Nükleer zincir reaksiyonu. Kontrollü zincirleme reaksiyon

Zincirleme tepki

Zincirleme tepki- aktif bir parçacığın (kimyasal bir işlemde bir serbest radikal veya atom, nükleer bir işlemde bir nötron) ortaya çıkmasının, aktif olmayan moleküllerin veya çekirdeklerin çok sayıda (zincir) ardışık dönüşümüne neden olduğu bir kimyasal ve nükleer reaksiyon. Serbest radikaller ve birçok atom, moleküllerin aksine, orijinal moleküllerle etkileşime girmelerine yol açan serbest doymamış değerliklere (eşlenmemiş elektron) sahiptir. Bir serbest radikal (R) bir molekülle çarpıştığında, ikincisinin değerlik bağlarından biri kırılır ve böylece reaksiyon sonucunda yeni bir serbest radikal oluşur ve bu da başka bir molekülle reaksiyona girer - zincirleme bir reaksiyon meydana gelir.

Kimyadaki zincir reaksiyonları, kimya ve petrol endüstrilerinde yaygın olarak kullanılan oksidasyon (yanma, patlama), çatlama, polimerizasyon ve diğer işlemleri içerir.

Wikimedia Vakfı. 2010.

Diğer sözlüklerde “Zincirleme reaksiyonunun” ne olduğuna bakın:

ZİNCİR REAKSİYONU, bir reaksiyonun bir saniyenin başlangıcına, bir saniyenin üçüncüsüne vb. yol açtığı kendi kendini sürdüren bir nükleer fisyon sürecidir. Reaksiyonun başlaması için kritik koşullar gereklidir, yani parçalanabilecek bir malzeme kütlesi... ... Bilimsel ve teknik ansiklopedik sözlük

zincirleme tepki- Her aşamanın ürününün (veya enerjisinin) bir sonraki aşamanın katılımcısı olduğu ve zincirin bakımına ve/veya hızlanmasına yol açan, bir dizi birbirine bağlı süreçten oluşan herhangi bir biyolojik (veya kimyasal-fiziksel) süreç. .. ... Teknik Çevirmen Kılavuzu

zincirleme tepki- 1) Orijinal maddenin moleküllerinde çok sayıda dönüşüme neden olan bir reaksiyon. 2) Nötronların etkisi altında ağır elementlerin atom çekirdeklerinin fisyonunun kendi kendine devam eden reaksiyonu. 3) ayrışma Bir veya bir kişinin olduğu bir dizi eylem, durum vb. hakkında... ... Birçok ifadenin sözlüğü

Zincirleme tepki Her aşamanın ürününün (veya enerjisinin) bir sonraki aşamanın katılımcısı olduğu, bakıma ve (veya) ... ... bir dizi birbiriyle ilişkili süreçten oluşan herhangi bir biyolojik (veya kimyasal-fiziksel) süreç. Moleküler biyoloji ve genetik. Sözlük.

zincirleme tepki- Kimyasal maddelerle ilgili büyük tepki durumları, kimyasal tepkimelerin markalanması, büyük ölçüde önemli bir faaliyet merkezi. atitikmenys: İngilizce. zincirleme reaksiyon rus. zincirleme tepki … Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

zincirleme tepki- grandininė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. zincirleme reaksiyon vok. Kettenkernreaktion, f; Kettenreaktion, f rus. zincirleme reaksiyon, f pranc. reaksiyon en zincir, f … Fizikos terminų žodynas

Razg. Birini veya bir şeyi dahil etmeye yönelik devam eden, kontrolsüz süreç hakkında. Ne? BMS 1998, 489; BTS, 1462… Büyük Rusça sözler sözlüğü

Zincirleme reaksiyon bilimsel kavramı. Ayrıca "Zincirleme Reaksiyonu" birçok uzun metrajlı filmin adıdır: "Zincirleme Reaksiyonu" 1962 yapımı bir SSCB filmidir. "Zincirleme Reaksiyon" 1963 yapımı Fransız polisiye komedi filmidir. “Zincir... ... Vikipedi

Zincirleme reaksiyon bilimsel kavramı. Ayrıca "Zincirleme Reaksiyon" birçok uzun metrajlı filmin adıdır: "Zincirleme Reaksiyon" 1962 yapımı bir SSCB filmidir. "Zincirleme Reaksiyon" 1963 yapımı Fransız polisiye komedi filmidir. "Zincirleme Reaksiyon" Avustralya filmi... ... Vikipedi

Zincirleme Reaksiyon (film, 1963) Bu terimin başka anlamları da vardır, bkz. Zincirleme Reaksiyon (tanımlar). Zincirleme reaksiyon Carambolages ... Vikipedi

Kitabın

• Zincirleme Reaksiyon, Elkeles Simone. 18+ 3 yaş özellikleri: - New York Times'ın en çok satan kitabı, Amazon - Dünyanın en çok satan kitaplarından "Mükemmel Kimya" ve "Çekim Yasası"nın yazarından - Aşkın her şeyi değiştirdiğine inananlar için "Mükemmel…

Gerçekleştirilen bir reaksiyonun aynı türden sonraki reaksiyonlara neden olduğu bir süreçtir.

Bir uranyum çekirdeğinin bölünmesi sırasında ortaya çıkan nötronlar diğer uranyum çekirdeklerinin de bölünmesine neden olabilir ve nötron sayısı çığ gibi artar.

Bir fisyon olayında üretilen nötron sayısının önceki fisyon olayında üretilen nötron sayısına oranına nötron çarpım faktörü k denir.

k 1'den küçük olduğunda reaksiyon bozulur çünkü emilen nötronların sayısı yeni oluşanların sayısından daha fazladır.
K 1'den büyük olduğunda neredeyse anında bir patlama meydana gelir.
k 1'e eşit olduğunda, kontrollü bir durağan zincir reaksiyonu meydana gelir.

Zincirleme reaksiyona büyük miktarda enerjinin salınması eşlik eder.

Bir zincirleme reaksiyonun gerçekleştirilmesi için nötronların etkisi altında parçalanan herhangi bir çekirdeğin kullanılması mümkün değildir.

Nükleer reaktörler için yakıt olarak kullanılan kimyasal element uranyum doğal olarak iki izotoptan oluşur: uranyum-235 ve uranyum-238.

Doğada uranyum-235 izotopları toplam uranyum rezervinin yalnızca %0,7'sini oluşturur, ancak bunlar zincirleme reaksiyonu gerçekleştirmeye uygun olanlardır çünkü yavaş nötronların etkisi altında fisyon.

Uranyum-238 çekirdekleri yalnızca yüksek enerjili nötronların (hızlı nötronlar) etkisi altında bölünebilir. Uranyum-238 çekirdeğinin bölünmesi sırasında oluşan nötronların yalnızca %60'ı bu enerjiye sahiptir. Üretilen yaklaşık 5 nötrondan yalnızca 1'i nükleer fisyona neden olur.

Uranyum-235'te zincirleme reaksiyon koşulları:

Bir nükleer reaktörde kontrollü bir zincirleme reaksiyon gerçekleştirmek için gereken minimum yakıt miktarı (kritik kütle)
- nötronların hızı uranyum çekirdeğinin bölünmesine neden olmalıdır
- nötronları emen yabancı maddelerin bulunmaması

Kritik kitle:

Uranyumun kütlesi küçükse, nötronlar reaksiyona girmeden dışına uçacaktır.
- uranyumun kütlesi büyükse, nötron sayısındaki güçlü artış nedeniyle patlama mümkündür
- kütle kritik kütleye karşılık geliyorsa kontrollü bir zincirleme reaksiyon meydana gelir

Uranyum-235 için kritik kütle 50 kg'dır (bu, örneğin 9 cm çapında bir uranyum topudur).

İlk kontrollü zincir reaksiyonu - 1942'de ABD (E. Fermi)
SSCB'de - 1946 (I.V. Kurchatov).

Faraday'ın elektromanyetik indüksiyon yasası Transformatörlerin, bobinlerin ve birçok elektrik motorunun çalışma prensiplerine ilişkin elektrodinamiğin temel yasasıdır.

Ve jeneratörler. Kanun şöyle diyor:

İki farklı olgu olarak Faraday yasası wiki metnini düzenle]

Bazı fizikçiler Faraday yasasının iki farklı olguyu tek bir denklemde tanımladığını belirtiyor: motorlu EMF hareketli bir tel üzerindeki manyetik kuvvetin etkisiyle oluşturulan ve trafo EMF'si manyetik alandaki değişikliklerden dolayı elektrik kuvvetinin etkisiyle üretilir. James Clerk Maxwell eserinde bu gerçeğe dikkat çekmiştir. Fiziksel kuvvet hatları hakkında 1861'de. Bu çalışmanın II. Kısmının ikinci yarısında Maxwell bu iki olgunun her biri için ayrı bir fiziksel açıklama veriyor. Elektromanyetik indüksiyonun bu iki yönüne referanslar bazı modern ders kitaplarında mevcuttur. Richard Feynman'ın yazdığı gibi:

Lorentz yasası wiki metnini düzenle]

Şarj Q Döngünün sol tarafındaki iletkende Lorentz kuvveti meydana gelir Q v× B k = −q v B(x C - w / 2) J   (j,k- yönlerde birim vektörler sen Ve z; emk'ye (birim yük başına iş) neden olan vektörlerin çapraz çarpımına bakın) v ℓ B(x C - w / 2) döngünün sol tarafının tüm uzunluğu boyunca. Döngünün sağ tarafında, benzer akıl yürütme emk'nin şuna eşit olduğunu gösterir: v ℓ B(x C + w / 2). Karşılıklı iki emf, pozitif yükü döngünün altına doğru iter. Alan durumunda B x boyunca artarsa ​​sağ taraftaki kuvvet daha büyük olacak ve akım saat yönünde akacaktır. Sağ el kuralını kullanarak alanın B Akımın yarattığı alan, uygulanan alanın tersidir. Akıma neden olan emf saat yönünün tersine (akımın tersine) artmalıdır. Bulduğumuz döngü boyunca emk'yi saat yönünün tersine ekleyerek:

Faraday Yasası wiki metnini düzenle]

Akış kuralını kullanmaya yönelik sezgisel olarak çekici ancak kusurlu bir yaklaşım, bir devredeki akışı Φ B = olarak ifade eder. siyahℓ, nerede w- hareketli döngünün genişliği. Bu ifade zamandan bağımsız olduğundan, hatalı bir şekilde hiçbir emk'nin üretilmediği sonucu çıkar. Bu ifadedeki hata, kapalı döngü boyunca akımın tüm yolunu hesaba katmamasıdır.

Akış kuralını doğru kullanmak için, üst ve alt kenarlardaki kenarlardan geçen yolu da içeren mevcut yolun tamamını dikkate almalıyız. Kenarlar ve dönen döngü boyunca isteğe bağlı olarak kapalı bir yol seçebilir ve akış yasasını kullanarak bu yol boyunca emk'yi bulabiliriz. Dönen bir döngüye bitişik bir bölüm içeren herhangi bir yol, zincirin parçalarının göreceli hareketini hesaba katar.

Örnek olarak, zincirin üst kısmından üst diskin dönme yönünde ve zincirin alt kısmından - alt diske göre ters yönde geçen bir yolu düşünün (Şekil 1'de oklarla gösterilmiştir). .4). Bu durumda, eğer dönen döngü kolektör döngüsünden bir θ açısı kadar sapmışsa, bu durumda alanı olan bir silindirin parçası olarak düşünülebilir. A = Rℓθ. Bu alan alana diktir B ve akışa katkısı şuna eşittir:

işaret negatiftir çünkü sağ el kuralına göre alan B uygulanan alanın tersi yönde akıma sahip bir döngü tarafından oluşturulan B". Bu akışın yalnızca zamana bağlı kısmı olduğundan, akış yasasına göre emk şöyledir:

Lorentz yasasının formülüne göre.

Şimdi disklerin kenarları boyunca karşıt bölümlerden geçmeyi seçtiğimiz başka bir yolu düşünün. Bu durumda ilgili iş parçacığı azaltmak artan θ ile, ancak sağ el kuralına göre mevcut döngü ekler ekli alan B dolayısıyla bu yolun EMF'si ilk yol ile tamamen aynı değerde olacaktır. Herhangi bir karışık dönüş yolu, emf değeri için aynı sonucu üretir, dolayısıyla hangi yolu izlediğiniz gerçekten önemli değildir.

Termonükleer reaksiyon, hafif atom çekirdeklerinin, termal hareketlerinin kinetik enerjisi nedeniyle daha ağır olanlarla birleştiği bir nükleer reaksiyon türüdür. Terimin kökeni wiki metnini düzenle]

Bir nükleer reaksiyonun meydana gelebilmesi için, orijinal atom çekirdeğinin, aralarındaki elektrostatik itme kuvveti olan "Coulomb bariyeri" olarak adlandırılan engeli aşması gerekir. Bunu yapabilmek için kinetik enerjilerinin yüksek olması gerekir. Kinetik teoriye göre, bir maddenin (atomlar, moleküller veya iyonlar) hareket eden mikropartiküllerinin kinetik enerjisi sıcaklık olarak temsil edilebilir ve dolayısıyla maddenin ısıtılmasıyla nükleer bir reaksiyon elde edilebilir. Bir maddenin ısıtılması ile nükleer reaksiyon arasındaki bu ilişki, "termonükleer reaksiyon" terimiyle yansıtılmaktadır.

Coulomb bariyeri wiki metnini düzenle]

Atom çekirdekleri pozitif elektrik yüküne sahiptir. Büyük mesafelerde yükleri elektronlar tarafından korunabilir. Ancak çekirdeklerin füzyonunun gerçekleşebilmesi için birbirlerine güçlü etkileşimin çalışacağı mesafeye yaklaşmaları gerekir. Bu mesafe, çekirdeklerin büyüklüğü civarındadır ve atomun boyutundan birçok kez daha küçüktür. Bu mesafelerde, atomların elektron kabukları (korunmuş olsalar bile) artık çekirdeklerin yüklerini koruyamaz, bu nedenle güçlü bir elektrostatik itmeye maruz kalırlar. Coulomb kanununa göre bu itmenin kuvveti yükler arasındaki mesafenin karesiyle ters orantılıdır. Çekirdek büyüklüğü mertebesindeki mesafelerde, onları bağlama eğiliminde olan güçlü etkileşimin büyüklüğü hızla artmaya başlar ve Coulomb itmesinin büyüklüğünden daha büyük hale gelir.

Bu nedenle reaksiyona girebilmek için çekirdeklerin potansiyel bir engeli aşması gerekir. Örneğin döteryum-trityum reaksiyonu için bu bariyerin değeri yaklaşık 0,1 MeV'dir. Karşılaştırma için hidrojenin iyonlaşma enerjisi 13 eV'dir. Bu nedenle termonükleer reaksiyona katılan madde neredeyse tamamen iyonize bir plazma olacaktır.

0,1 MeV'ye eşdeğer sıcaklık yaklaşık 10 9 K'dir, ancak bir füzyon reaksiyonu için gereken sıcaklığı düşüren iki etki vardır:

· Birincisi, sıcaklık yalnızca ortalama kinetik enerjiyi karakterize eder; hem daha düşük hem de daha yüksek enerjiye sahip parçacıklar vardır. Aslında, bir termonükleer reaksiyon, ortalamanın çok üzerinde bir enerjiye sahip olan az sayıda çekirdeği içerir ("Maxwell dağılımının kuyruğu" olarak adlandırılır).

· İkinci olarak, kuantum etkileri nedeniyle çekirdeklerin Coulomb bariyerini aşan bir enerjiye sahip olması gerekmez. Enerjileri bariyerden biraz daha azsa, tünelden geçme olasılıkları daha yüksektir. [ kaynak belirtilmedi 339 gün]

Termonükleer reaksiyonlar wiki metnini düzenle]

Büyük kesitli en önemli ekzotermik termonükleer reaksiyonlardan bazıları:

Müon katalizi wiki metnini düzenle]

Ana makale: Müon katalizi

Termonükleer reaksiyon, negatif yüklü müonların reaksiyon plazmasına eklenmesiyle önemli ölçüde kolaylaştırılabilir.

Termonükleer yakıtla etkileşime giren müonlar µ -, yakıt atomlarının çekirdekleri arasındaki mesafenin biraz daha küçük olduğu mesomoleküller oluşturur, bu da onların yaklaşmasını kolaylaştırır ve ayrıca çekirdeklerin Coulomb bariyeri boyunca tünel açma olasılığını artırır.

Sentez reaksiyonlarının sayısı Xc Bir müon tarafından başlatılan müon yapışma katsayısının değeri ile sınırlıdır. Deneysel olarak, X c ~ 100 değerlerini elde etmek mümkündü, yani bir müon, ~ 100 × X MeV enerji açığa çıkarabilir; burada X, katalize reaksiyonun enerji çıkışıdır.

Şu ana kadar açığa çıkan enerji miktarı, müonun üretimi için gereken enerji maliyetlerinden (5-10 GeV) daha az. Dolayısıyla müon katalizi hâlâ enerji açısından elverişsiz bir süreç. Müon katalizini kullanarak ticari olarak uygulanabilir enerji üretimi aşağıdakilerle mümkündür: Xc ~ 10 4 .

Başvuru[düzenle | wiki metnini düzenle]

Termonükleer reaksiyonun pratik olarak tükenmez bir enerji kaynağı olarak kullanılması, öncelikle kontrollü termonükleer füzyon (CTF) teknolojisinde uzmanlaşma umuduyla ilişkilidir. Şu anda bilimsel ve teknolojik temel, CTS'nin endüstriyel ölçekte kullanılmasına izin vermemektedir.

Aynı zamanda kontrolsüz termonükleer reaksiyon askeri konularda da uygulama alanı bulmuştur. İlk termonükleer patlayıcı cihaz Kasım 1952'de Amerika Birleşik Devletleri'nde test edildi ve Ağustos 1953'te Sovyetler Birliği'nde hava bombası şeklinde bir termonükleer patlayıcı cihaz test edildi. Termonükleer bir patlayıcı cihazın gücü (atomik olanın aksine) yalnızca onu oluşturmak için kullanılan malzeme miktarıyla sınırlıdır, bu da neredeyse her güçte patlayıcı cihazların oluşturulmasını mümkün kılar.

BİLET 27 soru 1

Kendi kendine indüksiyon fenomeni

Akım taşıyan bir iletkenin yakınında manyetik bir alanın oluştuğunu daha önce incelemiştik. Ayrıca alternatif bir manyetik alanın bir akım (elektromanyetik indüksiyon olgusu) ürettiğini de inceledik. Bir elektrik devresini düşünelim. Bu devredeki akımın gücü değiştiğinde, manyetik alan da değişecek ve bunun sonucunda ek bir indüklenen akım. Bu fenomene denir kendi kendine indüksiyon ve bu durumda ortaya çıkan akıma denir kendi kendine indüksiyon akımı.

Kendi kendine indüksiyon olgusu, devrenin kendisindeki akım gücündeki bir değişikliğin bir sonucu olarak oluşturulan iletken bir devrede bir EMF'nin ortaya çıkmasıdır.

Bir devrenin endüktansı, şekline ve boyutuna, ortamın manyetik özelliklerine bağlıdır ve devredeki akım gücüne bağlı değildir.

Kendi kendine indüksiyon emk'si aşağıdaki formülle belirlenir:

Kendi kendine indüksiyon olgusu eylemsizlik olgusuna benzer. Tıpkı mekanikte hareket eden bir cismin anında durdurulmasının imkansız olması gibi, kendi kendine indüksiyon olgusu nedeniyle bir akım da anında belirli bir değer kazanamaz. Bir akım kaynağına paralel bağlanmış iki özdeş lambadan oluşan bir devrede bir bobin ikinci lambayla seri olarak bağlanırsa, devre kapatıldığında, ilk lamba neredeyse anında yanar ve ikincisi gözle görülür bir gecikmeyle yanar.

Devre açıldığında akım gücü hızla azalır ve ortaya çıkan kendi kendine indüksiyon emk'si manyetik akıdaki azalmayı önler. Bu durumda indüklenen akım, orijinal akımla aynı şekilde yönlendirilir. Kendi kendine indüklenen emk, harici emf'den birçok kez daha büyük olabilir. Bu nedenle, ışıklar kapatıldığında ampuller sıklıkla yanar.

Manyetik alan enerjisi

Akım taşıyan bir devrenin manyetik alan enerjisi:

Radyoaktif radyasyon, bir izotopun bozunma sırasında yaydığı radyasyondur. Üç çeşidi vardır: alfa ışınları (helyum atom çekirdeklerinin akışı), beta ışınları (elektron akışı) ve gama ışınları (elektromanyetik radyasyon). İnsanlar için en tehlikeli olanı gama radyasyonudur.

Emilen radyasyonun dozu, vücut tarafından alınan enerjinin vücut kütlesine oranına eşittir. Emilim dozu D harfiyle gösterilir ve grilerle ölçülür.

Pratikte ölçü birimi de kullanılır: Röntgen (R), 2,58 çarpı 10 üzeri eksi 4 coulomb'un kilograma bölümü.

Emilen radyasyon zamanla birikebilir ve ışınlama ne kadar uzun sürerse dozu da o kadar artar.

Doz hızı, emilen radyasyon dozunun ışınlama süresine oranıyla belirlenir. N harfiyle gösterilir ve grilerin saniyeye bölünmesiyle ölçülür.

İnsanlar için absorbe edilen radyasyonun ölümcül dozu 6 Gy'ye eşdeğerdir. İnsanlar için izin verilen maksimum radyasyon dozu yılda 0,05 Gy'dir.

BİLET 28 Soru 1

Temel parçacık, çekirdek altı ölçekteki, bileşen parçalarına bölünemeyen mikro nesneleri ifade eden kolektif bir terimdir.

Bazı temel parçacıkların ( elektron, nötrino, kuarklar vb.) şu anda yapılandırılmamış olarak kabul ediliyor ve birincil olarak kabul ediliyor temel parçacıklar . Diğer temel parçacıklar (sözde kompozit parçacıklarÇekirdeği oluşturan parçacıklar dahil atom - protonlar Ve nötronlar) karmaşık bir iç yapıya sahiptir, ancak yine de modern fikirlere göre, etki nedeniyle bunları parçalara ayırmak imkansızdır. kapatılma.

Toplamda antipartiküller 350'den fazla temel parçacık keşfedildi. Bunlardan foton, elektron ve müon nötrinosu, elektron, proton ve bunların antipartikülleri kararlıdır. Geriye kalan temel parçacıklar, yaklaşık 1000 saniyeden (serbest bir nötron için) saniyenin ihmal edilebilir bir kısmına kadar (10 -24'ten 10 -22'ye kadar) kadar bir sürede kendiliğinden bozunurlar. rezonanslar).

Elektromanyetik salınımlar ile elektrik yükü, akım ve gerilimde periyodik değişiklikler meydana gelir. Elektromanyetik salınımlar ikiye ayrılır. özgür, solma, zoraki ve kendi kendine salınımlar.

Serbest salınımlara, bir sistem (kondansatör ve bobin) denge konumundan çıkarıldıktan sonra (kapasitöre bir yük verildiğinde) meydana gelen salınımlar denir. Daha kesin, Bir kapasitör bir indüktör aracılığıyla boşaltıldığında serbest elektromanyetik salınımlar meydana gelir. Zoraki salınımlara, periyodik olarak değişen harici bir elektromotor kuvvetin etkisi altındaki bir devredeki salınımlar denir.

Serbest elektromanyetik salınımların gözlemlendiği en basit sistem salınım devresi. bir indüktör ve bir kapasitörden oluşur. Bu işlem defalarca tekrarlanacaktır. ortaya çıkacak elektromanyetik titreşimler Kapasitörün elektrik alanından enerjinin dönüşümü nedeniyle.

· Aküden şarj edilen kapasitör, ilk anda maksimum şarj elde edecektir. Onun enerjisi Biz maksimum olacaktır (Şekil a).

· Kondansatör bir bobine kısa devre yapmışsa, o anda deşarj olmaya başlayacaktır (Şekil b). Devrede akım görünecektir. Kapasitör boşaldıkça devredeki ve bobindeki akım artar. Kendi kendine indüksiyon olgusu nedeniyle bu anında gerçekleşmez. Bobin Enerjisi W m maksimum olur (Şekil c).

· İndüksiyon akımı aynı yönde akar. Elektrik yükleri yine kapasitör üzerinde birikir. Kapasitör yeniden şarj edilir, yani. Daha önce pozitif yüklü olan kapasitör plakası negatif olarak yüklenecektir. Kapasitörün enerjisi maksimum olur. Bu yöndeki akım duracak ve süreç ters yönde tekrarlanacaktır (Şekil d). Bu işlem defalarca tekrarlanacaktır. ortaya çıkacak elektromanyetik titreşimler kapasitörün elektrik alanının enerjisinin mevcut bobinin manyetik alanının enerjisine dönüştürülmesi nedeniyle veya bunun tersi. Kayıp yoksa (direnç R = 0), o zaman akım gücü, yük ve voltaj harmonik yasasına göre zamanla değişir. Kosinüs veya sinüs kanununa göre oluşan salınımlara harmonik denir. Yükün harmonik salınımının denklemi: .

Enerji kaybının olmadığı bir devre ideal bir salınım devresidir. Elektromanyetik salınımların periyoduİdeal bir salınım devresinde bobinin endüktansı ve kapasitörün kapasitansı bağlıdır ve şu şekilde bulunur: Thomson'ın formülü burada L bobinin endüktansı, C kapasitörün kapasitansı, T elektrik salınımlarının periyodudur.
Gerçek bir salınım devresinde serbest elektromanyetik salınımlar olacaktır. solma Telleri ısıtırken enerji kaybı nedeniyle. Pratik uygulama için, sönümsüz elektromanyetik salınımların elde edilmesi önemlidir ve bunun için, kendi kendine salınan bir sistemin bir örneği olan sönümsüz salınım jeneratöründen kaynaklanan enerji kayıplarını telafi etmek amacıyla salınım devresini elektrikle yenilemek gerekir.

Bilet 29 soru 1

Antipartikül - başka bir parçacığın ikiz parçacığı temel parçacık, aynı şeye sahip yığın ve aynı döndürmek diğer tüm etkileşim özelliklerinin işaretlerinde ondan farklı (gibi ücretler elektrik Ve renk yükler, baryon ve lepton Kuantum sayıları).

Bir parçacık-karşıparçacık çiftinde "parçacık" olarak adlandırılacak şeyin tanımı büyük ölçüde keyfidir. Ancak belirli bir "parçacık" seçimi için onun antiparçacığı benzersiz bir şekilde belirlenir. Zayıf etkileşim süreçlerinde baryon sayısının korunması, baryon bozunmaları zincirinden herhangi bir baryon-antibaryon çiftindeki "parçacığın" belirlenmesini mümkün kılar. Elektron-pozitron çiftinde bir elektronun "parçacık" olarak seçilmesi düzeltilir (süreçlerde lepton sayısının korunması nedeniyle) zayıf etkileşim) bir çift elektron nötrino-antinötrinodaki bir “parçacığın” durumunun belirlenmesi. Farklı nesillerin (tip) leptonları arasında geçişler gözlemlenmemiştir, bu nedenle genel olarak konuşursak, her lepton neslindeki bir "parçacığın" tanımı bağımsız olarak yapılabilir. Genellikle elektrona benzetilerek "parçacıklara" negatif yüklü denir. leptonlar lepton sayısını korurken karşılık gelen değeri belirler nötrino Ve antinötrino. İçin bozonlar“Parçacık” kavramı tanım gereği sabitlenebilir, örneğin, aşırı yük.

Nükleer zincir reaksiyonu- her biri dizinin önceki adımında reaksiyon ürünü olarak ortaya çıkan bir parçacığın neden olduğu tekli nükleer reaksiyonlar dizisi. Nükleer zincir reaksiyonunun bir örneği, ağır elementlerin çekirdeklerinin fisyon zincir reaksiyonudur; burada fisyon olaylarının çoğu, önceki nesildeki çekirdeklerin fisyonuyla üretilen nötronlar tarafından başlatılır.

Ansiklopedik YouTube

1 / 3

Nükleer Fizik. Nükleer reaksiyonlar. Nükleer fisyon zincir reaksiyonu. nükleer santral

Nükleer kuvvetler Çekirdekteki parçacıkların bağlanma enerjisi Uranyum çekirdeğinin bölünmesi Zincirleme reaksiyon

Nükleer reaksiyonlar

Altyazılar

Enerji salma mekanizması

Bir maddenin dönüşümüne, yalnızca maddenin bir enerji rezervi olması durumunda serbest enerjinin salınması eşlik eder. İkincisi, bir maddenin mikropartiküllerinin, bir geçişin mevcut olduğu diğer olası durumdan daha yüksek bir dinlenme enerjisine sahip bir durumda olduğu anlamına gelir. Kendiliğinden geçiş her zaman bir enerji bariyeri tarafından önlenir; bunun üstesinden gelmek için mikropartikülün dışarıdan belirli bir miktarda enerji alması gerekir - uyarma enerjisi. Ekzoenerjetik reaksiyon, uyarılmayı takip eden dönüşümde, süreci uyarmak için gerekenden daha fazla enerjinin salınması gerçeğinden oluşur. Enerji bariyerini aşmanın iki yolu vardır: ya çarpışan parçacıkların kinetik enerjisinden dolayı ya da birleşen parçacığın bağlanma enerjisinden dolayı.

Enerji salınımının makroskobik ölçeğini aklımızda tutarsak, o zaman madde parçacıklarının tümü veya başlangıçta en azından bir kısmı, reaksiyonları tetiklemek için gerekli kinetik enerjiye sahip olmalıdır. Bu ancak ortamın sıcaklığının, termal hareket enerjisinin prosesin gidişatını sınırlayan enerji eşiğine yaklaşacağı bir değere yükseltilmesiyle başarılabilir. Moleküler dönüşümler, yani kimyasal reaksiyonlar durumunda, böyle bir artış genellikle yüzlerce kelvindir, ancak nükleer reaksiyonlar durumunda, çarpışan çekirdeklerin Coulomb bariyerlerinin çok yüksek olması nedeniyle en az 10 7 K'dir. Nükleer reaksiyonların termal uyarılması pratikte yalnızca Coulomb bariyerlerinin minimum olduğu (termonükleer füzyon) en hafif çekirdeklerin sentezi sırasında gerçekleştirilir.

Parçacıkların birleştirilmesiyle oluşan uyarım, büyük kinetik enerji gerektirmez ve bu nedenle ortamın sıcaklığına bağlı değildir, çünkü parçacıkların çekici kuvvetlerinin doğasında bulunan kullanılmayan bağlardan kaynaklanır. Ancak reaksiyonları tetiklemek için parçacıkların kendileri gereklidir. Ve yine ayrı bir reaksiyon eylemini değil, makroskobik ölçekte enerji üretimini kastediyorsak, bu ancak bir zincirleme reaksiyon meydana geldiğinde mümkündür. İkincisi, reaksiyonu harekete geçiren parçacıklar, ekzoenerjetik reaksiyonun ürünleri olarak yeniden ortaya çıktığında meydana gelir.

Zincir reaksiyonları

Zincir reaksiyonları, kullanılmayan bağlara sahip parçacıkların rolünün serbest atomlar veya radikaller tarafından oynandığı kimyasal reaksiyonlar arasında yaygındır. Nükleer dönüşümler sırasındaki zincirleme reaksiyon mekanizması, Coulomb bariyeri olmayan ve emilim sırasında çekirdeği uyaran nötronlar tarafından sağlanabilir. Gerekli parçacığın ortamda ortaya çıkması, reaksiyon taşıyıcı parçacığın kaybı nedeniyle zincir kırılana kadar devam eden, birbirini takip eden bir reaksiyonlar zincirine neden olur. Kayıpların iki ana nedeni vardır: bir parçacığın ikincil bir emisyon yaymadan emilmesi ve parçacığın zincir sürecini destekleyen maddenin hacminin ötesine geçmesi. Her reaksiyonda sadece bir taşıyıcı parçacık ortaya çıkıyorsa, zincirleme reaksiyon denir. dallanmamış. Dallanmamış bir zincirleme reaksiyon, büyük ölçekte enerji salınımına yol açamaz.

Her reaksiyonda veya zincirin bazı bağlantılarında birden fazla parçacık ortaya çıkarsa dallanmış zincir reaksiyonu meydana gelir, çünkü ikincil parçacıklardan biri başlatılan zinciri sürdürürken diğerleri yeniden dallanan yeni zincirlere yol açar. Doğru, zincirin kırılmasına yol açan süreçler dallanma süreciyle rekabet eder ve ortaya çıkan durum, dallanmış zincir reaksiyonlarına özgü sınırlayıcı veya kritik olayların ortaya çıkmasına neden olur. Arızalı devrelerin sayısı, ortaya çıkan yeni devrelerin sayısından fazlaysa, o zaman kendi kendine devam eden zincirleme reaksiyon(SCR) imkansız olduğu ortaya çıktı. Ortama belirli miktarda gerekli parçacık eklenerek yapay olarak uyarılsa bile, bu durumda zincir sayısı ancak azalabileceğinden, başlayan süreç hızla kaybolur. Oluşan yeni zincirlerin sayısı kırılma sayısını aşarsa, en az bir başlangıç ​​partikülü ortaya çıktığında zincir reaksiyonu hızla maddenin tüm hacmine yayılır.

Kendi kendine devam eden bir zincirleme reaksiyonun gelişmesiyle maddenin halleri bölgesi, zincirleme reaksiyonun genellikle imkansız olduğu bölgeden ayrılır, kritik durum. Kritik durum, yeni devrelerin sayısı ile kesintilerin sayısı arasındaki eşitlikle karakterize edilir.

Kritik bir duruma ulaşmak bir dizi faktör tarafından belirlenir. Ağır bir çekirdeğin bölünmesi bir nötron tarafından uyarılır ve fisyon eylemi sonucunda birden fazla nötron ortaya çıkar (örneğin, 235 U için bir fisyon eyleminde üretilen nötronların sayısı ortalama 2 ila 3 arasındadır). Sonuç olarak, fisyon süreci, taşıyıcıları nötronlar olacak olan dallanmış bir zincir reaksiyonuna yol açabilir. Nötron kayıplarının oranı (bölünmeden yakalama, reaksiyon hacminden kaçma vb.), nötron çoğalma oranını, etkili nötron çoğalma katsayısı tam olarak birliğe eşit olacak şekilde telafi ederse, zincirleme reaksiyon şu şekilde ilerler: sabit mod. Etkin çarpma faktörü ile enerji salınım hızı arasında negatif geri beslemenin devreye girmesi, örneğin nükleer enerjide kullanılan kontrollü bir zincirleme reaksiyona olanak tanır. Çarpma faktörü birden büyükse zincirleme reaksiyon katlanarak gelişir; kontrolsüz fisyon zincir reaksiyonu kullanılır

Fisyon zincir reaksiyonunun mekanizmasını ele alalım. Ağır çekirdekler nötronların etkisi altında fisyona girdiğinde yeni nötronlar üretilir. Örneğin uranyum 92 U 235 çekirdeğinin her bir fisyonunda ortalama 2,4 nötron üretilir. Bu nötronlardan bazıları yine nükleer fisyona neden olabilir. Bu çığ benzeri sürece denir zincirleme tepki .
Fisyon zincir reaksiyonu, nötron çoğalma sürecinin meydana geldiği bir ortamda meydana gelir. Bu ortama denir çekirdek . Nötron çoğalmasının yoğunluğunu karakterize eden en önemli fiziksel miktar ortamdaki nötron çarpım faktörü k ∞ . Çarpma faktörü, bir nesildeki nötron sayısının önceki nesildeki nötron sayısına oranına eşittir. ∞ indeksi sonsuz boyutlu ideal bir ortamdan bahsettiğimizi gösterir. k ∞ değerine benzer şekilde belirlenir fiziksel bir sistemde nötron çarpım faktörü k. K faktörü belirli bir kurulumun bir özelliğidir.
Sonlu boyutlara sahip bölünebilir bir ortamda, bazı nötronlar çekirdekten dışarıya kaçacaktır. Bu nedenle k katsayısı aynı zamanda bir nötronun çekirdekten kaçmama olasılığı P'ye de bağlıdır. A-tarikatı

P'nin değeri, aktif bölgenin bileşimine, boyutuna, şekline ve ayrıca aktif bölgeyi çevreleyen maddenin nötronları ne ölçüde yansıttığına bağlıdır.
Kritik kütle ve kritik boyutlar gibi önemli kavramlar, nötronların çekirdekten ayrılma olasılığıyla ilişkilidir. Kritik boyut k = 1 olan aktif bölgenin boyutudur. Kritik kitle kritik boyutların çekirdeğinin kütlesi denir. Kütle kritik değerin altında olduğunda > 1 olsa bile zincirleme reaksiyonun meydana gelmediği açıktır. Aksine, kritik değerin üzerindeki kütlenin gözle görülür fazlalığı kontrolsüz bir reaksiyona, yani patlamaya yol açar.
İlk nesilde N nötron varsa, n'inci nesilde Nk n olacaktır. Bu nedenle, k = 1'de zincirleme reaksiyon k'da sabit olarak ilerler.< 1 реакция гаснет, а при k >1 reaksiyonun şiddeti artar. k = 1 olduğunda reaksiyon modu çağrılır kritik , k > 1 için – süperkritik ve k'de< 1 – kritik altı .
Bir nötron neslinin ömrü büyük ölçüde ortamın özelliklerine bağlıdır ve 10-4 ile 10-8 saniye arasındadır. Bu sürenin kısa olması nedeniyle kontrollü bir zincirleme reaksiyon gerçekleştirmek için k = 1 eşitliğini büyük bir doğrulukla korumak gerekir, çünkü örneğin k = 1,01'de sistem neredeyse anında patlayacaktır. Bakalım k ∞ ve k katsayılarını hangi faktörler belirliyor?
k ∞'yi (veya k) belirleyen ilk nicelik, bir fisyon olayında yayılan nötronların ortalama sayısıdır. Sayı, yakıtın türüne ve gelen nötronun enerjisine bağlıdır. Masada Tablo 1, hem termal hem de hızlı (E = 1 MeV) nötronlar için nükleer enerjinin ana izotoplarının değerlerini göstermektedir.

235 U izotopu için fisyon nötronlarının enerji spektrumu, Şekil 2'de gösterilmektedir. 1. Bu tür spektrumlar tüm bölünebilir izotoplar için benzerdir: enerjilerde güçlü bir dağılım vardır ve nötronların büyük bir kısmı 1-3 MeV aralığında enerjiye sahiptir. Fisyon sırasında oluşan nötronlar yavaşlar, belli bir mesafeye yayılır ve fisyonla veya fisyon olmadan absorbe edilir. Ortamın özelliklerine bağlı olarak nötronların emilmeden önce farklı enerjilere yavaşlama süreleri vardır. İyi bir moderatörün varlığında, nötronların çoğunluğunun 0,025 eV düzeyindeki termal enerjilere yavaşlama zamanı vardır. Bu durumda zincirleme reaksiyon denir. yavaş veya aynı olan şey, termal. Özel bir moderatörün yokluğunda, nötronların yalnızca 0,1-0,4 MeV enerjilere yavaşlama zamanı vardır, çünkü tüm bölünebilir izotoplar ağırdır ve bu nedenle yavaşlar. İlgili zincir reaksiyonlarına denir hızlı("hızlı" ve "yavaş" sıfatlarının reaksiyonun hızını değil, nötronların hızını karakterize ettiğini vurguluyoruz). Nötronların onlarca ila bir keV arasında değişen enerjilere kadar yavaşlatıldığı zincirleme reaksiyonlara denir. orta seviye .
Bir nötron ağır bir çekirdekle çarpıştığında, bir nötronun (n, γ) ışınımla yakalanması her zaman mümkündür. Bu süreç bölünmeyle rekabet edecek ve dolayısıyla çarpma oranını azaltacaktır. Bundan, k ∞ , k katsayılarını etkileyen ikinci fiziksel miktarın, bölünebilir bir izotopun çekirdeği tarafından bir nötron yakalandığında fisyon olasılığı olduğu sonucu çıkar. Monoenerjetik nötronlar için bu olasılık açıkça eşittir:

burada nf, nγ sırasıyla fisyon ve radyasyon yakalama kesitleridir. Hem fisyon olayı başına nötron sayısını hem de ışınımsal yakalama olasılığını aynı anda hesaba katmak için, bölünebilir bir çekirdek tarafından yakalanan nötron başına ortalama ikincil nötron sayısına eşit bir η katsayısı eklenir.

η değeri yakıtın türüne ve nötron enerjisine bağlıdır. Termal ve hızlı nötronlar için en önemli izotoplara ait η değerleri aynı tabloda verilmiştir. 1. η değeri yakıt çekirdeklerinin en önemli özelliğidir. Zincirleme reaksiyon ancak η > 1 olduğunda meydana gelebilir. η değeri ne kadar yüksek olursa, yakıtın kalitesi de o kadar yüksek olur.

Tablo 1. Bölünebilir izotoplar için ν, η değerleri

Nükleer yakıtın kalitesi, bulunabilirliği ve η katsayısı ile belirlenir. Doğada nükleer yakıt veya üretimi için hammadde görevi görebilecek yalnızca üç izotop bulunur. Bunlar toryum 232 Th izotopu ve uranyum 238 U ve 235 U izotoplarıdır. Bunlardan ilk ikisi zincirleme reaksiyon vermez ancak reaksiyonun meydana geldiği izotoplara dönüştürülebilir. 235 U izotopunun kendisi bir zincirleme reaksiyon verir. Yer kabuğunda uranyumdan birkaç kat daha fazla toryum bulunmaktadır. Doğal toryum pratikte tek bir izotoptan (232 Th) oluşur. Doğal uranyum esas olarak 238 U izotopundan ve 235 U izotopunun yalnızca %0,7'sinden oluşur.
Uygulamada, 235 U çekirdek başına 140 238 U çekirdeği bulunan doğal bir uranyum izotop karışımı üzerinde zincirleme reaksiyonun uygulanabilirliği sorunu son derece önemlidir. Doğal bir karışımda yavaş bir reaksiyonun mümkün olduğunu gösterelim. , ama hızlı olanı değil. Doğal bir karışımdaki bir zincirleme reaksiyonu dikkate almak için, yeni bir miktarın - 235 U izotopunun bir çekirdeği başına ortalama nötron absorpsiyon kesitinin - eklenmesi uygundur.

Termal nötronlar için = 2,47, = 580 barn, = 112 barn, = 2,8 barn (son kesitin ne kadar küçük olduğuna dikkat edin). Bu rakamları (5)'te yerine koyarsak, doğal karışımdaki yavaş nötronlar için bunu elde ederiz.

Bu, doğal karışımda emilen 100 termal nötronun 132 yeni nötron yaratacağı anlamına gelir. Bundan doğrudan, doğal uranyum üzerinde yavaş nötronlarla bir zincirleme reaksiyonun prensipte mümkün olduğu sonucu çıkar. Prensip olarak, bir zincirleme reaksiyonu gerçekten uygulamak için nötronları düşük kayıplarla yavaşlatabilmeniz gerekir.
Hızlı nötronlar için ν = 2,65, 2 barn, 0,1 barn. Yalnızca 235 U izotopundaki fisyonu hesaba katarsak, şunu elde ederiz:

Ancak enerjileri 1 MeV'den büyük olan hızlı nötronların, gözle görülür bir bağıl yoğunlukla, doğal karışımda çok bol bulunan 238 U izotopunun çekirdeklerini bölebileceğini de hesaba katmalıyız. 238 U'ya bölme için katsayı yaklaşık 2,5'tir. Fisyon spektrumunda, nötronların yaklaşık %60'ı 1,4 MeV fisyon etkin eşiğinin 238 U kadar üzerinde enerjiye sahiptir. Ancak bu %60'tan yalnızca 5 nötrondan biri, eşiğin altındaki bir enerjiye yavaşlamadan fisyon yapmayı başarır. elastik ve özellikle elastik olmayan saçılma. Buradan 238 (hızlı) katsayısı için tahmini elde ederiz

Dolayısıyla doğal bir karışımda (235 U + 238 U) hızlı nötronlarla zincirleme reaksiyon meydana gelemez. Saf metalik uranyum için çarpım faktörünün %5,56 zenginleşme ile birlik değerine ulaştığı deneysel olarak tespit edilmiştir. Uygulamada, hızlı nötronlarla reaksiyonun yalnızca en az %15 235 U izotopu içeren zenginleştirilmiş bir karışımda sürdürülebileceği ortaya çıktı.
Uranyum izotoplarının doğal bir karışımı, 235 U izotopuyla zenginleştirilebilir. Zenginleştirme, her iki izotopun kimyasal özelliklerinin hemen hemen aynı olması nedeniyle karmaşık ve pahalı bir işlemdir. İzotop kütlelerindeki farklılıklar nedeniyle ortaya çıkan kimyasal reaksiyonların, difüzyonun vb. hızlarındaki küçük farklılıklardan yararlanmak gerekir. 235 U ile zincirleme reaksiyon neredeyse her zaman yüksek içerikli 238 U içeren bir ortamda gerçekleştirilir. 238 U da yararlı olduğundan termal nötron bölgesinde η = 1,32 olan doğal bir izotop karışımı sıklıkla kullanılır. 238 U izotopu, enerjileri 1 MeV'nin üzerinde olan nötronlar tarafından bölünebilir. Bu fisyon, nötronların küçük bir ek çoğalmasına neden olur.
Fisyon zinciri reaksiyonlarını termal ve hızlı nötronlarla karşılaştıralım.
Termal nötronlar için yakalama kesitleri büyüktür ve bir çekirdekten diğerine geçerken büyük ölçüde değişir. Bazı elementlerin (örneğin kadmiyum) çekirdeklerinde, bu kesitler 235 U'daki kesitlerden yüzlerce veya daha fazla kat daha yüksektir. Bu nedenle, belirli safsızlıklarla ilgili olarak termal nötron tesislerinin çekirdeğine yüksek saflık gereksinimleri uygulanır.
Hızlı nötronlar için tüm yakalama kesitleri küçüktür ve birbirinden çok farklı değildir, dolayısıyla malzemelerin yüksek saflığı sorunu ortaya çıkmaz. Hızlı reaksiyonların bir diğer avantajı da daha yüksek üreme oranıdır.
Termal reaksiyonların önemli bir ayırt edici özelliği, çekirdekte yakıtın çok daha fazla seyreltilmiş olmasıdır, yani yakıt çekirdeği başına, hızlı bir reaksiyona göre fisyona katılmayan çekirdeklerin önemli ölçüde daha fazla olması. Örneğin, doğal uranyum üzerindeki termal reaksiyonda, 235 U yakıt çekirdeği başına 238 U ham maddeden oluşan 140 çekirdek bulunurken, hızlı bir reaksiyonda, 235 U çekirdek başına beş ila altıdan fazla 238 U çekirdeği bulunamaz. yakıtın termal reaksiyonda seyreltilmesi, termal reaksiyondaki bir ve aynı enerjinin hızlı reaksiyona göre çok daha büyük bir madde hacminde salınmasına yol açar. Böylece, bir termal reaksiyonun aktif bölgesinden ısının uzaklaştırılması daha kolaydır, bu da bu reaksiyonun hızlı bir reaksiyona göre daha büyük bir yoğunlukta gerçekleştirilmesine olanak tanır.
Hızlı bir reaksiyon için bir nötron neslinin ömrü, termal olandan birkaç kat daha kısadır. Bu nedenle hızlı bir reaksiyonun hızı, çekirdekteki fiziksel koşullardaki bir değişiklikten sonra çok kısa bir süre içinde gözle görülür şekilde değişebilir. Reaktörün normal çalışması sırasında bu etki önemsizdir, çünkü bu durumda çalışma modu, ani nötronların yerine gecikmiş nötronların yaşam süreleri tarafından belirlenir.
Yalnızca tek tip bölünebilir izotoplardan oluşan homojen bir ortamda çarpma faktörü η'ya eşit olacaktır. Bununla birlikte, gerçek durumlarda, bölünebilir çekirdeklere ek olarak, her zaman bölünemeyen başka çekirdekler de vardır. Bu yabancı çekirdekler nötronları yakalayacak ve dolayısıyla çarpma faktörünü etkileyecektir. Bundan, k ∞ , k katsayılarını belirleyen üçüncü niceliğin, nötronun bölünemeyen çekirdeklerden biri tarafından yakalanmama olasılığı olduğu sonucu çıkar. Gerçek kurulumlarda, moderatör çekirdeklerinde, çeşitli yapısal elemanların çekirdeklerinde ve ayrıca fisyon ürünleri ve yakalama ürünlerinin çekirdeklerinde "yabancı" yakalama meydana gelir.
Yavaş nötronlarla bir zincirleme reaksiyon gerçekleştirmek için, çekirdek moderatörlere, fisyon nötronlarını termal olanlara dönüştüren özel maddeler eklenir. Uygulamada, yavaş nötron zincir reaksiyonu, 235 U izotopu ile doğal veya hafif zenginleştirilmiş uranyum üzerinde gerçekleştirilir. Çekirdekte büyük miktarda 238 U izotopunun varlığı, moderasyon sürecini karmaşıklaştırır ve moderatörün kalitesine yüksek talepler getirilmesini gerekli kılar. Moderatörlü bir çekirdekteki bir nötron neslinin ömrü yaklaşık olarak iki aşamaya ayrılabilir: termal enerjilerin ılımlılaştırılması ve difüzyon. absorpsiyondan önceki termal oranlar. Nötronların çoğunluğunun soğurulmadan yavaşlayacak zamana sahip olması için bu koşulun karşılanması gerekir.

burada σ kontrol, σ yakalama sırasıyla elastik saçılma ve yakalama için enerji ortalamalı kesitlerdir ve n, termal enerjiye ulaşmak için gereken moderatör çekirdeklerle nötron çarpışmalarının sayısıdır. Moderatörün kütle numarasının artmasıyla n sayısı hızla artar. Uranyum 238 U için n sayısı birkaç bin mertebesindedir. Ve bu izotop için σ kontrol / σ yakalama oranı, hızlı nötronların nispeten uygun enerji bölgesinde bile 50'yi aşmaz. 1 keV ila 1 eV arasındaki rezonans bölgesi olarak adlandırılan bölge, nötron yakalamayla ilgili olarak özellikle "tehlikelidir". . Bu bölgede bir nötronun 238 U çekirdeği ile etkileşiminin toplam kesiti çok sayıda yoğun rezonansa sahiptir (Şekil 2). Düşük enerjilerde radyasyon genişlikleri nötron genişliklerini aşar. Bu nedenle rezonans bölgesinde σ kontrol/σ yakalama oranı birlikten bile daha az olur. Bu, bir nötronun rezonanslardan birinin bölgesine girdiğinde neredeyse yüzde yüz olasılıkla emildiği anlamına gelir. Ve uranyum gibi daha ağır bir çekirdeğin yavaşlaması "küçük adımlarla" meydana geldiğinden, rezonans bölgesinden geçerken, yavaşlayan nötron kesinlikle rezonanslardan birine "çarpacak" ve emilecektir. Bu, yabancı safsızlıklar olmadan doğal uranyum üzerinde bir zincirleme reaksiyonun gerçekleştirilemeyeceği anlamına gelir: hızlı nötronlarda, η katsayısının küçük olması nedeniyle reaksiyon meydana gelmez ve yavaş nötronlar oluşamaz. Rezonans nötron yakalamasını önlemek için, Yavaşlamanın "büyük adımlarla" meydana geldiği ve nötronun rezonans enerji bölgesinden başarılı bir şekilde "atlama" olasılığını keskin bir şekilde artıran, onları yavaşlatmak için çok hafif çekirdeklerin kullanılması gerekir. En iyi düzenleyici elementler hidrojen, döteryum, berilyum ve karbondur. Bu nedenle, pratikte kullanılan moderatörler esas olarak ağır su, berilyum, berilyum oksit, grafit ve nötronları ağır sudan daha kötü olmayan, ancak onları çok daha büyük miktarlarda emen sıradan suya indirgenir. Geciktiricinin iyi temizlenmesi gerekir. Yavaş bir reaksiyonu gerçekleştirmek için, nötronların 238 U çekirdeği ile rezonans çarpışmasını önlemek amacıyla moderatörün uranyumdan onlarca, hatta yüzlerce kat daha fazla olması gerektiğini unutmayın.

Aktif ortamın düzenleyici özellikleri yaklaşık olarak üç büyüklükle açıklanabilir: ılımlılaştırma sırasında bir nötronun moderatör tarafından soğurulmasından kaçınma olasılığı, 238 U çekirdeği tarafından rezonans yakalanmasından kaçınma olasılığı p ve bir termal nötronun soğurulması olasılığı f bir moderatör yerine bir yakıt çekirdeği tarafından. F değerine genellikle termal kullanım katsayısı denir. Bu miktarların doğru hesaplanması zordur. Genellikle bunları hesaplamak için yaklaşık yarı ampirik formüller kullanılır.

P ve f değerleri yalnızca moderatörün göreceli miktarına değil aynı zamanda çekirdeğe yerleşiminin geometrisine de bağlıdır. Homojen bir uranyum ve moderatör karışımından oluşan aktif bölgeye homojen, alternatif uranyum ve moderatör bloklarından oluşan sisteme ise heterojen denir (Şekil 4). Niteliksel olarak heterojen bir sistem, içinde uranyumda oluşan hızlı nötronun rezonans enerjilerine ulaşmadan moderatöre girmeyi başarması ile ayırt edilir. Saf moderatörde daha fazla yavaşlama meydana gelir. Bu, rezonans yakalamadan kaçınma olasılığını (p) artırır

p het > p homo.

Öte yandan, aksine, moderatörde termal hale gelen nötronun, zincirleme reaksiyona katılabilmesi için, saf moderatörde absorbe edilmeden kendi sınırına yayılması gerekir. Bu nedenle, heterojen bir ortamda termal kullanım faktörü f, homojen olandan daha düşüktür:

al< f гом.

Bir termal reaktörün çarpım faktörünü k ∞ tahmin etmek için yaklaşık dört faktörlü formül

İlk üç faktörü daha önce ele almıştık. ε miktarına denir hızlı nötron çarpım faktörü . Bu katsayı, bazı hızlı nötronların yavaşlamaya zaman kalmadan fisyona girebileceğini hesaba katmak için eklenmiştir. Anlamı itibarıyla ε katsayısı her zaman birin üzerindedir. Ancak bu fazlalık genellikle küçüktür. Termal reaksiyonlar için tipik olan değer ε = 1,03'tür. Hızlı reaksiyonlar için her katsayı enerjiye bağlı olduğundan ve hızlı reaksiyonlarda enerji yayılımı çok büyük olduğundan dört faktörün formülü uygulanamaz.
η değeri yakıt türüne göre belirlendiğinden ve yavaş reaksiyonlar için ε değeri neredeyse birden farklı olmadığından, belirli bir aktif ortamın kalitesi pf çarpımı tarafından belirlenir. Bu nedenle, heterojen bir ortamın homojen bir ortama göre avantajı, örneğin doğal uranyum çekirdeği başına 215 grafit çekirdeğinin bulunduğu bir sistemde, pf ürününün heterojen bir ortam için 0,823'e eşit olması ve niceliksel olarak ortaya çıkmasıyla ortaya çıkar. Homojen bir tane için 0,595. Ve doğal bir karışım için η = 1,34 olduğundan, bunu heterojen bir ortam için k ∞ > 1 ve homojen bir ortam için k ∞ elde ederiz.< 1.
Sabit bir zincir reaksiyonunun pratik uygulaması için bu reaksiyonun kontrol edilebilmesi gerekir. Bu kontrol, fisyon sırasında gecikmiş nötronların emisyonu nedeniyle büyük ölçüde basitleştirilmiştir. Nötronların büyük çoğunluğu çekirdekten neredeyse anında kaçar (yani, çekirdekteki bir nötron neslinin ömründen birkaç kat daha kısa bir sürede), ancak nötronların yüzde onda birkaçı gecikir ve çekirdekten kaçar. çekirdekleri oldukça büyük bir süre sonra parçalayın - kesirli saniyelerden birkaç ve hatta onlarca saniyeye kadar. Gecikmiş nötronların etkisi niteliksel olarak aşağıdaki gibi açıklanabilir. Çarpma faktörünün anında kritik altı bir değerden öyle kritik üstü bir değere yükselmesine izin verin ki 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.
Nötronların zincir reaksiyonuna katılmayan çekirdekler tarafından yakalanması reaksiyonun yoğunluğunu azaltır, ancak yeni bölünebilir izotopların oluşumu açısından faydalı olabilir. Böylece, nötronlar uranyum 238 U ve toryum 232 Th izotoplarından emildiğinde, nükleer yakıt olan plütonyum 239 Pu ve uranyum 233 U izotopları oluşur (ardışık iki β bozunması yoluyla):

Bu iki tepki gerçek bir olasılığın kapısını aralıyor nükleer yakıtın çoğaltılması bir zincirleme reaksiyon sırasında. İdeal durumda, yani gereksiz nötron kayıpları olmadığında, bir nötronun bir yakıt çekirdeği tarafından emilmesinin her eylemi için üreme için ortalama 1 nötron kullanılabilir.

Nükleer (nükleer) reaktörler

Reaktör, kontrollü bir fisyon zincir reaksiyonunun sürdürüldüğü bir cihazdır. Reaktör çalıştığında, fisyon reaksiyonunun ekzotermik doğasından dolayı ısı açığa çıkar. Bir reaktörün ana özelliği gücüdür; yani birim zamanda açığa çıkan termal enerji miktarı. Reaktör gücü megawatt (10 6 W) cinsinden ölçülür. 1 MW'lık bir güç, saniyede 3.1016 fisyon olayının meydana geldiği bir zincirleme reaksiyona karşılık gelir. Çok sayıda farklı tipte reaktör vardır. Bir termal reaktörün tipik şemalarından biri Şekil 2'de gösterilmektedir. 5.
Reaktörün ana kısmı, reaksiyonun meydana geldiği ve dolayısıyla enerjinin açığa çıktığı aktif bölgedir. Termal ve ara nötron reaktörlerinde çekirdek, genellikle bölünemeyen bir izotopla (genellikle 238 U) karıştırılmış bir yakıt ve bir moderatörden oluşur. Hızlı nötron reaktörlerinin çekirdeğinde moderatör yoktur.
Çekirdek hacmi, bazı hızlı nötron reaktörlerinde litrenin onda biri ile büyük termal reaktörlerde onlarca metreküp arasında değişir. Nötron sızıntısını azaltmak için çekirdeğe küresel veya neredeyse küresel bir şekil verilir (örneğin, yüksekliği yaklaşık olarak çapa eşit olan bir silindir veya bir küp).
Yakıtın ve moderatörün göreceli konumuna bağlı olarak homojen ve heterojen reaktörler ayırt edilir. Homojen bir aktif bölgenin bir örneği, sıradan veya ağır sudaki bir uranil sülfat tuzu ve U2S04 çözeltisidir. Heterojen reaktörler daha yaygındır. Heterojen reaktörlerde çekirdek, içine yakıt içeren kasetlerin yerleştirildiği bir moderatörden oluşur. Bu kasetlerde enerji açığa çıktığı için bunlara denir. yakıt elemanları veya kısaca yakıt çubukları. Reflektörlü aktif bölge genellikle çelik bir muhafaza içine alınır.

• Gecikmiş nötronların nükleer reaktör kontrolünde rolü

Zincirleme reaksiyon, başlangıçta ortaya çıkan ürünlerin yeni ürünlerin oluşumunda yer aldığı, kendi kendini sürdüren bir kimyasal reaksiyondur. Zincirleme reaksiyonlar genellikle yüksek hızda meydana gelir ve sıklıkla patlama karakterine sahiptir.

Zincir reaksiyonları üç ana aşamadan geçer: başlangıç ​​(başlatma), gelişme ve zincirin sonlanması.

Pirinç. 9.13. Bir reaksiyonun enerji profili (potansiyel enerjiye karşı reaksiyon koordinatının grafiği), bir reaksiyon ara ürününün oluşumuna karşılık gelen minimum değeri gösterir.

Başlangıç ​​aşaması. Bu aşamada ara ürünlerin (ara ürünler) oluşumu meydana gelir. Ara maddeler atomlar, iyonlar veya nötr moleküller olabilir. Başlatma ışık, nükleer radyasyon, termal (termal) enerji, anyonlar veya katalizörler ile gerçekleştirilebilir.

Gelişim aşaması. Bu aşamada ara ürünler orijinal reaktanlarla reaksiyona girerek yeni ara ürünler ve son ürünler oluşturur. Zincir reaksiyonlarında gelişme aşaması birçok kez tekrarlanır ve bu da çok sayıda nihai ve ara ürünün oluşmasına yol açar.

Devre kesme aşaması. Bu aşamada ara ürünlerin nihai tüketimi veya imhası meydana gelir. Sonuç olarak reaksiyon durur. Zincir reaksiyonu kendiliğinden veya özel maddelerin - inhibitörlerin etkisi altında kırılabilir.

Zincir reaksiyonları kimyanın birçok dalında, özellikle fotokimya, yanma kimyası, nükleer fisyon ve nükleer füzyon reaksiyonları (bkz. Bölüm 1) ve organik kimyada (bkz. Bölüm 17-20) önemli bir rol oynar.

Fotokimya

Kimyanın bu dalı, ışığın madde üzerindeki etkisiyle ilişkili kimyasal süreçleri kapsar. Fotokimyasal sürecin bir örneği fotosentezdir.

Birçok zincir reaksiyonu ışıkla başlatılır. Bu durumda başlatıcı parçacık enerjiye sahip bir fotondur (bkz. Bölüm 1.2). Klasik bir örnek, ışık varlığında hidrojen ve klor arasındaki reaksiyondur.

Bu reaksiyon patlayıcı bir şekilde ilerler. Aşağıdaki üç aşamayı içerir.

Başlatma. Bu aşamada, klor molekülündeki kovalent bağ kırılır ve her biri eşlenmemiş elektrona sahip iki atom oluşur:

Bu tür bir reaksiyon homoliz veya hemolitik bölünmedir (bkz. Bölüm 17.3). Aynı zamanda bir fotoliz örneğidir. Fotoliz terimi fotokimyasal ayrışma anlamına gelir. Oluşan iki klor atomu ara ürünlerdir. Onlar radikaller. Radikal, en az bir eşleşmemiş elektrona sahip olan bir atomdur (veya atom grubudur). Başlangıç ​​aşaması zincir reaksiyonunun en yavaş aşaması olmasına rağmen tüm zincir reaksiyonunun hızını belirlemediğine dikkat edilmelidir.

Gelişim aşaması. Bu aşamada, klor atomları hidrojen molekülleriyle reaksiyona girerek nihai ürünü (hidrojen klorürün yanı sıra hidrojen radikallerini) oluşturur. Hidrojen radikalleri klor molekülleriyle reaksiyona girer; sonuç olarak ürünün yeni kısımları ve yeni klor radikalleri oluşur:

Gelişim aşamasını oluşturan bu iki reaksiyon milyonlarca kez tekrarlanır.

Devre kesme aşaması. Sonuç olarak zincirleme reaksiyon nihayet durur

gibi tepkiler

Bu zincir sonlandırma reaksiyonları sırasında açığa çıkan enerjiyi absorbe etmek için üçüncü bir cismin bunlara katılması gerekir. Bu üçüncü gövde genellikle reaksiyonun gerçekleştirildiği kabın duvarlarıdır.

Kuantum verimi

Yukarıda açıklanan zincirleme reaksiyonda bir ışık fotonunun bir klor molekülü tarafından emilmesi, milyonlarca hidrojen klorür molekülünün oluşmasıyla sonuçlanabilir. Ürün moleküllerinin sayısının reaksiyonu başlatan ışık kuantumlarının (fotonların) sayısına oranına kuantum verimi denir. Fotokimyasal reaksiyonların kuantum verimi bir ila birkaç milyon arasında değişebilir. Yüksek kuantum verimi, meydana gelen reaksiyonun zincir yapısını gösterir.

Darbe fotolizi

Bu, radikalleri tespit edebilecek kadar yüksek konsantrasyonda elde etmek için kullanılan tekniğin adıdır. İncirde. Şekil 9.14 flaş fotoliz için kullanılan kurulumun basitleştirilmiş bir diyagramını göstermektedir. Reaksiyon karışımı etkilenir

Pirinç. 9.14. Darbeli fotoliz.

özel bir darbeli kaynaktan gelen güçlü bir ışık parlamasıyla. Böyle bir kaynak, 105 J'ye kadar enerjiye sahip ve s veya daha az süreli ışık parlamaları yaratmayı mümkün kılar. Modern darbeli fotoliz yöntemleri, nanosaniye düzeyinde (10-9 saniye) parlama süresine sahip darbeli lazerler kullanır. Böyle bir ışık parlamasının sonucu olarak meydana gelen reaksiyon, reaksiyon karışımının bir dizi optik absorpsiyon spektrumunun kaydedilmesiyle izlenebilir. İlk flaşı, düşük güçlü darbeli bir kaynaktan gelen bir dizi flaş takip eder. Bu flaşlar milisaniye veya mikrosaniye mertebesinde aralıklarla birbirini takip eder ve reaksiyon karışımının absorpsiyon spektrumlarının bu zaman aralıklarında kaydedilmesine olanak sağlar.

Yanma

Oksijen ile reaksiyona girerek ısı enerjisi ve ışığın açığa çıkmasına yanma denir. Yanma genellikle radikal reaksiyonların karmaşık bir dizisi olarak meydana gelir.

Örnek olarak hidrojen yanmasını ele alalım. Belirli koşullar altında bu reaksiyon patlayıcı bir şekilde gerçekleşir. İncirde. Şekil 9.15'te bir Pyrex reaktöründe stokiyometrik hidrojen ve oksijen karışımının reaksiyonuna ilişkin deneysel veriler sunulmaktadır. Diyagramın gölgeli alanı bu reaksiyonun patlayıcı bölgesine karşılık gelir. Hidrojen yanma reaksiyonu için diyagramın bu bölümü patlayıcı bir yarımada şekline sahiptir. Patlama alanı patlamanın sınırlarıyla sınırlıdır.

Pirinç. 9.15. Hidrojen yanma reaksiyonunun patlayıcı oluşumu için koşullar: