Ланцюгова реакція поділу

Ланцюгова реакція поділу

Головна | Про нас | Зворотній зв'язок

До початку 40-х років двадцятого століття було доведено, що при опроміненні урану нейтронами утворюються елементи з середини Періодичної системи - лантан і барій. Цей результат поклав початок ядерних реакцій абсолютно нового типу - реакцій поділу ядра, що полягає в тому, що важке ядро ​​під дією нейтронів, а як згодом виявилося і інших частинок, ділиться на кілька легших ядер (осколків), найчастіше на два ядра, близьких по масі.

Особливістю розподілу ядер є те, що воно супроводжується випусканням двох-трьох вторинних нейтронів, званих нейтронами ділення. Так як для середніх ядер число нейтронів приблизно дорівнює числу протонів, а для важких ядер число нейтронів значно перевищує число протонів, то утворилися осколки поділу перевантажені нейтронами, в результаті чого вони і виділяють нейтрони ділення. Однак випускання нейтронів поділу не усуває повністю перевантаження ядер-осколків нейтронами. Це призводить до того, що осколки виявляються радіоактивними. Вони можуть зазнати ряд # 946; - -перетворення, супроводжуваних випусканням g-квантів. Так як # 946; - розпад супроводжується перетворенням нейтрона в протон, то після ланцюжка # 946; - перетворень співвідношення між нейтронами і протонами в уламку досягне величини, що відповідає стабільному ізотопу.

Більшість нейтронів при розподілі випускається практично миттєво (# 964; <10 -14 с), а часть (около 0,7%) испускается осколками деления спустя некоторое время после деления (0,05 с

Розрахунки показують, що поділ ядер має супроводжуватися також виділенням великої кількості енергії. Справді, питома енергія зв'язку для ядер середньої маси становить приблизно 8,7 МеВ, в той час як для важких ядер вона дорівнює 7,6 МеВ. Отже, при розподілі важкого ядра на два осколки повинна звільнятися енергія, рівна приблизно 1,1 МеВ на один нуклон.

Експерименти підтверджують, що при кожному акті поділу дійсно виділяється величезна енергія, яка розподіляється між осколками (основна частка), нейтронами ділення, а також між продуктами подальшого розпаду осколків розподілу.

В основу теорії розподілу атомних ядер покладена крапельна модель ядра. Ядро розглядається як крапля електрично зарядженою нестисливої ​​рідини (з щільністю, рівною ядерної, і підкоряється законам квантової механіки), частки якої при попаданні нейтрона в ядро ​​приходячи в коливальний рух, в результаті чого ядро ​​розривається на дві частини, що розлітаються з величезною енергією.

Імовірність поділу ядер визначається енергією нейтронів. Наприклад, якщо високоенергетичних нейтрони викликають поділ практично всіх ядер, то нейтрони з енергією в декілька мегаелектрон-вольт - тільки важких ядер (А> 210). Нейтрони, що володіють енергією активації (мінімальної енергією, необхідною для здійснення реакції поділу ядра) близько 1 МеВ, викликають поділ ядер U урану, торію Th, протактиния і плутонію. Тепловими нейтронами діляться ядра U, Рu і U і Th (два останніх ізотопу в природі не зустрічаються, вони виходять штучним шляхом).

Електрони, що випускаються при розподілі ядер вторинні нейтрони можуть викликати нові акти поділу, що робить можливим здійснення ланцюгової реакції поділу - ядерної реакції, в якій, які призводять до реакцію, утворюються як продукти цієї реакції. Ланцюгова реакція поділу характеризується коефіцієнтом розмноження k. нейтронів, який дорівнює відношенню числа нейтронів в даному поколінні до їх числа в попередньому поколінні. Необхідною умовою для розвитку ланцюгової реакції поділу є вимога k> 1.

Виявляється, що не всі утворюються вторинні нейтрони викликають подальший поділ ядер, що призводить до зменшення коефіцієнта розмноження. По-перше, через кінцевих розмірів активної зони (простір, де відбувається ланцюгова реакція) і великий проникаючої здатності нейтронів частина з них покине активну зону раніше, ніж буде захоплена яким-небудь ядром. По-друге, частина нейтронів захоплюється ядрами неделящихся домішок, завжди присутніх в активній зоні. Крім того, поряд з розподілом можуть мати місце конкуруючі процеси радіаційного захоплення і непружного розсіяння.

Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, а для цього ізотопу від його кількості, а також розмірів і форми активної зони. Мінімальні розміри активної зони, при яких можливе здійснення ланцюгової реакції, називаються критичними розмірами. Мінімальна маса речовини, що знаходиться в системі критичних розмірів, необхідна для здійснення ланцюгової реакції, називається критичною масою.

Швидкість розвиток ланцюгових реакцій різна. При k> 1 йде розвивається реакція, число поділок безперервно зростає і реакція може стати вибуховою. При k = 1 йде самопідтримується реакція, при якій число нейтронів з плином часу не змінюється. при k <1 идет затухающая реакция.

Ланцюгова реакція діляться на керовані і некеровані. Вибух атомної бомби, наприклад, є некерованою реакцією. Щоб атомна бомба при зберіганні не вибухнула, в ній U (або Рu) ділиться на дві віддалені одна від одної частини з масами нижче критичних. Потім за допомогою звичайного вибуху ці маси зближуються, загальна маса речовини стає більше критичної і виникає вибухова ланцюгова реакція, що супроводжується миттєвим виділенням великої кількості енергії і великими руйнуваннями. Вибухова реакція починається за рахунок наявних нейтронів спонтанного поділу або нейтронів космічного випромінювання. Керовані ланцюгові реакції здійснюються в ядерних реакторах.

У природі є три ізотопи, які можуть служити ядерним паливом (U: в природному урані його міститься приблизно 0,7%) або сировиною для його отримання (U і Th: в природному урані його міститься приблизно 99,3%). Th служить вихідним продуктом для отримання штучного ядерного палива U, а U, поглинаючи нейтрони, за допомогою двох послідовних # 946; - розпадів - для перетворення в ядро ​​Рu.

36.8. Ядерна енергетика

Велике значення в ядерній енергетиці набуває не тільки здійснення ланцюгової реакції поділу, а й управління нею. Пристрої, в яких здійснюється і підтримується керована цінна реакція поділу, називаються ядерними реакторами.

Для пояснення роботи реактора розглянемо принцип дії реактора на теплових нейтронах (ріс.36.1). В активній зоні реактора розташовані тепловиділяючі елементи 7 і сповільнювач 2, в якому нейтрони сповільнюються до теплових швидкостей. Тепловиділяючі елементи (твели) представляють собою блоки з ділиться матеріалу, укладені в герметичну оболонку, слабо поглинає нейтрони. За рахунок енергії, що виділяється при поділі ядер, твели розігріваються, а тому для охолодження вони поміщаються в потік теплоносія (3 - канал для протоки теплоносія). Активна зона оточується відбивачем 4, що зменшує витік нейтронів.

Управління ланцюговою реакцією здійснюється спеціальними керуючими стрижнями 5 з матеріалів, сильно поглинаючих нейтрони (наприклад, В, Сd). Параметри реактора розраховуються так, що при повністю вставлених стрижнях реакція свідомо не йде, при поступовому вийманні стрижнів коефіцієнт розмноження нейтронів зростає і при деякому їх положенні приймає значення, рівне одиниці. У цей момент реактор починає працювати. У міру його роботи кількість ділиться матеріалу в активній зоні зменшується і відбувається її забруднення осколками поділу, серед яких можуть бути сильні поглинача нейтронів. Щоб реакція не припинилася, з активної зони за допомогою автоматичного пристрою поступово витягуються керуючі (а часто спеціальні компенсуючі) стрижні. Подібне управління реакцією можливо завдяки існуванню запізнілих нейтронів, що випускаються діляться ядрами з запізненням до 1 хв. Коли ядерне паливо вигоряє, реакція припиняється. До нового запуску реактора вигоріле ядерне паливо витягають і завантажують нове. У реакторі є також аварійні стрижні, введення яких при раптовому збільшенні інтенсивності реакції негайно її обриває.

Ядерний реактор є потужним джерелом проникаючої радіації (нейтрони, # 947;-випромінювання), приблизно в 10 11 разів перевищує санітарні норми. Тому будь-який реактор має біологічний захист - систему екранів із захисних матеріалів (наприклад, бетон, свинець, вода), що розташовується за його відбивачем, і пульт дистанційного керування.