Как происходит цепная реакция. Цепные ядерные реакции

Цепная ядерная реакция

Цепна́я я́дерная реа́кция - последовательность единичных ядерных реакций , каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами , полученными при делении ядер в предыдущем поколении.

Механизм энерговыделения

Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергий. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер , для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии - энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.

Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога , ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций , такое повышение обычно составляет сотни кельвинов, в случае же ядерных реакций - это минимум 10 7 К из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).

Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счет неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются как продукты экзоэнергетической реакции.

Цепные реакции

Цепные реакции широко распространены среди химических реакций, где роль частиц с неиспользованными связями выполняют свободные атомы или радикалы . Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны , не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой . Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.

Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления. Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объёму вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.

Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием . Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.

Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для 235 U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно 2,5). Следовательно, процесс деления может породить разветвленную цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления, вылетов из реакционного объёма и т. д.) компенсирует скорость размножения нейтронов таким образом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратных связей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется, например, в ядерной энергетике . Если коэффициент размножения больше единицы, цепная реакция развивается экспоненциально; неуправляемая цепная реакция деления используется в ядерном оружии .

См. также

Цепная химическая реакция

Литература

Климов А. Н. Ядерная физика и ядерные реакторы. - М. Атомиздат, .
Левин В. Е. Ядерная физика и ядерные реакторы / 4-е изд. - М.: Атомиздат, .
Петунин В. П. Теплоэнергетика ядерных установок. - М.: Атомиздат, .

Wikimedia Foundation . 2010 .

Смотреть что такое "Цепная ядерная реакция" в других словарях:

Chain nuclear reaction последовательность ядерных реакций, возбуждаемых частицами (например, нейтронами), рождающимися в каждом акте реакции. В зависимости от среднего числа реакций, следующих за одной предыдущей меньшего, равного или… … Термины атомной энергетики

цепная ядерная реакция - Последовательность ядерных реакций, возбуждаемых частицами (например, нейтронами), рождающимися в каждом акте реакции. В зависимости от среднего числа реакций, следующих за одной предыдущей меньшего, равного или превосходящего единицу реакция… …

цепная ядерная реакция - grandininė branduolinė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. nuclear chain reaction vok. Kettenkernreaktion, f rus. цепная ядерная реакция, f pranc. réaction en chaîne nucléaire, f; réaction nucléaire en chaîne, f … Fizikos terminų žodynas

Реакция деления атомных ядер тяжёлых элементов под действием нейтронов, в каждом акте к рой число нейтронов возрастает, так что может возникнуть самоподдерживающийся процесс деления. Напр., при делении одного ядра изотопа урана 235U под действием … Большой энциклопедический политехнический словарь

Цепная ядерная реакция - реакция деления атомных ядер под действием нейтронов, в каждом акте которой испускается не менее одного нейтрона, что обеспечивает поддержание реакции. Используется как источник энергии в ядерных зарядах (взрывная Ц. я. р.) и ядерных реакторах… … Словарь военных терминов

цепная ядерная реакция деления на нейтронах - — [А.С.Гольдберг. Англо русский энергетический словарь. 2006 г.] Тематики энергетика в целом EN divergent reaction … Справочник технического переводчика

Самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция - 7. Самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция СЦР Цепная ядерная реакция, характеризующаяся значением эффективного коэффициента размножения, превышающим или равным единице

В которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Такой реакцией является деление урана и некоторых транс-урановых элементов (например, 23 9 Pu ) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена Э. Ферми в 1942 г. После открытия деления ядер У. Зинн, Л. Силард и Г. Н. Флеров показали, что при делении ядра урана U вылетает больше одного нейтрона: n + U → А + В + v . Здесь А и В — осколки деления с массовыми числами А от 90 до 150, v — число вторичных нейтронов.

Коэффициент размножения нейтронов . Для течения цепной реакции необходимо, чтобы сред-нее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось со временем, или что-бы коэффициент размножения нейтронов k был больше или равен единице.

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов предшествующего поколения. Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого поколения и рождаются новые нейтроны.

Если k ≥ 1 , то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным, и цепная реакция идет. При k > 1 число нейтронов убывает, и цепная реакция невозможна.

В силу ряда причин из всех ядер, встречающихся в природе, для осуществления цепной ядер-ной реакции пригодны лишь ядра изотопа . Коэффициент размножения определяется: 1) захватом медленных нейтронов ядрами последующим делением и захватом быстрых нейтронов ядрами и , также с последующим делением; 2) захватом нейтронов без деления ядрами урана; 3) захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем и конструктивными элементами установки; 4) вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.

Лишь первый процесс сопровождается увеличением числа нейтронов. Для стационарного тече-ния реакции k должно быть равно 1. Уже при k = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв.

Образование плутония . В результате захвата изотопом урана нейтрона образуется радиоактивный изотоп с периодом полураспада 23 мин. При распаде возникает первый трансура-новый элемент нептуний :

β-радиоактивный нептуний (с периодом полураспада около двух дней), испуская электрон, превращается в следующий трансурановый элемент — плутоний :

Период полураспада плутония 24000 лет, и его важнейшим свойством является способность делиться под влиянием медленных нейтронов так же, как и изотоп С помощью плутония может быть осуществлена цепная реакция с выделением огромного количества энергии.

Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии; при делении каждого ядра выделяется 200 МэВ. При делении 1 ядер урана выделяется такая же энергия, как при сжига-нии 3 угля или 2,5 т нефти.

Энциклопедичный YouTube

1 / 3

Ядерная физика. Ядерные реакции. Цепная ядерная реакция деления. АЭС

Ядерные силы Энергия связи частиц в ядре Деление ядер урана Цепная реакция

Ядерные реакции

Субтитры

Механизм энерговыделения

Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергии. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер , для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии - энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.

Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счёт неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются как продукты экзоэнергетической реакции.

Цепные реакции

Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для 235 U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно от 2 до 3). Следовательно, процесс деления может породить разветвленную цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления, вылетов из реакционного объёма и т. д.) компенсирует скорость размножения нейтронов таким образом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратных связей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется, например, в ядерной энергетике . Если коэффициент размножения больше единицы, цепная реакция развивается экспоненциально; неуправляемая цепная реакция деления используется в

Управляемая цепная реакция.

Если цепную реакцию ограничить в ее развитии так, чтобы число нейтронов, образующихся в единицу времени, достигнув некоторого большого значения, далее перестало бы возрастать, то будет иметь место спокойно протекающая самоподдерживающаяся цепная реакция деления. Управлять реакцией удастся лишь в том случае, если окажется возможным регулировать коэффициент k эфф размножения нейтронов достаточно медленно и плавно, причем для оптимальной системы k эфф всего на 0,5% должен превышать единицу. Советские физики Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон теоретически показали (1939 г.), что управляемую цепную реакцию можно осуществить на природном уране.

Для развития цепного процесса в природном уране нейтроны необходимо замедлять до тепловых скоростей, поскольку в этом случае резко возрастает вероятность их захвата ядрами U с последующим делением. Для этой цели используются специальные вещества-замедлители .

Управление стационарно текущей цепной реакцией (k эфф =1) существенно упрощается благодаря наличию запаздывающих нейтронов (см.п.3.6). Оказывается, время T «разгона» реакции (время за которое число делений увеличивается в e»2,71 раз) при небольшой степени надкритичности (k эфф – 1 << 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T = t з ×b / (k эфф - 1),

где t з - среднее время жизни запаздывающих нейтронов (t з ~14,4с),

b - доля запаздывающих нейтронов (b ~ 0,68 % для U).

Поскольку величина t з ×b имеет порядок ~ 5×10 -2 c., то интенсивность реакции будет нарастать достаточно медленно, и реакция хорошо регулируется.

Управлять величиной k эфф можно путем автоматического введения в активную зону веществ, сильно поглощающих нейтроны, - поглотителей.

12.3.1. Ядерный реактор

Устройство, в котором осуществляется и поддерживается стационарная ядерная реакция деления, называется ядерным реактором, или атомным котлом.

Первый ядерный реактор построен под руководством Э. Ферми в конце 1942 года (США). Первый европейский реактор создан в 1946 году в Москве под руководством И. В. Курчатова.

В настоящее время в мире работает около тысячи ядерных реакторов различных типов, которые отличаются:

· по принципу работы (реакторы на тепловых, быстрых и т.д. нейтронах);

· по виду замедлителей (на тяжелой воде, графите и др.);

· по используемому топливу (урановые, ториевые, плутониевые);

· по целевому назначению (исследовательские, медицинские, энергетические, для воспроизводства ядерного горючего и др.)

Основными частями ядерного реактора (см. рис. 4.5) являются:

· активная зона (1), где находится ядерное топливо, протекает цепная реакция деления, выделяется энергия;

· отражатель нейтронов (2), окружающий активную зону;

· система регулирования цепного процесса в виде стержней-поглотителей (3) нейтронов;

· радиационная защита (4) от излучений;

· теплоноситель (5).

В гомогенных реакторах ядерное топливо и замедлитель перемешаны, образуют однородную смесь (например, соли актиноурана и тяжелая вода). В гетерогенных реакторах (рис. 4.6) ядерное топливо размещено в активной зоне в виде ТВЭЛов (тепловыделяющих элементов ) - блоков-стержней (1) небольшого сечения, заключенных в герметическую оболочку, слабо поглощающую нейтроны. Между ТВЭЛами находится замедлитель (2).

Нейтроны, образующиеся при делении ядер, не успев поглотиться в ТВЭЛах, попадают в замедлитель, где теряют свою энергию, замедляясь до тепловых скоростей. Попадая затем снова в один из ТВЭЛов, тепловые нейтроны имеют уже большую вероятность поглотиться способными к делению ядрами ( U, U, Pu). Те нейтроны, которые захватываются ядрами U, тоже играют положительную роль, восполняя в какой-то мере расход ядерного горючего.

Хорошими замедлителями являются легкие ядра: дейтерий, бериллий, углерод, кислород. Наилучшим замедлителем нейтронов является соединение дейтерия с кислородом - тяжелая вода . Однако, ввиду ее дороговизны, чаще используется углерод в виде очень чистого графита . Применяют также бериллий и его окись. ТВЭЛы и замедлитель составляют обычно правильную решетку (например, уран-графитовую).

За счет энергии деления ТВЭЛы разогреваются. Для охлаждения они размещаются в потоке теплоносителя (воздух, вода, водяной пар, He, CO 2 и др.).

Вследствие того, что в замедлителе и в ядрах-осколках деления происходит потеря нейтронов, реактор должен иметь надкритические размеры и вырабатывать излишек нейтронов. Управление цепным процессом (т.е. устранение излишка нейтронов) осуществляется управляющими стержнями (3) (см. рис. 4.5 или 4.6) из материалов, сильно поглощающих нейтроны (бористая сталь, кадмий).

Параметры реактора рассчитываются так, что при полностью введенных в активную зону стержнях-поглотителях реакция не идет. При постепенном извлечении стержней коэффициент размножения нейтронов растет, и при некотором их положении k эфф достигает единицы, реактор начинает работать. Перемещение стержней-поглотителей производится с пульта управления. Регулирование упрощается благодаря наличию запаздывающих нейтронов.

Основная характеристика ядерного реактора его мощность. Мощности в 1 МВт соответствует цепной процесс, при котором происходит 3×10 16 актов делений в 1 секунду. В реакторе имеются аварийные стержни, введение которых при внезапном увеличении мощности реакции немедленно ее сбрасывает.

В процессе работы ядерного реактора в нем происходит постепенное выгорание ядерного топлива , накапливаются осколки деления, образуются трансурановые элементы. Накопление осколков вызывает уменьшение k эфф. Этот процесс называется отравлением реактора (если осколки радиоактивные) и зашлаковыванием (если осколки стабильные). При отравлении k эфф уменьшается на (1¸3)%. Чтобы реакция не прекращалась, из активной зоны постепенно (автоматически) извлекаются специальные (компенсирующие) стержни. Когда ядерное топливо полностью выгорает, его извлекают (после прекращения реакции) и загружают новое.

Среди ядерных реакторов особое место занимают реакторы-размножители на быстрых нейтронах - бридеры . В них выработка электроэнергии сопровождается воспроизводством вторичного ядерного горючего (плутония) за счет реакции (3.5), благодаря чему используется эффективно не только изотоп U, но и U.(см.§3.6). Это позволяет кардинально решить проблему обеспечения ядерным горючим: на каждые 100 использованных ядер в таком реакторе производится 150 новых, способных к делению. Техника реакторов на быстрых нейтронах находится в стадии поисков наилучших инженерных решений. Первая опытно-промышленная станция такого типа (г. Шевченко) используется для производства электроэнергии и опреснения морской воды (Каспийское море).

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

Как происходит деление ядра урана

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

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

Цепная реакция деления несколькоих ядер

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

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

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

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

Ядерные реакции и критическая масса урана

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

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