Из Википедии, бесплатной энциклопедии
Перейти к навигации Перейти к поиску
Возможная цепная реакция ядерного деления . 1. Атом урана-235 поглощает нейтрон и делится на два (осколки деления), высвобождая три новых нейтрона и большое количество энергии связи. 2. Один из этих нейтронов поглощается атомом урана-238 и не продолжает реакцию. Другой нейтрон покидает систему, не поглощаясь. Однако один нейтрон сталкивается с атомом урана-235, который затем делится и высвобождает два нейтрона и дополнительную энергию связи. 3. Оба этих нейтрона сталкиваются с атомами урана-235, каждый из которых делится и высвобождает несколько нейтронов, которые затем могут продолжить реакцию.

Ядерная цепная реакция происходит тогда , когда одна ядерная реакция вызывает в среднем из одного или нескольких последующих ядерных реакций, что приводит к возможности в самораспространяющейся серии этих реакций. Специфической ядерной реакцией может быть деление тяжелых изотопов (например, урана-235 , 235 U). Цепная ядерная реакция выделяет в несколько миллионов раз больше энергии на реакцию, чем любая химическая реакция .

История [ править ]

Химические цепные реакции были впервые предложены немецким химиком Максом Боденштейном в 1913 году и были достаточно хорошо изучены до того, как были предложены ядерные цепные реакции. [1] Было понятно, что цепные химические реакции ответственны за экспоненциально увеличивающуюся скорость реакций, таких как химические взрывы.

Как сообщается, концепция ядерной цепной реакции была впервые выдвинута венгерским ученым Лео Сцилардом 12 сентября 1933 года [2].В то утро Сцилард читал в лондонской газете об эксперименте, в котором протоны из ускорителя использовались для расщепления лития-7 на альфа-частицы, и о том, что в результате реакции было произведено гораздо большее количество энергии, чем поставляемый протон. Эрнест Резерфорд прокомментировал в статье, что неэффективность процесса не позволяет использовать его для производства электроэнергии. Однако нейтрон был открыт незадолго до этого в 1932 году как продукт ядерной реакции. Сцилард, получивший образование инженера и физика, соединил в уме два результата ядерных экспериментов и понял, что если ядерная реакция производит нейтроны, которые затем вызывают дальнейшие аналогичные ядерные реакции, процесс может быть самовоспроизводящейся ядерной цепочкой. -реакция,спонтанное производство новых изотопов и энергии без протонов или ускорителей. Сцилард, однако, не предлагал деление в качестве механизма своей цепной реакции, поскольку реакция деления еще не была обнаружена или даже подозревалась. Вместо этого Сцилард предложил использовать смеси более легких известных изотопов, которые производят нейтроны в больших количествах. В следующем году он подал патент на свою идею простого ядерного реактора.[3]

В 1936 году Сцилард попытался создать цепную реакцию с использованием бериллия и индия , но безуспешно. Ядерное деление было открыто Отто Ганом и Фрицем Штрассманном в декабре 1938 года [4] и теоретически объяснено в январе 1939 года Лизой Мейтнер и ее племянником Отто Робертом Фришем . [5] Несколькими месяцами позже Фредерик Жолио-Кюри , Х. фон Хальбан и Л. Коварски в Париже [6] искали и открыли размножение нейтронов в уране, доказав, что ядерная цепная реакция по этому механизму действительно возможна.

4 мая 1939 года Жолио-Кюри, Халбан и Коварски подали три патента. Первые два описывали производство энергии в результате ядерной цепной реакции, последний, названный Perfectionnement aux charge explosives, был первым патентом на атомную бомбу и зарегистрирован как патент № 445686 Caisse nationale de Recherche Scientifique . [7]

Параллельно Сцилард и Энрико Ферми из Нью-Йорка провели такой же анализ. [8] Это открытие привело к письму Сциларда за подписью Альберта Эйнштейна президенту Франклину Д. Рузвельту , предупреждающему о возможности того, что нацистская Германия могла бы попытаться создать атомную бомбу . [9]

2 декабря 1942 года группа под руководством Ферми (включая Сциларда) произвела первую искусственную самоподдерживающуюся ядерную цепную реакцию с экспериментальным реактором Chicago Pile-1 (CP-1) на площадке для игры в ракетки под трибунами Stagg Field в Чикагский университет . Эксперименты Ферми в Чикагском университете были частью Arthur H. Compton «s Металлургической лаборатории в Манхэттенском проекте ; Позднее лаборатория была переименована в Аргоннскую национальную лабораторию , и ей было поручено проводить исследования по использованию деления для ядерной энергии. [10]

В 1956 году Пол Курода из Университета Арканзаса предположил, что естественный реактор деления мог когда-то существовать. Поскольку для ядерных цепных реакций могут потребоваться только природные материалы (такие как вода и уран, если в уране содержится достаточное количество 235 U), эти цепные реакции могли происходить в далеком прошлом, когда концентрации урана-235 были выше, чем сегодня, и где было правильное сочетание материалов в земной коре. Предсказание Курода было проверено с открытием доказательств естественной самоподдерживающейся цепной ядерной реакции в прошлом на Ок в Габоне в сентябре 1972 г. [11]

Цепная реакция деления [ править ]

Цепные реакции деления происходят из-за взаимодействий между нейтронами и делящимися изотопами (такими как 235 U). Цепная реакция требует как высвобождения нейтронов из делящихся изотопов, подвергающихся ядерному делению, так и последующего поглощения некоторых из этих нейтронов делящимися изотопами. Когда атом подвергается ядерному делению, несколько нейтронов (точное количество зависит от неконтролируемых и неизмеримых факторов; ожидаемое количество зависит от нескольких факторов, обычно от 2,5 до 3,0) выбрасываются из реакции. Эти свободные нейтроны затем будут взаимодействовать с окружающей средой, и, если присутствует больше делящегося топлива, некоторые из них могут быть поглощены и вызвать большее количество делений. Таким образом, цикл повторяется, чтобы вызвать самоподдерживающуюся реакцию.

Атомные электростанции работают, точно контролируя скорость, с которой происходят ядерные реакции. Ядерное оружие, с другой стороны, специально спроектировано так, чтобы вызывать реакцию, которая настолько быстра и интенсивна, что ее невозможно контролировать после ее начала. При правильном проектировании эта неконтролируемая реакция приведет к взрывному выделению энергии.

Топливо ядерного деления [ править ]

В ядерном оружии используется высококачественное высокообогащенное топливо, превышающее критические размеры и геометрию ( критическую массу ), необходимые для возникновения цепной реакции взрыва. Топливо для энергетических целей, например, в ядерном реакторе деления, очень отличается, обычно состоящее из низкообогащенного оксидного материала (например, UO 2 ). В ядерных реакторах для реакций деления используются два основных изотопа. Первый и самый распространенный - это U-235 или уран-235. Это делящийся изотоп урана, который составляет примерно 0,7% всего природного урана. [12] Из-за небольшого количества урана-235, который существует, он считается невозобновляемым источником энергии, несмотря на то, что он находится в горных породах по всему миру. [13]U-235 не может использоваться в качестве топлива в его базовой форме для производства энергии. Он должен пройти процесс, известный как очистка, чтобы получить соединение UO 2 или диоксид урана. Затем диоксид урана прессуется и формируется в керамические таблетки, которые впоследствии могут быть помещены в топливные стержни. Это когда соединение диоксида урана может быть использовано для производства ядерной энергии. Вторым по распространенности изотопом, используемым при делении ядер, является Pu-239 или плутоний-239. Это связано с его способностью расщепляться при взаимодействии медленных нейтронов. Этот изотоп образуется внутри ядерных реакторов в результате воздействия на U-238 нейтронов, выделяемых радиоактивным изотопом U-235. [14]Этот нейтронный захват вызывает распад бета-частиц, который позволяет U-238 превращаться в Pu-239. Когда-то плутоний в естественных условиях находился в земной коре, но остались лишь следовые количества. Единственный способ, которым он доступен в больших количествах для производства энергии, - это метод захвата нейтронов.

Процесс обогащения [ править ]

Делящийся изотоп уран-235 в естественном состоянии непригоден для ядерных реакторов. Чтобы его можно было использовать в качестве топлива для производства энергии, его необходимо обогащать. Процесс обогащения не применяется к плутонию. Плутоний реакторного качества образуется как побочный продукт взаимодействия нейтронов между двумя разными изотопами урана. Первый шаг к обогащению урана начинается с преобразования оксида урана (созданного в процессе измельчения урана) в газообразную форму. Этот газ известен как гексафторид урана, который создается путем объединения фтористого водорода, газообразного фтора и оксида урана. В этом процессе также присутствует диоксид урана, который отправляют для использования в реакторах, не требующих обогащенного топлива. Оставшееся соединение гексафторида урана сливают в прочные металлические цилиндры, где оно затвердевает.Следующим шагом является отделение гексафторида урана от оставшегося обедненного U-235. Обычно это делается с помощью центрифуг, которые вращаются достаточно быстро, чтобы изотопы урана с разницей в массе в 1% отделились друг от друга. Затем используется лазер для обогащения гексафторидного соединения. Заключительный этап включает обратное преобразование обогащенного соединения обратно в оксид урана с получением конечного продукта: обогащенного оксида урана. Эта форма УО2 теперь можно использовать в реакторах деления на электростанциях для производства энергии.

Продукты реакции деления [ править ]

Когда делящийся атом подвергается ядерному делению, он распадается на два или более осколков деления. Также испускаются несколько свободных нейтронов, гамма-лучей и нейтрино , и выделяется большое количество энергии. Сумма остальных масс осколков деления и выброшенных нейтронов меньше суммы масс покоя исходного атома и падающего нейтрона (конечно, осколки деления не находятся в состоянии покоя). Разница масс учитывается в выделении энергии согласно уравнению E = Δmc 2 :

масса выделившейся энергии =

Из - за чрезвычайно большой величины скорости света , с , небольшое снижение массы связано с огромным выпуском активной энергии (например, кинетическая энергия осколков деления). Эта энергия (в форме излучения и тепла) несет недостающую массу, когда она покидает реакционную систему (общая масса, как и полная энергия, всегда сохраняется ). В то время как типичные химические реакции высвобождают энергию порядка нескольких эВ (например, энергия связи электрона с водородом составляет 13,6 эВ), реакции ядерного деления обычно выделяют энергию порядка сотен миллионов эВ.

Ниже показаны две типичные реакции деления со средними значениями выделенной энергии и количества выброшенных нейтронов:

[15]

Обратите внимание, что эти уравнения относятся к делениям, вызванным медленными (тепловыми) нейтронами. Средняя выделяемая энергия и количество выброшенных нейтронов зависят от скорости падающего нейтрона. [15] Также обратите внимание, что эти уравнения исключают энергию из нейтрино, поскольку эти субатомные частицы крайне нереактивны и, следовательно, редко вкладывают свою энергию в систему.

Шкалы времени ядерных цепных реакций [ править ]

Быстрое время жизни нейтрона [ править ]

Оперативное время жизни нейтрона , л , среднее время между испусканием нейтронов и либо их поглощение в системе или их выхода из системы. [16] Нейтроны, возникающие непосредственно в результате деления, называются « мгновенными нейтронами », а те, которые возникают в результате радиоактивного распада осколков деления, называются « запаздывающими нейтронами ». Термин «время жизни» используется потому, что испускание нейтрона часто считается его «рождением», а последующее поглощение - его «смертью». Для реакторов деления на тепловых (медленных нейтронах) деления типичное время жизни мгновенных нейтронов составляет порядка 10-4 секунд, а для реакторов на быстрых нейтронахвремя жизни мгновенного нейтрона порядка 10−7 секунд. [15] Эти чрезвычайно короткие сроки жизни означают, что за 1 секунду может пройти от 10 000 до 10 000 000 нейтронов. Средний (также называют сопряженную Невзвешенным ) оперативную жизнь нейтрона принимает во внимание всех быстрых нейтронов , независимо от их значения в активной зоне реактора; эффективное оперативное время жизни нейтрона (упоминается как сопряженный взвешенный по пространству, энергии и угол) относится к нейтрона со средней важности. [17]

Среднее время генерации [ править ]

Среднее время генерации , Λ, среднее время от нейтронного излучения для захвата , что приводит к делению. [15] Среднее время генерации отличается от времени жизни мгновенных нейтронов, потому что среднее время генерации включает только поглощения нейтронов, которые приводят к реакциям деления (не другие реакции поглощения). Два времени связаны следующей формулой:

В этой формуле k - эффективный коэффициент размножения нейтронов, описанный ниже.

Эффективный коэффициент размножения нейтронов [ править ]

Шесть фактора формулы эффективного коэффициент размножения нейтронов, к , является средним числом нейтронов от одного деления , что причина другого деления. Остальные нейтроны либо поглощаются в реакциях неделения, либо покидают систему, не поглощаясь. Значение k определяет, как протекает цепная ядерная реакция:

  • k <1 ( подкритичность ): система не может поддерживать цепную реакцию, и любое начало цепной реакции со временем исчезает. Для каждого деления, которая индуцируется в системе, в среднем всего на 1 / (1 -  к ) расщеплений происходит.
  • k = 1 ( критичность ): каждое деление вызывает в среднем еще одно деление, что приводит к постоянному уровню деления (и мощности). Атомные электростанции работают с k = 1, если уровень мощности не увеличивается или уменьшается.
  • k > 1 ( сверхкритичность ): для каждого деления материала вполне вероятно, что будет " k " делений после следующего среднего времени генерации (Λ). В результате количество реакций деления увеличивается экспоненциально в соответствии с уравнением , где t - прошедшее время. Ядерное оружие предназначено для работы в этом состоянии. Есть два подразделения сверхкритичности: мгновенная и отложенная.

При описании кинетики и динамики ядерных реакторов, а также в практике эксплуатации реакторов используется понятие реактивности, характеризующее отклонение реактора от критического состояния: ρ = ( k  - 1) / k . InHour (от инверсии часа , иногда сокращенно ih или inhr) - единица реактивности ядерного реактора.

В ядерном реакторе, к будет на самом деле колеблется от чуть меньше , чем 1 до чуть больше , чем 1, в основном вследствие термических эффектов (а больше мощности производятся, то топливные стержни тепло и таким образом расширить, снижая их отношение захвата, и , таким образом , движущая K ниже , ). Это оставляет среднее значение k ровно 1. Запаздывающие нейтроны играют важную роль в определении времени этих колебаний.

В бесконечной среде коэффициент размножения можно описать четырехфакторной формулой ; в небесконечной среде коэффициент размножения может быть описан формулой шести факторов.

Быстрая и отложенная сверхкритичность [ править ]

Не все нейтроны испускаются как прямой продукт деления; некоторые из них происходят из-за радиоактивного распада некоторых осколков деления. Нейтроны, возникающие непосредственно в результате деления, называются «мгновенными нейтронами», а те, которые возникают в результате радиоактивного распада осколков деления, называются «запаздывающими нейтронами». Доля задержанных нейтронов называется β, и эта доля обычно составляет менее 1% от всех нейтронов в цепной реакции. [15]

Запаздывающие нейтроны позволяют ядерному реактору реагировать на несколько порядков медленнее, чем только мгновенные нейтроны. [16] Без запаздывающих нейтронов изменения в скорости реакции в ядерных реакторах происходили бы со скоростью, которая слишком высока для контроля человека.

Область сверхкритичности между k = 1 и k = 1 / (1 - β) известна как отложенная сверхкритичность (или отложенная критичность ). Именно в этом регионе работают все ядерные реакторы. Область сверхкритичности при k > 1 / (1 - β) известна как мгновенная сверхкритичность (или мгновенная критичность ), то есть область, в которой действует ядерное оружие.

Изменение k, необходимое для перехода от критического к немедленному критическому, определяется в долларах .

Применение размножения нейтронов в ядерном оружии [ править ]

Оружие ядерного деления требует массы делящегося топлива, которое быстро становится сверхкритическим.

Для данной массы делящегося материала значение k можно увеличить за счет увеличения плотности. Поскольку вероятность столкновения нейтрона с ядром на пройденное расстояние пропорциональна плотности материала, увеличение плотности делящегося материала может увеличить k . Эта концепция используется в методе взрыва ядерного оружия. В этих устройствах ядерная цепная реакция начинается после увеличения плотности делящегося материала с помощью обычного взрывчатого вещества.

В оружии деления пушечного типа два подкритических куска топлива быстро сближаются. Значение k для комбинации двух масс всегда больше, чем у его составляющих. Величина разницы зависит от расстояния, а также от физической ориентации.

Значение k также можно увеличить, используя отражатель нейтронов, окружающий делящийся материал.

Как только масса топлива становится сверхкритической, мощность увеличивается экспоненциально. Однако экспоненциальное увеличение мощности не может продолжаться долго, поскольку k уменьшается, когда количество оставшегося делящегося материала уменьшается (т. Е. Он расходуется при делении). Кроме того, ожидается, что во время взрыва изменится геометрия и плотность, так как оставшийся делящийся материал разорвется на части от взрыва.

Преддетонация [ править ]

Если два куска подкритического материала не собрать вместе достаточно быстро, может произойти ядерная преддонация, в результате чего меньший взрыв, чем ожидалось, разнесет основную массу материала на части. См. Fizzle (ядерное испытание)

Детонация ядерного оружия предполагает очень быстрое приведение расщепляющегося материала в оптимальное сверхкритическое состояние. Во время части этого процесса сборка находится в сверхкритическом состоянии, но еще не в оптимальном состоянии для цепной реакции. Свободные нейтроны, в частности от спонтанного деления , могут вызвать в устройстве предварительную цепную реакцию, которая разрушает делящийся материал до того, как он будет готов произвести большой взрыв, который известен как преддетонация . [18]

Чтобы сохранить низкую вероятность преддонации, продолжительность неоптимального периода сборки сводится к минимуму, и используются делящиеся и другие материалы, которые имеют низкие скорости спонтанного деления. Фактически, комбинация материалов должна быть такой, чтобы маловероятно, что будет даже единичное спонтанное деление в период сверхкритической сборки. В частности, пистолетный метод нельзя использовать с плутонием (см. Конструкцию ядерного оружия ).

Атомные электростанции и контроль цепных реакций [ править ]

Цепные реакции естественным образом приводят к увеличению (или уменьшению) скорости реакции в геометрической прогрессии , тогда как ядерный энергетический реактор должен поддерживать скорость реакции достаточно постоянной. Для поддержания этого контроля критичность цепной реакции должна иметь достаточно медленную шкалу времени, чтобы допустить вмешательство дополнительных эффектов (например, механических регулирующих стержней или теплового расширения). Следовательно, критичность всех ядерных энергетических реакторов (даже реакторов на быстрых нейтронах ) зависит от запаздывающих нейтронов. Действующий ядерный энергетический реактор колеблется между слегка подкритическим и слегка запаздывающе-сверхкритическим, но всегда должен оставаться ниже мгновенно-критического.

Атомная электростанция не может подвергнуться ядерной цепной реакции, которая приводит к взрыву мощности, сопоставимой с ядерным оружием, но даже взрывам малой мощности из-за неконтролируемых цепных реакций (которые можно было бы рассматривать как «взрывы» в бомбе) все еще может вызвать серьезные повреждения и расплавление реактора. Например, чернобыльская катастрофа вызвала неуправляемую цепную реакцию, но результатом стал паровой взрыв малой мощности из-за относительно небольшого выделения тепла по сравнению с бомбой. Однако реакторный комплекс был разрушен жарой, а также обычным сжиганием графита на воздухе. [16] Такие паровые взрывы были бы типичными для очень рассеянной сборки материалов в ядерном реакторе., даже в худших условиях.

Кроме того, для обеспечения безопасности можно предпринять другие меры. Например, электростанции, лицензированные в США, требуют отрицательного пустотного коэффициента реактивности (это означает, что при удалении воды из активной зоны реактора ядерная реакция будет иметь тенденцию прекращаться, а не увеличиваться). Это исключает возможность аварии такого типа, которая произошла в Чернобыле (что произошло из-за положительного коэффициента пустоты). Тем не менее, ядерные реакторы по-прежнему способны вызывать небольшие взрывы даже после полного останова, как это было в случае ядерной катастрофы на Фукусима-дайити . В таких случаях остаточное тепло распада от активной зоны может вызвать высокие температуры, если происходит потеря потока теплоносителя, даже через день после прекращения цепной реакции (см. SCRAM). Это может вызвать химическую реакцию между водой и топливом, в результате которой образуется газообразный водород, который может взорваться после смешивания с воздухом с серьезными последствиями загрязнения, поскольку в результате этого процесса материал топливного стержня может подвергаться воздействию атмосферы. Однако такие взрывы происходят не во время цепной реакции, а скорее в результате энергии радиоактивного бета-распада после того, как цепная реакция деления была остановлена.

См. Также [ править ]

  • Протон-протонная цепная реакция
  • Критичность аварии
  • Безопасность ядерной критичности
  • Ядерная физика
  • Физика ядерного реактора

Ссылки [ править ]

  1. См. Эту Нобелевскую лекцию 1956 года по истории цепной реакции в химии.
  2. ^ Jogalekar, Ashutosh. «Лео Сцилл-роуд, светофор и кусочек ядерной истории» . Scientific American . Дата обращения 4 января 2016 .
  3. ^ L. Szilárd, "Улучшения в трансмутации химических элементов или связанные с ними", номер британского патента: GB630726 (подана: 28 июня 1934 г .; опубликована: 30 марта 1936 г.). просмотр документа esp @ cenet
  4. Лиз Мейтнер: Отто Хан - первооткрыватель ядерного деления. В: Forscher und Wissenschaftler im heutigen Europa. Stalling Verlag, Ольденбург / Гамбург, 1955 год.
  5. ^ Лиз Мейтнер и О. Р. Фриш , " Распад урана нейтронами: новый тип ядерной реакции ", Nature 143 , 3615 (1939-02-11): 239, Bibcode : 1939Natur.143..239M , doi : 10.1038 / 143239a0 ; ИЛИ Фриша , " Физические доказательства отдела тяжелых ядер под действием нейтронов ," Nature 143 , 3616 (1939-02-18): 276, DOI : 10.1038 / 143276a0. Статья датирована 16 января 1939 года. Установлено, что Мейтнер работает в Физическом институте Академии наук в Стокгольме. Фриш идентифицирован как сотрудник Института теоретической физики Копенгагенского университета.
  6. ^ Х. фон Хальбан, Ф. Жолио и Л. Коварски, Nature 143 (1939) 470 и 680.
  7. ^ Bendjebbar, Андре (2000).Histoire secrète de la bombe atomique française. Документы (на французском). Париж. Черче Миди. ISBN 978-2-862-74794-1. OCLC  45842105 .
  8. ^ HL Андерсон , Э. Ферми и Лео Сцилард. «Производство и поглощение нейтронов в уране». Физическое обозрение , т. 56, страницы 284–286 (1 августа 1939 г.). Доступно на сайте FDRlibrary.marist.edu
  9. ^ Lanouette, Уильям; Силард, Бела (1992). Гений в тени: Биография Лео Сциларда: Человек, стоящий за бомбой . Нью-Йорк: Сыновья Чарльза Скрибнера. С. 199, 202. ISBN 978-0-684-19011-2.
  10. ^ Холл, Джек (1997). Аргоннская национальная лаборатория, 1946-96 гг . Университет Иллинойса Press . ISBN 978-0-252-02341-5.
  11. ^ Окло: Природные ядерные реакторы-факты архивация 2008-10-20 в Wayback Machine
  12. ^ «Обзор ядерного топливного цикла - Всемирная ядерная ассоциация» . www.world-nuclear.org . Проверено 18 марта 2020 .
  13. ^ "Ядерное объяснение - Управление энергетической информации США (EIA)" . www.eia.gov . Проверено 18 марта 2020 .
  14. ^ «Плутоний - Всемирная ядерная ассоциация» . www.world-nuclear.org . Проверено 18 марта 2020 .
  15. ^ a b c d e Дудерштадт, Джеймс; Гамильтон, Луи (1976). Анализ ядерных реакторов . ISBN компании John Wiley & Sons, Inc. 978-0-471-22363-4.
  16. ^ a b c Ламарш, Джон; Баратта, Энтони (2001). Введение в ядерную инженерию . Прентис Холл. ISBN 978-0-201-82498-8.
  17. ^ Детерминированный и Монте-Карло анализ термической подкритической сборки YALINA
  18. Кэри Сублетт (20 февраля 1999 г.). «4.1.5.3 Преддетонация» . 4. Конструирование и конструирование ядерного оружия: 4.1 Элементы конструкции оружия деления . Проверено 29 июня 2014 года .

Внешние ссылки [ править ]

  • Анимация ядерной цепной реакции
  • Аннотированная библиография по ядерным цепным реакциям из цифровой библиотеки Alsos
  • Стохастическое Java-моделирование цепной ядерной реакции Вольфганга Бауэра