Що є ланцюгова реакція. Ланцюгові ядерні реакції

Теорія відносності каже, що маса – це особлива форма енергії. З цього випливає, що можна перетворити масу на енергію і енергію на масу. На внутрішньоатомному рівні такі реакції мають місце. Зокрема, деяка кількість маси цілком може перетворитися на енергію. Це відбувається кількома шляхами. По-перше, ядро ​​може розпастися на кілька дрібніших ядер, ця реакція називається «розпадом». По-друге, дрібніші ядра можуть запросто з'єднатися, щоб вийшло більший, - це реакція синтезу. У Всесвіті такі реакції дуже поширені. Досить сказати, що реакція синтезу – джерело енергії для зірок. А ось реакція розпаду використовується людством на тому, що люди навчилися контролювати ці складні процеси. Але що таке ланцюгова ядерна реакція? Як нею керувати?

Що відбувається в ядрі атома

Ланцюгова ядерна реакція - процес, що йде при зіткненні елементарних частинок або ядер з іншими ядрами. Чому «ланцюгова»? Це сукупність послідовних одиночних ядерних реакцій. Внаслідок цього процесу відбувається зміна квантового стану та нуклонного складу у вихідного ядра, з'являються навіть нові частки - продукти реакції. Ланцюгова ядерна реакція, фізика якої дозволяє досліджувати механізми взаємодії ядер з ядрами і частинками, - це основний метод отримання нових елементів і ізотопів. Щоб зрозуміти протікання ланцюгової реакції, треба спочатку розібратися з одиночними.

Що потрібно для реакції

Для того, щоб здійснити такий процес, як ланцюгова ядерна реакція, необхідно зблизити частинки (ядро і нуклон, два ядра) на відстань радіусу сильної взаємодії (приблизно один фермі). Якщо відстані великі, то взаємодія заряджених частинок буде суто кулонівською. У ядерній реакції дотримуються всі закони: збереження енергії, моменту, імпульсу, баріонного заряду. Ланцюгова ядерна реакція позначається набором символів а, b, c, d. Символ а позначає вихідне ядро, b - частинку, що налітає, з - нову частинку, що вилітає, а d позначає результуюче ядро.

Енергія реакції

Ланцюгова ядерна реакція може проходити як з поглинанням, так і з виділенням енергії, що дорівнює різниці мас частинок після реакції і до неї. Енергія, що поглинається, визначає мінімальну кінетичну енергію зіткнення, так званий поріг ядерної реакції, при якій вона може вільно протікати. Цей поріг залежить від частинок, що беруть участь у взаємодії, та від їх характеристик. на початковому етапівсі частки перебувають у наперед визначеному квантовому стані.

Здійснення реакції

Основним джерелом заряджених частинок, якими бомбардується ядро, що дає пучки протонів, важких іонів та легких ядер. Повільні нейтрони одержують завдяки використанню ядерних реакторів. Для фіксації заряджених частинок, що налітають, можуть бути використані різні типиядерних реакцій - як синтезу, і розпаду. Імовірність залежить від параметрів частинок, які стикаються. З цією ймовірністю пов'язана така характеристика, як переріз реакції - величина ефективної площі, яка характеризує ядро ​​як мішеню для частинок, що налітають і яка є мірою ймовірності вступу частинки і ядра у взаємодію. Якщо в реакції беруть участь частинки з ненульовим значенням спина, то перетин залежить від їх орієнтації. Оскільки спини частинок, що налітають, орієнтовані не зовсім хаотично, а більш-менш упорядковано, то всі корпускули будуть поляризовані. Кількісна характеристика орієнтованих спинів пучка описується вектором поляризації.

Механізм реакції

Що таке ланцюгова ядерна реакція? Як мовилося раніше, це послідовність простіших реакцій. Характеристики частки, що налітає, і її взаємодії з ядром залежать від маси, заряду, кінетичної енергії. Взаємодія визначається ступенем свободи ядер, які порушуються при зіткненні. Отримання контролю над усіма цими механізмами дозволяє проводити такий процес, як керована ланцюгова ядерна реакція.

Прямі реакції

Якщо заряджена частка, яка налітає на ядро-мішень, лише стосується його, то тривалість зіткнення дорівнюватиме необхідному для подолання відстані радіуса ядра. Таку ядерну реакцію називають прямою. Загальною характеристикоювсім реакцій такого типу є порушення малого числа ступенів свободи. У такому процесі після першого зіткнення частка має ще достатньо енергії для подолання ядерного тяжіння. Наприклад, такі взаємодії, як непружне розсіювання нейтронів, обмін заряду, і належать до прямих. Вклад таких процесів у характеристику під назвою "повний перетин" є досить мізерним. Однак розподіл продуктів проходження прямої ядерної реакції дозволяє визначити ймовірність вильоту від кута напряму пучка, селективність заселених станів та визначити їхню структуру.

Передрівноважна емісія

Якщо частка не залишить область ядерної взаємодії після першого ж зіткнення, вона буде залучена в цілий каскад з послідовних зіткнень. Це фактично саме те, що називається ланцюговою ядерною реакцією. Внаслідок такої ситуації кінетична енергія частки розподіляється серед складових частин ядра. Саме стан ядра буде поступово сильно ускладнюватися. Під час цього процесу на якомусь нуклоні або цілому кластері (групі нуклонів) може бути сконцентрована енергія, достатня для емісії цього нуклону з ядра. Подальша релаксація призведе до формування статистичної рівноваги та утворення складеного ядра.

Ланцюгові реакції

Що таке ланцюгова ядерна реакція? Це послідовність її складових частин. Тобто множинні послідовні одиничні ядерні реакції, Викликані зарядженими частинками, з'являються як продукти реакції на попередніх кроках. Що називається ланцюговою ядерною реакцією? Наприклад, розподіл важких ядер, коли множинні акти розподілу ініціюються отриманими за попередніх розпадах нейтронами.

Особливості ланцюгової ядерної реакції

Серед усіх хімічних реакційвелике поширення набули саме ланцюгові. Частинки з невикористаними зв'язками виконують роль вільних атомів чи радикалів. При такому процесі як ланцюгова ядерна реакція механізм її протікання забезпечують нейтрони, які не мають кулонівського бар'єру і збуджують ядро ​​при поглинанні. Якщо середовищі з'являється необхідна частка, вона викликає ланцюг наступних перетворень, які триватимуть до розриву ланцюга через втрату частки-носія.

Чому губиться носій

Є лише дві причини втрати частки-носія безперервного ланцюга реакцій. Перша полягає в поглинанні частки без процесу вторинної випромінювання. Друга – догляд частинки за межу об'єму речовини, яка підтримує ланцюговий процес.

Два типи процесу

Якщо кожному періоді ланцюгової реакції народжується виключно одинична частинка-носій, можна назвати цей процес неразветвленным. Вона може призвести до виділення енергії у великих масштабах. Якщо з'явилося багато частинок-носіїв, це називається розгалуженою реакцією. Що таке ланцюгова ядерна реакція із розгалуженням? Одна з отриманих у попередньому акті вторинних частинок продовжить розпочатий раніше ланцюг, а ось інші створять нові реакції, які теж розгалужуватимуться. З цим процесом конкуруватимуть процеси, що призводять до обриву. Отримана в результаті ситуація породжуватиме специфічні критичні та граничні явища. Наприклад, якщо обривів більше, ніж чисто нових ланцюгів, самопідтримка реакції буде неможливим. Навіть якщо порушити її штучно, ввівши в цю середу потрібна кількістьчастинок, то процес все одно згасатиме з часом (зазвичай досить швидко). Якщо кількість нових ланцюгів перевищуватиме кількість обривів, то ланцюгова ядерна реакція почне поширюватися у всій речовині.

Критичний стан

Критичним станом відокремлюють область стану речовини з розвиненою ланцюговою реакцією, що самопідтримується, і область, де дана реакція неможлива взагалі. Цей параметр характеризується рівністю між кількістю нових ланцюгів та кількістю можливих обривів. Як і наявність вільної частки-носія, критичний стан є основним пунктом у списку, як «умови здійснення ланцюгової ядерної реакції». Досягнення цього може бути визначено цілу низку можливих чинників. важкого елемента збуджується лише одним нейтроном. Внаслідок такого процесу, як ланцюгова ядерна реакція поділу, з'являється більше нейтронів. Отже, цей процес може зробити розгалужену реакцію, де носіями виступатимуть нейтрони. У разі, коли швидкість захоплень нейтронів без поділу чи вильотів (швидкість втрати) компенсуватиметься швидкістю розмноження несучих частинок, то ланцюгова реакція протікатиме в стаціонарному режимі. Ця рівність характеризує коефіцієнт розмноження. У наведеному вище випадку він дорівнює одиниці. Завдяки введенню між швидкістю виділення енергії і коефіцієнтом розмноження можна здійснити управління перебігом ядерної реакції. Якщо ж цей коефіцієнт буде більшим ніж одиниця, то реакція розвиватиметься за експонентом. Некеровані ланцюгові реакції використовують у ядерній зброї.

Ланцюгова ядерна реакція в енергетиці

Реактивність реактора визначається великою кількістю процесів, що відбуваються у його активній зоні. Усі ці впливи визначаються так званим коефіцієнтом реактивності. Вплив зміни температури графітових стрижнів, теплоносіїв або урану на реактивність реактора та інтенсивність протікання такого процесу, як ланцюгова ядерна реакція, характеризуються температурним коефіцієнтом (за теплоносієм, ураном, графітом). Також є залежні характеристики за потужністю, барометричними показниками, паровими показниками. Для підтримки ядерної реакції в реакторі необхідно перетворення одних елементів інші. Для цього потрібно враховувати умови протікання ланцюгової ядерної реакції - наявність речовини, яка здатна ділитися і виділяти з себе при розпаді кілька елементарних частинок, які, як наслідок, викликатимуть поділ інших ядер. Як така речовина найчастіше використовують уран-238, уран-235, плутоній-239. Під час проходження ланцюгової ядерної реакції ізотопи даних елементів розпадатимуться і утворюватимуть два і більше інших. хімічних речовин. У цьому процесі випромінюються звані «гама»-промені, відбувається інтенсивне виділення енергії, утворюються два чи три нейтрони, здатні продовжити акти реакції. Розрізняють повільні і швидкі нейтрони, адже для того, щоб ядро ​​атома розпалося, ці частинки повинні пролетіти з певною швидкістю.

Ланцюгова ядерна реакція

Ланцюгова ядерна реакція- Послідовність одиничних ядерних реакцій , кожна з яких викликається часткою, що з'явилася як продукт реакції на попередньому етапі послідовності. Прикладом ланцюгової ядерної реакції є ланцюгова реакція поділу ядер важких елементів, коли основна кількість актів поділу ініціюється нейтронами , отриманими при розподілі ядер у попередньому поколінні.

Механізм енерговиділення

Перетворення речовини супроводжується виділенням вільної енергії лише в тому випадку, якщо речовина має запас енергій. Останнє означає, що мікрочастинки речовини перебувають у стані з більшою енергією спокою, ніж в іншому можливому, перехід в яке існує. Мимовільному переходу завжди перешкоджає енергетичний бар'єр, для подолання якого мікрочастинка має отримати ззовні якусь кількість енергії – енергії збудження. Екзоенергетична реакція полягає в тому, що в наступному за збудженням перетворення виділяється енергії більше, ніж потрібно для збудження процесу. Існують два способи подолання енергетичного бар'єру: або за рахунок кінетичної енергії частинок, що стикаються, або за рахунок енергії зв'язку частинки, що приєднується.

Якщо на увазі макроскопічні масштаби енерговиділення, то необхідну для збудження реакцій кінетичну енергію повинні мати всі або спочатку хоча б деяка частка частинок речовини. Це можна досягти тільки при підвищенні температури середовища до величини, при якій енергія теплового руху наближається до величини енергетичного порога, що обмежує перебіг процесу. У разі молекулярних перетворень, тобто хімічних реакцій, таке підвищення зазвичай становить сотні кельвінів, у разі ядерних реакцій - це мінімум 10 7 К через дуже велику висоту кулонівських бар'єрів ядер, що стикаються. Теплове збудження ядерних реакцій здійснено практично лише за синтезі найлегших ядер, які мають кулонівські бар'єри мінімальні (термоядерний синтез).

Порушення частинками, що приєднуються, не вимагає великої кінетичної енергії, і, отже, не залежить від температури середовища, оскільки відбувається за рахунок невикористаних зв'язків, властивих частинкам сил тяжіння. Зате для порушення реакцій необхідні самі частки. І якщо знову на увазі не окремий акт реакції, а отримання енергії в макроскопічних масштабах, то це можливо лише при виникненні ланцюгової реакції. Остання виникає, коли збуджуючі реакцію частинки знову з'являються як продукти екзоенергетичної реакції.

Ланцюгові реакції

Ланцюгові реакції широко поширені серед хімічних реакцій, де роль частинок з невикористаними зв'язками виконують вільні атоми або радикали. Механізм ланцюгової реакції при ядерних перетвореннях можуть забезпечити нейтрони, що не мають кулонівського бар'єру та збуджують ядра при поглинанні. Поява в середовищі необхідної частинки викликає ланцюг наступних, одна за одною реакцій, яка продовжується до обриву ланцюга внаслідок втрати частки-носія реакції. Основних причин втрат дві: поглинання частинки без вторинної випускання і догляд частки за межі обсягу речовини, що підтримує ланцюговий процес. Якщо кожному акті реакції з'являється лише одна частка-носій, то ланцюгова реакція називається нерозгалуженою. Нерозгалужена ланцюгова реакція не може призвести до енерговиділення у великих масштабах.

Якщо в кожному акті реакції або в деяких ланках ланцюга з'являється більше однієї частинки, виникає розгалужена ланцюгова реакція, бо одна з вторинних частинок продовжує розпочатий ланцюг, а інші дають нові ланцюги, які знову гілкуються. Щоправда, з процесом розгалуження конкурують процеси, що призводять до обривів ланцюгів, і ситуація породжує специфічні для розгалужених ланцюгових реакцій граничні або критичні явища. Якщо число обривів ланцюгів більше, ніж кількість нових ланцюгів, що з'являються, то ланцюгова реакція, що самопідтримується(СЛР) виявляється неможливою. Навіть якщо її збудити штучно, ввівши в середу якусь кількість необхідних частинок, то, оскільки кількість ланцюгів у цьому випадку може тільки зменшуватися, процес швидко загасає. Якщо ж число нових ланцюгів, що утворюються, перевищує число обривів, ланцюгова реакція швидко поширюється по всьому об'єму речовини при появі хоча б однієї початкової частки.

Область станів речовини з розвитком ланцюгової самопідтримуючої реакції відокремлена від області, де ланцюгова реакція взагалі неможлива, критичним станом. Критичний стан характеризується рівністю між числом нових ланцюгів та кількістю обривів.

Досягнення критичного стану визначається низкою чинників. Поділ важкого ядразбуджується одним нейтроном, а в результаті акта поділу з'являється більше одного нейтрону (наприклад, для 235 U число нейтронів, що народилися в одному акті поділу, в середньому дорівнює 2,5). Отже, процес поділу може породити розгалужену ланцюгову реакцію, носіями якої служитимуть нейтрони. Якщо швидкість втрат нейтронів (захоплень без поділу, вильотів з реакційного об'єму тощо) компенсує швидкість розмноження нейтронів таким чином, що ефективний коефіцієнт розмноження нейтронів точно дорівнює одиниці, то ланцюгова реакція йде в стаціонарному режимі. Введення негативних зворотних зв'язків між ефективним коефіцієнтом розмноження та швидкістю енерговиділення дозволяє здійснити керовану ланцюгову реакцію, яка використовується, наприклад, в ядерній енергетиці. Якщо коефіцієнт розмноження більше одиниці, ланцюгова реакція розвивається експоненційно; Некерована ланцюгова реакція поділу використовується в ядерній зброї.

Див. також

• Ланцюгова хімічна реакція

Література

• Клімов А. Н. Ядерна фізика та ядерні реактори.- М. Атоміздат, .
• Левін Ст. Ядерна фізика та ядерні реактори/ 4-те вид. - М: Атоміздат, .
• Петунін В. П. Теплоенергетика ядерних установок.- М: Атоміздат, .

Wikimedia Foundation. 2010 .

Дивитися що таке "Ланцюгова ядерна реакція" в інших словниках:

Chain nuclear reaction послідовність ядерних реакцій, збуджуваних частинками (наприклад, нейтронами), що у кожному акті реакції. Залежно від середньої кількості реакцій, що йдуть за однією попередньою меншою, рівною або… … Терміни атомної енергетики

ланцюгова ядерна реакція- Послідовність ядерних реакцій, збуджуваних частинками (наприклад, нейтронами), що у кожному акті реакції. Залежно від середньої кількості реакцій, що йдуть за однією попередньою меншою, рівною або перевищує одиницю реакція… …

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

Реакція поділу атомних ядер важких елементів під дією нейтронів, у кожному акті до рій число нейтронів зростає, так що може виникнути самопідтримується процес поділу. Напр., при розподілі одного ядра ізотопу урану 235U під дією … Великий енциклопедичний політехнічний словник

Ланцюгова ядерна реакція- реакція поділу атомних ядер під впливом нейтронів, у кожному акті якої випромінюється щонайменше одного нейтрону, що забезпечує підтримку реакції. Використовується як джерело енергії в ядерних зарядах (вибухова Ц. я. р.) та ядерних реакторах. Словник військових термінів

ланцюгова ядерна реакція поділу на нейтронах- - [А.С.Гольдберг. Англо-російський енергетичний словник. 2006 р.] Тематики енергетика загалом EN divergent reaction … Довідник технічного перекладача

Ланцюгова ядерна реакція, що самопідтримується.- 7. Ланцюгова ядерна реакція, що самопідтримується СЦР Ланцюгова ядерна реакція, що характеризується значенням ефективного коефіцієнта розмноження, що перевищує або дорівнює одиниці

Схема пристрою ядерної бомби

Ланцюгова реакція поділу

Вторинні нейтрони (2,5 штуки на акт поділу), що випускаються при розподілі ядер, можуть викликати нові акти поділу, що уможливлює здійснення ланцюгової реакції. Ланцюгова реакція поділу характеризується коефіцієнтом розмноження нейтронів До, який дорівнює відношенню числа нейтронів в даному поколінні до їх числа в попередньому поколінні. Необхідною умовоюрозвитку ланцюгової реакції поділу є. При менших реакція неможлива. При реакція йде при постійній кількості нейтронів (постійної потужності енергії, що виділяється). Це самопідтримуюча реакція. При - затухаюча реакція. Коефіцієнт розмноження залежить від природи речовини, що ділиться, розмірів і форми активної зони. Мінімальна маса речовини, що ділиться, необхідна для здійснення ланцюгової реакції називається критичною. Для критична маса дорівнює 9 кг, при цьому радіус уранової кулі дорівнює 4 см.

Ланцюгові реакції бувають керовані та некеровані. Вибух атомної бомби є прикладом некерованої реакції. Ядерний заряд такої бомби має два або більше шматків майже чистого або . Маса кожного шматка менша критичної, тому ланцюгова реакція не виникає. Тому щоб стався вибух, достатньо ці частини з'єднати в один шматок, з масою більше ніж критична. Це потрібно зробити дуже швидко і з'єднання шматків має бути дуже щільним. А якщо ні, то ядерний заряд розлетиться на частини, перш ніж встигне прореагувати. Для з'єднання використовують звичайне вибухова речовина. Оболонка служить відбивачем нейтронів і, крім того, утримує ядерний заряд від розпилення доти, доки максимальна кількість ядер не виділить всю енергію при розподілі. Ланцюгова реакція в атомної бомбийде на швидких нейтронах. Під час вибуху встигає прореагувати лише частину нейтронів ядерного заряду. Ланцюгова реакція призводить до виділення колосальної енергії. Температура, що розвивається, досягає градусів. Руйнівна сила бомби скинутої на Хіросіму американцями, була еквівалентна вибуху 20 000 тонн тринітротолуолу. Зразком нової зброї за потужністю в сотні разів перевершують перші. Якщо до цього додати, що при атомний вибухвиникає величезна кількість уламків поділу, у тому числі і дуже довгоживучих, стане очевидним, яку жахливу небезпеку для людства представляє ця зброя.

Змінюючи коефіцієнт розмноження нейтронів, можна здійснити керовану ланцюгову реакцію. Пристрій, у якому здійснюється керована реакція, називається ядерним реактором. Як речовина, що ділиться, служить природний або збагачений уран. Щоб запобігти радіаційному захопленню нейтронів ядрами урану, порівняно невеликі блоки речовини, що ділиться, розміщують на деякій відстані один від одного, а проміжки заповнюють речовиною, що уповільнює нейтрони (сповільнювачем). Уповільнення нейтронів здійснюється з допомогою пружного розсіювання. У цьому випадку енергія, що втрачається сповільнюваною частинкою, залежить від співвідношення мас частинок, що стикаються. Максимальна кількістьенергії втрачається у разі, якщо частинки мають однакову масу. Цій умові задовольняють дейтерій, графіт та берилій. Перший уран-графітовий реактор був запущений в 1942 році в університеті Чикаго під керівництвом видатного італійського фізика Фермі. Для пояснення принципу роботи реактора розглянемо типову схему реактора теплових нейтронах рис.1.

Рис.1.

В активній зоні реактора розташовані тепловиділяючі елементи 1 і 2 уповільнювач, який уповільнює нейтрони до теплових швидкостей. Тепловиділяючі елементи (твели) являють собою блоки з матеріалу, що ділиться, укладені в герметичну оболонку, що слабо поглинає нейтрони. За рахунок енергії, що виділяються при розподілі ядер, твели розігріваються, а тому для охолодження вони поміщаються в потік теплоносія (3-5 - канал теплоносія). Активна зона оточується відбивачем, що зменшує витік нейтронів. Управління ланцюговою реакцією здійснюється спеціальними стрижнями, що управляють, з матеріалів, що сильно поглинають нейтрони. Параметри реактора розраховуються так, що при повністю вставлених стрижнях реакція наперед не йде. При поступовому вийманні стрижнів коефіцієнт розмноження нейтронів зростає і за деякого їх становищі сягає одиниці. У цей момент реактор починає працювати. У міру роботи реактора кількість матеріалу, що ділиться в активній зоні зменшується і відбувається її забруднення осколками поділу, серед яких можуть бути сильні поглиначі нейтронів. Щоб реакція не припинилася, з активної зони за допомогою автоматичного пристроюпоступово витягуються керуючі стрижні. Подібне управління реакцій можливе завдяки існуванню запізнювальних нейтронів, що випускаються ядрами, що діляться, із запізненням до 1 хв. Коли ядерне паливо вигоряє, реакція припиняється. До нового запуску реактора ядерне паливо, що вигоріло, виймають і завантажують нове. У реакторі є аварійні стрижні, введення яких негайно обриває реакцію. Ядерний реактор є потужним джерелом проникаючої радіації, що приблизно в раз перевищує санітарні норми. Тому будь-який реактор має біологічний захист – систему екранів. захисних матеріалів(наприклад, бетон, свинець, вода) – що знаходиться за його відбивачем, і пульт дистанційного керування.

Вперше ядерну енергію для мирних цілей було використано у СРСР. В Обнінську в 1954 під керівництвом Курчатова введено в експлуатацію першу атомну електростанцію потужністю 5 МВт.

Однак, уранові реактори на теплових нейтронах можуть вирішити завдання електропостачання в обмеженому масштабі, який визначається кількістю урану.

Найбільш перспективним шляхом розвитку атомної енергетики є розробка реакторів на швидких нейтронах, про реакторів розмножувачів. Такий реактор виробляє більше ядерного палива, ніж споживає. Реакція йде на швидких нейтронах, тому в ній можуть брати участь не тільки а й , який перетворюється на . Останній хімічним шляхомможе бути відокремлений від . Цей процес називається відтворенням ядерного пального. У спеціальних бридерних реакторах коефіцієнт відтворення ядерного палива перевищує одиницю. Активною зоною бридерів є сплав урану, збагаченого ізотопами, з важким металом, що мало поглинає нейтрони. У бридерних реакторах відсутній сповільнювач. Управління такими реакторами переміщенням відбивача або зміною маси речовини, що ділиться.

Ланцюгова ядерна реакція- самопідтримується реакція поділу важких ядер, у якій безперервно відтворюються нейтрони, що ділять все нові і нові ядра. Керовані ланцюгові реакціїздійснюються в ядерних реакторах чи атомних котлах. В даний час керовані ланцюгові реакціїздійснюються на ізотопах урану-235, урану-233 (штучно одержуваного з то-рию-232), плутонію-239 (штучно одержуваного з рану-238), а так само плутонію-241. Дуже важливим завданням є виділення із природного урану його ізотопу-урану-235. З перших кроків розвитку атомної техніки вирішальне значення мало використання урану-235, отримання якого в чистому виглядібуло, проте, технічно утруднено, бо уран-238 та уран-235 хімічно невіддільні.

50.Ядерні реактори. Перспективи використання термоядерної енергії.

Ядерний реактор- це пристрій, у якому здійснюється керована ланцюгова ядерна реакція, що супроводжується виділенням енергії. Перший ядерний реактор збудовано і запущено у грудні 1942 року в США під керівництвом Е. Фермі. Першим реактором, побудованим поза США, став ZEEP, запущений у Канаді 25 грудня 1946 року. У Європі першим ядерним реактором стала установка Ф-1, яка запрацювала 25 грудня 1946 року в Москві під керівництвом І. В. Курчатова. До 1978 року у світі працювало вже близько сотні ядерних реакторів різних типів. Складовими частинами будь-якого ядерного реактора є: активна зона з ядерним паливом, зазвичай оточена відбивачем нейтронів, теплоносій, система регулювання ланцюгової реакції, радіаційний захист, система дистанційного керування. Корпус реактора схильний до зносу (особливо під дією іонізуючого випромінювання) . Основною характеристикою ядерного реактора є його потужність. Потужність 1 МВт відповідає ланцюгової реакції, в якій відбувається 3 · 10 16 актів поділу в 1 сек. Дослідження фізики високотемпературної плазми ведуться переважно у зв'язку з перспективою створення термоядерного реактора. Найбільш близькими за параметрами реактора є установки типу токамак. У 1968 р. було оголошено про досягнення на встановленні Т-3 температури плазми десять мільйонів градусів, саме на розвитку цього напрямку протягом останніх десятиліть сконцентровані зусилля вчених багатьох країн. різних країнтокамаку ІТЕР. Повномасштабне використання термоядерних реакторів в енергетиці передбачається у другій половині XXI століття. Крім токамаків існують інші типи магнітних пасток для утримання високотемпературної плазми, наприклад, звані відкриті пастки. В силу ряду особливостей вони можуть утримувати плазму великого тиску і тому мають хороші перспективи як потужні джерела термоядерних нейтронів, і в майбутньому - як термоядерні реактори.

Успіхи, досягнуті в Останніми рокамив Інституті ядерної фізики СО РАН у дослідженнях сучасних осесиметричних відкритих пасток свідчать про перспективність цього підходу. Ці дослідження продовжуються і одночасно в ІЯФ ведеться опрацювання проекту встановлення наступного покоління, на якому вже можна буде продемонструвати параметри плазми, близькі до реакторних.

У яких частинки, що їх викликають, утворюються і як продукти цих реакцій. Такою реакцією є поділ урану та деяких трансуранових елементів (наприклад, 23 9 Pu) під впливом нейтронів. Вперше вона була здійснена Е. Фермі у 1942 р. Після відкриття поділу ядерУ. Зінн, Л. Сілард та Г. Н. Флеров показали, що при розподілі ядра урану Uвилітає більше одного нейтрона: n + U → А+В+ v. Тут Аі У- уламки поділу з масовими числами А від 90 до 150, v- Число вторинних нейтронів.

Коефіцієнт розмноження нейтронів. Для течії ланцюгової реакції необхідно, щоб середнє число звільнених нейтронів в даній масі урану не зменшувалося з часом, або щоб коефіцієнт розмноження нейтронів k був більшим або дорівнює одиниці.

Коефіцієнтом розмноження нейтронів називають відношення числа нейтронів в якомусь поколінні до нейтронів попереднього покоління. Під зміною поколінь розуміють розподіл ядер, у якому поглинаються нейтрони старого покоління і народжуються нові нейтрони.

Якщо k ≥ 1, то число нейтронів збільшується з часом або залишається постійним і ланцюгова реакція йде. При k > 1число нейтронів зменшується, і ланцюгова реакція неможлива.

З низки причин із усіх ядер, які у природі, реалізації ланцюгової ядер-ной реакції придатні лише ядра ізотопу . Коефіцієнт розмноження визначається: 1) захопленням повільних нейтронів ядрами наступним розподілом і захопленням швидких нейтронів ядрами і , а також з наступним розподілом; 2) захопленням нейтронів без поділу ядрами урану; 3) захопленням нейтронів продуктами розподілу, сповільнювачем та конструктивними елементамиустановки; 4) вильотом нейтронів з речовини, що ділиться назовні.

Лише перший процес супроводжується збільшенням числа нейтронів. Для стаціонарного перебігу реакції kповинно бути одно 1. Вже при k = 1,01майже миттєво станеться вибух.

Освіта плутонію. Внаслідок захоплення ізотопом урану нейтрону утворюється радіоактивний ізотоп з періодом напіврозпаду 23 хв. При розпаді виникає перший трансура-новий елемент нептуній:

.

β-радіоактивний нептуній (з періодом напіврозпаду близько двох днів), випромінюючи електрон, перетворюється на наступний трансурановий елемент. плутоній:

Період напіврозпаду плутонію 24000 років, та його найважливішою властивістю є здатність ділитися під впливом повільних нейтронів так само, як і ізотоп. За допомогою плутонію може бути здійснена ланцюгова реакція з виділенням величезної кількості енергії.

Ланцюгова реакція супроводжується виділенням величезної енергії; при розподілі кожного ядра виділяється 200 МеВ. При розподілі 1 ядер урану виділяється така ж енергія, як при спалюванні 3 вугілля або 2,5 т нафти.