Reaksi berantai nuklir. Reaksi berantai yang terkendali

Reaksi berantai

Reaksi berantai- reaksi kimia dan nuklir di mana kemunculan partikel aktif (radikal bebas atau atom dalam proses kimia, neutron dalam proses nuklir) menyebabkan sejumlah besar (rantai) transformasi berturut-turut dari molekul atau inti tidak aktif. Radikal bebas dan banyak atom, tidak seperti molekul, memiliki valensi bebas tak jenuh (elektron tidak berpasangan), yang menyebabkan interaksinya dengan molekul aslinya. Ketika radikal bebas (R) bertabrakan dengan suatu molekul, salah satu ikatan valensi molekul tersebut putus dan, dengan demikian, sebagai hasil dari reaksi, radikal bebas baru terbentuk, yang kemudian bereaksi dengan molekul lain - terjadi reaksi berantai.

Reaksi berantai dalam kimia meliputi proses oksidasi (pembakaran, ledakan), perengkahan, polimerisasi dan lain-lain, yang banyak digunakan dalam industri kimia dan minyak.

Yayasan Wikimedia.

2010.

Lihat apa itu “Reaksi berantai” di kamus lain: REAKSI BERANTAKAN, suatu proses fisi nuklir yang berlangsung secara mandiri, di mana satu reaksi mengarah ke awal reaksi kedua, reaksi kedua hingga reaksi ketiga, dan seterusnya. Agar reaksi dapat dimulai, diperlukan kondisi kritis, yaitu massa material yang mampu membelah... ...

Kamus ensiklopedis ilmiah dan teknis reaksi berantai - Setiap proses biologis (atau kimia-fisika) yang terdiri dari serangkaian proses yang saling berhubungan, di mana produk (atau energi) dari setiap tahap merupakan peserta dalam tahap berikutnya, yang mengarah pada pemeliharaan dan (atau) percepatan rantai. .. ...

Kamus ensiklopedis ilmiah dan teknis Panduan Penerjemah Teknis - 1) Suatu reaksi yang menyebabkan sejumlah besar transformasi molekul-molekul zat asal. 2) Reaksi fisi inti atom unsur berat yang berkelanjutan di bawah pengaruh neutron. 3) dekomposisi Tentang serangkaian tindakan, keadaan, dll., di mana satu atau satu... ...

Kamus banyak ekspresi Reaksi berantai Setiap proses biologis (atau kimia-fisika) yang terdiri dari serangkaian proses yang saling berhubungan, di mana produk (atau energi) dari setiap tahap merupakan peserta dalam tahap berikutnya, yang mengarah pada pemeliharaan dan (atau) ... ...

Kamus ensiklopedis ilmiah dan teknis- grandininė reakcija statusas T sritis chemija apibrėžtis Cheminė ar branduolinė reakcija, kurios aktyvusis centras sukelia ilgą kitimų grandinę. atitikmenys: bahasa inggris. reaksi berantai Rusia. reaksi berantai... Terminal kimia adalah titik akhir yang sama

Kamus ensiklopedis ilmiah dan teknis- grandininė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. reaksi berantai vok. Reaksi Kettenkern, f; Kettenreaktion, f rus. reaksi berantai, f pranc. reaksi dalam saluran, f … Batasan fisik

Razg. Tentang proses yang sedang berlangsung dan tidak terkendali yang melibatkan seseorang atau sesuatu. Apa? BMS 1998, 489; BTS, 1462… Kamus besar ucapan Rusia

Konsep ilmiah reaksi berantai. Dan juga “Chain Reaction” adalah nama dari beberapa film layar lebar: “Chain Reaction” adalah film Uni Soviet tahun 1962. "Chain Reaction" adalah sebuah film komedi kriminal Perancis tahun 1963. “Rantai... ... Wikipedia

Konsep ilmiah reaksi berantai. Dan juga “Chain Reaction” adalah nama dari beberapa film layar lebar: “Chain Reaction” adalah film Uni Soviet tahun 1962. "Chain Reaction" adalah sebuah film komedi kriminal Perancis tahun 1963. Film Australia "Reaksi Berantai"... ... Wikipedia

Chain Reaction (film, 1963) Istilah ini memiliki arti lain, lihat Chain Reaction (definisi). Reaksi berantai Carambolage ... Wikipedia

Buku

• Reaksi Berantai, Elkeles Simone. Fitur Usia 18+ 3: - Buku terlaris New York Times, Amazon - Dari penulis buku terlaris dunia "Perfect Chemistry" dan "The Law of Attraction" - Bagi mereka yang percaya bahwa cinta mengubah segalanya "Luar biasa…

Ini adalah proses di mana satu reaksi yang dilakukan menyebabkan reaksi-reaksi berikutnya yang sejenis.

Selama pembelahan satu inti uranium, neutron yang dihasilkan dapat menyebabkan pembelahan inti uranium lainnya, dan jumlah neutron bertambah seperti longsoran salju.

Perbandingan jumlah neutron yang dihasilkan pada suatu peristiwa fisi dengan jumlah neutron pada peristiwa fisi sebelumnya disebut faktor perkalian neutron k.

Ketika k kurang dari 1, reaksinya meluruh, karena jumlah neutron yang diserap lebih besar daripada jumlah neutron yang baru terbentuk.
Ketika k lebih besar dari 1, ledakan terjadi hampir seketika.
Ketika k sama dengan 1, terjadi reaksi berantai stasioner terkendali.

Reaksi berantai disertai dengan pelepasan sejumlah besar energi.

Untuk melakukan reaksi berantai, tidak mungkin menggunakan inti apa pun yang mengalami fisi di bawah pengaruh neutron.

Unsur kimia uranium yang digunakan sebagai bahan bakar reaktor nuklir secara alami terdiri dari dua isotop: uranium-235 dan uranium-238.

Di alam, isotop uranium-235 hanya menyumbang 0,7% dari total cadangan uranium, namun isotop tersebut cocok untuk melakukan reaksi berantai, karena fisi di bawah pengaruh neutron lambat.

Inti uranium-238 hanya dapat melakukan fisi di bawah pengaruh neutron berenergi tinggi (neutron cepat). Hanya 60% neutron yang dihasilkan selama fisi inti uranium-238 yang memiliki energi ini. Kira-kira hanya 1 dari 5 neutron yang dihasilkan menyebabkan fisi nuklir.

Kondisi terjadinya reaksi berantai pada uranium-235:

Jumlah minimum bahan bakar (massa kritis) yang diperlukan untuk melaksanakan reaksi berantai terkendali dalam reaktor nuklir
- kecepatan neutron seharusnya menyebabkan fisi inti uranium
- tidak adanya pengotor yang menyerap neutron

Massa kritis:

Jika massa uranium kecil, neutron akan terbang keluar tanpa bereaksi
- jika massa uranium besar, ledakan mungkin terjadi karena peningkatan jumlah neutron yang kuat
- jika massa sesuai dengan massa kritis, terjadi reaksi berantai terkontrol

Untuk uranium-235, massa kritisnya adalah 50 kg (misalnya bola uranium dengan diameter 9 cm).

Reaksi berantai terkontrol pertama - AS pada tahun 1942 (E. Fermi)
Di Uni Soviet - 1946 (I.V. Kurchatov).

Hukum induksi elektromagnetik Faraday adalah hukum dasar elektrodinamika mengenai prinsip pengoperasian transformator, tersedak, dan berbagai jenis motor listrik

Dan generator. Undang-undang tersebut menyatakan:

Hukum Faraday sebagai dua fenomena berbeda[sunting | edit teks wiki]

Beberapa fisikawan mencatat bahwa hukum Faraday menggambarkan dua fenomena berbeda dalam satu persamaan: EMF motorik, dihasilkan oleh aksi gaya magnet pada kawat yang bergerak, dan transformator EMF, dihasilkan oleh aksi gaya listrik akibat perubahan medan magnet. James Clerk Maxwell menarik perhatian pada fakta ini dalam karyanya Tentang garis kekuatan fisik pada tahun 1861. Pada paruh kedua Bagian II karyanya, Maxwell memberikan penjelasan fisika tersendiri untuk masing-masing kedua fenomena tersebut. Referensi ke dua aspek induksi elektromagnetik ini tersedia di beberapa buku teks modern. Seperti yang ditulis Richard Feynman:

Hukum Lorentz edit teks wiki]

Mengenakan biaya Q pada konduktor di sisi kiri loop mengalami gaya Lorentz Q v× B k = −q v B(x C − w / 2) J   (j, k- vektor satuan dalam arah kamu Dan z; lihat perkalian vektor vektor), yang menyebabkan ggl (usaha per satuan muatan) v ℓ B(x C − w / 2) sepanjang seluruh sisi kiri lingkaran. Di sisi kanan loop, alasan serupa menunjukkan bahwa ggl sama dengan v ℓ B(x C + w / 2). Dua ggl yang saling berhadapan mendorong muatan positif ke arah bawah loop. Seandainya lapangan B bertambah sepanjang x maka gaya pada ruas kanan akan semakin besar dan arus mengalir searah jarum jam. Dengan menggunakan aturan tangan kanan, kita menemukan bidang tersebut B, yang diciptakan oleh arus, berlawanan dengan bidang yang diterapkan. GGL yang menyebabkan arus harus meningkat berlawanan arah jarum jam (berlawanan dengan arus). Menambahkan ggl berlawanan arah jarum jam di sepanjang loop kita menemukan:

Hukum Faraday edit teks wiki]

Pendekatan yang menarik secara intuitif tetapi memiliki kelemahan dalam menggunakan aturan aliran menyatakan aliran melalui suatu rangkaian sebagai Φ B = Bwℓ, dimana w- lebar loop bergerak. Ekspresi ini tidak bergantung pada waktu, sehingga salah jika dinyatakan bahwa tidak ada ggl yang dihasilkan. Kesalahan dalam pernyataan ini adalah tidak memperhitungkan seluruh jalur arus yang melalui loop tertutup.

Untuk menggunakan aturan aliran dengan benar, kita harus mempertimbangkan seluruh jalur arus, yang mencakup jalur melalui pelek pada pelek atas dan bawah. Kita dapat memilih jalur tertutup sembarang melalui pelek dan loop berputar, dan menggunakan hukum aliran, cari ggl di sepanjang jalur ini. Setiap jalur yang mencakup segmen yang berdekatan dengan loop yang berputar memperhitungkan gerakan relatif dari bagian-bagian rantai.

Sebagai contoh, perhatikan jalur yang lewat di bagian atas rantai searah dengan putaran cakram atas, dan di bagian bawah rantai - dalam arah yang berlawanan dengan cakram bawah (ditunjukkan oleh panah pada Gambar . Dalam hal ini, jika loop berputar telah menyimpang sudut θ dari loop kolektor, maka dapat dianggap sebagai bagian dari silinder dengan luas A = Rℓθ. Daerah ini tegak lurus dengan lapangan B, dan kontribusinya terhadap aliran sama dengan:

dimana tandanya negatif karena menurut aturan sebelah kanan lapangan B , dihasilkan oleh loop dengan arus, berlawanan arah dengan medan yang diterapkan B". Karena ini hanya bagian fluks yang bergantung pada waktu, menurut hukum fluks, gglnya adalah:

sesuai dengan rumus hukum Lorentz.

Sekarang pertimbangkan jalur lain, di mana kita memilih untuk melewati tepi disk melalui segmen yang berlawanan. Dalam hal ini thread yang terkait adalah mengurangi dengan meningkatnya θ, tetapi menurut aturan tangan kanan, loop arus menambahkan bidang terlampir B, oleh karena itu EMF untuk jalur ini akan sama persis dengan nilai EMF untuk jalur pertama. Jalur pengembalian campuran apa pun menghasilkan hasil yang sama untuk nilai ggl, jadi tidak masalah jalur mana yang Anda ambil.

Reaksi termonuklir adalah jenis reaksi nuklir di mana inti atom ringan bergabung menjadi inti atom yang lebih berat karena energi kinetik dari gerakan termalnya. Asal usul istilah[sunting | edit teks wiki]

Agar reaksi nuklir dapat terjadi, inti atom asli harus mengatasi apa yang disebut “penghalang Coulomb” – gaya tolak menolak elektrostatis di antara keduanya. Untuk melakukan hal ini, mereka harus memiliki energi kinetik yang tinggi. Menurut teori kinetik, energi kinetik pergerakan mikropartikel suatu zat (atom, molekul atau ion) dapat direpresentasikan sebagai suhu, dan oleh karena itu, dengan memanaskan zat tersebut, reaksi nuklir dapat dicapai. Hubungan antara pemanasan suatu zat dan reaksi nuklir inilah yang tercermin dalam istilah “reaksi termonuklir”.

Penghalang Coulomb edit teks wiki]

Inti atom mempunyai muatan listrik positif. Pada jarak yang jauh, muatannya dapat dilindungi oleh elektron. Namun, agar fusi inti dapat terjadi, inti-inti tersebut harus saling mendekat pada jarak yang memungkinkan terjadinya interaksi kuat. Jarak ini sesuai dengan ukuran inti itu sendiri dan jauh lebih kecil dari ukuran atom. Pada jarak seperti itu, kulit elektron atom (walaupun terpelihara) tidak dapat lagi melindungi muatan inti, sehingga mengalami tolakan elektrostatis yang kuat. Gaya tolak-menolak ini, sesuai dengan hukum Coulomb, berbanding terbalik dengan kuadrat jarak antar muatan. Pada jarak berdasarkan ukuran inti, besarnya interaksi kuat, yang cenderung mengikatnya, mulai meningkat dengan cepat dan menjadi lebih besar daripada besarnya tolakan Coulomb.

Jadi, untuk dapat bereaksi, inti atom harus mengatasi penghalang potensial. Misalnya, untuk reaksi deuterium-tritium, nilai penghalang ini kira-kira 0,1 MeV. Sebagai perbandingan, energi ionisasi hidrogen adalah 13 eV. Oleh karena itu, zat yang berpartisipasi dalam reaksi termonuklir akan menjadi plasma yang hampir terionisasi seluruhnya.

Suhu yang setara dengan 0,1 MeV kira-kira 10 9 K, namun ada dua efek yang menurunkan suhu yang diperlukan untuk reaksi fusi:

· Pertama, suhu hanya mencirikan energi kinetik rata-rata, terdapat partikel dengan energi lebih rendah dan lebih tinggi. Faktanya, reaksi termonuklir melibatkan sejumlah kecil inti yang memiliki energi jauh lebih tinggi daripada rata-rata (yang disebut “ekor distribusi Maxwellian”

· Kedua, karena efek kuantum, inti atom belum tentu mempunyai energi melebihi penghalang Coulomb. Jika energinya sedikit lebih kecil dari penghalang, kemungkinan besar mereka akan menembusnya. [ sumber tidak ditentukan 339 hari]

Reaksi termonuklir[sunting | edit teks wiki]

Beberapa reaksi termonuklir eksotermik terpenting dengan penampang besar:

Katalisis muon edit teks wiki]

Artikel utama: Katalisis muon

Reaksi termonuklir dapat difasilitasi secara signifikan dengan memasukkan muon bermuatan negatif ke dalam plasma reaksi.

Muon µ − , berinteraksi dengan bahan bakar termonuklir, membentuk mesomolekul yang jarak antara inti atom bahan bakarnya agak lebih kecil, yang memfasilitasi pendekatannya dan, sebagai tambahan, meningkatkan kemungkinan penerobosan inti melalui penghalang Coulomb.

Jumlah reaksi sintesis X c, diprakarsai oleh satu muon, dibatasi oleh nilai koefisien pelekatan muon. Secara eksperimental dimungkinkan untuk memperoleh nilai X c ~ 100, yaitu satu muon mampu melepaskan energi ~ 100 × X MeV, di mana X adalah keluaran energi dari reaksi yang dikatalisis.

Sejauh ini jumlah energi yang dilepaskan lebih kecil dibandingkan biaya energi untuk produksi muon itu sendiri (5-10 GeV). Dengan demikian, katalisis muon masih merupakan proses yang tidak menguntungkan secara energi. Produksi energi yang layak secara komersial menggunakan katalisis muon dimungkinkan dengan X c ~ 10 4 .

Aplikasi[sunting | edit teks wiki]

Penggunaan reaksi termonuklir sebagai sumber energi yang praktis tidak ada habisnya terutama dikaitkan dengan prospek penguasaan teknologi fusi termonuklir terkendali (CTF). Saat ini, basis ilmu pengetahuan dan teknologi tidak mengizinkan penggunaan CTS dalam skala industri.

Pada saat yang sama, reaksi termonuklir yang tidak terkendali telah diterapkan dalam urusan militer. Alat peledak termonuklir pertama diuji pada bulan November 1952 di Amerika Serikat, dan pada bulan Agustus 1953, alat peledak termonuklir berupa bom udara diuji di Uni Soviet. Kekuatan alat peledak termonuklir (tidak seperti alat peledak atom) hanya dibatasi oleh jumlah bahan yang digunakan untuk membuatnya, yang memungkinkan pembuatan alat peledak dengan kekuatan apa pun.

TIKET 27 pertanyaan 1

Fenomena induksi diri

Kita telah mempelajari bahwa medan magnet muncul di dekat penghantar yang membawa arus. Kami juga mempelajari bahwa medan magnet bolak-balik menghasilkan arus (fenomena induksi elektromagnetik). Mari kita pertimbangkan rangkaian listrik. Ketika kekuatan arus dalam rangkaian ini berubah, medan magnet akan berubah, akibatnya timbul tambahan arus yang diinduksi. Fenomena ini disebut induksi diri, dan arus yang timbul dalam hal ini disebut arus induksi diri.

Fenomena induksi diri adalah terjadinya EMF pada suatu rangkaian penghantar, yang timbul akibat adanya perubahan kuat arus pada rangkaian itu sendiri.

Induktansi suatu rangkaian bergantung pada bentuk dan ukurannya, pada sifat magnetik lingkungan, dan tidak bergantung pada kuat arus dalam rangkaian.

GGL induksi diri ditentukan dengan rumus:

Fenomena induksi diri mirip dengan fenomena inersia. Seperti halnya dalam mekanika tidak mungkin menghentikan suatu benda yang bergerak secara instan, demikian pula arus tidak dapat memperoleh nilai tertentu secara instan karena fenomena induksi diri. Jika sebuah kumparan dihubungkan secara seri dengan lampu kedua dalam suatu rangkaian yang terdiri dari dua lampu identik yang dihubungkan secara paralel dengan sumber arus, maka ketika rangkaian ditutup, lampu pertama langsung menyala, dan lampu kedua dengan penundaan yang nyata.

Ketika rangkaian dibuka, kekuatan arus dengan cepat berkurang, dan ggl induktif diri yang dihasilkan mencegah penurunan fluks magnet. Dalam hal ini, arus induksi diarahkan dengan cara yang sama seperti arus awal. GGL induksi sendiri bisa berkali-kali lipat lebih besar dibandingkan ggl eksternal. Oleh karena itu, bola lampu sering kali padam saat lampu dimatikan.

Energi medan magnet

Energi medan magnet suatu rangkaian pembawa arus:

Radiasi radioaktif adalah radiasi yang dilepaskan isotop selama peluruhan. Ia memiliki tiga jenis: sinar alfa (aliran inti atom helium), sinar beta (aliran elektron) dan sinar gamma (radiasi elektromagnetik). Bagi manusia, yang paling berbahaya adalah radiasi gamma.

Dosis radiasi yang diserap sama dengan perbandingan energi yang diterima tubuh terhadap massa tubuh. Dosis serapan ditandai dengan huruf D dan diukur dalam warna abu-abu.

Dalam praktiknya, satuan ukurannya juga roentgen (R), sama dengan 2,58 dikalikan 10 pangkat minus 4 coulomb dibagi kilogram.

Radiasi yang diserap dapat terakumulasi seiring waktu, dan dosisnya meningkat seiring lamanya penyinaran berlangsung.

Laju dosis ditentukan oleh perbandingan dosis radiasi yang diserap dengan waktu penyinaran. Ini ditandai dengan huruf N dan diukur dalam abu-abu dibagi per detik.

Bagi manusia, dosis mematikan radiasi yang diserap setara dengan 6 Gy. Dosis radiasi maksimum yang diperbolehkan bagi manusia adalah 0,05 Gy per tahun.

TIKET 28 Pertanyaan 1

Partikel elementer adalah istilah kolektif yang mengacu pada objek mikro pada skala subnuklir yang tidak dapat dipecah menjadi bagian-bagian komponennya.

Perlu diingat bahwa beberapa partikel elementer ( elektron, neutrino, quark dll.) saat ini dianggap tidak terstruktur dan dianggap primer partikel fundamental . Partikel elementer lainnya (disebut partikel komposit, termasuk partikel-partikel penyusun inti atom atom - proton Dan neutron) memiliki struktur internal yang kompleks, namun, menurut ide-ide modern, tidak mungkin untuk membaginya menjadi beberapa bagian karena efeknya kurungan.

Total dengan antipartikel Lebih dari 350 partikel elementer telah ditemukan. Dari jumlah tersebut, foton, elektron dan muon neutrino, elektron, proton dan antipartikelnya stabil. Partikel elementer yang tersisa meluruh secara spontan dalam waktu sekitar 1000 detik (untuk neutron bebas) hingga sepersekian detik yang dapat diabaikan (dari 10 −24 hingga 10 −22, untuk resonansi).

Dengan osilasi elektromagnetik, terjadi perubahan periodik pada muatan listrik, arus dan tegangan. Osilasi elektromagnetik dibagi menjadi bebas, memudar, dipaksa dan osilasi diri.

Osilasi bebas disebut osilasi yang terjadi dalam suatu sistem (kapasitor dan kumparan) setelah dikeluarkan dari posisi setimbang (ketika muatan diberikan ke kapasitor). Lebih tepatnya, osilasi elektromagnetik bebas terjadi ketika kapasitor dilepaskan melalui induktor. Dipaksa osilasi disebut osilasi dalam suatu rangkaian di bawah pengaruh gaya gerak listrik eksternal yang berubah secara berkala.

Sistem paling sederhana di mana osilasi elektromagnetik bebas diamati adalah rangkaian osilasi terdiri dari induktor dan kapasitor. Proses ini akan berulang lagi dan lagi. akan muncul getaran elektromagnetik karena konversi energi dari medan listrik kapasitor.

· Kapasitor, yang diisi dari baterai, pada awalnya akan memperoleh muatan maksimum. Energinya Kami akan maksimum (Gbr. a).

· Jika kapasitor dihubung pendek ke kumparan, maka pada saat ini kapasitor akan mulai mengeluarkan muatan (Gbr. b). Arus akan muncul di sirkuit. Saat kapasitor dilepaskan, arus dalam rangkaian dan kumparan meningkat. Karena fenomena induksi diri, hal ini tidak terjadi secara instan. Energi Kumparan Wm menjadi maksimum (Gbr. c).

· Arus induksi mengalir dalam arah yang sama. Muatan listrik kembali terakumulasi pada kapasitor. Kapasitor diisi ulang, mis. Pelat kapasitor yang sebelumnya bermuatan positif akan menjadi bermuatan negatif. Energi kapasitor menjadi maksimum. Arus dalam arah ini akan berhenti, dan proses akan berulang pada arah yang berlawanan (Gbr. d). Proses ini akan diulangi lagi dan lagi. akan muncul getaran elektromagnetik akibat terjadinya perubahan energi medan listrik kapasitor menjadi energi medan magnet kumparan arus, dan sebaliknya. Jika tidak ada rugi-rugi (resistansi R = 0), maka kuat arus, muatan dan tegangan berubah seiring waktu menurut hukum harmonik. Getaran yang terjadi menurut hukum kosinus atau sinus disebut harmonik. Persamaan osilasi harmonik muatan: .

Rangkaian yang tidak mengalami kehilangan energi merupakan rangkaian osilasi ideal. Periode osilasi elektromagnetik dalam rangkaian osilasi ideal tergantung pada induktansi kumparan dan kapasitansi kapasitor dan ditemukan menurut rumus Thomson dimana L adalah induktansi kumparan, C adalah kapasitansi kapasitor, T adalah periode osilasi listrik.
Dalam rangkaian osilasi nyata, akan terjadi osilasi elektromagnetik bebas kabur karena hilangnya energi saat memanaskan kabel. Untuk penerapan praktis, penting untuk mendapatkan osilasi elektromagnetik yang tidak teredam, dan untuk ini perlu mengisi kembali rangkaian osilasi dengan listrik untuk mengkompensasi kehilangan energi dari generator osilasi yang tidak teredam, yang merupakan contoh sistem osilasi sendiri.

Tiket 29 pertanyaan 1

Antipartikel - kembaran partikel dari beberapa partikel lainnya partikel dasar, memiliki hal yang sama massa dan hal yang sama putaran, berbeda darinya dalam tanda-tanda semua karakteristik interaksi lainnya (biaya seperti listrik Dan warna muatan, baryon dan lepton bilangan kuantum).

Definisi sebenarnya dari apa yang disebut “partikel” dalam pasangan partikel-antipartikel sebagian besar bersifat arbitrer. Namun, untuk pilihan “partikel” tertentu, antipartikelnya ditentukan secara unik. Kekekalan bilangan baryon dalam proses interaksi yang lemah memungkinkan untuk menentukan “partikel” dalam pasangan baryon-antibaryon dari rantai peluruhan baryon. Pilihan elektron sebagai “partikel” pada pasangan elektron-positron tetap (karena kekekalan bilangan lepton dalam proses interaksi yang lemah) penentuan keadaan “partikel” pada pasangan elektron neutrino-antineutrino. Transisi antara lepton dari generasi yang berbeda (tipe ) belum teramati, sehingga definisi “partikel” pada setiap generasi lepton, secara umum, dapat dibuat secara independen. Biasanya, dengan analogi elektron, “partikel” disebut bermuatan negatif lepton, yang, dengan tetap mempertahankan bilangan lepton, menentukan bilangan yang sesuai neutrino Dan antineutrino. Untuk boson konsep "partikel" dapat ditetapkan berdasarkan definisi, misalnya, biaya berlebihan.

Reaksi berantai nuklir- rangkaian reaksi nuklir tunggal, yang masing-masing disebabkan oleh partikel yang muncul sebagai produk reaksi pada langkah rangkaian sebelumnya. Contoh reaksi berantai nuklir adalah reaksi berantai fisi inti unsur berat, yang sebagian besar peristiwa fisi diawali oleh neutron yang diperoleh dari fisi inti atom generasi sebelumnya.

YouTube ensiklopedis

1 / 3

Fisika nuklir. Reaksi nuklir. Reaksi berantai fisi nuklir. pembangkit listrik tenaga nuklir

Gaya nuklir Energi ikat partikel dalam inti Fisi inti uranium Reaksi berantai

Reaksi nuklir

Subtitle

Mekanisme pelepasan energi

Transformasi suatu zat disertai dengan pelepasan energi bebas hanya jika zat tersebut mempunyai cadangan energi. Yang terakhir berarti bahwa mikropartikel suatu zat berada dalam keadaan dengan energi diam lebih besar daripada keadaan lain yang mungkin terjadi transisi. Transisi spontan selalu dicegah oleh penghalang energi, untuk mengatasinya mikropartikel harus menerima sejumlah energi dari luar - energi eksitasi. Reaksi eksoenergik terdiri dari fakta bahwa dalam transformasi setelah eksitasi, lebih banyak energi yang dilepaskan daripada yang dibutuhkan untuk menggairahkan proses tersebut. Ada dua cara untuk mengatasi hambatan energi: baik karena energi kinetik partikel yang bertabrakan, atau karena energi ikat partikel yang bergabung.

Jika kita mengingat skala makroskopis pelepasan energi, maka semua atau setidaknya sebagian kecil partikel suatu zat harus memiliki energi kinetik yang diperlukan untuk merangsang reaksi. Hal ini hanya dapat dicapai dengan meningkatkan suhu medium ke nilai di mana energi gerak termal mendekati ambang batas energi yang membatasi jalannya proses. Dalam kasus transformasi molekuler, yaitu reaksi kimia, peningkatan seperti itu biasanya ratusan kelvin, tetapi dalam kasus reaksi nuklir setidaknya 10 7 K karena tingginya hambatan Coulomb dari inti tumbukan. Eksitasi termal dari reaksi nuklir dalam praktiknya dilakukan hanya selama sintesis inti paling ringan, di mana hambatan Coulomb minimal (fusi termonuklir).

Eksitasi melalui penggabungan partikel tidak memerlukan energi kinetik yang besar, dan oleh karena itu, tidak bergantung pada suhu medium, karena hal ini terjadi karena ikatan yang tidak terpakai yang melekat pada gaya tarik-menarik partikel. Tetapi untuk merangsang reaksi, diperlukan partikel itu sendiri. Dan jika yang kami maksud lagi bukanlah reaksi yang terpisah, melainkan produksi energi dalam skala makroskopis, maka hal ini hanya mungkin terjadi jika terjadi reaksi berantai. Yang terakhir terjadi ketika partikel yang merangsang reaksi muncul kembali sebagai produk reaksi eksoenergi.

Reaksi berantai

Reaksi berantai tersebar luas di antara reaksi kimia, di mana peran partikel dengan ikatan yang tidak terpakai dimainkan oleh atom bebas atau radikal. Mekanisme reaksi berantai selama transformasi nuklir dapat disediakan oleh neutron yang tidak memiliki penghalang Coulomb dan mengeksitasi inti ketika diserap. Munculnya partikel yang diperlukan di lingkungan menyebabkan terjadinya rantai reaksi yang mengikuti satu sama lain, yang berlanjut hingga rantai tersebut putus karena hilangnya partikel pembawa reaksi. Ada dua penyebab utama kerugian: penyerapan suatu partikel tanpa emisi partikel sekunder dan keluarnya partikel melebihi volume zat yang mendukung proses rantai. Jika dalam setiap reaksi hanya muncul satu partikel pembawa, maka disebut reaksi berantai tidak bercabang. Reaksi berantai tidak bercabang tidak dapat menyebabkan pelepasan energi dalam skala besar.

Jika dalam setiap reaksi atau pada suatu mata rantai terdapat lebih dari satu partikel, maka terjadilah reaksi berantai bercabang, karena salah satu partikel sekunder melanjutkan rantai awal, sedangkan partikel lainnya menimbulkan rantai baru yang bercabang lagi. Benar, proses yang menyebabkan pemutusan rantai bersaing dengan proses percabangan, dan situasi yang muncul menimbulkan fenomena terbatas atau kritis yang spesifik untuk reaksi berantai bercabang. Jika jumlah rangkaian yang rusak lebih besar daripada jumlah rangkaian baru yang muncul, maka reaksi berantai yang berkelanjutan(SCR) ternyata mustahil. Sekalipun ia tereksitasi secara artifisial dengan memasukkan sejumlah partikel penting ke dalam medium, karena jumlah rantai dalam hal ini hanya dapat berkurang, proses yang telah dimulai dengan cepat memudar. Jika jumlah rantai baru yang terbentuk melebihi jumlah putusnya, reaksi berantai dengan cepat menyebar ke seluruh volume zat ketika setidaknya satu partikel awal muncul.

Wilayah wujud materi dengan perkembangan reaksi berantai mandiri dipisahkan dari wilayah di mana reaksi berantai secara umum tidak mungkin dilakukan, kondisi kritis. Keadaan kritis ditandai dengan kesetaraan antara jumlah sirkuit baru dan jumlah putusnya.

Mencapai keadaan kritis ditentukan oleh sejumlah faktor. Fisi inti berat tereksitasi oleh satu neutron, dan sebagai akibat dari aksi fisi tersebut muncul lebih dari satu neutron (misalnya, untuk 235 U jumlah neutron yang dihasilkan dalam satu aksi fisi rata-rata 2 hingga 3). Akibatnya, proses fisi dapat menimbulkan reaksi berantai bercabang, yang pembawanya adalah neutron. Jika laju kehilangan neutron (menangkap tanpa fisi, keluar dari volume reaksi, dll.) mengkompensasi laju penggandaan neutron sedemikian rupa sehingga koefisien penggandaan neutron efektif sama persis dengan satu, maka reaksi berantai berlangsung dalam a mode stasioner. Pengenalan umpan balik negatif antara faktor perkalian efektif dan laju pelepasan energi memungkinkan terjadinya reaksi berantai yang terkendali, yang digunakan, misalnya, dalam energi nuklir. Jika faktor perkaliannya lebih besar dari satu, reaksi berantai berkembang secara eksponensial; reaksi berantai fisi yang tidak terkendali digunakan dalam

Mari kita perhatikan mekanisme reaksi berantai fisi. Ketika inti atom berat mengalami fisi di bawah pengaruh neutron, neutron baru dihasilkan. Misalnya, setiap fisi inti uranium 92 U 235 menghasilkan rata-rata 2,4 neutron. Beberapa dari neutron ini kembali dapat menyebabkan fisi nuklir. Proses seperti longsoran salju ini disebut reaksi berantai .
Reaksi berantai fisi terjadi pada lingkungan dimana terjadi proses penggandaan neutron. Lingkungan ini disebut inti . Besaran fisis terpenting yang mencirikan intensitas penggandaan neutron adalah faktor perkalian neutron dalam medium k ∞ . Koefisien perkalian sama dengan perbandingan jumlah neutron pada suatu generasi dengan jumlah neutron pada generasi sebelumnya. Indeks ∞ menunjukkan bahwa kita berbicara tentang lingkungan ideal dengan dimensi tak terbatas. Demikian pula dengan nilai k ∞ ditentukan faktor perkalian neutron dalam sistem fisik k. Faktor k merupakan karakteristik suatu instalasi tertentu.
Dalam media fisil berdimensi terbatas, beberapa neutron akan lepas dari inti ke luar. Oleh karena itu, koefisien k juga bergantung pada probabilitas P agar neutron tidak lepas dari inti. Menurut definisi

Nilai P bergantung pada komposisi inti, ukuran, bentuknya, dan juga sejauh mana zat di sekitar inti memantulkan neutron.
Konsep penting massa kritis dan dimensi kritis dikaitkan dengan kemungkinan neutron meninggalkan inti. Ukuran kritis adalah ukuran zona aktif di mana k = 1. Massa kritis disebut massa inti dimensi kritis. Jelas sekali bahwa pada massa di bawah massa kritis, reaksi berantai tidak terjadi, meskipun > 1. Sebaliknya, kelebihan massa yang nyata di atas massa kritis menyebabkan reaksi yang tidak terkendali - ledakan.
Jika pada generasi pertama terdapat N neutron, maka pada generasi ke-n terdapat Nk n. Oleh karena itu, pada k = 1 reaksi berantai berlangsung stasioner, pada k< 1 реакция гаснет, а при k >1 intensitas reaksi meningkat. Ketika k = 1 mode reaksi dipanggil kritis , untuk k > 1 – superkritis dan di k< 1 – subkritis .
Masa hidup satu generasi neutron sangat bergantung pada sifat mediumnya dan berkisar antara 10 –4 hingga 10 –8 detik. Karena kecilnya waktu ini, untuk melakukan reaksi berantai yang terkendali, persamaan k = 1 harus dipertahankan dengan sangat akurat, karena, katakanlah, pada k = 1,01 sistem akan meledak hampir seketika. Mari kita lihat faktor apa saja yang menentukan koefisien k ∞ dan k.
Besaran pertama yang menentukan k ∞ (atau k) adalah jumlah rata-rata neutron yang dipancarkan dalam satu peristiwa fisi. Jumlahnya tergantung pada jenis bahan bakar dan energi neutron yang datang. Dalam tabel Tabel 1 menunjukkan nilai isotop utama energi nuklir untuk neutron termal dan cepat (E = 1 MeV).

Spektrum energi neutron fisi untuk isotop 235 U ditunjukkan pada Gambar. 1. Spektrum jenis ini serupa untuk semua isotop fisil: terdapat sebaran energi yang kuat, dengan sebagian besar neutron memiliki energi dalam kisaran 1–3 MeV. Neutron yang dihasilkan selama fisi melambat, berdifusi pada jarak tertentu dan diserap dengan atau tanpa fisi. Bergantung pada sifat mediumnya, neutron memiliki waktu untuk melambat ke energi yang berbeda sebelum diserap. Dengan adanya moderator yang baik, sebagian besar neutron memiliki waktu untuk melambat hingga energi panas sekitar 0,025 eV. Dalam hal ini disebut reaksi berantai lambat, atau, apa yang sama, panas. Dengan tidak adanya moderator khusus, neutron hanya punya waktu untuk melambat hingga energi 0,1–0,4 MeV, karena semua isotop fisil bersifat berat dan oleh karena itu perlambatannya buruk. Reaksi berantai yang sesuai disebut cepat(kami tekankan bahwa julukan “cepat” dan “lambat” mencirikan kecepatan neutron, dan bukan kecepatan reaksi). Reaksi berantai di mana neutron diperlambat hingga energi berkisar antara puluhan hingga satu keV disebut intermediat .
Ketika sebuah neutron bertabrakan dengan inti berat, penangkapan radiasi neutron (n, γ) selalu mungkin terjadi. Proses ini akan bersaing dengan pembagian dan dengan demikian mengurangi tingkat perkalian. Oleh karena itu besaran fisis kedua yang mempengaruhi koefisien k ∞ , k adalah probabilitas fisi ketika sebuah neutron ditangkap oleh inti isotop fisil. Probabilitas neutron monoenergi ini jelas sama dengan

dimana nf, nγ masing-masing adalah penampang fisi dan penangkapan radiasi. Untuk memperhitungkan jumlah neutron per peristiwa fisi dan kemungkinan penangkapan radiasi secara bersamaan, maka diterapkanlah koefisien η yang sama dengan jumlah rata-rata neutron sekunder per penangkapan neutron oleh inti fisil.

nilai η bergantung pada jenis bahan bakar dan energi neutron. Nilai η untuk isotop terpenting untuk neutron termal dan cepat diberikan dalam tabel yang sama. 1. Nilai η merupakan karakteristik terpenting dari inti bahan bakar. Reaksi berantai hanya dapat terjadi jika η > 1. Semakin tinggi nilai η maka semakin tinggi kualitas bahan bakarnya.

Tabel 1. Nilai ν, η untuk isotop fisil

Kualitas bahan bakar nuklir ditentukan oleh ketersediaan dan koefisien η. Hanya ada tiga isotop yang ditemukan di alam yang dapat berfungsi sebagai bahan bakar nuklir atau bahan baku produksinya. Ini adalah isotop thorium 232 Th dan isotop uranium 238 U dan 235 U. Dari jumlah tersebut, dua isotop pertama tidak memberikan reaksi berantai, tetapi dapat diolah menjadi isotop tempat terjadinya reaksi. Isotop 235 U sendiri memberikan reaksi berantai. Ada beberapa kali lebih banyak thorium di kerak bumi dibandingkan uranium. Torium alam praktis hanya terdiri dari satu isotop, 232 Th. Uranium alam sebagian besar terdiri dari isotop 238 U dan hanya 0,7% dari isotop 235 U.
Dalam praktiknya, pertanyaan tentang kelayakan reaksi berantai pada campuran alami isotop uranium, di mana terdapat 140.238 inti U per 235 inti U, sangatlah penting. Mari kita tunjukkan bahwa reaksi lambat mungkin terjadi pada campuran alami , tapi yang cepat tidak. Untuk mempertimbangkan reaksi berantai dalam campuran alami, akan lebih mudah untuk memperkenalkan besaran baru - rata-rata penampang serapan neutron per satu inti isotop 235 U Menurut definisi

Untuk neutron termal = 2,47, = 580 lumbung, = 112 lumbung, = 2,8 lumbung (perhatikan betapa kecilnya penampang terakhir). Mengganti angka-angka ini ke (5), kita memperolehnya untuk neutron lambat dalam campuran alami

Artinya, 100 neutron termal yang diserap dalam campuran alam akan menghasilkan 132 neutron baru. Oleh karena itu, reaksi berantai dengan neutron lambat pada prinsipnya mungkin terjadi pada uranium alam. Pada prinsipnya, karena untuk benar-benar menerapkan reaksi berantai, Anda harus mampu memperlambat neutron dengan kerugian yang rendah.
Untuk neutron cepat ν = 2,65, 2 lumbung, 0,1 lumbung. Jika kita memperhitungkan fisi hanya pada isotop 235 U, kita peroleh

Namun kita juga harus memperhitungkan bahwa neutron cepat dengan energi lebih besar dari 1 MeV, dengan intensitas relatif yang nyata, dapat membagi inti isotop 238 U, yang sangat melimpah dalam campuran alami. Untuk pembagian dengan 238 U, koefisiennya kira-kira 2,5. Dalam spektrum fisi, sekitar 60% neutron memiliki energi di atas ambang batas efektif fisi 1,4 MeV sebesar 238 U. Namun dari 60% ini, hanya satu dari 5 neutron yang berhasil melakukan fisi tanpa melambat hingga energi di bawah ambang batas karena hamburan elastis dan terutama hamburan inelastis. Dari sini, untuk koefisien 238 (cepat) kita mendapatkan estimasinya

Jadi, reaksi berantai dalam campuran alam (235 U + 238 U) tidak dapat terjadi dengan neutron cepat. Secara eksperimental telah ditetapkan bahwa untuk uranium logam murni, faktor perkaliannya mencapai nilai kesatuan dengan pengayaan 5,56%. Dalam praktiknya, ternyata reaksi dengan neutron cepat hanya dapat dipertahankan dalam campuran yang diperkaya yang mengandung setidaknya 15% isotop 235 U.
Campuran alami isotop uranium dapat diperkaya dengan isotop 235 U. Pengayaan merupakan proses yang rumit dan mahal karena sifat kimia kedua isotop tersebut hampir sama. Kita perlu memanfaatkan perbedaan kecil dalam laju reaksi kimia, difusi, dll., yang timbul karena perbedaan massa isotop. Reaksi berantai dengan 235 U hampir selalu dilakukan di lingkungan dengan kandungan 238 U yang tinggi. Campuran isotop alami sering digunakan, dimana η = 1,32 di wilayah neutron termal, karena 238 U juga berguna. Isotop 238 U dapat dipecah oleh neutron dengan energi di atas 1 MeV. Fisi ini menghasilkan sedikit tambahan perkalian neutron.
Mari kita bandingkan reaksi berantai fisi dengan neutron termal dan cepat.
Untuk neutron termal, penampang tangkapannya besar dan sangat bervariasi ketika berpindah dari satu inti ke inti lainnya. Pada inti beberapa unsur (misalnya, kadmium), penampang melintang ini ratusan kali atau lebih tinggi daripada penampang 235 U. Oleh karena itu, persyaratan kemurnian tinggi dikenakan pada inti instalasi neutron termal sehubungan dengan pengotor tertentu.
Untuk neutron cepat, semua penampang tangkapan berukuran kecil dan tidak terlalu berbeda satu sama lain, sehingga masalah kemurnian bahan yang tinggi tidak muncul. Keuntungan lain dari reaksi cepat adalah tingkat reproduksi yang lebih tinggi.
Ciri pembeda yang penting dari reaksi termal adalah bahwa di dalam inti bahan bakar jauh lebih encer, yaitu, per inti bahan bakar terdapat lebih banyak inti yang tidak ikut serta dalam fisi daripada dalam reaksi cepat. Misalnya, dalam reaksi termal pada uranium alam, terdapat 140 inti bahan baku 238 U per inti bahan bakar 235 U, dan dalam reaksi cepat, tidak boleh lebih dari lima hingga enam inti 238 U per inti bahan bakar 235 U pengenceran bahan bakar dalam reaksi termal mengarah pada fakta bahwa energi yang sama dalam reaksi termal dilepaskan dalam volume zat yang jauh lebih besar daripada dalam reaksi cepat. Dengan demikian, lebih mudah untuk menghilangkan panas dari zona aktif reaksi termal, yang memungkinkan reaksi ini dilakukan dengan intensitas lebih besar daripada reaksi cepat.
Masa hidup satu generasi neutron untuk reaksi cepat beberapa kali lipat lebih pendek dibandingkan dengan reaksi termal. Oleh karena itu, laju reaksi cepat dapat berubah secara nyata dalam waktu yang sangat singkat setelah perubahan kondisi fisik inti. Selama pengoperasian normal reaktor, efek ini tidak signifikan, karena dalam kasus ini mode operasi ditentukan oleh masa hidup neutron tertunda, bukan neutron cepat.
Dalam media homogen yang hanya terdiri dari satu jenis isotop fisil, faktor perkaliannya akan sama dengan η. Namun, dalam situasi nyata, selain inti fisi, selalu ada inti lain yang tidak dapat fisi. Inti asing ini akan menangkap neutron dan dengan demikian mempengaruhi faktor perkalian. Oleh karena itu, besaran ketiga yang menentukan koefisien k ∞ , k, adalah probabilitas bahwa neutron tidak akan ditangkap oleh salah satu inti non-fisil. Dalam instalasi nyata, penangkapan “asing” terjadi pada inti moderator, pada inti berbagai elemen struktur, serta pada inti produk fisi dan produk penangkapan.
Untuk melakukan reaksi berantai dengan neutron lambat, zat khusus dimasukkan ke dalam inti - moderator, yang mengubah neutron fisi menjadi neutron termal. Dalam praktiknya, reaksi berantai neutron lambat dilakukan pada uranium alam atau uranium yang sedikit diperkaya dengan isotop 235 U. Kehadiran sejumlah besar isotop 238 U di inti mempersulit proses moderasi dan mengharuskan tuntutan yang tinggi terhadap kualitas moderator. Kehidupan satu generasi neutron dalam inti dengan moderator dapat dibagi menjadi dua tahap: moderasi terhadap energi panas dan difusi. laju termal sebelum penyerapan. Agar sebagian besar neutron mempunyai waktu untuk melambat tanpa penyerapan, kondisi tersebut harus dipenuhi

dimana kontrol σ, penangkapan σ masing-masing adalah penampang rata-rata energi untuk hamburan dan penangkapan elastis, dan n adalah jumlah tumbukan neutron dengan inti moderator yang diperlukan untuk mencapai energi panas. Jumlah n meningkat pesat seiring bertambahnya jumlah massa moderator. Untuk uranium 238 U, angka n berkisar beberapa ribu. Dan rasio kontrol σ / penangkapan σ untuk isotop ini, bahkan di wilayah energi neutron cepat yang relatif menguntungkan, tidak melebihi 50. Apa yang disebut wilayah resonansi dari 1 keV hingga 1 eV sangat “berbahaya” dalam kaitannya dengan penangkapan neutron . Di wilayah ini, total penampang interaksi neutron dengan inti 238 U memiliki sejumlah besar resonansi yang intens (Gbr. 2). Pada energi rendah, lebar radiasi melebihi lebar neutron. Oleh karena itu, di wilayah resonansi, rasio kontrol σ / penangkapan σ menjadi lebih kecil dari satu. Ini berarti bahwa ketika sebuah neutron memasuki wilayah salah satu resonansi, ia diserap dengan kemungkinan hampir seratus persen. Dan karena perlambatan pada inti yang lebih berat seperti uranium terjadi dalam “langkah-langkah kecil”, maka ketika melewati daerah resonansi, neutron yang melambat pasti akan “menabrak” salah satu resonansi dan diserap. Oleh karena itu, reaksi berantai tidak dapat dilakukan pada uranium alam tanpa pengotor asing: pada neutron cepat, reaksi tidak terjadi karena kecilnya koefisien η, dan neutron lambat tidak dapat terbentuk, untuk menghindari penangkapan neutron resonansi perlu menggunakan inti yang sangat ringan untuk memperlambatnya, di mana perlambatan terjadi dalam “langkah besar”, yang secara tajam meningkatkan kemungkinan neutron berhasil “melewati” wilayah energi resonansi. Unsur moderator terbaik adalah hidrogen, deuterium, berilium, dan karbon. Oleh karena itu, moderator yang digunakan dalam praktiknya terutama adalah air berat, berilium, berilium oksida, grafit, serta air biasa, yang memperlambat neutron tidak lebih buruk dari air berat, tetapi menyerapnya dalam jumlah yang jauh lebih besar. Retarder harus dibersihkan dengan baik. Perhatikan bahwa untuk melakukan reaksi lambat, moderator harus puluhan atau bahkan ratusan kali lebih besar dari uranium untuk mencegah tumbukan resonansi neutron dengan inti 238 U.

Sifat moderasi media aktif dapat dideskripsikan dengan tiga besaran: probabilitas suatu neutron menghindari penyerapan oleh moderator selama moderasi, probabilitas p menghindari penangkapan resonansi oleh inti 238 U, dan probabilitas f dari neutron termal yang diserap. oleh inti bahan bakar dan bukan oleh moderator. Nilai f biasanya disebut koefisien pemanfaatan termal. Sulit untuk menghitung jumlah ini secara akurat. Biasanya rumus perkiraan semi empiris digunakan untuk menghitungnya.

Nilai p dan f tidak hanya bergantung pada jumlah relatif moderator, tetapi juga pada geometri penempatannya di inti. Inti yang terdiri dari campuran homogen uranium dan moderator disebut homogen, dan sistem blok uranium dan moderator yang berselang-seling disebut heterogen (Gbr. 4). Sistem yang heterogen secara kualitatif dibedakan oleh fakta bahwa di dalamnya neutron cepat yang terbentuk dalam uranium berhasil masuk ke moderator tanpa mencapai energi resonansi. Deselerasi lebih lanjut terjadi pada moderator murni. Hal ini meningkatkan kemungkinan p untuk menghindari penangkapan resonansi

p het > p homo.

Sebaliknya, sebaliknya, setelah menjadi termal dalam moderator, agar dapat berpartisipasi dalam reaksi berantai, neutron harus berdifusi, tanpa diserap dalam moderator murni, hingga batasnya. Oleh karena itu, faktor pemanfaatan termal f di lingkungan heterogen lebih rendah daripada di lingkungan homogen:

f dapatkan< f гом.

Untuk memperkirakan faktor perkalian k ∞ reaktor termal, diperlukan perkiraan rumus empat faktor

Kami telah mempertimbangkan tiga faktor pertama sebelumnya. Besaran ε disebut faktor perkalian neutron cepat . Koefisien ini diperkenalkan untuk memperhitungkan bahwa beberapa neutron cepat dapat melakukan fisi tanpa sempat melambat. Artinya, koefisien ε selalu melebihi satu. Namun kelebihan ini biasanya kecil. Nilai tipikal untuk reaksi termal adalah ε = 1,03. Untuk reaksi cepat, rumus empat faktor tidak berlaku, karena setiap koefisien bergantung pada energi dan penyebaran energi dalam reaksi cepat sangat besar.
Karena nilai η ditentukan oleh jenis bahan bakar, dan nilai ε untuk reaksi lambat hampir tidak berbeda satu sama lain, maka kualitas media aktif tertentu ditentukan oleh produk pf. Jadi, keunggulan media heterogen dibandingkan media homogen secara kuantitatif diwujudkan dalam kenyataan bahwa, misalnya, dalam sistem di mana terdapat 215 inti grafit per inti uranium alam, produk pf sama dengan 0,823 untuk media heterogen dan 0,595 untuk homogen. Dan karena untuk campuran alami η = 1,34, kita peroleh bahwa untuk medium heterogen k ∞ > 1, dan untuk medium homogen k ∞< 1.
Untuk implementasi praktis dari reaksi berantai stasioner, seseorang harus mampu mengendalikan reaksi ini. Kontrol ini sangat disederhanakan karena emisi neutron tertunda selama fisi. Sebagian besar neutron lepas dari inti hampir seketika (yakni, dalam waktu yang jauh lebih pendek daripada masa hidup satu generasi neutron di dalam inti), namun beberapa persepuluh persen neutron tertunda dan lepas dari inti. memecah inti setelah jangka waktu yang cukup lama - dari pecahan detik hingga beberapa bahkan puluhan detik. Pengaruh neutron tertunda dapat dijelaskan secara kualitatif sebagai berikut. Biarkan faktor perkalian langsung meningkat dari nilai subkritis ke nilai superkritis sehingga 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.
Penangkapan neutron oleh inti yang tidak berpartisipasi dalam reaksi berantai mengurangi intensitas reaksi, namun dapat bermanfaat dalam kaitannya dengan pembentukan isotop fisil baru. Jadi, ketika neutron diserap dari isotop uranium 238 U dan thorium 232 Th, isotop plutonium 239 Pu dan uranium 233 U terbentuk (melalui dua peluruhan β berturut-turut), yang merupakan bahan bakar nuklir:

Kedua reaksi ini membuka kemungkinan nyata reproduksi bahan bakar nuklir selama reaksi berantai. Dalam kasus ideal, yaitu, dengan tidak adanya kehilangan neutron yang tidak perlu, rata-rata 1 neutron dapat digunakan untuk reproduksi untuk setiap tindakan penyerapan neutron oleh inti bahan bakar.

Reaktor nuklir (nuklir).

Reaktor adalah perangkat di mana reaksi berantai fisi terkontrol dipertahankan. Saat reaktor beroperasi, panas dilepaskan karena sifat reaksi fisi yang eksotermik. Karakteristik utama suatu reaktor adalah kekuatannya - jumlah energi panas yang dilepaskan per satuan waktu. Daya reaktor diukur dalam megawatt (10 6 W). Kekuatan sebesar 1 MW setara dengan reaksi berantai di mana 3·1016 peristiwa fisi terjadi per detik. Ada banyak jenis reaktor yang berbeda. Salah satu skema khas reaktor termal ditunjukkan pada Gambar. 5.
Bagian utama reaktor adalah zona aktif tempat terjadinya reaksi dan melepaskan energi. Dalam reaktor neutron termal dan menengah, inti terdiri dari bahan bakar, biasanya dicampur dengan isotop non-fisil (biasanya 238 U), dan moderator. Tidak ada moderator di inti reaktor neutron cepat.
Volume inti bervariasi dari sepersepuluh liter pada beberapa reaktor neutron cepat hingga puluhan meter kubik pada reaktor termal besar. Untuk mengurangi kebocoran neutron, inti diberi bentuk bulat atau hampir bulat (misalnya silinder dengan tinggi kira-kira sama dengan diameter, atau kubus).
Tergantung pada lokasi relatif bahan bakar dan moderator, reaktor homogen dan heterogen dibedakan. Contoh zona aktif homogen adalah larutan garam uranil sulfat dan U 2 SO 4 dalam air biasa atau air berat. Reaktor heterogen lebih umum terjadi. Dalam reaktor heterogen, inti terdiri dari moderator di mana kaset berisi bahan bakar ditempatkan. Karena energi dilepaskan dalam kaset-kaset ini, maka disebut elemen bahan bakar atau singkatnya batang bahan bakar. Zona aktif dengan reflektor sering kali ditutup dalam selubung baja.

• Peran neutron tertunda dalam pengendalian reaktor nuklir

Reaksi berantai adalah reaksi kimia yang berlangsung sendiri di mana produk-produk yang awalnya muncul mengambil bagian dalam pembentukan produk-produk baru. Reaksi berantai biasanya terjadi dengan kecepatan tinggi dan seringkali bersifat ledakan.

Reaksi berantai melewati tiga tahap utama: asal (inisiasi), pengembangan dan penghentian rantai.

Beras. 9.13. Profil energi suatu reaksi (plot energi potensial versus koordinat reaksi) menunjukkan nilai minimum yang sesuai dengan pembentukan zat antara reaksi.

Tahap inisiasi. Pada tahap ini terjadi pembentukan produk antara (intermediate product). Zat antara dapat berupa atom, ion, atau molekul netral. Inisiasi dapat dilakukan dengan cahaya, radiasi nuklir, energi panas (termal), anion, atau katalis.

Tahap perkembangan. Pada tahap ini, zat antara bereaksi dengan reaktan asli membentuk zat antara dan produk akhir baru. Tahap perkembangan dalam reaksi berantai diulang berkali-kali, yang mengarah pada pembentukan sejumlah besar produk akhir dan produk antara.

Tahap pemutusan sirkuit. Pada tahap ini, konsumsi akhir produk antara atau kehancurannya terjadi. Akibatnya reaksi terhenti. Reaksi berantai dapat terjadi secara spontan atau di bawah pengaruh zat khusus - inhibitor.

Reaksi berantai memainkan peranan penting dalam banyak cabang ilmu kimia, khususnya dalam fotokimia, kimia pembakaran, reaksi fisi nuklir dan fusi nuklir (lihat Bab 1), dan kimia organik (lihat Bab 17-20).

Fotokimia

Cabang ilmu kimia ini mencakup proses kimia yang berhubungan dengan pengaruh cahaya terhadap materi. Contoh proses fotokimia adalah fotosintesis.

Banyak reaksi berantai dimulai oleh cahaya. Partikel permulaan dalam hal ini adalah foton yang mempunyai energi (lihat Bagian 1.2). Contoh klasiknya adalah reaksi antara hidrogen dan klor dengan adanya cahaya

Reaksi ini berlangsung secara eksplosif. Ini mencakup tiga tahap berikut.

Inisiasi. Pada tahap ini, ikatan kovalen dalam molekul klor terputus, sehingga terbentuk dua atom, masing-masing dengan elektron tidak berpasangan:

Reaksi jenis ini adalah homolisis, atau pembelahan hemolitik (lihat Bagian 17.3). Ini juga merupakan contoh fotolisis. Istilah fotolisis berarti dekomposisi fotokimia. Dua atom klor yang terbentuk adalah zat antara. Mereka radikal. Radikal adalah atom (atau kelompok atom) yang memiliki setidaknya satu elektron tidak berpasangan. Perlu dicatat bahwa meskipun tahap inisiasi adalah tahap paling lambat dari reaksi berantai, tahap ini tidak menentukan kecepatan keseluruhan reaksi berantai.

Tahap perkembangan. Pada tahap ini, atom klor bereaksi dengan molekul hidrogen, membentuk produk akhir - hidrogen klorida, serta radikal hidrogen. Radikal hidrogen bereaksi dengan molekul klorin; sebagai hasilnya, bagian baru dari produk dan radikal klorin baru terbentuk:

Kedua reaksi ini, yang bersama-sama membentuk tahap perkembangan, diulangi jutaan kali.

Tahap pemutusan sirkuit. Akibatnya, reaksi berantai akhirnya berhenti

reaksi seperti

Untuk menyerap energi yang dilepaskan selama reaksi penghentian berantai ini, diperlukan suatu benda ketiga untuk mengambil bagian di dalamnya. Badan ketiga ini biasanya merupakan dinding bejana tempat terjadinya reaksi.

Hasil kuantum

Penyerapan satu foton cahaya oleh molekul klor dalam reaksi berantai yang dijelaskan di atas dapat menghasilkan pembentukan jutaan molekul hidrogen klorida. Rasio jumlah molekul produk dengan jumlah kuanta cahaya (foton) yang memulai reaksi disebut hasil kuantum. Hasil kuantum dari reaksi fotokimia dapat berkisar dari satu hingga beberapa juta. Hasil kuantum yang tinggi menunjukkan sifat berantai dari reaksi yang terjadi.

Fotolisis pulsa

Ini adalah nama teknik yang digunakan untuk memperoleh radikal dengan konsentrasi yang cukup tinggi untuk mendeteksinya. Pada Gambar. Gambar 9.14 menunjukkan diagram penyetelan yang disederhanakan yang digunakan untuk fotolisis lampu kilat. Campuran reaksi terpengaruh

Beras. 9.14. Fotolisis berdenyut.

dengan kilatan cahaya yang kuat dari sumber berdenyut khusus. Sumber seperti itu memungkinkan terciptanya kilatan cahaya dengan energi hingga 105 J dan durasi sekitar s atau kurang. Metode modern fotolisis berdenyut menggunakan laser berdenyut dengan durasi kilatan nanodetik (10-9 detik). Reaksi yang terjadi akibat kilatan cahaya tersebut dapat dipantau dengan merekam urutan spektrum serapan optik dari campuran reaksi. Kilatan pertama diikuti oleh serangkaian kedipan dari sumber pulsa berdaya rendah. Kilatan ini mengikuti satu sama lain pada interval orde milidetik atau mikrodetik dan memungkinkan untuk merekam spektrum serapan campuran reaksi pada interval waktu tersebut.

Pembakaran

Reaksi dengan oksigen yang menghasilkan pelepasan energi panas dan cahaya disebut pembakaran. Pembakaran biasanya terjadi sebagai rangkaian reaksi radikal yang kompleks.

Mari kita ambil pembakaran hidrogen sebagai contoh. Dalam kondisi tertentu, reaksi ini terjadi secara eksplosif. Pada Gambar. Gambar 9.15 menyajikan data eksperimen reaksi campuran stoikiometri hidrogen dan oksigen dalam reaktor Pyrex. Area diagram yang diarsir sesuai dengan wilayah ledakan reaksi ini. Untuk reaksi pembakaran hidrogen, bagian diagram ini berbentuk semenanjung yang mudah meledak. Area ledakan dibatasi oleh batas ledakan.

Beras. 9.15. Kondisi terjadinya reaksi pembakaran hidrogen yang eksplosif: