaktohet nga produkti pf. Kështu, avantazhi i një mjedisi heterogjen ndaj një mjedisi homogjen manifestohet në mënyrë sasiore në faktin se, për shembull, në një sistem në të cilin ka 215 bërthama grafiti për bërthamën natyrore të uraniumit, produkti pf është i barabartë me 0.823 për një mjedis heterogjen dhe 0,595 për një homogjen. Dhe meqenëse për një përzierje natyrale η = 1,34, marrim atë për një mjedis heterogjen k ∞ > 1, dhe për një mjedis homogjen k ∞< 1.
Për zbatimin praktik të një reaksioni zinxhir të palëvizshëm, duhet të jeni në gjendje të kontrolloni këtë reagim. Ky kontroll është thjeshtuar shumë për shkak të emetimit të neutroneve të vonuar gjatë ndarjes. Shumica dërrmuese e neutroneve ikin nga bërthama pothuajse menjëherë (d.m.th., në një kohë që është shumë herë më e shkurtër se jeta e një gjenerate neutronesh në bërthamë), por disa të dhjetat e një përqindje të neutroneve vonohen dhe ikin nga bërthamat e fragmentuara pas një periudhe mjaft të madhe kohore - nga fraksione sekonda në disa dhe madje dhjetëra sekonda. Efekti i neutroneve të vonuar mund të shpjegohet në mënyrë cilësore si më poshtë. Lëreni faktorin e shumëzimit të rritet menjëherë nga një vlerë nënkritike në një vlerë të tillë superkritike që 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.
Kapja e neutroneve nga bërthamat që nuk marrin pjesë në reaksionin zinxhir zvogëlon intensitetin e reaksionit, por mund të jetë i dobishëm në lidhje me formimin e izotopeve të reja të zbërthyeshme. Kështu, kur neutronet absorbohen nga izotopet e uraniumit 238 U dhe toriumit 232 Th, formohen izotopet e plutoniumit 239 Pu dhe uraniumit 233 U (përmes dy zbërthimeve të njëpasnjëshme β), të cilat janë lëndë djegëse bërthamore:
| , | (12) |
| . | (13) |
Këto dy reagime hapin një mundësi reale riprodhimi i karburantit bërthamor gjatë një reaksioni zinxhir. Në rastin ideal, d.m.th., në mungesë të humbjeve të panevojshme të neutroneve, një mesatare prej 1 neutron mund të përdoret për riprodhim për çdo akt të përthithjes së një neutroni nga një bërthamë e karburantit.
Reaktorë bërthamorë (bërthamorë).
Një reaktor është një pajisje në të cilën mbahet një reaksion zinxhir i kontrolluar i ndarjes. Kur reaktori funksionon, nxehtësia lirohet për shkak të natyrës ekzotermike të reaksionit të ndarjes. Karakteristika kryesore e një reaktori është fuqia e tij - sasia e energjisë termike të çliruar për njësi të kohës. Fuqia e reaktorit matet në megavat (10 6 W). Një fuqi prej 1 MW korrespondon me një reaksion zinxhir në të cilin ndodhin 3·1016 ngjarje të ndarjes në sekondë. Ekziston një numër i madh i llojeve të ndryshme të reaktorëve. Një nga skemat tipike të një reaktori termik është paraqitur në Fig. 5.
Pjesa kryesore e reaktorit është zona aktive në të cilën ndodh reaksioni dhe në këtë mënyrë liron energji. Në reaktorët termikë dhe të ndërmjetëm të neutronit, bërthama përbëhet nga një lëndë djegëse, zakonisht e përzier me një izotop jo të zbërthyer (zakonisht 238 U) dhe një moderator. Nuk ka asnjë moderator në thelbin e reaktorëve të shpejtë neutron.
Vëllimi i bërthamës varion nga të dhjetat e një litri në disa reaktorë të shpejtë neutron në dhjetëra metra kub në reaktorë të mëdhenj termikë. Për të reduktuar rrjedhjen e neutronit, bërthamës i jepet një formë sferike ose pothuajse sferike (për shembull, një cilindër me një lartësi afërsisht të barabartë me diametrin, ose një kub).
Në varësi të vendndodhjes relative të karburantit dhe moderatorit, dallohen reaktorët homogjenë dhe heterogjenë. Një shembull i një zone aktive homogjene është një zgjidhje e kripës sulfate uranil dhe U 2 SO 4 në ujë të zakonshëm ose të rëndë. Reaktorët heterogjenë janë më të zakonshëm. Në reaktorët heterogjenë, bërthama përbëhet nga një moderator në të cilin vendosen kasetat që përmbajnë karburant. Meqenëse në këto kaseta lirohet energji, ato quhen elementet e karburantit
ose shkurt shufrat e karburantit. Zona aktive me reflektor shpesh është e mbyllur në një shtresë çeliku.
- Roli i neutroneve të vonuar në kontrollin e reaktorit bërthamor
Ndodh ndarje e bërthamave të uraniumit në mënyrën e mëposhtme: Së pari, një neutron godet bërthamën, si një plumb që godet një mollë. Në rastin e një molle, një plumb ose do të bënte një vrimë në të ose do ta frynte në copa. Kur një neutron hyn në bërthamë, ai kapet nga forcat bërthamore. Dihet se neutroni është neutral, kështu që nuk zmbrapset nga forcat elektrostatike.
Si ndodh një ndarje e bërthamës së uraniumit?
Pra, pasi ka hyrë në bërthamë, neutroni prish ekuilibrin dhe bërthama ngacmohet. Ai shtrihet në anët si një trap ose një shenjë e pafundësisë: ∞ . Forcat bërthamore, siç dihet, veprojnë në një distancë proporcionale me madhësinë e grimcave. Kur bërthama shtrihet, efekti i forcave bërthamore bëhet i parëndësishëm për grimcat e jashtme të "shtangës", ndërsa forcat elektrike veprojnë shumë fuqishëm në një distancë të tillë, dhe bërthama thjesht copëtohet në dy pjesë. Në këtë rast, dy ose tre neutrone të tjera emetohen.
Fragmentet e bërthamës dhe neutronet e lëshuara shpërndahen me shpejtësi të madhe në drejtime të ndryshme. Fragmentet ngadalësohen mjaft shpejt nga mjedisi, por energjia e tyre kinetike është e madhe. Ai shndërrohet në energji të brendshme të mjedisit, i cili nxehet. Në këtë rast, sasia e energjisë së çliruar është e madhe. Energjia e përftuar nga ndarja e plotë e një gram uranium është afërsisht e barabartë me energjinë e përftuar nga djegia e 2.5 tonë naftë.
Reaksioni zinxhir i ndarjes së disa bërthamave
Ne shikuam ndarjen e një bërthame të uraniumit. Gjatë ndarjes, lëshohen disa (zakonisht dy ose tre) neutrone. Ata shpërndahen me shpejtësi të madhe dhe mund të futen lehtësisht në bërthamat e atomeve të tjera, duke shkaktuar një reaksion të ndarjes në to. Ky është një reaksion zinxhir.
Kjo do të thotë, neutronet e marra si rezultat i ndarjes bërthamore ngacmojnë dhe detyrojnë bërthamat e tjera në ndarje, të cilat nga ana e tyre lëshojnë neutrone, të cilat vazhdojnë të stimulojnë ndarje të mëtejshme. Dhe kështu me radhë derisa të ndodhë ndarja e të gjitha bërthamave të uraniumit në afërsi.
Në këtë rast, mund të ndodhë një reaksion zinxhir si ortek, për shembull, në rast të shpërthimit të një bombe atomike. Numri i ndarjeve bërthamore rritet në mënyrë eksponenciale në një periudhë të shkurtër kohe. Megjithatë, mund të ndodhë edhe një reaksion zinxhir me zbutje.
Fakti është se jo të gjithë neutronet takohen me bërthama gjatë rrugës së tyre, të cilat i nxisin në ndarje. Siç e kujtojmë, brenda një substance vëllimi kryesor është i zënë nga zbrazëtia midis grimcave. Prandaj, disa neutrone fluturojnë nëpër të gjithë lëndën pa u përplasur me asgjë gjatë rrugës. Dhe nëse numri i ndarjeve bërthamore zvogëlohet me kalimin e kohës, atëherë reagimi gradualisht zbehet.
Reaksionet bërthamore dhe masa kritike e uraniumit
Çfarë e përcakton llojin e reagimit? Nga masa e uraniumit. Sa më e madhe të jetë masa, aq më shumë grimca do të takohet neutroni fluturues në rrugën e tij dhe aq më e madhe është mundësia për të hyrë në bërthamë. Prandaj, dallohet një "masë kritike" e uraniumit - kjo është masa minimale në të cilën është i mundur një reaksion zinxhir.
Numri i neutroneve të prodhuara do të jetë i barabartë me numrin e neutroneve që fluturojnë jashtë. Dhe reagimi do të vazhdojë me afërsisht të njëjtën shpejtësi derisa të prodhohet i gjithë vëllimi i substancës. Kjo përdoret në praktikë në termocentralet bërthamore dhe quhet një reaksion bërthamor i kontrolluar.
Diagrami i një bombe bërthamore
Reaksioni zinxhir i ndarjes
Neutronet dytësore të emetuara gjatë ndarjes bërthamore (2.5 për aktin e ndarjes) mund të shkaktojnë akte të reja të ndarjes, gjë që bën të mundur një reaksion zinxhir. Reaksioni zinxhir i ndarjes karakterizohet nga faktori i shumëzimit të neutroneve K, i cili është i barabartë me raportin e numrit të neutroneve në një gjeneratë të caktuar me numrin e tyre në gjeneratën e mëparshme. Një kusht i domosdoshëm për zhvillimin e një reaksioni zinxhir të ndarjes është. Me më pak, reagimi është i pamundur. Kur reaksioni ndodh në një numër konstant të neutroneve (fuqia konstante e energjisë së çliruar). Ky është një reagim i vetë-qëndrueshëm. Në - reagim i lagur. Faktori i shumëzimit varet nga natyra e materialit të zbërthyeshëm, madhësia dhe forma e bërthamës. Masa minimale e materialit të zbërthyer që kërkohet për të kryer një reaksion zinxhir quhet kritik. Për masën kritike është 9 kg, ndërsa rrezja e topit të uraniumit është 4 cm.
Reaksionet zinxhir mund të jenë të kontrolluara ose të pakontrollueshme. Shpërthimi i një bombe atomike është një shembull i një reagimi të pakontrolluar. Ngarkesa bërthamore e një bombe të tillë është dy ose më shumë pjesë pothuajse të pastra ose. Masa e secilës pjesë është më pak se kritike, kështu që një reaksion zinxhir nuk ndodh. Prandaj, që të ndodhë një shpërthim, mjafton që këto pjesë të kombinohen në një pjesë, me një masë më të madhe se ajo kritike. Kjo duhet të bëhet shumë shpejt dhe lidhja e pjesëve duhet të jetë shumë e ngushtë. Përndryshe, ngarkesa bërthamore do të largohet përpara se të ketë kohë për të reaguar. Për lidhje përdoret një eksploziv i zakonshëm. Predha shërben si një reflektor neutron dhe, përveç kësaj, mban ngarkesën bërthamore nga spërkatja derisa numri maksimal i bërthamave të lëshojë të gjithë energjinë gjatë ndarjes. Reaksioni zinxhir në një bombë atomike drejtohet nga neutronet e shpejtë. Gjatë një shpërthimi, vetëm një pjesë e neutroneve të një ngarkese bërthamore kanë kohë për të reaguar. Reaksioni zinxhir çon në çlirimin e energjisë kolosale. Temperatura që zhvillohet arrin gradë. Forca shkatërruese e bombës së hedhur në Hiroshima nga amerikanët ishte e barabartë me shpërthimin e 20,000 tonëve trinitrotoluen. Fuqia e armës së re është qindra herë më e madhe se ajo e së parës. Nëse i shtojmë kësaj se një shpërthim atomik prodhon një numër të madh të fragmenteve të ndarjes, duke përfshirë ato shumë jetëgjata, atëherë bëhet e qartë se çfarë rreziku të tmerrshëm paraqesin këto armë për njerëzimin.
Duke ndryshuar faktorin e shumëzimit të neutronit, mund të arrihet një reaksion zinxhir i kontrolluar. Pajisja në të cilën ndodh një reaksion i kontrolluar quhet reaktor bërthamor. Materiali i zbërthyeshëm është uranium natyral ose i pasuruar. Për të parandaluar kapjen rrezatuese të neutroneve nga bërthamat e uraniumit, blloqe relativisht të vogla të materialit të zbërthyeshëm vendosen në një distancë nga njëri-tjetri, dhe boshllëqet mbushen me një substancë që moderon neutronet (moderator). Neutronet ngadalësohen nga shpërndarje elastike. Në këtë rast, energjia e humbur nga grimca që ngadalësohet varet nga raporti i masave të grimcave që përplasen. Sasia maksimale e energjisë humbet nëse grimcat kanë të njëjtën masë. Deuteriumi, grafiti dhe beriliumi e plotësojnë këtë kusht. Reaktori i parë uranium-grafit u lançua në vitin 1942 në Universitetin e Çikagos nën udhëheqjen e fizikanit të shquar italian Fermi. Për të shpjeguar parimin e funksionimit të reaktorit, le të shqyrtojmë një diagram tipik të një reaktori termik neutron në Fig. 1.
 Fig.1. |
Në bërthamën e reaktorit ka elementë të karburantit 1 dhe moderator 2, i cili ngadalëson neutronet në shpejtësinë termike. Elementet e karburantit (shkopinjtë e karburantit) janë blloqe të materialit të zbërthyer të mbyllur në një guaskë të mbyllur që thith dobët neutronet. Për shkak të energjisë së lëshuar gjatë ndarjes bërthamore, elementët e karburantit nxehen, dhe për këtë arsye, për ftohje, ato vendosen në rrjedhën e ftohësit (3-5 - kanali i ftohësit). Bërthama është e rrethuar nga një reflektor që redukton rrjedhjen e neutronit. Reaksioni zinxhir kontrollohet nga shufra të posaçme kontrolli të bëra nga materiale që thithin fuqishëm neutronet. Parametrat e reaktorit llogariten në mënyrë që kur shufrat të futen plotësisht, reagimi padyshim nuk ndodh. Ndërsa shufrat hiqen gradualisht, faktori i shumëzimit të neutronit rritet dhe në një pozicion të caktuar arrin unitet. Në këtë moment reaktori fillon të funksionojë. Ndërsa reaktori funksionon, sasia e materialit të zbërthyeshëm në bërthamë zvogëlohet dhe ai kontaminohet me fragmente të ndarjes, të cilat mund të përfshijnë absorbues të fortë neutron. Për të parandaluar ndalimin e reagimit, shufrat e kontrollit hiqen gradualisht nga bërthama duke përdorur një pajisje automatike. Një kontroll i tillë i reaksioneve është i mundur për shkak të ekzistencës së neutroneve të vonuara të emetuara nga bërthamat e zbërthyeshme me një vonesë deri në 1 minutë. Kur karburanti bërthamor digjet, reagimi ndalet. Përpara se reaktori të rindizet, karburanti bërthamor i djegur hiqet dhe ngarkohet karburanti i ri. Reaktori ka gjithashtu shufra emergjence, futja e të cilave ndalon menjëherë reagimin. Një reaktor bërthamor është një burim i fuqishëm i rrezatimit depërtues, afërsisht herë më i lartë se standardet sanitare. Prandaj, çdo reaktor ka mbrojtje biologjike - një sistem ekranesh të bërë nga materiale mbrojtëse (për shembull, betoni, plumbi, uji) - i vendosur prapa reflektorit të tij dhe një telekomandë.
Për herë të parë energjia bërthamore u përdor për qëllime paqësore në BRSS. Në Obninsk në 1954, nën udhëheqjen e Kurchatov, u vu në punë termocentrali i parë bërthamor me një kapacitet prej 5 MW.
Sidoqoftë, reaktorët termikë të neutroneve të uraniumit mund të zgjidhin problemin e furnizimit me energji elektrike në një shkallë të kufizuar, e cila përcaktohet nga sasia e uraniumit.
Mënyra më premtuese për të zhvilluar energjinë bërthamore është zhvillimi i reaktorëve të shpejtë të neutronit, të ashtuquajturit reaktorë riprodhues. Një reaktor i tillë prodhon më shumë karburant bërthamor sesa konsumon. Reaksioni vazhdon me neutrone të shpejta, kështu që jo vetëm, por edhe mund të marrë pjesë në të, gjë që shndërrohet në. Kjo e fundit mund të ndahet kimikisht nga. Ky proces quhet rritja e karburantit bërthamor. Në reaktorët e veçantë të rritjes, faktori i rritjes së karburantit bërthamor tejkalon një. Bërthama e mbarështuesve është një aliazh i uraniumit të pasuruar me izotop me një metal të rëndë që thith pak neutrone. Reaktorët Breeder nuk kanë një moderator. Kontrolli i reaktorëve të tillë duke lëvizur reflektorin ose duke ndryshuar masën e materialit të zbërthyeshëm.
EKUACIONI I REAKSIONIT ZINXIROR. KLASIFIKIMI I NEURONEVE
PAJISJA DHE PARIMI I FUNKSIONIMIT TË NJË NUMËRI I SHKARKJES SË GAZIT
STRUKTURA DHE PARIMI I FUNKSIONIMIT TE DHOMES SE JONIZIMIT
Në varësi të tensionit të furnizuar, detektori mund të funksionojë në modalitetin e dhomës së jonizimit, një numërues proporcional dhe në modalitetin e numëruesit Geiger-Muller.
Detektori më i thjeshtë i jonizimit është dhoma e jonizimit , i cili është një kondensator i përbërë nga dy pllaka paralele, hapësira ndërmjet të cilave është e mbushur me ajër ose gaz. Në elektroda aplikohet një tension prej rreth 100 volt, i cili korrespondon me 1 seksion të karakteristikës së tensionit aktual. Në mungesë të rrezatimit jonizues, hendeku midis elektrodave është një dielektrik dhe nuk ka rrymë në qark.
Kur ekspozohen ndaj rrezatimit jonizues midis elektrodave, molekulat dhe atomet e gazit jonizohen dhe formohen jone pozitive dhe negative. Jonet negative lëvizin drejt elektrodës pozitive, dhe jonet pozitive anasjelltas. Një rrymë lind në qark. Tensioni ndërmjet elektrodave zgjidhet në mënyrë që të gjithë jonet e formuara të arrijnë tek elektroda pa pasur kohë për t'u rikombinuar, por edhe të mos përshpejtohen në atë masë sa të shkaktojnë jonizimin dytësor.
Dhomat e jonizimit janë të lehta për t'u përdorur dhe karakterizohen nga efikasitet i lartë i regjistrimit, por disavantazhet janë ndjeshmëria e ulët. Tensioni i furnizuar në elektrodat e dhomës së jonizimit duhet të jetë rreth 100 V.
Matësi i shkarkimit të gazitështë cilindër metalik ose qelqi, sipërfaqja e brendshme është e veshur me metal, që është katoda. Një fije e hollë metalike me diametër rreth 100 mikron, që është anoda, shtrihet përgjatë boshtit të cilindrit.
Matësit proporcionalë funksionojnë në tensione që korrespondojnë me seksionin 2 të karakteristikës së tensionit aktual. Në një tension prej 100-1000 V, një forcë e lartë e fushës elektrike krijohet midis elektrodave dhe jonet primare që rezultojnë krijojnë jonizimin sekondar të atomeve dhe molekulave të gazit. Në matës të tillë, vlera aktuale varet nga niveli i rrezatimit jonizues.
Numëruesit Geiger-Muller funksionojnë në seksionin e 3-të të karakteristikës së tensionit aktual në tensione që tejkalojnë 1000 V. Nën veprimin e rrezatimit jonizues, në hapësirën midis elektrodave formohen jone pozitive dhe elektrone negative, të cilat duke lëvizur drejt anodës, krijojnë jonizimi sekondar. Për shkak të forcës së lartë të fushës elektrike pranë anodës, e lidhur me sipërfaqen e saj të vogël, elektronet dytësore përshpejtohen aq shumë sa që rijonizojnë gazin. Numri i elektroneve rritet si një ortek, ndodh një shkarkesë korona, e cila funksionon pas ndërprerjes së rrezatimit jonizues. Ngarkesa ndërpritet duke ndezur një rezistencë të madhe prej 1 MOhm.
Numëruesit Geiger-Muller karakterizohen nga efikasiteti i lartë i regjistrimit dhe amplituda e madhe e sinjalit (rreth 40 volt). Disavantazhet: rezolucion i ulët dhe kohë e gjatë rikuperimi.
Ekuacioni i reaksionit zinxhir:
ku K është numri i neutroneve dytësore (2-3); q – energji termike
Reaksioni zinxhir bërthamorështë se nën ndikimin e neutroneve bërthamat e një atomi të uraniumit prishen në bërthama më të lehta të quajtura fragmente të ndarjes . Në këtë rast, neutronet sekondare dhe lirohet energji termike. Neutronet dytësore që prekin përsëri bërthamat e uraniumit çojnë në ndarjen e tyre me formimin e neutroneve të reja dhe lirimin e energjisë. Procesi përsëritet, zhvillohet si një ortek dhe mund të çojë në një shpërthim bërthamor.
Megjithatë, kjo paraqitje e një reaksioni bërthamor idealizohet, sepse Si rezultat i kapjes së neutroneve nga papastërtitë dhe ikjes së neutroneve nga rajoni aktiv, reaksioni bërthamor mund të prishet.
Për të karakterizuar proceset që ndodhin në një reaksion bërthamor, prezantohet koncepti faktori i shumëzimit K , e cila është e barabartë me raportin e numrit të neutroneve në një kohë të caktuar me numrin e neutroneve në kohën e mëparshme.
K > 1 Reaksioni bërthamor po rritet dhe mund të çojë në një shpërthim
TE< 1 Ядерная реакция затухает
K = 1 Reaksioni bërthamor vazhdon në mënyrë të qëndrueshme
Klasifikimi i neutroneve në varësi të energjisë së tyre:
KUSHTET PËR NJË REAGIM BËRTHAMOR:
1) Uraniumi duhet pastruar nga papastërtitë dhe produktet e kalbjes;
2) Në një reaksion të shpejtë të zinxhirit neutron, është i nevojshëm pasurimi i uraniumit natyror, ku përqendrimi i tij është 0,7% në një përqendrim prej 15%.
3) Në një reaksion zinxhir me neutrone termike, është e nevojshme të shmanget kapja rezonante e një neutroni nga uraniumi-238. Për këtë qëllim, përdoren moderatorë të bërë nga grafiti.
4) Sistemi i karburantit bërthamor dhe i moderatorit duhet të jetë i alternuar, d.m.th. heterogjene.
5) Sistemi duhet të jetë sferik;
6) Për të kryer një reaksion bërthamor duhet të ketë një sasi të mjaftueshme karburanti bërthamor. Vlera minimale e karburantit bërthamor në të cilën ende ndodh një reaksion bërthamor quhet masë kritike.