Что такое цепная реакция деления

Содержание:

Лавинообразное появление новых ядер в уране возможно только для изотопа 235U. Впервые о явлении заговорили в 1934 благодаря работам Жолио-Кюри. Они, в 1939 году, вместе с Коварски провели бомбардировку урана и, кроме осколков деления, обнаружили высвобождение 2-3 нейтронов. При попадании в другие ядра последние снова делятся с выделением уже 6-9 элементарных частиц.

В процессе исследований и экспериментов Ферми, супруги Кюри, Штрассман, Фриш, Ган установили: попавший в ядро 235U нейтрон делит его в два-три раза. Вследствие распада выделяется около 200 МэВ энергии, 165 МэВ уходит на перемещение так называемых осколков, остальную с собой уносят гамма-кванты.

При распаде 1 кг 235-го изотопа урана высвобождается 80*10 12 Дж энергии – в миллионы больше, чем 1 кг сожжённого каменного угля. С середины XX века начали вести работы по освобождению и обузданию этого энергетического потенциала для получения электрической энергии.

Проблемы при протекании ЦЯРД

Энергии высвободившихся нейтронов достаточно для расщепления 235U, на долю которого припадает около 0,7% встречающегося в природе урана. Элемента с массовым числом 238 – свыше 99%. Для протекания ЦЯРД нужно несколько десятков килограмм очищенного или обогащённого 235U, иначе практически вся энергия нейтронов уходит на столкновение с ураном-238.

Вторая беда – неуправляемость процессом. В области деления урана температура повышается до миллионов градусов, мгновенно испаряя все вещества вокруг. Образуется раскалённый газообразный шар, сносящий и сжигающий всё вокруг. Контролировать процесс научились благодаря установкам, названным ядерными реакторами.

Источник

Цепные ядерные реакции.

Ядерные цепные реакции — это ядерные реакции, в которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Такой реакцией является деление урана и некоторых транс­урановых 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 сред­нее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось со временем, или что­бы 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 ядер­ной 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.

Образование плутония. В результате захвата изотопом урана нейтрона образуется радиоактивный изотоп с периодом полураспада 23 мин. При распаде возникает первый трансура­новый 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 г ядер урана выделяется такая же энергия, как при сжига­нии 3 т угля или 2,5 т нефти.

Источник

Что такое цепная реакция деления

Рис.1. Энергетический спектр нейтронов, испущенных при делении тепловыми нейтронами ядра 235 U

.

(4)

где верхний индекс указывает массовое число соответствующего изотопа урана. Вероятность того, что нейтрон, поглотившись в естественной смеси, вызовет деление, равна

.

Умножив эту вероятность на число ν нейтронов, вылетающих в среднем при делении одного ядра, мы получим по аналогии с (3) коэффициент η ест для естественной смеси:

Для тепловых нейтронов = 2.47, = 580 барн, = 112 барн, = 2.8 барн (обратите внимание на малость последнего сечения). Подставив эти цифры в (5), мы получим, что для медленных нейтронов в естественной смеси

Это означает, что 100 тепловых нейтронов, поглотившись в естественной смеси, создадут 132 новых нейтрона. Отсюда прямо следует, что цепная реакция на медленных нейтронах в принципе возможна на естественном уране. В принципе, потому что для реального осуществления цепной реакции надо уметь замедлять нейтроны с малыми потерями.
Для быстрых нейтронов ν = 2.65, 2 барн, 0.1 барн. Если учитывать деление только на изотопе 235 U, получим

Но надо еще учесть, что быстрые нейтроны с энергиями больше 1 МэВ могут с заметной относительной интенсивностью делить и ядра изотопа 238 U, которого в естественной смеси очень много. Для деления на 238 U коэффициент равен примерно 2.5. В спектре деления примерно 60% нейтронов имеют энергии выше эффективного порога 1.4 МэВ деления на 238 U. Но из этих 60% только один нейтрон из 5 успевает произвести деление, не замедлившись до энергии ниже пороговой за счет упругого и особенно неупругого рассеяния. Отсюда для коэффициента 238 (быстр.) получается оценка

Полный коэффициент η ест для быстрой реакции равен сумме:

Таким образом, на быстрых нейтронах цепная реакция в естественной смеси ( 235 U + 238 U) идти не может. Экспериментально установлено, что для чистого металлического урана коэффициент размножения достигает значения единицы при обогащении 5.56%. Практически оказывается, что реакцию на быстрых нейтронах можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не меньше 15% изотопа 235 U.
Естественную смесь изотопов урана можно обогащать изотопом 235 U. Обогащение является сложным и дорогостоящим процессом из-за того, что химические свойства обоих изотопов почти одинаковы. Приходится пользоваться небольшими различиями в скоростях химических реакций, диффузии и др., возникающими вследствие различия масс изотопов. Цепную реакцию на 235 U практически всегда осуществляют в среде с большим содержанием 238 U. Часто используется естественная смесь изотопов, для которой η = 1.32 в области тепловых нейтронов, так как 238 U также полезен. Изотоп 238 U делится нейтронами с энергией выше 1 МэВ. Это деление приводит к небольшому дополнительному размножению нейтронов.
Сравним цепные реакции деления на тепловых и быстрых нейтронах.
У тепловых нейтронов сечения захвата велики и сильно меняются при переходе от одного ядра к другому. На ядрах некоторых элементов (например, на кадмии) эти сечения в сотни и более раз превосходят сечения на 235 U. Поэтому к активной зоне установок на тепловых нейтронах предъявляются требования высокой чистоты по отношению к некоторым примесям.
Для быстрых нейтронов все сечения захвата малы и не так уж сильно отличаются друг от друга, так что проблемы высокой чистоты материалов не возникает. Другим преимуществом быстрых реакций является более высокий коэффициент воспроизводства.
Важное отличительное свойство тепловых реакций состоит в том, что в активной зоне топливо значительно сильнее разбавлено, т. е. на одно ядро топлива приходится значительно больше не участвующих в делении ядер, чем в быстрой реакции. Например, в тепловой реакции на естественном уране на ядро топлива 235 U приходится 140 ядер сырья 238 U, а в быстрой реакции на ядро 235 U может приходиться не более пяти-шести ядер 238 U. Разбавленность топлива в тепловой реакции приводит к тому, что одна и та же энергия в тепловой реакции выделяется в значительно большем объеме вещества, чем в быстрой. Тем самым из активной зоны тепловой реакции легче отводить тепло, что позволяет осуществлять эту реакцию с большей интенсивностью, чем быструю.
Время жизни одного поколения нейтронов для быстрой реакции на несколько порядков меньше, чем для тепловой. Поэтому скорость протекания быстрой реакции может заметно измениться через очень короткое время после изменения физических условий в активной зоне. При нормальной работе реактора этот эффект несуществен, поскольку в этом случае режим работы определяется временами жизни запаздывающих, а не мгновенных нейтронов.
В однородной среде, состоящей только из делящихся изотопов одного вида, коэффициент размножения был бы равен η. Однако в реальных ситуациях, кроме делящихся ядер, всегда присутствуют другие, неделящиеся. Эти посторонние ядра будут захватывать нейтроны и тем самым влиять на коэффициент размножения. Отсюда следует, что третьей величиной, определяющей коэффициенты k_∞, k, является вероятность того, что нейтрон не будет захвачен одним из неделящихся ядер. В реальных установках “посторонний” захват идет на ядрах замедлителя, на ядрах различных конструктивных элементов, а также на ядрах продуктов деления и продуктов захвата.
Для осуществления цепной реакции на медленных нейтронах в активную зону вводят специальные вещества – замедлители, которые превращают нейтроны деления в тепловые. На практике цепная реакция на медленных нейтронах осуществляется на естественном или слегка обогащенном изотопом 235 U уране. Присутствие большого количества изотопа 238 U в активной зоне усложняет процесс замедления и делает необходимым предъявление высоких требований к качеству замедлителя. Жизнь одного поколения нейтронов в активной зоне с замедлителем приближенно можно разбить на две стадии: замедление до тепловых энергий и диффузия с. тепловыми скоростями до поглощения. Для того чтобы основная часть нейтронов успела замедлиться без поглощения, необходимо выполнение условия

Рис. 2. Сечение радиационного захвата нейтронов ядрами изотопа урана 238 U в резонансной области энергий

где σ_упр, σ_захв – усредненные по энергиям сечения соответственно упругого рассеяния и захвата, а n – число столкновений нейтрона с ядрами замедлителя, необходимое для достижения тепловой энергии. Число n быстро растет с ростом массового числа замедлителя. Для урана 238 U число n имеет порядок нескольких тысяч. А отношение σ_упр/σ_захв для этого изотопа даже в сравнительно благоприятной области энергий быстрых нейтронов не превышает 50. Особенно же “опасна” в отношении захвата нейтронов так называемая резонансная область от 1 кэВ до 1 эВ. В этой области полное сечение взаимодействия нейтрона с ядрами 238 U имеет большое число интенсивных резонансов (рис. 2). При низких энергиях радиационные ширины превышают нейтронные. Поэтому в области резонансов отношение σ_упр/σ_захв становится даже меньше единицы. Это означает, что при попадании в область одного из резонансов нейтрон поглощается практически со стопроцентной вероятностью. А так как замедление на таком тяжелей ядре, как уран, идет “мелкими шагами”, то при прохождении через резонансную область замедляющийся нейтрон обязательно “наткнется” на один из резонансов и поглотится. Отсюда следует, что на естественном уране без посторонних примесей цепную реакцию осуществить нельзя: на быстрых нейтронах реакция не идет из-за малости коэффициента η, а медленные нейтроны не могут образоваться, Для того чтобы избежать резонансного захвата нейтрона, надо использовать для замедления очень легкие ядра, на которых замедление идет “крупными шагами”, что резко увеличивает вероятность благополучного “проскакивания” нейтрона через резонансную область энергий. Наилучшими элементами-замедлителями являются водород, дейтерий, бериллий, углерод. Поэтому используемые на практике замедлители в основном сводятся к тяжелой воде, бериллию, окиси бериллия, графиту, а также обычной воде, которая замедляет нейтроны не хуже тяжелой воды, но поглощает их в гораздо большем количестве. Замедлитель должен быть хорошо очищен. Заметим, что для осуществления медленной реакции замедлителя должно быть в десятки, а то и в сотни раз больше, чем урана, чтобы предотвратить резонансные столкновения нейтронов с ядрами 238 U.

Рис. 3. Схема цепной реакции в среде с замедлителем

Замедляющие свойства активной среды приближенно могут быть описаны тремя величинами: вероятностью нейтрону избежать поглощения замедлителем во время замедления, вероятностью р избежать резонансного захвата ядрами 238 U и вероятностью f тепловому нейтрону поглотиться ядром горючего, а не замедлителя. Величина f называется обычно коэффициентом теплового использования. Точный расчет этих величин сложен. Обычно для их вычисления пользуются приближенными полуэмпирическими формулами.

Рис. 4. Схема расположения ядерного горючего и замедлителе в активной зоне гетерогенной системы. 1 – блоки ядерного горючего, 2 – замедлитель

Величины p и f зависят не только от относительного количества замедлителя, но и от геометрии его размещения в активной зоне. Активная зона, состоящая из однородной смеси урана и замедлителя, называется гомогенной, а система их чередующихся блоков урана и замедлителя называется гетерогенной (рис. 4). Качественно гетерогенная система отличается тем, что в ней образовавшийся в уране быстрый нейтрон успевает уйти в замедлитель, не достигнув резонансных энергий. Дальнейшее замедление идет уже в чистом замедлителе. Это повышает вероятность p избежать резонансного захвата

С другой стороны, наоборот, став в замедлителе тепловым, нейтрон должен для участия в цепной реакции продиффундировать, не поглотившись в чистом замедлителе, до его границы. Поэтому коэффициент теплового использования f в гетерогенной среде ниже, чем в гомогенной:

Эти две реакции открывают реальную возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе течения цепной реакции. В идеальном случае, т. е. при отсутствии ненужных потерь нейтронов, на воспроизводство может идти в среднем – 1 нейтронов на каждый акт поглощения нейтрона ядром горючего.

Ядерные (атомные) реакторы

Источник

Цепная реакция деления

Смотреть что такое «Цепная реакция деления» в других словарях:

цепная реакция деления — Последовательность реакции деления ядер тяжелых атомов при взаимодействии их с нейтронами или другими элементарными частицами, в результате которых образуются более легкие ядра, новые нейтроны или другие элементарные частицы и выделяется ядерная… … Справочник технического переводчика

цепная реакция деления — dalijimosi grandininė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. fission chain reaction vok. Spaltkettenreaktion, f; Spaltungskettenreaktion, f rus. цепная реакция деления, f pranc. réaction en chaîne de fission, f … Fizikos terminų žodynas

цепная реакция деления — grandininė dalijimosi reakcija statusas T sritis apsauga nuo naikinimo priemonių apibrėžtis Atomo branduolių, veikiamų neutronais, dalijimosi reakcija, kurios kiekviename etape išsiskiria po 2–3 neutronus, kurie užtikrina staigų reakcijos… … Apsaugos nuo naikinimo priemonių enciklopedinis žodynas

цепная реакция деления ядер — grandininė branduolinė reakcija statusas T sritis Energetika apibrėžtis Branduolių dalijimosi reakcija, kurią sukelia neutronai, susidarę ankstesnio dalijimosi metu. atitikmenys: angl. nuclear fission chain reaction vok. nukleare Kettenreaktion,… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Самоподдерживающаяся цепная реакция деления — 23. Самоподдерживающаяся цепная реакция деления процесс деления ядер нуклидов, при котором число нейтронов, образующихся в процессе деления ядер за какой либо интервал времени, равно или больше числа нейтронов, убывающих из системы вследствие… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

Самоподдерживающаяся цепная реакция деления — цепная реакция в среде, для которой коэффициент размножения k >= 1. Термины атомной энергетики. Концерн Росэнергоатом, 2010 … Термины атомной энергетики

самоподдерживающаяся цепная реакция деления — Цепная реакция в среде, для которой коэффициент размножения k >= 1. [http://pripyat.forumbb.ru/viewtopic.php?id=25] Тематики атомная энергетика в целом … Справочник технического переводчика

Самоподдерживающаяся цепная реакция деления (СЦР) — 2.1. Самоподдерживающаяся цепная реакция деления (СЦР) процесс деления ядер нуклидов, при котором число нейтронов, образующихся в процессе деления ядер за какой либо интервал времени, равно или больше числа нейтронов, убывающих из системы… … Словарь-справочник терминов нормативно-технической документации

управляемая цепная реакция деления ядер — valdomoji grandininė branduolių skilimo reakcija statusas T sritis Energetika apibrėžtis Ankstesniųjų skilimų metu atsipalaidavusių neutronų inicijuotų branduolių skilimo reakcijų seka, kurios intensyvumas valdomas keičiant skilimo reakcijoje… … Aiškinamasis šiluminės ir branduolinės technikos terminų žodynas

Источник

Цепная реакция – схема деления кратко

Важнейшим процессом, за счет которого можно получать энергию распада тяжелых ядер, является цепная реакция деления. Кратко рассмотрим это явление.

Деление тяжелых ядер

Чем больше нуклонов содержит ядро, тем труднее ядерным силам сдерживать силы кулоновского отталкивания. Элементы тяжелее висмута имеют уже такой большой заряд ядра, что при малейшем внешнем воздействии ядро теряет стабильность и распадается на несколько частей.

Например, при попадании нейтрона в ядро урана, нейтрон захватывается ядром (он не испытывает кулоновского отталкивания), однако, ядро при этом получает дополнительную энергию, внутри возникают колебания и напряжения, в результате чего ядерных сил становится недостаточно, чтобы удерживать части ядра вместе, и ядро распадается на несколько осколков.

Рис. 1. Деление одного ядра урана.

Механизм цепной реакции

Чем тяжелее ядро, тем большую часть среди нуклонов занимают нейтроны. Поскольку они не имеют заряда и не испытывают кулоновского отталкивания, для тяжелых ядер они являются «стабилизирующим» фактором.

Однако, легким ядрам большое число нейтронов не требуется. В результате при распаде тяжелого ядра урана на несколько осколков, образуется некоторый избыток нейтронов, которые свободно покидают зону распада.

Эти образующиеся нейтроны играют ключевую роль в схеме образования цепной реакции. Поскольку нейтроны образуются внутри некоторой массы урана, они часто сталкиваются с другими ядрами. В результате таких столкновений другие ядра, в свою очередь также теряют стабильность, и испытывают распад, также освобождая новые нейтроны.

Рис. 2. Цепная реакция деления ядер урана.

Коэффициент размножения нейтронов

Для цепной реакции не требуется, чтобы все возникающие нейтроны обязательно вызывали распады ядер с образованием новых нейтронов. Важно лишь среднее число нейтронов, постоянно участвующих в таких распадах. И это число определяется специальным коэффициентом.

Цепная реакция может продолжаться только в том случае, если коэффициент размножения нейтронов не меньше единицы:

Если коэффициент размножения нейтронов меньше единицы, то число нейтронов в каждом новом поколении будет меньше, чем в предыдущем, и рано или поздно их станет так мало, что новые ядра перестанут распадаться. Цепная реакция прекратится.

Если этот коэффициент близок единице, то в каждом поколении количество нейтронов будет одинаково, цепная реакция будет продолжаться с одинаковой скоростью. Так происходит на атомных электростанциях.

Рис. 3. Атомная электростанция.

Что мы узнали?

Нейтрон, попадающий в ядро урана, вызывает его распад. При этом образуются несколько осколков и новые нейтроны. Эти новые нейтроны вызывают распад других ядер, которые, в свою очередь также испускают новые нейтроны. Данный процесс называется цепной ядерной реакцией.

Источник