Nüvə reaksiyaları: sadə və aydın. Nüvə reaksiyası

§ 3.13 Nüvə reaksiyaları və kütləvi qüsur

1. Yüksək temperatur və yüksək elektromaqnit sahələrinin mövcudluğunda reaksiyalar mümkündür

2. Böyük maqnit sahələri və yüksək temperatur tələb etməyən neytronlar hesabına proseslərin keçməsi.

Nukleosintez. Nukleosintez hadisəsi alim tərəfindən tədqiq edilmişdir Burbidc.

Kainatın yaranma anında var idi elektron hissəciklərinin qarışığı.

Proton və neytronların qarşılıqlı təsiri nəticəsində hidrogen Və helium, və aşağıdakı nisbətlərdə: 2/3 – N, 1/3 – O.

Bütün digər elementlər hidrogendən əmələ gəlmişdir.

Günəş helium və hidrogendən ibarətdir (10-20 milyon ºС).

Daha isti ulduzlar var (150 milyon ºС-dən çox). Bu planetlərin dərinliklərində meydana gəldi karbon, oksigen, azot, kükürd və maqnezium.

Digər elementlər fövqəlnova partlayışlarında (uran və daha ağır olanlar) yaradılmışdır.

Kainatda helium və hidrogen ən çox yayılmışdır (3/4 hidrogen və 1/4 helium).

○ Yer üzündə ən çox yayılmış elementlər:

§7 “Dalğa-hissəcik (ikili) nəzəriyyəsi”

1900-cü ildə M. Plank bir nəzəriyyə irəli sürdü: tamamilə qara bədən həm də enerji buraxır, lakin hissə-hissə (kvanta) buraxır.

● Elektron-maqnit sahəsinin kvantıdır foton.

○ Dalğa fotonun təbiəti:

- difraksiya(işığın düz istiqamətdən sapması və ya maneələr ətrafında əyilmə qabiliyyəti)

- müdaxilə(dalğaların bir-birini üst-üstə düşdüyü və bir-birini gücləndirə və ya ləğv edə biləcəyi dalğa qarşılıqlı təsiri)

1.Gücləndirilmiş

2. İntensivlik azalır

3.Ödəniş

○ Korpuskulyar fotonun təbiəti:

● Foto effekti– elektromaqnit şüalanmasının təsiri altında bir maddə tərəfindən elektronların buraxılması hadisəsi.

Stoletov fotoelement qanunlarını öyrənmişdir.

Fotoelektrik effektin izahı verilmişdir Eynşteyn korpuskulyar nəzəriyyə çərçivəsində.

Bir elektrona dəyən foton enerjisinin bir hissəsini ötürür.

● Kompton effekti– rentgen şüası maddəyə yönəldilirsə, o, maddənin elektronları tərəfindən səpələnir. Bu səpələnmiş radiasiya, gələn radiasiyadan daha uzun dalğa uzunluğuna malik olacaqdır. Fərq səpilmə bucağından asılıdır.

E = hυ

h – bar

υ – şüalanma tezliyi

●Foto - dalğa paketi.

Riyazi olaraq dalğa-zərrəcik ikiliyi ifadə olunur L. de Broyl tənliyi:

λ = h / (m · v) = h / P

P- impuls

Bu dualizm universal bir nəzəriyyədir, o, bütün növ materiyaya yayıla bilər.

○ Nümunələr:

elektron

m e = 9.1 10 -28 Gv ~ 10 8 sm/sλ ~ 10 -8 sm

uçan top

m= 50 qv~ 25 sm/sλ ~ 10 -32 sm

1) Qeyri-müəyyənlik prinsipi[IN. Heisenberg] – hissəciyin koordinatını və onun impulsunu eyni vaxtda dəqiq müəyyən etmək mümkün deyil.

∆q · ∆ səh ≥ h / 2

∆q – hər hansı koordinatın qeyri-müəyyənliyi

∆səh – impuls qeyri-müəyyənliyi

∆E · ∆ t ≥ h / 2

∆E – hissəcik enerjisi

∆t – zamanın qeyri-müəyyənliyi

2) Tamamlayıcılıq prinsipi[N. Bohr] - mikroobyekti təsvir edən bəzi kəmiyyətlər haqqında eksperimental məlumat əldə etmək qaçılmaz olaraq birinciyə əlavə olaraq digər kəmiyyətlər haqqında məlumatın itirilməsi ilə əlaqələndirilir.

3) Səbəb əlaqəsi prinsipi(qeyri-müəyyənlik prinsipinin nəticəsi) – klassik fizikanın prinsipi. Təbiət hadisələri arasında səbəb-nəticə əlaqəsi mövcuddur. Səbəbiyyət prinsipi mikrodünyanın obyektlərinə şamil edilmir.

4) Şəxsiyyət prinsipi– eyni mikrohissəcikləri eksperimental olaraq öyrənmək mümkün deyil.

5) Yazışma prinsipi- hər hansı daha ümumi nəzəriyyə klassik nəzəriyyənin inkişafı olmaqla onu tamamilə rədd etmir, lakin tətbiqinin sərhədlərini göstərir.

6) Superpozisiya prinsipi– yaranan təsir hər bir hadisənin ayrı-ayrılıqda yaratdığı təsirlərin cəmidir.

● Şrödinger tənliyi– kvant mexanikasının əsas tənliyi.

● Dalğa funksiyası[Ψ] həm koordinatların, həm də zamanın funksiyasıdır.

E = E qohum. + U

U – potensial enerji

E qohum . = (m v 2 ) / 2 = səh 2 / 2m

E = p 2 / 2m + U

E Ψ = ( səh 2 / 2 m + U ) · Ψ

(Ψ 2 · d · v) müvafiq hissəciyin harada və hansı vəziyyətdə olduğunu göstərir.

Nüvənin effektiv kəsişməsi reaksiyalar .

Stokiometrik miqdarda alınan başlanğıc maddələrin bir-biri ilə tamamilə reaksiya verdiyi əksər kimyəvi reaksiyalardan fərqli olaraq, nüvə reaksiya bütün bombardman edən hissəciklərin yalnız kiçik bir hissəsinin hədəfə düşməsinə səbəb olur. Bu, nüvənin həcmin cüzi bir hissəsini tutması ilə izah olunur atom , beləliklə, hədəfdən keçən bir hadisə hissəciyinin nüvə ilə qarşılaşma ehtimalı atom çox kiçik. Baş verən hissəciklə nüvə arasındakı Coulomb potensial maneəsi (əgər onlar eyni yükə malikdirlərsə) nüvənin qarşısını alır. reaksiyalar . Kəmiyyətlər üçün. nüvə ehtimalının xüsusiyyətləri reaksiyalar effektiv bölmə anlayışından istifadə edin a. İki toqquşan hissəciyin müəyyən son vəziyyətə keçməsi ehtimalını xarakterizə edir və vahid vaxtda belə keçidlərin sayının istiqamətə perpendikulyar vahid sahədən keçən bombardman edən hissəciklərin sayına nisbətinə bərabərdir. onların hərəkəti. Effektiv en kəsiyi sahənin ölçüsünə malikdir və böyüklük sırasına görə kəsik sahəsi ilə müqayisə edilə bilər atom nüvələri (təxminən 10 -28 m2). Əvvəllər effektiv bölmənin qeyri-sistem vahidi istifadə edilmişdir - anbar (1 anbar = 10 -28 m 2).
Müxtəlif nüvə üçün real dəyərlər reaksiyalar geniş dəyişir (10 -49-dan 10 -22 m2-ə qədər). Dəyər bombardman edən hissəciyin təbiətindən, onun enerjisindən və xüsusilə də böyük ölçüdə şüalanmış nüvənin xüsusiyyətlərindən asılıdır. Nüvə şüalanması halında neytronlar müxtəlif enerji ilə neytronlar deyilənləri müşahidə etmək olar rezonanslı tutma neytronlar , rezonans kəsiyi ilə xarakterizə olunur. Kinetik enerji olduqda rezonans tutma müşahidə olunur neytron mürəkkəb nüvənin stasionar vəziyyətlərindən birinin enerjisinə yaxındır. Bombardman edən hissəciyin rezonansla tutulmasına uyğun gələn kəsişmə rezonanssız kəsiyi bir neçə böyüklük dərəcəsi ilə keçə bilər.
Əgər bombardman edən hissəcik nüvə yarada bilərsə reaksiyalar bir neçə kanal vasitəsilə, sonra verilmiş şüalanmış nüvə ilə baş verən müxtəlif proseslərin effektiv kəsişmələrinin cəminə çox vaxt ümumi kəsişmə deyilir.
Nüvənin effektiv kəsişmələri reaksiyalar müxtəlif nüvələr üçün izotoplar k.-l. elementlər çox vaxt bir-birindən çox fərqli olur. Buna görə də, qarışığı istifadə edərkən izotoplar nüvə həyata keçirilməsi üçün reaksiyalar hər biri üçün effektiv kəsişmələri nəzərə almaq lazımdır nuklid qarışıqda onun yayılması nəzərə alınmaqla izotoplar
Nüvə çıxışları reaksiyalar
Nüvə Reaksiyasının Məhsuldarlığı -sayı nisbəti nüvə reaksiyalarının hərəkətləri hədəfin vahid sahəsinə düşən hissəciklərin sayına (1 sm 2) adətən 10 -6 -10 -3-dən çox deyil. İncə hədəflər üçün (sadəcə, nazik bir hədəf hədəf adlandırıla bilər, keçərkən bombardman edən hissəciklərin axını nəzərəçarpacaq dərəcədə zəifləmir), nüvə məhsuldarlığı reaksiyalar hədəf səthinin 1 sm 2-yə düşən hissəciklərin sayına, hədəfin 1 sm 2-də olan nüvələrin sayına, həmçinin nüvənin effektiv kəsişmə dəyərinə mütənasibdir. reaksiyalar . Nüvə reaktoru kimi belə güclü insident hissəcikləri mənbəyindən istifadə edərkən belə, nüvə reaktoru həyata keçirərkən adətən 1 saat ərzində əldə etmək mümkündür. neytronların təsiri altında baş verən reaksiyalar bir neçə mq-dan çox deyil atomlar yeni ləpələri ehtiva edir. Adətən bu və ya digər nüvədə əldə edilən maddənin kütləsi reaksiyalar , əhəmiyyətli dərəcədə azdır.

Bombardman edən hissəciklər.
Nüvə tətbiq etmək reaksiyalar neytronlardan n, protonlardan istifadə edir p, deytronlar d, tritonlar t, hissəciklər, ağır ionları (12 C, 22 Ne, 40 Ar və s.), elektronlar e və kvant. Mənbələr neytronlar (bax Neytron mənbələri) nüvə zamanı reaksiyalar xidmət edir: məsələn, metal Be və uyğun bir emitentin qarışıqları. 226 Ra (ampula mənbələri deyilənlər), neytron generatorları, nüvə reaktorları. Çünki əksər hallarda nüvə reaksiyalar neytronlar üçün daha yüksəkdir aşağı enerji ilə (termal neytronlar ), sonra axını istiqamətləndirməzdən əvvəl neytronlar hədəfdə, onlar adətən istifadə edərək yavaşladılar parafin, qrafit və digər materiallar. Yavaş olduqda neytronlar əsas. demək olar ki, bütün nüvələr üçün proses - radiasiya tutma - nüvə reaksiya yazın, çünki nüvənin Coulomb maneəsi qaçmağın qarşısını alır protonlar və hissəciklər. Təsiri altında neytron parçalanma zəncirvari reaksiyalar .
Bombardman edən hissəciklər kimi istifadə edildikdə protonlar , deytronlar və s., müsbət yük daşıyan axın, bombardman edən hissəcik müxtəlif sürətləndiricilərdən istifadə edərək yüksək enerjilərə (onlarla MeV-dən yüzlərlə GeV-ə qədər) sürətləndirilir. Bu, yüklü zərrəciyin Coulonb potensial maneəsini aşması və şüalanmış nüvəyə daxil olması üçün lazımdır. Hədəfləri müsbət yüklü hissəciklərlə şüalandırarkən, maks. nüvə çıxışları reaksiyalar deuteronlardan istifadə etməklə əldə edilir. Bu, bağlama enerjisi ilə bağlıdır proton və neytron deuteronda nisbətən kiçikdir və müvafiq olaraq, aralarındakı məsafə proton və neytron .
Deyteronlar bombardman edən hissəciklər kimi istifadə edildikdə, şüalanmış nüvəyə yalnız bir nuklon tez-tez nüfuz edir - proton və ya neytron , deytron nüvəsinin ikinci nukleonu daha da uçur, adətən hadisə deyteronu ilə eyni istiqamətdə. Nüvə keçirərkən yüksək effektiv kəsiklər əldə edilə bilər reaksiyalar deyteronlar və yüngül nüvələr arasında düşən hissəciklərin nisbətən aşağı enerjilərində (1-10 MeV). Buna görə də nüvə reaksiyalar deytronların iştirakı ilə yalnız sürətləndiricidə sürətləndirilmiş deyteronlardan istifadə etməklə deyil, həm də qarşılıqlı təsir edən nüvələrin qarışığını təxminən 10 7 K temperatura qədər qızdırmaqla həyata keçirilə bilər. reaksiyalar termonüvə adlanır. Təbii şəraitdə onlar yalnız ulduzların daxili hissəsində olur. Yer üzündə termonüvə reaksiyaları deuterium, deuterium və tritium, deuterium və litium və s. ilə həyata keçirilir partlayışlar termonüvə (hidrogen) bombaları.
Hissəciklər üçün ağır nüvələr üçün Kulon maneəsi ~25 MeV-ə çatır. Eyni dərəcədə ehtimal olunan nüvə reaksiyalar və Nüvə Məhsulları reaksiyalar adətən radioaktiv, nüvə üçün reaksiyalar - adətən sabit nüvələr.
Yeni super ağır kimyəvi maddələrin sintezi üçün. elementləri mühüm nüvədir reaksiyalar , sürətləndiricilərdə sürətlənmiş ağır hissəciklərin iştirakı ilə baş verir ionları (22 Ne, 40 Ar və s.). Məsələn, nüvə mövzusunda reaksiyalar m.b. sintezi həyata keçirilir fermia. Ağır ionlarla nüvə reaksiyaları üçün çoxlu sayda çıxış kanalları ilə xarakterizə olunur. Məsələn, 232 Th nüvəni bombalayarkən ionları 40 Ar Ca, Ar, S, Si, Mg, Ne nüvələrini əmələ gətirir.
Nüvə tətbiq etmək reaksiyalar kvantların təsiri altında yüksək enerjili kvantlar (onlarla MeV) uyğun gəlir. Daha aşağı enerjili kvantlar nüvələrdən yalnız elastik səpilmə hiss edirlər. Hadisə kvantlarının təsiri altında nüvə axını reaksiyalar fotonüvə adlanan bu reaksiyalar 10 30 m 2-ə çatır.
Baxmayaraq ki elektronlar nüvələrin yükünə əks yükə malikdir, nüfuz edir elektronlar nüvəyə daxil olmaq yalnız nüvələrin istifadə edərək şüalandığı hallarda mümkündür elektronlar , enerjisi onlarla MeV-dən çox olan. Belə əldə etmək üçün elektronlar betatronlardan və digər sürətləndiricilərdən istifadə edilir.
Nüvə tədqiqatı reaksiyalar nüvələrin daxili quruluşu haqqında müxtəlif məlumatlar verir. Nüvə neytronların iştirak etdiyi reaksiyalar nüvə reaktorlarında böyük miqdarda enerji əldə etməyə imkan verir. Nüvə nəticəsində neytronlar tərəfindən idarə olunan parçalanma reaksiyaları çoxlu sayda müxtəlif radionuklidlər , xüsusilə də istifadə edilə bilər kimya kimi izotop izləyiciləri. Bəzi hallarda nüvə reaksiyalar almağa imkan veriretiketli birləşmələr. Nüvə reaksiyaları əsasdır aktivləşdirmə təhlili. Nüvədən istifadə reaksiyalar süni kimyəvi maddələrin sintezi həyata keçirilmişdir. elementlər ( texnesium, prometium, transuranik elementlər, transaktinoidlər).

Uran nüvələrinin parçalanmasının kəşf tarixi

Nüvənin damcı modeli

Nüvə bir neytron tutduqdan sonra həyəcanlı vəziyyətdə olan ara nüvə yaranır. Bu zaman neytron enerjisi bütün nuklonlar arasında bərabər paylanır və ara nüvənin özü deformasiyaya uğrayaraq titrəməyə başlayır. Əgər həyəcan azdırsa, onda nüvə (şəkil 1, b), emissiya edərək artıq enerjidən azad olur. ? -kvant və ya neytron, sabit vəziyyətə qayıdır. Əgər həyəcanlanma enerjisi kifayət qədər yüksəkdirsə, onda vibrasiya zamanı nüvənin deformasiyası o qədər böyük ola bilər ki, onun içərisində bifurkasiya edən maye damcısının iki hissəsi arasında bel kimi bir bel əmələ gəlir (şəkil 1, c). Dar bir beldə hərəkət edən nüvə qüvvələri artıq nüvənin hissələrinin əhəmiyyətli Coulomb itələmə qüvvəsinə tab gətirə bilməz. Bel qırılır, nüvə isə əks istiqamətlərdə uçan iki “qırıntıya” (şəkil 1, d) parçalanır.
Hal-hazırda, bu nüvənin parçalanması nəticəsində əmələ gələn, təxminən 90-dan 145-ə qədər olan 100-ə yaxın müxtəlif izotop məlumdur. Bu nüvənin iki tipik parçalanma reaksiyası:
.
Qeyd edək ki, bir neytron tərəfindən başlanan nüvə parçalanması digər nüvələrdə parçalanma reaksiyalarına səbəb ola biləcək yeni neytronlar istehsal edir. Uran-235 nüvələrinin parçalanma məhsulları barium, ksenon, stronsium, rubidium və s.-in digər izotopları da ola bilər.
Ağır atomların () nüvələri parçalandıqda çox böyük enerji ayrılır - hər bir nüvənin parçalanması zamanı təxminən 200 MeV. Bu enerjinin təxminən 80%-i fraqmentlərin kinetik enerjisi kimi buraxılır; qalan 20% isə fraqmentlərdən gələn radioaktiv şüalanmanın enerjisindən və operativ neytronların kinetik enerjisindən gəlir.
Nüvə parçalanması zamanı ayrılan enerjinin təxminini nüvədəki nuklonların xüsusi bağlanma enerjisindən istifadə etməklə etmək olar. Kütləvi sayı olan nüvələrdəki nuklonların xüsusi bağlanma enerjisi A? Kütləvi nömrələri olan nüvələrdə isə 240 7,6 MeV/nuklon təşkil edir. A= 90 – 145 xüsusi enerji təxminən 8,5 MeV/nuklondur. Nəticə etibarilə, uran nüvəsinin parçalanması 0,9 MeV/nuklon və ya hər uran atomu üçün təxminən 210 MeV enerji buraxır. 1 q uranın tərkibində olan bütün nüvələrin tam parçalanması 3 ton kömürün və ya 2,5 ton neftin yanması ilə eyni enerjini buraxır.

Nüvə zəncirvari reaksiya

Nüvə zəncirvari reaksiya - tək ardıcıllıqnüvə reaksiyaları , hər biri ardıcıllığın əvvəlki pilləsində reaksiya məhsulu kimi görünən hissəcikdən qaynaqlanır. Nüvə zəncirvari reaksiyasına misal zəncirvari reaksiyadırnüvə parçalanması parçalanma hadisələrinin əsas sayının başladığı ağır elementlərneytronlar , əvvəlki nəsildə nüvə parçalanmasından əldə edilmişdir.

Uran təbiətdə iki izotop şəklində olur: (99,3%) və (0,7%). Neytronlarla bombardman edildikdə, hər iki izotopun nüvələri iki hissəyə bölünə bilər. Bu halda parçalanma reaksiyası ən intensiv şəkildə yavaş (termal) neytronlarda baş verir, nüvələr isə yalnız enerjisi 1 MeV olan sürətli neytronlarla parçalanma reaksiyasına girirlər. Əks halda, əmələ gələn nüvələrin həyəcan enerjisi
parçalanma üçün qeyri-kafi olduğu ortaya çıxır və sonra parçalanma əvəzinə nüvə reaksiyaları baş verir:
.
Uran izotopu ? -radioaktiv, yarımxaricolma dövrü 23 dəqiqə. Neptunium izotopu da radioaktivdir, yarımxaricolma dövrü təxminən 2 gündür.
.

Plutonium izotopu nisbətən sabitdir, yarımparçalanma müddəti 24.000 ildir. Plutoniumun ən mühüm xüsusiyyəti onun neytronların təsiri altında parçalanmasıdır... Buna görə də, köməyi ilə zəncirvari reaksiya həyata keçirilə bilər.
Yuxarıda müzakirə edilən zəncirvari reaksiya diaqramı ideal bir vəziyyəti təmsil edir. Real şəraitdə parçalanma zamanı əmələ gələn bütün neytronlar digər nüvələrin parçalanmasında iştirak etmir. Onların bəziləri yad atomların parçalanmayan nüvələri tərəfindən tutulur, digərləri urandan uçur (neytron sızması).
Buna görə də, ağır nüvələrin parçalanmasının zəncirvari reaksiyası həmişə baş vermir və hər hansı bir uran kütləsi üçün deyil.

Neytronların çoxalma faktoru

Nüvə reaktoru idarə olunan bir cihazdırnüvə zəncirvari reaksiya , enerjinin sərbəst buraxılması ilə müşayiət olunur. İlk nüvə reaktoru 1942-ci ilin dekabrında ABŞ-da E.Fermi . Avropada ilk nüvə reaktoru 1946-cı ilin dekabrında Moskvada İ.V.Kurçatova . 1978-ci ilə qədər dünyada artıq minə yaxın müxtəlif tipli nüvə reaktoru fəaliyyət göstərirdi. Hər hansı bir nüvə reaktorunun komponentləri bunlardır:əsas ilə nüvə yanacağı , adətən bir neytron reflektoru ilə əhatə olunur,soyuducu , zəncirvari reaksiya idarəetmə sistemi, radiasiyadan qorunma, uzaqdan idarəetmə sistemi. Nüvə reaktorunun əsas xüsusiyyəti onun gücüdür. Gücü 1 Met 1-ə 3 10 16 parçalanma aktının baş verdiyi zəncirvari reaksiyaya uyğundur san.

Nüvə reaktorunun nüvəsində nüvə yanacağı var, nüvə parçalanmasının zəncirvari reaksiyası baş verir və enerji buraxılır. Dövlət Nüvə reaktoru effektiv əmsalı ilə xarakterizə olunur Kef neytron çoxalması və ya reaktivlik r:

R = (K? - 1)/K eff. (1)

Əgər TO məs > 1, sonra zaman keçdikcə zəncirvari reaksiya artır, nüvə reaktoru superkritik vəziyyətdədir və reaktivliyi r > 0; Əgər TO məs < 1 , sonra reaksiya sönür, reaktor subkritikdir, r< 0; при TO ? = 1, r = 0, reaktor kritik vəziyyətdədir, stasionar proses davam edir və parçalanmaların sayı zamanla sabitdir. Nüvə reaktorunu işə salarkən zəncirvari reaksiyaya başlamaq üçün nüvəyə adətən neytron mənbəyi (Ra və Be qarışığı, 252 Cf) daxil edilir. və s.), baxmayaraq ki, bu lazım deyil, çünki nüvələrin kortəbii parçalanması uran və kosmik şüalar da zəncirvari reaksiyanın inkişafı üçün kifayət qədər ilkin neytronları təmin edir TO məs > 1.

Əksər nüvə reaktorları parçalanan maddə kimi 235 U istifadə edir. . Əgər nüvə yanacaqdan başqa (təbii və ya zənginləşdirilmiş). Uran), tərkibində neytron moderatoru (qrafit, su və yüngül nüvələri olan digər maddələr, baxNeytron moderasiyası ), onda bölmələrin əsas hissəsi təsir altında baş verirtermal neytronlar (istilik reaktoru ). Təbii qaz termal neytron nüvə reaktorunda istifadə edilə bilər Uran , zənginləşdirilməmiş 235 U (bunlar ilk nüvə reaktorları idi). Əgər nüvədə moderator yoxdursa, onda parçalanmaların böyük hissəsi enerjisi x n > 10 olan sürətli neytronlar tərəfindən törədilir. kev(sürətli reaktor ). 1-1000 enerjili ara neytron reaktorları da mümkündür ev.

Dizaynına görə nüvə reaktorları bölünür heterojen reaktorlar nüvə yanacağının nüvədə diskret olaraq bloklar şəklində paylandığı, aralarında bir neytron moderatoru vəhomojen reaktorlar , burada nüvə yanacağı və moderator homojen bir qarışıqdır (məhlul və ya süspansiyon). Heterojen bir nüvə reaktorunda nüvə yanacağı olan bloklar adlanıryanacaq elementləri (yanacaq çubuqları) müntəzəm qəfəs təşkil edir, bir yanacaq çubuğuna düşən həcm hüceyrə adlanırtədqiqat reaktorları . Çox vaxt bir nüvə reaktoru bir neçə funksiyanı yerinə yetirir .

Kritiklik şəraitində Nüvə Reaktoru aşağıdakı formada olur:

TO məs = K ? ? P = 1, (1)

Burada 1 - P Nüvə Reaktorunun nüvəsindən neytronların buraxılması (sızma) ehtimalıdır, TO ? - Termal nüvə reaktorları üçün “dörd faktorlu düstur” adlanan üsulla təyin olunan sonsuz böyük nüvədə neytronların çoxalma əmsalı:

TO? =neju. (2)

Burada n 235 U nüvənin parçalanması zamanı yaranan ikincil (sürətli) neytronların orta sayıdır. istilik neytronları, e sürətli neytronlar üçün çoxalma əmsalıdır (nüvələrin, əsasən nüvələrin parçalanması səbəbindən neytronların sayının artması 238 U , sürətli neytronlar); j neytronun nüvə tərəfindən tutulmaması ehtimalıdır 238 U yavaşlama prosesi zamanı u termal neytronun parçalanmaya səbəb olma ehtimalıdır. Tez-tez h = n/(l + a) dəyərindən istifadə olunur, burada a radiasiya tutma kəsiyinin s p-nin parçalanma kəsişməsinə s d nisbətidir.

Şərt (1) Nüvə Reaktorunun ölçüsünü müəyyən edir. Məsələn, təbii urandan hazırlanmış nüvə reaktoru üçün və qrafit n = 2.4. e » 1.03, eju » 0.44, haradan TO? =1.08. Bu o deməkdir ki, üçün TO ? > 1 zəruri P<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерного реактора) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 m. Müasir nüvə reaktorunun həcmi yüzlərlədir m 3 və kritik şərtlərlə deyil, əsasən istilik aradan qaldırılması imkanları ilə müəyyən edilir. Kritik vəziyyətdə olan Nüvə Reaktorunun aktiv zonasının həcmi Nüvə Reaktorunun kritik həcmi, parçalanan materialın kütləsi isə kritik kütlə adlanır. Suda təmiz parçalanan izotopların duzlarının məhlulları şəklində yanacağı olan və su neytron reflektoru olan nüvə reaktoru ən aşağı kritik kütləyə malikdir. 235 üçün U bu kütlə 0,8-dir kq, Üçün 239 Pu - 0,5 kq. 251 ən kiçik kritik kütləyə malikdir Cf (nəzəri olaraq 10 q). Təbii olan qrafit nüvə reaktorunun kritik parametrləri uran: uran kütləsi 45 T, qrafit həcmi 450 m 3 . Neytron sızmasını azaltmaq üçün nüvəyə sferik və ya demək olar ki, sferik forma verilir, məsələn, hündürlüyü diametri və ya kub (ən kiçik səth-həcm nisbəti) sırasına malik silindr.

n dəyəri 0,3% dəqiqliklə termal neytronlar üçün məlumdur (Cədvəl 1). Bölünməyə səbəb olan neytronun x n enerjisi artdıqca n qanuna uyğun olaraq artır: n = n t + 0,15x n (x n in Mev), burada n t istilik neytronlarının parçalanmasına uyğundur.

Cədvəl 1. - Termal neytronlar üçün n və h dəyərləri (1977-ci il məlumatlarına görə)

Nüvə reaktorunun işləməsi zamanı onun tərkibində parçalanma parçalarının toplanması və əmələ gəlməsi səbəbindən yanacağın tərkibində dəyişiklik baş verir.transuranik elementlər , əsasən izotoplar Pu . Parçalanma fraqmentlərinin nüvə reaktorunun reaktivliyinə təsiri zəhərlənmə (radiaktiv fraqmentlər üçün) və şlaklaşma (sabit olanlar üçün) adlanır. Zəhərlənmələrə əsasən 135 səbəb olur Xe ən böyük neytron udma en kəsiyinə malikdir (2.6 10 6 anbar). Yarımparçalanma müddəti T 1/2 = 9,2 saat, parçalanma məhsuldarlığı 6-7% təşkil edir. Əsas hissə 135 Xe parçalanması nəticəsində əmələ gəlir 135 ] (Ticarət mərkəzi = 6,8 h). Zəhərlənəndə Cef 1-3% dəyişir. Böyük udma kəsiyi 135 Xe və aralıq izotopun olması 135 I iki mühüm hadisəyə gətirib çıxarır: 1) konsentrasiyanın artmasına 135 Xe və nəticədə, Nüvə Reaktorunun bağlanmasından və ya gücünün azalmasından sonra reaktivliyinin azalmasına ("yod çuxuru"). Bu, tənzimləyici orqanlarda əlavə reaktivlik ehtiyatı yaratmağa məcbur edir və ya qısa müddətli dayanmaları və gücün dəyişməsini qeyri-mümkün edir. Dərinlik və müddət yod quyular neytron axınından F asılıdır: F = 5·10 13 neytron/sm 2-də? san müddəti yod çuxurlar ~ 30 h, və dərinlik stasionar dəyişmədən 2 dəfə böyükdür TO məs zəhərlənmə nəticəsində 135 Xe . 2) Zəhərlənmə nəticəsində F neytron axınının məkan-zaman rəqsləri və buna görə də Nüvə Reaktorunun gücü F> 10 13 neytron/sm 2 olduqda bu rəqslər baş verə bilər. saniyə və böyük ölçülərdə Nüvə Reaktorunun salınma dövrləri ~ 10 h.

Nüvə parçalanması nəticəsində yaranan müxtəlif stabil fraqmentlərin sayı çoxdur. Parçalanan izotopun udma en kəsiyi ilə müqayisədə böyük və kiçik udma kəsikli fraqmentlər var. Birincinin konsentrasiyası Nüvə Reaktorunun (əsasən 149 Sm) istismarının ilk bir neçə günü ərzində doyma səviyyəsinə çatır. , Keff 1% dəyişdirilir. Sonuncunun konsentrasiyası və onların təqdim etdiyi mənfi reaktivlik zamanla xətti olaraq artır.

Nüvə reaktorunda transuran elementlərinin əmələ gəlməsi aşağıdakı sxemlərə uyğun olaraq baş verir:

Burada 3 neytron tutulması deməkdir, oxun altındakı rəqəm yarımparçalanma müddətidir.

239 Pu yığılması (nüvə yanacağı) nüvə reaktorunun işləməsinin başlanğıcında xətti olaraq vaxtında baş verir və daha sürətli (sabit yanma ilə 235 U ), daha az zənginləşmə uran. Sonra konsentrasiya 239-dur Pu zənginləşmə dərəcəsindən asılı olmayan, lakin neytron tutma kəsiklərinin nisbəti ilə təyin olunan sabit qiymətə meyllidir 238 U və 239 Pu . Tarazlıq konsentrasiyasının qurulması üçün xarakterik vaxt 239 Pu ~ 3/ F il (10 13 neytron vahidində F/ sm 2 ?san). İzotoplar 240 Pu, 241 Pu tarazlıq konsentrasiyasına yalnız nüvə yanacağının regenerasiyasından sonra nüvə reaktorunda yanacağın təkrar yanması zamanı çatır.

Nüvə yanacağının yanması nüvə reaktorunda 1-ə düşən ümumi enerji ilə xarakterizə olunur T yanacaq. Təbii uranla işləyən nüvə reaktorları üçün, maksimum yanma ~ 10 GW?gün/t(ağır su nüvə reaktorları). Zəif zənginləşdirilmiş nüvə reaktorunda uran (2-3%) 235 U ) tükənmişlik ~ 20-30 əldə edilir GW-gün/t. Sürətli neytron nüvə reaktorunda - 100-ə qədər GW-gün/t. Tükənmişlik 1 GW-gün/t 0,1% nüvə yanacağının yanmasına uyğundur.

Nüvə yanacağı yandıqda nüvə reaktorunun reaktivliyi azalır (təbii urandan istifadə edən nüvə reaktorunda) kiçik yanmalarda reaktivliyin müəyyən qədər artması müşahidə olunur). Yandırılmış yanacağın dəyişdirilməsi dərhal bütün nüvədən və ya tədricən yanacaq çubuqları boyunca həyata keçirilə bilər ki, nüvədə hər yaşda yanacaq çubuqları olsun - davamlı həddindən artıq yükləmə rejimi (aralıq seçimlər mümkündür). Birinci halda, təzə yanacaq olan nüvə reaktoru kompensasiya edilməli olan artıq reaktivliyə malikdir. İkinci halda, belə kompensasiya yalnız ilkin işə salınma zamanı, davamlı həddindən artıq yükləmə rejiminə girməzdən əvvəl lazımdır. Davamlı yenidən yükləmə yanma dərinliyini artırmağa imkan verir, çünki nüvə reaktorunun reaktivliyi parçalanan nuklidlərin orta konsentrasiyası ilə müəyyən edilir (Cədvəl 2-də bərpa olunan nüvənin tərkibi göstərilir). yanacaq (in kq) Vtəzyiqli su reaktoru güc 3 Gvt. Nüvə Reaktoru 3 dəfə işlədikdən sonra bütün nüvə eyni vaxtda boşaldılır illər və "çıxarışlar" 3 illər(F = 3?10 13 neytron/sm 2?san). Başlanğıc siyahısı: 238 U - 77350, 235 U - 2630, 234 U - 20.

Cədvəl 2. - Boşalmış yanacağın tərkibi, kq