Reacción en cadena controlada. reactores nucleares

La teoría de la relatividad dice que la masa es una forma especial de energía. De ello se deduce que es posible convertir la masa en energía y la energía en masa. A nivel intraatómico, tales reacciones tienen lugar. En particular, una cierta cantidad de masa en sí misma bien puede convertirse en energía. Esto sucede de varias maneras. Primero, el núcleo puede desintegrarse en varios núcleos más pequeños, esta reacción se denomina "decaimiento". En segundo lugar, los núcleos más pequeños pueden combinarse fácilmente para formar uno más grande: esta es una reacción de fusión. En el universo, tales reacciones son muy comunes. Baste decir que la reacción de fusión es la fuente de energía de las estrellas. Pero la reacción de descomposición es utilizada por la humanidad porque la gente ha aprendido a controlar estos procesos complejos. pero que es una cadena reacción nuclear? ¿Cómo gestionarlo?

Que sucede en el nucleo de un atomo

Reacción nuclear en cadena: un proceso que ocurre durante una colisión partículas elementales o núcleos con otros núcleos. ¿Por qué "cadena"? Este es un conjunto de reacciones nucleares individuales sucesivas. Como resultado de este proceso, hay un cambio en el estado cuántico y la composición del núcleo del núcleo original, incluso aparecen nuevas partículas: productos de reacción. La reacción nuclear en cadena, cuya física permite estudiar los mecanismos de interacción de núcleos con núcleos y con partículas, es el método principal para la obtención de nuevos elementos e isótopos. Para comprender el flujo de una reacción en cadena, primero hay que tratar con las individuales.

Lo que se necesita para la reacción.

Para llevar a cabo un proceso como una reacción nuclear en cadena, es necesario acercar las partículas (un núcleo y un nucleón, dos núcleos) a una distancia del radio de interacción fuerte (alrededor de un fermi). Si las distancias son grandes, entonces la interacción de las partículas cargadas será puramente de Coulomb. En una reacción nuclear se observan todas las leyes: conservación de la energía, cantidad de movimiento, cantidad de movimiento, carga bariónica. Una reacción nuclear en cadena se denota con el conjunto de símbolos a, b, c, d. El símbolo a denota el núcleo original, b la partícula entrante, c la nueva partícula saliente y d el núcleo resultante.

Energía de reacción

Una reacción nuclear en cadena puede tener lugar tanto con la absorción como con la liberación de energía, que es igual a la diferencia en las masas de las partículas antes y después de la reacción. La energía absorbida determina la energía cinética mínima de la colisión, el llamado umbral de una reacción nuclear, en el que puede proceder libremente. Este umbral depende de las partículas involucradas en la interacción y de sus características. En la etapa inicial, todas las partículas se encuentran en un estado cuántico predeterminado.

Implementación de la reacción.

La principal fuente de partículas cargadas que bombardean el núcleo es la que da haces de protones, iones pesados y núcleos ligeros. Los neutrones lentos se obtienen mediante el uso de reactores nucleares. Para fijar las partículas cargadas incidentes se pueden utilizar diferentes tipos reacciones nucleares, tanto de fusión como de desintegración. Su probabilidad depende de los parámetros de las partículas que chocan. Esta probabilidad está asociada con una característica como la sección transversal de la reacción: el valor del área efectiva, que caracteriza al núcleo como un objetivo para las partículas incidentes y que es una medida de la probabilidad de que la partícula y el núcleo entren en interacción. Si en la reacción participan partículas con un espín distinto de cero, entonces la sección transversal depende directamente de su orientación. Dado que los espines de las partículas incidentes no están completamente orientados al azar, sino más o menos ordenados, todos los corpúsculos estarán polarizados. La característica cuantitativa de los espines del haz orientado se describe mediante el vector de polarización.

mecanismo de reacción

¿Qué es una reacción nuclear en cadena? Como ya se mencionó, esta es una secuencia de reacciones más simples. Las características de la partícula incidente y su interacción con el núcleo dependen de la masa, la carga y la energía cinética. La interacción está determinada por el grado de libertad de los núcleos, que se excitan durante la colisión. Obtener control sobre todos estos mecanismos le permite llevar a cabo un proceso como una reacción nuclear en cadena controlada.

Reacciones directas

Si una partícula cargada que golpea el núcleo objetivo solo lo toca, entonces la duración de la colisión será igual a la distancia necesaria para superar el radio del núcleo. Tal reacción nuclear se llama reacción directa. Característica general para todas las reacciones de este tipo es la excitación de un pequeño número de grados de libertad. En tal proceso, después de la primera colisión, la partícula aún tiene suficiente energía para vencer la atracción nuclear. Por ejemplo, interacciones como la dispersión inelástica de neutrones, el intercambio de carga y la directa. La contribución de tales procesos a la característica denominada "sección transversal total" es bastante insignificante. Sin embargo, la distribución de los productos del paso de una reacción nuclear directa permite determinar la probabilidad de emisión a partir del ángulo de dirección del haz, la selectividad de los estados poblados y determinar su estructura.

Emisión de pre-equilibrio

Si la partícula no abandona la región de interacción nuclear después de la primera colisión, se verá envuelta en toda una cascada de colisiones sucesivas. Esto es en realidad lo que se llama una reacción nuclear en cadena. Como resultado de esta situación, la energía cinética de la partícula se distribuye entre las partes constituyentes del núcleo. El estado del propio núcleo gradualmente se volverá mucho más complicado. Durante este proceso, un determinado nucleón o un grupo completo (un grupo de nucleones) puede concentrar energía suficiente para la emisión de este nucleón desde el núcleo. Una mayor relajación conducirá a la formación de un equilibrio estadístico y la formación de un núcleo compuesto.

reacciones en cadena

¿Qué es una reacción nuclear en cadena? Esta es su secuencia partes constituyentes. Es decir, múltiples reacciones nucleares únicas sucesivas causadas por partículas cargadas aparecen como productos de reacción en los pasos anteriores. ¿Qué es una reacción nuclear en cadena? Por ejemplo, la fisión de núcleos pesados, cuando múltiples eventos de fisión son iniciados por neutrones obtenidos durante desintegraciones previas.

Características de una reacción nuclear en cadena.

Entre todos reacciones químicas extendido Recibió precisamente la cadena. Las partículas con enlaces no utilizados juegan el papel de átomos libres o radicales. En un proceso como una reacción nuclear en cadena, el mecanismo de su ocurrencia lo proporcionan los neutrones, que no tienen una barrera de Coulomb y excitan el núcleo al absorberse. Si la partícula necesaria aparece en el medio, entonces provoca una cadena de transformaciones posteriores que continuará hasta que la cadena se rompa por la pérdida de la partícula portadora.

Por qué se pierde el transportista

Solo hay dos razones para la pérdida de la partícula portadora de una cadena continua de reacciones. La primera consiste en la absorción de una partícula sin el proceso de emisión de una secundaria. El segundo es la salida de la partícula más allá del límite del volumen de la sustancia que soporta el proceso en cadena.

Dos tipos de proceso

Si en cada período de la reacción en cadena solo nace una sola partícula portadora, entonces este proceso puede llamarse no ramificado. No puede conducir a la liberación de energía a gran escala. Si hay muchas partículas transportadoras, esto se denomina reacción ramificada. ¿Qué es una reacción nuclear en cadena con ramificación? Una de las partículas secundarias obtenidas en el acto anterior continuará la cadena iniciada anteriormente, mientras que las otras crearán nuevas reacciones que también se ramificarán. Este proceso competirá con los procesos que conducen a la ruptura. La situación resultante dará lugar a fenómenos críticos y limitantes específicos. Por ejemplo, si hay más rupturas que cadenas puramente nuevas, entonces será imposible que la reacción se sostenga por sí misma. Incluso si se excita artificialmente al introducir la cantidad requerida de partículas en un medio dado, el proceso decaerá con el tiempo (generalmente con bastante rapidez). Si el número de cadenas nuevas excede el número de rupturas, entonces una reacción en cadena nuclear comenzará a extenderse por toda la sustancia.

Condición crítica

El estado crítico separa la región del estado de la materia con una reacción en cadena autosostenida desarrollada y la región donde esta reacción es imposible en absoluto. Este parámetro se caracteriza por la igualdad entre el número de nuevos circuitos y el número de cortes posibles. Al igual que la presencia de una partícula portadora libre, el estado crítico es el elemento principal en una lista como "condiciones para la implementación de una reacción nuclear en cadena". El logro de este estado puede estar determinado por una serie de posibles factores. Un elemento pesado es excitado por un solo neutrón. Como resultado de un proceso como una reacción en cadena de fisión nuclear, se producen más neutrones. Por tanto, este proceso puede producir una reacción ramificada, donde los neutrones actuarán como portadores. En el caso de que la tasa de captura de neutrones sin fisión o escapes (tasa de pérdida) sea compensada por la tasa de multiplicación de partículas portadoras, entonces la reacción en cadena procederá en modo estacionario. Esta igualdad caracteriza el factor de multiplicación. En el caso anterior, él igual a uno. Debido a la introducción entre la tasa de liberación de energía y el factor de multiplicación, es posible controlar el curso de una reacción nuclear. Si este coeficiente es mayor que uno, entonces la reacción se desarrollará exponencialmente. Las reacciones en cadena no controladas se utilizan en las armas nucleares.

Reacción nuclear en cadena en la energía.

La reactividad del reactor se determina gran cantidad procesos que ocurren en su zona activa. Todas estas influencias están determinadas por el llamado coeficiente de reactividad. El efecto de los cambios en la temperatura de las barras de grafito, los refrigerantes o el uranio sobre la reactividad del reactor y la intensidad de un proceso como una reacción nuclear en cadena se caracterizan por un coeficiente de temperatura (para refrigerante, para uranio, para grafito). También hay características dependientes para potencia, para indicadores barométricos, para indicadores de vapor. Para mantener una reacción nuclear en un reactor, es necesario convertir unos elementos en otros. Para hacer esto, es necesario tener en cuenta las condiciones para el flujo de una reacción en cadena nuclear: la presencia de una sustancia que puede dividirse y liberarse durante la descomposición de una cierta cantidad de partículas elementales que, como resultado , provocará la fisión de los núcleos restantes. El uranio-238, el uranio-235 y el plutonio-239 se utilizan a menudo como tales sustancias. Durante el paso de una reacción nuclear en cadena, los isótopos de estos elementos se descompondrán y formarán otros dos o más. sustancias químicas. En este proceso se emiten los llamados rayos "gamma", se produce una intensa liberación de energía, se forman dos o tres neutrones, capaces de continuar las reacciones. Los hay lentos y rápidos, porque para que el núcleo de un átomo se desintegre, estas partículas deben volar a cierta velocidad.

En el que se forman las partículas que las provocan y como productos de estas reacciones. Tal reacción es la fisión de uranio y algunos elementos trans-uranio (por ejemplo, 23 9 PU) bajo la acción de los neutrones. Fue realizado por primera vez por E. Fermi en 1942. Tras el descubrimiento Fisión nuclear W. Zinn, L. Szilard y G. N. Flerov demostraron que durante la fisión del núcleo de uranio tu se emite más de un neutrón: norte + tu → A + B + v. Aquí PERO Y EN- fragmentos de fisión con números de masa A de 90 a 150, v es el número de neutrones secundarios.

Factor de multiplicación de neutrones. Para que se produzca una reacción en cadena, es necesario que el número promedio de neutrones liberados en una masa dada de uranio no disminuya con el tiempo, o algo así. factor de multiplicación de neutrones k era mayor o igual a uno.

El factor de multiplicación de neutrones es la relación entre el número de neutrones en cualquier generación y el número de neutrones de la generación anterior. El cambio generacional se entiende como fisión nuclear, en la que se absorben los neutrones de la generación anterior y nacen nuevos neutrones.

Si k ≥ 1, luego, el número de neutrones aumenta con el tiempo o permanece constante, y continúa la reacción en cadena. En k > 1 el número de neutrones disminuye y una reacción en cadena es imposible.

Por varias razones, de todos los núcleos que se encuentran en la naturaleza, solo los núcleos isotópicos son adecuados para la implementación de una reacción nuclear en cadena. El factor de multiplicación está determinado por: 1) captura de neutrones lentos por núcleos seguida de fisión y captura de neutrones rápidos por núcleos y , también seguida de fisión; 2) captura de neutrones sin fisión por núcleos de uranio; 3) captura de neutrones por productos de fisión, moderador y elementos estructurales de la instalación; 4) el escape de neutrones del material fisionable hacia el exterior.

Solo el primer proceso va acompañado de un aumento en el número de neutrones. Para un flujo de reacción estacionario k debe ser igual a 1. Ya en k = 1,01 se produce una explosión casi inmediatamente.

formacion de plutonio. Como resultado de la captura de un neutrón por un isótopo de uranio, se forma un isótopo radiactivo con una vida media de 23 minutos. La descomposición produce el primer elemento transura-nuevo neptunio:

El neptunio β-radiactivo (con una vida media de aproximadamente dos días), que emite un electrón, se convierte en el siguiente elemento transuránico: plutonio:

La vida media del plutonio es de 24.000 años, y su propiedad más importante es la capacidad de fisionarse bajo la influencia de neutrones lentos de la misma manera que un isótopo Con el plutonio, se puede llevar a cabo una reacción en cadena con la liberación de una enorme cantidad de energía.

La reacción en cadena va acompañada de la liberación de una enorme energía; Se liberan 200 MeV durante la fisión de cada núcleo. Al fisionar 1 núcleo de uranio, se libera la misma energía que al quemar 3 carbón o 2,5 toneladas de petróleo.

reacción nuclear en cadena

reacción nuclear en cadena- una secuencia de reacciones nucleares simples, cada una de las cuales es causada por una partícula que apareció como producto de reacción en el paso anterior de la secuencia. Un ejemplo de una reacción nuclear en cadena es la reacción en cadena de la fisión nuclear de elementos pesados, en la que el número principal de eventos de fisión es iniciado por neutrones obtenidos de la fisión nuclear en la generación anterior.

Mecanismo de liberación de energía

La transformación de una sustancia va acompañada de la liberación de energía libre sólo si la sustancia tiene una reserva de energías. Esto último significa que las micropartículas de la sustancia están en un estado con una energía de reposo mayor que en otro estado posible, la transición a la que existe. La transición espontánea siempre es impedida por una barrera de energía, para superar la cual la micropartícula debe recibir cierta cantidad de energía del exterior: la energía de excitación. La reacción exoenergética consiste en que en la transformación que sigue a la excitación se libera más energía de la necesaria para excitar el proceso. Hay dos formas de superar la barrera de la energía: ya sea debido a la energía cinética de las partículas que chocan, o debido a la energía de enlace de la partícula que se adhiere.

Si tenemos en cuenta las escalas macroscópicas de la liberación de energía, entonces la energía cinética necesaria para la excitación de las reacciones debe tener todas, o al menos algunas de las partículas de la sustancia. Esto solo se puede lograr cuando la temperatura del medio aumenta a un valor en el que la energía del movimiento térmico se acerca al valor del umbral de energía, que limita el curso del proceso. En el caso de las transformaciones moleculares, es decir, las reacciones químicas, tal incremento suele ser de cientos de kelvins, mientras que en el caso de las reacciones nucleares es de al menos 10 7 K debido a alta altitud Barreras de Coulomb de núcleos en colisión. La excitación térmica de las reacciones nucleares se ha llevado a cabo en la práctica sólo en la síntesis de los núcleos más ligeros, en los que las barreras de Coulomb son mínimas (fusión termonuclear).

La excitación por parte de las partículas que se unen no requiere una gran energía cinética y, por tanto, no depende de la temperatura del medio, ya que se produce debido a los enlaces no utilizados inherentes a las fuerzas de atracción de las partículas. Pero por otro lado, las partículas mismas son necesarias para excitar las reacciones. Y si nuevamente no tenemos en mente un acto de reacción separado, sino la producción de energía a escala macroscópica, entonces esto es posible solo cuando ocurre una reacción en cadena. Este último surge cuando las partículas que excitan la reacción reaparecen como productos de la reacción exoenergética.

reacciones en cadena

Las reacciones en cadena están muy extendidas entre las reacciones químicas, donde el papel de las partículas con enlaces no utilizados lo desempeñan los átomos libres o los radicales. El mecanismo de reacción en cadena en las transformaciones nucleares puede ser proporcionado por neutrones que no tienen una barrera de Coulomb y excitan los núcleos tras la absorción. La aparición de la partícula requerida en el medio provoca una cadena de reacciones que se suceden una tras otra, que continúa hasta que la cadena se termina debido a la pérdida de la partícula portadora de la reacción. Hay dos causas principales de pérdidas: la absorción de una partícula sin emitir una secundaria y la salida de una partícula fuera del volumen de la sustancia que soporta el proceso en cadena. Si solo aparece una partícula transportadora en cada acto de la reacción, entonces la reacción en cadena se llama no ramificado. Una reacción en cadena no ramificada no puede conducir a la liberación de energía a gran escala.

Si aparece más de una partícula en cada acto de la reacción o en algunos eslabones de la cadena, entonces se produce una reacción en cadena ramificada, porque una de las partículas secundarias continúa la cadena, mientras que otras dan nuevas cadenas que vuelven a ramificarse. Es cierto que los procesos que conducen a la ruptura de la cadena compiten con el proceso de ramificación, y la situación actual da lugar a fenómenos limitantes o críticos específicos de las reacciones en cadena ramificada. Si el número de cadenas rotas es mayor que el número de cadenas nuevas que aparecen, entonces reacción en cadena autosuficiente(SCR) resulta imposible. Incluso si se excita artificialmente mediante la introducción de una cierta cantidad de partículas necesarias en el medio, entonces, dado que la cantidad de cadenas en este caso solo puede disminuir, el proceso que ha comenzado decae rápidamente. Si el número de nuevas cadenas formadas supera el número de roturas, la reacción en cadena se propaga rápidamente por todo el volumen de la sustancia cuando aparece al menos una partícula inicial.

El área de estados de la materia con el desarrollo de una reacción en cadena autosostenida está separada del área donde una reacción en cadena es generalmente imposible, condición crítica. El estado crítico se caracteriza por la igualdad entre el número de nuevas cadenas y el número de rupturas.

El logro de un estado crítico está determinado por una serie de factores. La fisión de un núcleo pesado es excitada por un neutrón y, como resultado del evento de fisión, aparece más de un neutrón (por ejemplo, para 235 U, el número de neutrones producidos en un evento de fisión es en promedio 2,5). En consecuencia, el proceso de fisión puede dar lugar a una reacción en cadena ramificada, cuyos portadores serán los neutrones. Si la tasa de pérdida de neutrones (captura sin fisión, escapa del volumen de reacción, etc.) compensa la tasa de multiplicación de neutrones de tal manera que el factor de multiplicación de neutrones efectivo es exactamente igual a la unidad, entonces la reacción en cadena procede de forma estacionaria. modo. La introducción de retroalimentaciones negativas entre el factor de multiplicación efectivo y la tasa de liberación de energía hace posible implementar una reacción en cadena controlada, que se utiliza, por ejemplo, en ingeniería de energía nuclear. Si el factor de multiplicación es mayor que uno, la reacción en cadena se desarrolla exponencialmente; en las armas nucleares se utiliza una reacción en cadena de fisión no controlada.

ver también

reacción química en cadena

Literatura

Klimov A. N. Física nuclear y reactores nucleares.- M. Atomizdat, .
Levin V. E. Física nuclear y reactores nucleares/ 4ª ed. - M.: Atomización, .
Petunín V.P. Ingeniería de potencia térmica de instalaciones nucleares.- M.: Atomización, .

Fundación Wikimedia. 2010 .

Vea qué es "Reacción en cadena nuclear" en otros diccionarios:

Reacción nuclear en cadena - una secuencia de reacciones nucleares excitadas por partículas (por ejemplo, neutrones) que nacen en cada acto de la reacción. Según el número medio de reacciones que siguen a una anterior menor, igual o... ... Términos de energía nuclear

reacción nuclear en cadena- Una secuencia de reacciones nucleares excitadas por partículas (por ejemplo, neutrones) que nacen en cada acto de la reacción. Dependiendo del número medio de reacciones que siguen a una reacción anterior menor, igual o mayor que uno, la reacción... ...

reacción nuclear en cadena- grandininė branduolinė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. reacción en cadena nuclear vok. Kettenkernreaktion, f rus. reacción en cadena nuclear, f pranc. reacción en cadena nuclear, f; reacción nuclear en cadena, f … Fizikos terminų žodynas

reacción de fisión núcleos atómicos elementos pesados bajo la acción de neutrones, en cada acto de los cuales aumenta el número de neutrones, de modo que puede ocurrir un proceso de fisión autosostenido. Por ejemplo, durante la fisión de un núcleo del isótopo de uranio 235U bajo la acción de ... Gran diccionario politécnico enciclopédico

reacción nuclear en cadena- la reacción de fisión de núcleos atómicos bajo la acción de neutrones, en cada acto del cual se emite al menos un neutrón, lo que asegura el mantenimiento de la reacción. Se utiliza como fuente de energía en cargas nucleares (explosivas C. Ya. R.) y reactores nucleares... ... Diccionario de términos militares

reacción en cadena de fisión de neutrones- - [AS Goldberg. Diccionario de energía inglés ruso. 2006] Temas energía en general EN reacción divergente… Manual del traductor técnico

Reacción en cadena nuclear autosostenida- 7. Reacción nuclear autosostenida en cadena SCR Una reacción nuclear en cadena caracterizada por un factor de multiplicación efectivo mayor o igual a uno

Reacción en cadena

Reacción en cadena- una reacción química y nuclear en la que la aparición de una partícula activa (un radical libre o un átomo en un proceso químico, un neutrón en un proceso nuclear) provoca un gran número (cadena) de transformaciones sucesivas de moléculas o núcleos inactivos. Los radicales libres y muchos átomos, a diferencia de las moléculas, tienen valencias insaturadas libres (un electrón desapareado), lo que conduce a su interacción con las moléculas originales. Cuando un radical libre (R) choca con una molécula, uno de los enlaces de valencia de ésta se rompe y, así, como resultado de la reacción, se forma un nuevo radical libre que, a su vez, reacciona con otra molécula, una se produce una reacción en cadena.

Las reacciones en cadena en química incluyen los procesos de oxidación (combustión, explosión), craqueo, polimerización y otros, que son ampliamente utilizados en las industrias química y petrolera.

Fundación Wikimedia. 2010 .

Vea qué es "Reacción en cadena" en otros diccionarios:

REACCIÓN EN CADENA, un proceso de fisión nuclear autosostenido en el que una reacción inicia una segunda, una segunda una tercera, y así sucesivamente. Para iniciar la reacción son necesarias condiciones críticas, es decir, la masa de material capaz de escindirse, ... ... Diccionario enciclopédico científico y técnico.

reacción en cadena- Cualquier proceso biológico (o químico-físico), compuesto por una serie de procesos interrelacionados, donde el producto (o energía) de cada etapa es partícipe de la etapa siguiente, lo que conduce al mantenimiento y (o) aceleración de la cadena. ... ... Manual del traductor técnico

reacción en cadena- 1) Una reacción que provoca un gran número de transformaciones de las moléculas de la sustancia original. 2) Reacción autosostenida de fisión de núcleos atómicos de elementos pesados bajo la influencia de neutrones. 3) desplegar Sobre una serie de acciones, estados, etc., en los que uno o uno... ... diccionario de muchas expresiones

Reacción en cadena Cualquier proceso biológico (o químico-físico), compuesto por una serie de procesos interrelacionados, donde el producto (o energía) de cada etapa es partícipe de la etapa siguiente, lo que conduce al mantenimiento y (o)….. . Biología molecular y genética. Diccionario.

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Razg. Sobre el proceso continuo e incontrolado de involucrar a alguien, algo. en lo que l. BMS 1998, 489; BTS, 1462... Gran diccionario de refranes rusos

Concepto científico de reacción en cadena. Y también "Chain Reaction" es el nombre de varios largometrajes: "Chain Reaction" película de la URSS en 1962. Chain Reaction es una película de comedia criminal francesa de 1963. "Cadena ... ... Wikipedia

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Libros

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Considere el mecanismo de la reacción en cadena de la fisión. En la fisión de núcleos pesados bajo la acción de neutrones, se producen nuevos neutrones. Por ejemplo, con cada fisión del núcleo de uranio 92 U 235 se producen de media 2,4 neutrones. Algunos de estos neutrones pueden volver a provocar la fisión nuclear. Tal proceso de avalancha se llama reacción en cadena .
La reacción en cadena de fisión tiene lugar en el medio en el que tiene lugar el proceso de multiplicación de neutrones. Tal ambiente se llama centro . el más importante cantidad física, que caracteriza la intensidad de la multiplicación de neutrones, es factor de multiplicación de neutrones en el medio k∞. El factor de multiplicación es igual a la relación entre el número de neutrones en una generación y su número en la generación anterior. El índice ∞ indica que estamos hablando de un medio ideal de infinitas dimensiones. Similarmente al valor k ∞, definimos factor de multiplicación de neutrones en un sistema físico k. El coeficiente k es una característica de una instalación particular.
En un medio fisionable de tamaño finito, parte de los neutrones escaparán de la zona activa al exterior. Por tanto, el coeficiente k también depende de la probabilidad P de que el neutrón no abandone el núcleo. Por definición

k = k ∞ PAG.

(1)

El valor de P depende de la composición del núcleo, su tamaño, forma y también de la medida en que la sustancia que rodea el núcleo refleja los neutrones.
La posibilidad de escape de neutrones del núcleo está relacionada con conceptos importantes masa crítica y dimensiones críticas. tamaño crítico es el tamaño de la zona activa en la que k = 1. masa critica se denomina masa de la zona activa de dimensiones críticas. Obviamente, cuando la masa está por debajo de la crítica, la reacción en cadena no se produce, incluso si > 1. Por el contrario, un exceso notable de la masa sobre la crítica conduce a una reacción incontrolada: una explosión.
Si hay N neutrones en la primera generación, habrá Nk n en la n-ésima generación. Por lo tanto, para k = 1, la reacción en cadena procede estacionaria, para k< 1 реакция гаснет, а при k >1 la intensidad de la reacción aumenta. Para k = 1, el modo de reacción se llama crítico , para k > 1 – supercrítico y para k< 1 – subcrítico .
El tiempo de vida de una generación de neutrones depende en gran medida de las propiedades del medio y es del orden de 10–4 a 10–8 s. Debido a la pequeñez de este tiempo, para implementar una reacción en cadena controlada, es necesario mantener la igualdad k = 1 con gran precisión, ya que, digamos, en k = 1.01, el sistema explotará casi instantáneamente. Veamos qué factores determinan los coeficientes k ∞ y k.
La primera cantidad que determina k ∞ (o k) es el número promedio de neutrones emitidos en un evento de fisión. El número depende del tipo de combustible y de la energía del neutrón incidente. En mesa. La tabla 1 muestra los valores de los principales isótopos de la energía nuclear tanto para neutrones térmicos como rápidos (E = 1 MeV).

El espectro de energía de los neutrones de fisión para el isótopo 235U se muestra en la Fig. . 1. Los espectros de este tipo son similares para todos los isótopos fisionables: hay una gran dispersión de energías y la mayor parte de los neutrones tienen energías en la región de 1 a 3 MeV. Los neutrones producidos durante la fisión se ralentizan, se difunden a cierta distancia y se absorben con o sin fisión. Dependiendo de las propiedades del medio, los neutrones tienen tiempo para reducir la velocidad a diferentes energías antes de la absorción. En presencia de un buen moderador, la mayoría de los neutrones tienen tiempo de reducir su velocidad a energías térmicas del orden de 0,025 eV. En este caso, la reacción en cadena se llama lento, o, lo que es lo mismo, térmico. En ausencia de un moderador especial, los neutrones tienen tiempo para reducir la velocidad solo a energías de 0,1 a 0,4 MeV, ya que todos los isótopos fisionables son pesados y, por lo tanto, se ralentizan poco. Las reacciones en cadena correspondientes se denominan rápido(Hacemos hincapié en que los epítetos "rápido" y "lento" caracterizan la velocidad de los neutrones, y no la velocidad de la reacción). Las reacciones en cadena en las que los neutrones se desaceleran a energías de decenas a un keV se denominan intermedio .
Cuando un neutrón choca con un núcleo pesado, la captura de neutrones radiativos (n, γ) siempre es posible. Este proceso competirá con la fisión y por lo tanto reducirá el factor de multiplicación. Esto implica que la segunda cantidad física que afecta los coeficientes k ∞ , k es la probabilidad de fisión cuando un neutrón es capturado por el núcleo de un isótopo fisionable. Esta probabilidad para neutrones monoenergéticos es obviamente igual a

(2)

donde nf , nγ son las secciones transversales de fisión y captura radiativa, respectivamente. Para tener en cuenta simultáneamente tanto el número de neutrones por evento de fisión como la probabilidad de captura radiativa, se introduce el coeficiente η, que es igual al número medio de neutrones secundarios por captura de un neutrón por un núcleo fisionable.

(3)

el valor de η depende del tipo de combustible y de la energía del neutrón. Los valores de η para los isótopos más importantes para neutrones rápidos y térmicos se dan en la misma tabla. 1. El valor de η es la característica más importante de los núcleos combustibles. Una reacción en cadena solo puede ocurrir cuando η > 1. Cuanto mayor sea el valor de η, mayor será la calidad del combustible.

Tabla 1. Valores de ν, η para isótopos fisionables

Centro		92U 233	92U 235	94 Pu 239
neutrones térmicos (E = 0,025 eV)	ν	2.52	2.47	2.91
neutrones térmicos (E = 0,025 eV)	η	2.28	2.07	2.09
neutrones rápidos (E = 1 MeV)	ν	2.7	2.65	3.0
neutrones rápidos (E = 1 MeV)	η	2.45	2.3	2.7

La calidad del combustible nuclear está determinada por su disponibilidad y el coeficiente η. En la naturaleza, solo existen tres isótopos que pueden servir como combustible nuclear o materia prima para su producción. Estos son el isótopo de torio 232 Th y los isótopos de uranio 238 U y 235 U. De estos, los dos primeros no dan una reacción en cadena, pero pueden procesarse en isótopos en los que tiene lugar la reacción. El mismo isótopo 235 U da una reacción en cadena. EN la corteza terrestre el torio es varias veces más que el uranio. El torio natural consta prácticamente de un solo isótopo, 232 Th. El uranio natural consiste principalmente en el isótopo 238 U y solo el 0,7% del isótopo 235 U.
En la práctica, la cuestión de la viabilidad de una reacción en cadena en una mezcla natural de isótopos de uranio, en la que hay 140 núcleos de 238 U por núcleo de 235 U, es extremadamente importante. Demostremos que es posible una reacción lenta en una mezcla natural , pero uno rápido no lo es. Para considerar una reacción en cadena en una mezcla natural, es conveniente introducir una nueva cantidad, la sección efectiva promedio de absorción de neutrones por núcleo del isótopo 235 U. Por definición,

Para neutrones térmicos = 2,47, = 580 barn, = 112 barn, = 2,8 barn (nótese la pequeñez de la última sección). Sustituyendo estos números en (5), obtenemos que para los neutrones lentos en una mezcla natural

Esto significa que 100 neutrones térmicos, absorbidos en la mezcla natural, crearán 132 nuevos neutrones. De esto se deduce directamente que una reacción en cadena con neutrones lentos es, en principio, posible con uranio natural. En principio, porque para la implementación real de una reacción en cadena, se debe poder ralentizar los neutrones con bajas pérdidas.
Para neutrones rápidos ν = 2,65, 2 barn, 0,1 barn. Si se tiene en cuenta la fisión solo en el isótopo 235 U, obtenemos

235 (rápido) 0.3.

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Pero también hay que tener en cuenta que los neutrones rápidos con energías superiores a 1 MeV también pueden fisionar con una intensidad relativa notable los núcleos del isótopo 238 U, muy abundante en una mezcla natural. Para la división por 238 U, el coeficiente es de aproximadamente 2,5. En el espectro de fisión, alrededor del 60% de los neutrones tienen energías por encima del umbral efectivo de fisión de 1,4 MeV en 238 U. Pero de este 60%, solo uno de cada 5 neutrones tiene tiempo de fisionarse sin disminuir la velocidad a una energía por debajo del umbral debido a la dispersión elástica y especialmente inelástica. Por lo tanto, para el coeficiente 238 (rápido), obtenemos la estimación

Así, una reacción en cadena en una mezcla natural (235 U + 238 U) no puede proceder con neutrones rápidos. Se ha establecido experimentalmente que para el uranio metálico puro el factor de multiplicación llega a la unidad con un enriquecimiento del 5,56%. En la práctica, resulta que la reacción de los neutrones rápidos sólo se puede mantener en una mezcla enriquecida que contenga al menos un 15 % del isótopo 235 U.
Una mezcla natural de isótopos de uranio puede enriquecerse con el isótopo 235 U. El enriquecimiento es un proceso complejo y costoso debido al hecho de que Propiedades químicas ambos isótopos son casi iguales. Tenemos que aprovechar las pequeñas diferencias en las velocidades de las reacciones químicas, difusión, etc., derivadas de las diferencias en las masas de los isótopos. La reacción en cadena para el 235 U casi siempre se lleva a cabo en un ambiente con un alto contenido de 238 U. A menudo se usa una mezcla natural de isótopos, para los cuales η = 1.32 en la región de neutrones térmicos, ya que el 238 U también es útil. El isótopo 238 U es fisionado por neutrones con energías superiores a 1 MeV. Esta fisión da como resultado una pequeña multiplicación de neutrones adicional.
Comparemos reacciones en cadena de fisión en neutrones térmicos y rápidos.
Para los neutrones térmicos, las secciones transversales de captura son grandes y cambian fuertemente al pasar de un núcleo a otro. En los núcleos de algunos elementos (por ejemplo, en cadmio), estas secciones transversales superan las secciones transversales en 235 U cientos o más veces. Por lo tanto, los requisitos de alta pureza en relación con algunas impurezas se imponen al núcleo de neutrones térmicos. instalaciones.
Para neutrones rápidos, todas las secciones transversales de captura son pequeñas y no difieren tanto entre sí, por lo que no surge el problema de la alta pureza de los materiales. Otra ventaja de las reacciones rápidas es una mayor tasa de reproducción.
Una característica distintiva importante de las reacciones térmicas es que en la zona activa el combustible está mucho más diluido, es decir, hay significativamente más núcleos que no participan en la fisión por núcleo de combustible que en una reacción rápida. Por ejemplo, en una reacción térmica en uranio natural, hay 140 núcleos de 238 U brutos por núcleo de combustible de 235 U, y en una reacción rápida, no pueden caer más de cinco o seis núcleos de 238 U en un núcleo de 235 U. y la misma energía en una reacción térmica se libera en un volumen de materia mucho mayor que en una rápida. Así, es más fácil sacar calor de la zona activa de una reacción térmica, lo que permite que esta reacción se lleve a cabo con mayor intensidad que una rápida.
El tiempo de vida de una generación de neutrones para una reacción rápida es varios órdenes de magnitud más corto que para una reacción térmica. Por lo tanto, la velocidad de una reacción rápida puede cambiar notablemente después de un tiempo muy un tiempo corto después de un cambio en las condiciones físicas en el núcleo. Durante el funcionamiento normal del reactor, este efecto es insignificante, ya que en este caso el modo de funcionamiento está determinado por la vida útil de los neutrones retrasados en lugar de los rápidos.
En un medio homogéneo compuesto únicamente por isótopos fisionables de un tipo, el factor de multiplicación sería igual a η. Sin embargo, en situaciones reales, además de los núcleos fisionables, siempre existen otros no fisionables. Estos núcleos extraños capturarán neutrones y, por lo tanto, afectarán el factor de multiplicación. De ahí se sigue que la tercera cantidad que determina los coeficientes k ∞ , k es la probabilidad de que el neutrón no sea capturado por uno de los núcleos no fisionables. En instalaciones reales, la captura "extraña" tiene lugar en los núcleos del moderador, en los núcleos de varios elementos estructurales, así como en los núcleos de productos de fisión y productos de captura.
Para llevar a cabo una reacción en cadena en neutrones lentos, se introducen sustancias especiales en el núcleo: moderadores, que convierten los neutrones de fisión en térmicos. En la práctica, se lleva a cabo una reacción en cadena sobre neutrones lentos sobre uranio isotópico 235 U natural o ligeramente enriquecido. La presencia de una gran cantidad del isótopo 238U en el núcleo complica el proceso de desaceleración y hace necesario imponer altos requisitos a la calidad del moderador. La vida de una generación de neutrones en un núcleo con moderador se puede dividir aproximadamente en dos etapas: moderación a energías térmicas y difusión c. velocidades térmicas antes de la absorción. Para que la parte principal de los neutrones tenga tiempo de desacelerar sin absorción, se debe cumplir la condición

donde σ control, σ captura son secciones transversales promediadas de energía de dispersión elástica y captura, respectivamente, y n es el número de colisiones de neutrones con núcleos moderadores necesarios para lograr energía térmica. El número n crece rápidamente con el número de masa del moderador. Para el uranio 238 U, el número n es del orden de varios miles. Y la relación σ control / σ captura para este isótopo no supera 50. Incluso en una región de energía relativamente favorable de neutrones rápidos, la llamada región de resonancia de 1 keV a 1 eV es especialmente “peligrosa” en relación con la captura de neutrones. En esta región, la sección transversal total para la interacción de un neutrón con núcleos de 238 U tiene un gran número de resonancias intensas (Fig. 2). A bajas energías, los anchos radiativos superan a los de los neutrones. Por lo tanto, en la región de las resonancias, la relación σ control / σ captura se vuelve incluso menor que la unidad. Esto significa que cuando un neutrón entra en la región de una de las resonancias, es absorbido con casi un 100% de probabilidad. Y dado que la desaceleración en un núcleo tan pesado como el uranio se produce en "pequeños pasos", al pasar por la región resonante, el neutrón en desaceleración definitivamente "tropezará" con una de las resonancias y será absorbido. De esto se deduce que una reacción en cadena no se puede llevar a cabo en el uranio natural sin impurezas extrañas: en los neutrones rápidos, la reacción no procede debido a la pequeñez del coeficiente η, y los neutrones lentos no se pueden formar. de un neutrón, se deben usar núcleos muy ligeros para desacelerar, en los cuales la desaceleración procede con “grandes pasos”, lo que aumenta considerablemente la probabilidad de un “salto” exitoso del neutrón a través de la región de energía resonante. Los mejores elementos moderadores son el hidrógeno, el deuterio, el berilio y el carbono. Por lo tanto, los moderadores utilizados en la práctica se reducen principalmente a agua pesada, berilio, óxido de berilio, grafito, así como agua ordinaria, que ralentiza los neutrones no peor que el agua pesada, pero los absorbe en cantidades mucho mayores. El retardador debe estar bien limpio. Tenga en cuenta que para implementar una reacción lenta, el moderador debe ser decenas o incluso cientos de veces más que el uranio para evitar colisiones resonantes de neutrones con núcleos de 238 U.

Las propiedades moderadoras del medio activo se pueden describir aproximadamente mediante tres cantidades: la probabilidad de que un neutrón evite ser absorbido por el moderador durante la desaceleración, la probabilidad p de evitar la captura resonante por núcleos de 238 U y la probabilidad f de un neutrón térmico. para ser absorbido por el núcleo de combustible en lugar del moderador. El valor f suele denominarse coeficiente de utilización térmica. El cálculo exacto de estas cantidades es difícil. Por lo general, se utilizan fórmulas semiempíricas aproximadas para calcularlos.

Los valores de p y f dependen no solo de la cantidad relativa del moderador, sino también de la geometría de su ubicación en el núcleo. La zona activa, que consiste en una mezcla homogénea de uranio y moderador, se llama homogénea, y el sistema de sus bloques alternos de uranio y moderador se llama heterogéneo (Fig. 4). Un sistema cualitativamente heterogéneo se distingue por el hecho de que en él el neutrón rápido formado en el uranio tiene tiempo de escapar al moderador sin alcanzar energías resonantes. La desaceleración adicional tiene lugar en un moderador puro. Esto aumenta la probabilidad p de evitar la captura resonante.

p het > p hom.

Por otra parte, por el contrario, habiéndose vuelto térmico en el moderador, el neutrón debe, para participar en la reacción en cadena, difundirse, sin ser absorbido en el moderador puro, hasta su límite. Por tanto, el factor de aprovechamiento térmico f en un medio heterogéneo es menor que en uno homogéneo:

f het< f гом.

Para estimar el factor de multiplicación k ∞ de un reactor térmico, el aproximado fórmula de cuatro factores

k ∞ = η por favorε .

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Ya hemos considerado los primeros tres factores anteriormente. La cantidad ε se llama factor de multiplicación de neutrones rápidos . Este coeficiente se introduce para tener en cuenta que algunos de los neutrones rápidos pueden fisionarse sin tener tiempo de ralentizarse. En su significado, el coeficiente ε siempre excede la unidad. Pero este exceso suele ser pequeño. El valor ε = 1.03 es típico para reacciones térmicas. Para reacciones rápidas, la fórmula de los cuatro factores no es aplicable, ya que cada coeficiente depende de la energía y la dispersión de energía en reacciones rápidas es muy grande.
Dado que el valor de η está determinado por el tipo de combustible, y el valor de ε para reacciones lentas casi no difiere de la unidad, la calidad de un medio activo específico está determinada por el producto pf. Así, la ventaja de un medio heterogéneo sobre uno homogéneo se manifiesta cuantitativamente en el hecho de que, por ejemplo, en un sistema en el que hay 215 núcleos de grafito por núcleo de uranio natural, el producto pf es 0,823 para un medio heterogéneo y 0,595 para uno homogéneo. Y como para una mezcla natural η = 1.34, entonces obtenemos que para un medio heterogéneo k ∞ > 1, y para un medio homogéneo k ∞< 1.
Para la implementación práctica de una reacción en cadena en estado estacionario, se debe poder controlar esta reacción. Este control se simplifica enormemente debido al escape de neutrones retardados durante la fisión. La gran mayoría de los neutrones salen del núcleo casi instantáneamente (es decir, en un tiempo muchos órdenes de magnitud más corto que el tiempo de vida de una generación de neutrones en el núcleo), pero unas pocas décimas de un por ciento de los neutrones se retrasan y salen del núcleo. fragmentar los núcleos después de un intervalo de tiempo bastante largo, desde fracciones de segundos hasta varias e incluso decenas de segundos. Cualitativamente, el efecto de los neutrones retardados se puede explicar de la siguiente manera. Permita que el factor de multiplicación aumente instantáneamente de un valor subcrítico a uno tan supercrítico que 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.
La captura de neutrones por núcleos que no participan en la reacción en cadena reduce la intensidad de la reacción, pero puede ser útil en relación con la formación de nuevos isótopos fisionables. Entonces, cuando se absorben los neutrones de los isótopos de uranio 238 U y torio 232 Th, se forman los isótopos de plutonio 239 Pu y uranio 233 U (a través de dos desintegraciones β sucesivas), que son combustible nuclear:

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Estas dos reacciones abren la posibilidad real reproduccion de combustible nuclear durante la reacción en cadena. En el caso ideal, es decir, en ausencia de pérdidas innecesarias de neutrones, se puede utilizar un promedio de 1 neutrón para la reproducción por cada acto de absorción de un neutrón por un núcleo combustible.

Reactores nucleares (atómicos)

Un reactor es un dispositivo en el que se mantiene una reacción en cadena de fisión controlada. Durante la operación del reactor, se libera calor debido a la exotermia de la reacción de fisión. La principal característica del reactor es su potencia: la cantidad de energía térmica liberada por unidad de tiempo. La potencia del reactor se mide en megavatios (10 6 W). Una potencia de 1 MW corresponde a una reacción en cadena en la que ocurren 3·10 16 eventos de fisión por segundo. hay un gran numero diferentes tipos reactores Uno de los esquemas típicos de un reactor térmico se muestra en la Fig. cinco.
La parte principal del reactor es la zona activa, en la que tiene lugar la reacción y, por tanto, se libera energía. En los reactores de neutrones intermedios y térmicos, el núcleo consta de combustible, generalmente mezclado con un isótopo no fisionable (generalmente 238 U) y un moderador. No hay moderador en el núcleo de los reactores de neutrones rápidos.
El volumen del núcleo varía desde décimas de litro en algunos reactores de neutrones rápidos hasta decenas de metros cúbicos en grandes reactores térmicos. Para reducir la fuga de neutrones, se le da al núcleo una forma esférica o casi esférica (por ejemplo, un cilindro con una altura aproximadamente igual al diámetro, o un cubo).
Dependiendo de la ubicación relativa del combustible y el moderador, se distinguen reactores homogéneos y heterogéneos. Un ejemplo de una zona activa homogénea es una solución de sal de sulfato de uranilo y U 2 SO 4 en agua ordinaria o pesada. Los reactores heterogéneos son más comunes. En los reactores heterogéneos, el núcleo consta de un moderador en el que se colocan cassettes que contienen combustible. Dado que la energía se libera precisamente en estos casetes, se denominan elementos combustibles o abreviado barras de combustible. El núcleo con un reflector suele estar encerrado en una carcasa de acero.

El papel de los neutrones retardados en el control del reactor nuclear