Mga reaksyong nuklear: simple at malinaw. reaksyong nukleyar

§ 3.13 Mga reaksyong nuklear at mass defect

1. Posible ang mga reaksyon sa pagkakaroon ng mataas na temperatura at mataas na electromagnetic field

2. Ang pagpasa ng mga proseso dahil sa mga neutron na hindi nangangailangan ng malalaking magnetic field at mataas na temperatura

Nucleosynthesis. Ang phenomenon ng nucleosynthesis ay pinag-aralan ng isang scientist Burbidge.

Sa panahon ng pagbuo ng uniberso, nagkaroon pinaghalong mga particle ng elektron.

Dahil sa interaksyon ng mga proton at neutron na nabuo hydrogen At helium, at sa mga sumusunod na proporsyon: 2/3 - H, 1/3 - Hindi.

Ang lahat ng iba pang mga elemento ay nabuo mula sa hydrogen.

Ang araw ay binubuo ng helium at hydrogen (10-20 milyon ºС).

Mayroong mas mainit na mga bituin (higit sa 150 milyong ºС). Sa kailaliman ng mga planetang ito nabuo carbon, oxygen, nitrogen, sulfur at magnesium.

Ang iba pang mga elemento ay nagmula sa pagsabog ng supernovae (uranium at mas mabigat).

Sa buong uniberso, ang helium at hydrogen ang pinakakaraniwan (3/4 hydrogen at 1/4 helium).

○ Ang pinakakaraniwang elemento sa Earth:

§7 "Corpuscular-wave (dual) theory"

Noong 1900 M. Plank isulong ang teorya: ganap na itim na katawan nagpapalabas din ng enerhiya, ngunit naglalabas ito sa mga bahagi (quanta).

● Ang quantum ng electron-magnetic field ay photon.

○ kaway kalikasan ng photon:

- diffraction(paglihis ng liwanag mula sa isang rectilinear na direksyon, o ang kakayahang yumuko sa mga hadlang)

- panghihimasok(interaksyon ng mga alon, kung saan ang mga alon ay maaaring magkapatong sa isa't isa at maaaring palakasin o kanselahin ang bawat isa)

1. Pinalakas

2. Binabawasan ang intensity

3. Mare-redeem

○ Corpuscular kalikasan ng photon:

● epekto ng photoelectric- ang kababalaghan ng paglabas ng mga electron ng isang sangkap sa ilalim ng impluwensya ng electromagnetic radiation.

Stoletov pinag-aralan ang mga batas ng photocell.

Naipaliwanag ang photoelectric effect Einstein sa loob ng teoryang corpuscular.

Ang isang photon, na tumama sa isang electron, ay naglilipat ng bahagi ng enerhiya nito.

● Compton effect- kung ang X-ray radiation ay nakadirekta sa isang sangkap, pagkatapos ito ay nakakalat ng mga electron ng sangkap. Ang scattered radiation na ito ay magkakaroon ng mas mahabang wavelength kaysa sa incident radiation. Ang pagkakaiba ay depende sa scattering angle.

E = hυ

h - bar

υ - dalas ng radiation

●Photon - wave packet.

Sa matematika, ang dualismo ng "wave-particle" ay ipinahayag sa L. de Broglie equation:

λ = h / (m · v) = h / P

P– momentum

Ang dualismong ito ay isang unibersal na teorya, maaari itong ipamahagi sa lahat ng uri ng bagay.

○ Mga halimbawa:

Elektron

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

lumilipad na bola

m= 50 gv~ 25 cm/sλ ~ 10 -32 cm

1) Ang prinsipyo ng kawalan ng katiyakan[SA. Heisenberg] - imposibleng tumpak na matukoy ang coordinate ng isang particle at ang momentum nito sa parehong oras.

∆q · ∆ p ≥ h / 2

∆q – kawalan ng katiyakan ng anumang coordinate

∆p – kawalan ng katiyakan ng momentum

∆E · ∆ t ≥ h / 2

∆E – enerhiya ng butil

∆t – kawalan ng katiyakan sa oras

2) Prinsipyo ng complementarity[N. Bor] - ang pagkuha ng pang-eksperimentong impormasyon tungkol sa ilang mga dami na naglalarawan sa isang microobject ay hindi maiiwasang nauugnay sa pagkawala ng impormasyon tungkol sa iba pang mga dami na dagdag sa una.

3) Prinsipyo ng Causality(isang kinahinatnan ng prinsipyo ng kawalan ng katiyakan) ay isang prinsipyo ng klasikal na pisika. May ugnayang sanhi sa pagitan ng mga natural na phenomena. Para sa mga bagay ng microcosm ang prinsipyo ng causality ay hindi naaangkop.

4) Prinsipyo ng pagkakakilanlan– imposibleng mag-eksperimentong pag-aralan ang magkaparehong microparticle.

5) Prinsipyo ng pagkakaayon- anumang mas pangkalahatang teorya, bilang isang pag-unlad ng klasikal na teorya, ay hindi ganap na tinatanggihan ito, ngunit nagpapahiwatig ng mga limitasyon ng aplikasyon nito.

6) Prinsipyo ng superposisyon- ang resultang epekto ay ang kabuuan ng mga epekto na dulot ng bawat phenomenon nang hiwalay.

● Schrödinger equation ay ang pangunahing equation ng quantum mechanics.

● function ng alon Ang [Ψ] ay isang function ng parehong mga coordinate at oras.

E = E kamag-anak. + U

U – potensyal na enerhiya

E kamag-anak . = (m v 2 ) / 2 = p 2 / 2m

E=p 2 /2m+U

E Ψ = ( p 2 / 2 m + U ) · Ψ

(Ψ 2 · d · v) nagpapakita kung saan at sa anong estado matatagpuan ang kaukulang particle.

Epektibong cross section ng nuclear mga reaksyon .

Hindi tulad ng karamihan sa mga kemikal na reaksyon, kung saan ang mga panimulang sangkap, na kinuha sa stoichiometric na dami, ay ganap na tumutugon sa isa't isa, nuclear reaksyon nagiging sanhi lamang ng isang maliit na bahagi ng lahat ng mga pambobomba na particle na nahulog sa target. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang nucleus ay sumasakop sa isang hindi gaanong bahagi ng lakas ng tunog atom , upang ang posibilidad ng isang particle ng insidente ay dumaan sa target na nakakatugon sa nucleus atom napakaliit. Ang potensyal na hadlang ng Coulomb sa pagitan ng particle ng insidente at ng nucleus (na may parehong singil) ay pumipigil din sa nuclear mga reaksyon . Para sa dami. mga katangian ng posibilidad ng isang nukleyar mga reaksyon gamitin ang konsepto ng mabisang seksyon a. Inilalarawan nito ang posibilidad ng paglipat ng dalawang nagbabanggaan na mga particle sa isang tiyak na pangwakas na estado at katumbas ng ratio ng bilang ng naturang mga paglipat sa bawat yunit ng oras sa bilang ng mga pambobomba na particle na dumadaan sa bawat yunit ng oras sa pamamagitan ng isang unit area na patayo sa direksyon ng kanilang galaw. Ang epektibong seksyon ay may sukat ng lugar at maihahambing sa pagkakasunud-sunod ng magnitude sa cross-sectional area atomic nuclei (mga 10 -28 m 2). Noong nakaraan, ginamit ang isang off-system unit ng epektibong seksyon - barn (1 barn \u003d 10 -28 m 2).
Mga tunay na halaga para sa iba't ibang nuclear mga reaksyon malawak na nag-iiba (mula 10 -49 hanggang 10 -22 m 2). Ang halaga ay depende sa likas na katangian ng bombarding particle, ang enerhiya nito, at, sa isang partikular na malaking lawak, sa mga katangian ng irradiated nucleus. Sa kaso ng nuclear irradiation mga neutron kapag nag-iiba-iba ng enerhiya mga neutron maaari mong obserbahan ang tinatawag na. matunog na pagkuha mga neutron , na kung saan ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang resonant cross section. Resonance capture ay sinusunod kapag ang kinetic energy neutron ay malapit sa enerhiya ng isa sa mga nakatigil na estado ng tambalang nucleus. Ang cross section na tumutugma sa resonant capture ng isang bombarding particle ay maaaring lumampas sa nonresonant cross section sa pamamagitan ng ilang order ng magnitude.
Kung ang isang bombarding particle ay may kakayahang magdulot ng nuclear mga reaksyon sa ilang mga channel, kung gayon ang kabuuan ng epektibong mga cross section ng iba't ibang proseso na nagaganap sa isang naibigay na irradiated nucleus ay madalas na tinatawag na kabuuang cross section.
Epektibong mga cross section ng nuclear mga reaksyon para sa iba't ibang nuclei isotopes c.-l. ang mga elemento ay kadalasang ibang-iba sa isa't isa. Samakatuwid, kapag gumagamit ng isang halo isotopes para sa nuclear mga reaksyon Ang mga epektibong cross section ay dapat isaalang-alang para sa bawat isa nuclide isinasaalang-alang ang pagkalat nito sa pinaghalong isotopes.
Nuclear exit mga reaksyon
Nagbubunga ng mga reaksyong nuklear -bilang ratio pagkilos ng mga reaksyong nuklear ang bilang ng mga particle na bumabagsak sa bawat unit area (1 cm 2 ) ng target ay karaniwang hindi lalampas sa 10 -6 -10 -3 . Para sa manipis na mga target (sa simpleng paraan, ang isang target ay maaaring tawaging manipis, kapag dumadaan kung saan ang daloy ng mga pambobomba na mga particle ay hindi kapansin-pansing humina), ang ani ng nuclear mga reaksyon ay proporsyonal sa bilang ng mga particle na bumabagsak sa 1 cm 2 ng target na ibabaw, ang bilang ng nuclei na nakapaloob sa 1 cm 2 ng target, at gayundin sa halaga ng epektibong cross section ng nuclear mga reaksyon . Kahit na gumagamit ng napakalakas na pinagmumulan ng mga particle ng projectile bilang isang nuclear reactor, sa loob ng 1 oras posible, bilang panuntunan, na makuha sa pagpapatupad ng nuclear. mga reaksyon sa ilalim ng impluwensya ng mga neutron hindi hihigit sa ilang mg mga atomo naglalaman ng bagong nuclei. Karaniwan, ang masa ng isang sangkap na nakuha sa isa o ibang nuclear mga reaksyon , makabuluhang mas mababa.

pambobomba ng mga particle.
Para sa pagpapatupad ng nuclear ang mga reaksyon ay gumagamit ng mga neutron n, mga proton p, deuteron d, tritons t, particle, mabigat mga ion (12 C, 22 Ne, 40 Ar, atbp.), mga electron e at quanta. Mga pinagmumulan mga neutron (tingnan mga mapagkukunan ng neutron) kapag nagsasagawa ng nuclear mga reaksyon nagsisilbing: pinaghalong metal Be at isang angkop na emitter, hal. 226 Ra (ang tinatawag na ampoule sources), neutron generators, nuclear reactors. Dahil sa karamihan ng mga kaso ng nuclear mas mataas ang mga reaksyon para sa mga neutron na may mababang enerhiya (thermal mga neutron ), pagkatapos ay bago idirekta ang daloy mga neutron sa target, kadalasang pinapabagal ang paggamit nila paraffin, grapayt at iba pang materyales. Sa kaso ng mabagal mga neutron basic. proseso para sa halos lahat ng nuclei - pagkuha ng radiation - nuclear reaksyon uri dahil pinipigilan ng Coulomb barrier ng nucleus ang paglipad mga proton at mga particle. Sa ilalim ng impluwensiya neutron fission chain reactions .
Sa kaso ng paggamit bilang bombarding particle mga proton , mga deuteron, atbp., na may dalang positibong singil, ang pambobomba na particle ay pinabilis sa mataas na enerhiya (mula sampu-sampung MeV hanggang daan-daang GeV) gamit ang iba't ibang mga accelerator. Ito ay kinakailangan upang ang sisingilin na particle ay madaig ang Coulomb potential barrier at makapasok sa irradiated nucleus. Kapag ang mga target ay na-irradiated ng mga particle na may positibong charge, max. mga nuclear output mga reaksyon nakamit gamit ang mga deuteron. Ito ay dahil sa ang katunayan na ang nagbubuklod na enerhiya proton at neutron sa deuteron ay medyo maliit, at, nang naaayon, ang distansya sa pagitan proton at neutron .
Kapag ang mga deuteron ay ginagamit bilang mga pambobomba na particle, isang nucleon lamang ang madalas na tumagos sa irradiated nucleus - proton o neutron , ang pangalawang nucleon ng deuteron nucleus ay lumilipad pa, kadalasan sa parehong direksyon ng insidente na deuteron. Ang mataas na epektibong mga cross section ay maaaring makamit sa nuclear mga reaksyon sa pagitan ng mga deuteron at light nuclei sa medyo mababang enerhiya ng mga particle ng insidente (1-10 MeV). Samakatuwid, nuclear mga reaksyon na may pakikilahok ng mga deuteron ay maaaring isagawa hindi lamang sa paggamit ng mga deuteron na pinabilis sa accelerator, kundi pati na rin sa pamamagitan ng pag-init ng pinaghalong nakikipag-ugnayan na nuclei sa temperatura na humigit-kumulang 10 7 K. Ang nasabing nuclear mga reaksyon tinatawag na thermonuclear. Sa ilalim ng natural na mga kondisyon, nangyayari lamang ang mga ito sa kalaliman ng mga bituin. Sa Earth, ang mga thermonuclear na reaksyon na kinasasangkutan deuterium, deuterium at tritium, deuterium at lithium at ang iba ay isinagawa kasama ng mga pagsabog mga bombang thermonuclear (hydrogen).
Para sa mga particle, ang Coulomb barrier para sa mabigat na nuclei ay umaabot sa ~25 MeV. Parehong posibleng nuclear mga reaksyon at Mga Produktong Nuklear mga reaksyon karaniwang radioactive, para sa nuclear mga reaksyon - karaniwang matatag na kernels.
Para sa synthesis ng bagong superheavy na kemikal. elemento, nuklear mga reaksyon , umaagos na may partisipasyon ng accelerator-accelerated heavy mga ion (22 Ne, 40 Ar, atbp.). Halimbawa, para sa nuclear mga reaksyon m. b. synthesis fermium. Para sa mga reaksyong nuklear na may mabibigat na ion katangian malaking numero mga channel ng output. Halimbawa, kapag binomba ang nuclei na may 232 Th mga ion 40 Ar, Ca, Ar, S, Si, Mg, Ne nuclei ay nabuo.
Para sa pagpapatupad ng nuclear mga reaksyon sa ilalim ng pagkilos ng quanta, ang high-energy quanta (sampu ng MeV) ay angkop. Ang quanta na may mas mababang enerhiya ay nakakaranas lamang ng elastic scattering sa nuclei. Mga prosesong nuklear na nagaganap sa ilalim ng pagkilos ng incident quanta mga reaksyon tinatawag na photonuclear, ang mga reaksyong ito ay umabot sa 10 30 m 2.
Bagaman mga electron may singil na kabaligtaran sa nuclei, penetration mga electron sa nucleus ay posible lamang sa mga kaso kapag ang nuclear radiation ay ginagamit mga electron , na ang enerhiya ay lumampas sa sampu ng MeV. Para makatanggap ng ganyan mga electron betatrons at iba pang accelerators ang ginagamit.
Pananaliksik sa nukleyar mga reaksyon magbigay ng iba't ibang impormasyon tungkol sa panloob na istraktura ng nuclei. Nuklear mga reaksyong kinasasangkutan ng mga neutron nagbibigay-daan sa iyo upang makakuha ng isang malaking halaga ng enerhiya sa mga nuclear reactor. Bilang resulta ng nuclear mga reaksyon ng fission sa ilalim ng pagkilos ng mga neutron isang malaking bilang ng iba't ibang radionuclides , na maaaring gamitin, sa partikular, sa parang chemistry isotope tracer. Sa ilang mga kaso, nuclear mga reaksyon hayaan kang makatanggapmay label na mga compound. Ang mga reaksyong nuklear ang batayan pagsusuri sa pag-activate. Sa tulong ng nuclear mga reaksyon synthesized artificial chem. mga elemento ( technetium, promethium, mga elemento ng transuranic, transactinoid).

Kasaysayan ng pagtuklas ng uranium fission

I-drop ang modelo ng nucleus

Matapos makuha ang isang neutron ng isang nucleus, nabuo ang isang intermediate nucleus, na nasa isang nasasabik na estado. Sa kasong ito, ang enerhiya ng neutron ay pantay na ipinamamahagi sa lahat ng mga nucleon, at ang intermediate na nucleus mismo ay deformed at nagsisimulang mag-oscillate. Kung ang paggulo ay maliit, pagkatapos ay ang nucleus (Larawan 1, b), na nagpapalaya sa sarili mula sa labis na enerhiya sa pamamagitan ng paglabas ? -quantum o neutron, bumabalik sa isang matatag na estado. Kung ang enerhiya ng paggulo ay sapat na mataas, kung gayon ang pagpapapangit ng core sa panahon ng mga panginginig ng boses ay maaaring maging napakalaki na ang isang constriction ay nabuo sa loob nito (Larawan 1c), katulad ng constriction sa pagitan ng dalawang bahagi ng isang paghahati ng likidong drop. Ang mga puwersang nuklear na kumikilos sa isang makitid na baywang ay hindi na kayang labanan ang makabuluhang puwersa ng Coulomb ng pagtanggi ng mga bahagi ng nucleus. Naputol ang pagsisikip, at ang nucleus ay nahahati sa dalawang "fragment" (Fig. 1d), na nakakalat sa magkasalungat na direksyon.
Sa kasalukuyan, mga 100 iba't ibang isotopes na may mga numero ng masa mula 90 hanggang 145 ang kilala, na nagmula sa fission ng nucleus na ito. Dalawa karaniwang mga reaksyon Ang mga dibisyon ng nucleus na ito ay may anyo:
.
Tandaan na bilang resulta ng nuclear fission na pinasimulan ng isang neutron, ang mga bagong neutron ay ginawa na maaaring magdulot ng fission reactions sa ibang nuclei. Ang mga produkto ng fission ng uranium-235 nuclei ay maaari ding iba pang isotopes ng barium, xenon, strontium, rubidium, atbp.
Sa panahon ng fission ng nuclei ng mabibigat na atoms (), isang napakalaking enerhiya ang pinakawalan - mga 200 MeV sa panahon ng fission ng bawat nucleus. Tungkol sa 80% ng enerhiya na ito ay inilabas sa anyo ng fragment kinetic energy; ang natitirang 20% ​​​​ay binibilang ng enerhiya ng radioactive radiation ng mga fragment at ang kinetic energy ng prompt neutrons.
Ang enerhiya na inilabas sa panahon ng nuclear fission ay maaaring matantya gamit ang tiyak na nagbubuklod na enerhiya ng mga nucleon sa nucleus. Ang tiyak na nagbubuklod na enerhiya ng mga nucleon sa nuclei na may mass number A? Ang 240 ay humigit-kumulang 7.6 MeV/nucleon, habang nasa nuclei na may mass number A= 90 – 145 tiyak na enerhiya ay humigit-kumulang katumbas ng 8.5 MeV/nucleon. Samakatuwid, ang fission ng isang uranium nucleus ay naglalabas ng enerhiya sa pagkakasunud-sunod na 0.9 MeV/nucleon, o humigit-kumulang 210 MeV bawat uranium atom. Sa kumpletong fission ng lahat ng nuclei na nakapaloob sa 1 g ng uranium, ang parehong enerhiya ay inilabas tulad ng sa panahon ng pagkasunog ng 3 tonelada ng karbon o 2.5 tonelada ng langis.

Nuclear chain reaction

Nuclear chain reaction - isang sequence ng singlemga reaksyong nuklear , ang bawat isa ay sanhi ng isang particle na lumitaw bilang isang produkto ng reaksyon sa nakaraang hakbang ng sequence. Ang isang halimbawa ng isang nuclear chain reaction ay ang chain reactionnuclear fission mabibigat na elemento, kung saan ang pangunahing bilang ng mga kaganapan sa fission ay pinasimulanmga neutron nakuha sa pamamagitan ng nuclear fission sa nakaraang henerasyon.

Ang uranium ay nangyayari sa kalikasan sa anyo ng dalawang isotopes: (99.3%) at (0.7%). Kapag binomba ng mga neutron, ang nuclei ng parehong isotopes ay maaaring hatiin sa dalawang fragment. Sa kasong ito, ang reaksyon ng fission ay nagpapatuloy nang pinakamatindi sa mabagal (thermal) na mga neutron, habang ang nuclei ay pumapasok sa isang reaksyon ng fission lamang sa mga mabilis na neutron na may enerhiya ng pagkakasunud-sunod ng 1 MeV. Kung hindi man, ang enerhiya ng paggulo ng nabuo na nuclei
ay hindi sapat para sa fission, at pagkatapos ay sa halip na fission, ang mga reaksyong nuklear ay nangyayari:
.
Isotope ng uranium ? -radioactive, kalahating buhay 23 min. Ang isotope ng neptunium ay radioactive din, na may kalahating buhay na halos 2 araw.
.

Ang plutonium isotope ay medyo matatag, na may kalahating buhay na 24,000 taon. Ang pinakamahalagang ari-arian plutonium ay na ito ay nahahati sa ilalim ng impluwensya ng mga neutron sa parehong paraan tulad ng. Samakatuwid, sa tulong, ang isang chain reaction ay maaaring isagawa.
Ang iskema na tinalakay sa itaas chain reaction kumakatawan sa isang perpektong kaso. Sa totoong mga kondisyon, hindi lahat ng neutron na ginawa sa panahon ng fission ay nakikilahok sa fission ng iba pang nuclei. Ang ilan sa kanila ay nakuha ng non-fissile nuclei ng mga dayuhang atomo, ang iba ay lumipad palabas ng uranium (neutron leakage).
Samakatuwid, ang chain reaction ng fission ng heavy nuclei ay hindi palaging nangyayari at hindi para sa anumang masa ng uranium.

Salik ng pagpaparami ng neutron

Ang nuclear reactor ay isang aparato kung saan kinokontrolnuclear chain reaction sinamahan ng paglabas ng enerhiya. Ang unang nuclear reactor ay itinayo noong Disyembre 1942 sa USA sa ilalim ng direksyon ni E.Fermi . Sa Europa, ang unang nuclear reactor ay inilunsad noong Disyembre 1946 sa Moscow sa ilalim ng pamumuno ng I.V.Kurchatov . Noong 1978, mayroon nang humigit-kumulang isang libong nuclear reactor na nagpapatakbo sa mundo. iba't ibang uri. Ang mga bahagi ng anumang nuclear reactor ay:core Sa nuclear fuel , kadalasang napapalibutan ng isang neutron reflector,pampalamig , chain reaction control system, radiation protection, remote control system. Ang pangunahing katangian ng isang nuclear reactor ay ang kapangyarihan nito. Kapangyarihan sa 1 Nakilala tumutugma sa isang chain reaction kung saan 3 10 16 fission na mga kaganapan ang nagaganap sa 1 sec.

Ang core ng isang nuclear reactor ay naglalaman ng nuclear fuel, isang chain reaction ng nuclear fission proceeds, at ang enerhiya ay inilabas. Ang estado ng isang nuclear reactor ay nailalarawan sa pamamagitan ng isang epektibong koepisyent Si Kef pagpaparami o reaktibiti ng neutron r:

R \u003d (K? - 1) / K eff. (1)

Kung SA ef > 1, pagkatapos ay lumalaki ang chain reaction sa paglipas ng panahon, ang nuclear reactor ay nasa supercritical na estado at ang reaktibiti nito ay r > 0; Kung SA ef < 1 , pagkatapos ay ang reaksyon ay nabubulok, ang reactor ay subcritical, r< 0; при SA ? = 1, r = 0, ang reaktor ay nasa isang kritikal na estado, isang nakatigil na proseso ay isinasagawa, at ang bilang ng mga fission ay pare-pareho sa oras. Upang simulan ang isang chain reaction sa panahon ng pagsisimula ng isang nuclear reactor, isang neutron source ay karaniwang ipinapasok sa core (isang pinaghalong Ra at Be, 252 Cf atbp.), bagaman hindi ito kinakailangan, dahil kusang nuclear fission uranium at mga cosmic ray magbigay ng sapat na bilang ng mga paunang neutron para sa pagbuo ng isang chain reaction sa SA ef > 1.

Ang 235 U ay ginagamit bilang fissile material sa karamihan ng mga nuclear reactor. . Kung ang core, bilang karagdagan sa nuclear fuel (natural o enriched Uranus), naglalaman ng neutron moderator (graphite, tubig at iba pang mga sangkap na naglalaman ng light nuclei, tingnan sa ibaba).Pagmo-moderate ng neutron ), pagkatapos ay ang pangunahing bahagi ng mga dibisyon ay nangyayari sa ilalim ng aksyonmga thermal neutron (thermal reactor ). Sa isang thermal neutron nuclear reactor, natural Uranus , hindi pinagyayaman 235 U (ito ang mga unang nuclear reactor). Kung walang moderator sa core, kung gayon ang pangunahing bahagi ng fission ay sanhi ng mabilis na mga neutron na may enerhiya x n > 10 kev(mabilis na reaktor ). Mga intermediate neutron reactor na may enerhiya na 1-1000 ev.

Sa pamamagitan ng disenyo, ang mga nuclear reactor ay nahahati sa heterogenous na mga reaktor , kung saan ang nuclear fuel ay ipinamamahagi nang discretely sa core sa anyo ng mga bloke, sa pagitan ng kung saan mayroong isang neutron moderator, athomogenous na mga reaktor , kung saan ang nuclear fuel at moderator ay isang homogenous mixture (solusyon o suspensyon). Ang mga bloke na may nuclear fuel sa isang heterogenous sa isang nuclear reactor ay tinatawagmga elemento ng gasolina (TVEL "ami), bumuo ng isang regular na sala-sala; ang dami ng bawat elemento ng gasolina ay tinatawag na isang cell. Ayon sa likas na katangian ng paggamit, ang isang nuclear reactor ay nahahati sa mga power reactor atmga reaktor ng pananaliksik . Kadalasan ang isang nuclear reactor ay gumaganap ng ilang mga function .

Sa ilalim ng kritikal na kondisyon, ang isang nuclear reactor ay may anyo:

SA ef = K ? ? P = 1, (1)

Kung saan ang 1 - P ay ang posibilidad ng paglabas (leakage) ng mga neutron mula sa aktibong zone ng isang nuclear reactor, SA ? - ang neutron multiplication factor sa core ng walang katapusang malalaking dimensyon, na tinutukoy para sa mga thermal nuclear reactor ng tinatawag na "formula ng 4 na kadahilanan":

SA? = neju. (2)

Narito ang n ay ang average na bilang ng pangalawang (mabilis) na mga neutron na nagmumula sa fission ng 235 U nucleus thermal neutrons, e ay ang multiplication factor para sa mabilis na neutrons (isang pagtaas sa bilang ng mga neutron dahil sa fission ng nuclei, pangunahin ang nuclei 238 U , mabilis na mga neutron); Ang j ay ang posibilidad na ang neutron ay hindi nakuha ng nucleus 238 U sa panahon ng proseso ng deceleration, u ang posibilidad na ang isang thermal neutron ay magdudulot ng fission. Ang halaga h \u003d n / (l + a) ay kadalasang ginagamit, kung saan ang a ay ang ratio ng radiation capture cross section s p sa fission cross section s d.

Tinutukoy ng kondisyon (1) ang mga sukat ng Nuclear Reactor. Halimbawa, para sa isang nuclear reactor mula sa natural na uranium at grapayt n = 2.4. e » 1.03, eju » 0.44, kung saan SA? =1.08. Nangangahulugan ito na para sa SA ? > 1 kinakailangan P<0,93, что соответствует (как показывает теория Ядерного реактора) размерам активной зоны Ядерный реактор ~ 5-10 m. Ang dami ng isang modernong nuclear power reactor ay umabot sa daan-daan m 3 at higit sa lahat ay tinutukoy ng mga posibilidad ng pag-alis ng init, at hindi ng mga kondisyon ng pagiging kritikal. Ang dami ng aktibong zone ng nuclear reactor sa isang kritikal na estado ay tinatawag na kritikal na dami ng nuclear reactor, at ang masa ng fissile na materyal ay tinatawag na kritikal na masa. Ang nuclear reactor na may gasolina sa anyo ng mga solusyon ng mga asing-gamot ng purong fissile isotopes sa tubig at may isang water neutron reflector ay may pinakamaliit na kritikal na masa. Para sa 235 U ang masa na ito ay 0.8 kg, Para sa 239 Pu - 0,5 kg. Ang 251 ay may pinakamaliit na kritikal na masa cf (theoretically 10 g). Mga kritikal na parameter ng isang graphite nuclear reactor na may natural uranium: masa ng uranium 45 T, dami ng graphite 450 m 3 . Upang mabawasan ang pagtagas ng mga neutron, ang core ay binibigyan ng spherical o malapit sa spherical na hugis, halimbawa, isang silindro na may taas ng pagkakasunud-sunod ng diameter o isang kubo (ang pinakamaliit na ratio ng ibabaw sa dami).

Ang halaga ng n ay kilala para sa mga thermal neutron na may katumpakan na 0.3% (Talahanayan 1). Sa pagtaas ng enerhiya x n ng neutron na nagdulot ng fission, n lumalaki ayon sa batas: n \u003d n t + 0.15x n (x n sa mev), kung saan ang n t ay tumutugma sa fission ng mga thermal neutron.

Tab. 1. - Mga halaga n at h) para sa mga thermal neutron (ayon sa data para sa 1977)

Sa panahon ng pagpapatakbo ng isang nuclear reactor, ang isang pagbabago sa komposisyon ng gasolina ay nangyayari, na nauugnay sa akumulasyon ng mga fragment ng fission sa loob nito at sa pagbuo.mga elemento ng transuranic , higit sa lahat isotopes Pu . Ang impluwensya ng mga fragment ng fission sa reaktibiti ng isang nuclear reactor ay tinatawag na pagkalason (para sa mga radioactive fragment) at slagging (para sa mga matatag). Ang pagkalason ay pangunahing sanhi ng 135 Xe na may pinakamalaking cross section ng pagsipsip ng neutron (2.6 10 6 kamalig). Ang kalahating buhay nito T 1/2 = 9.2 h, ang ani ng fission ay 6-7%. Pangunahing katawan 135 Xe nabuo bilang resulta ng pagkabulok 135 ] (Tts = 6,8 h). Kapag nalason, nagbabago ang Kef ng 1-3%. Malaking absorption cross section 135 Xe at ang pagkakaroon ng isang intermediate isotope 135 ako humantong sa dalawang mahalagang phenomena: 1) sa pagtaas ng konsentrasyon ng 135 Xe at, dahil dito, sa pagbaba ng reaktibiti ng Nuclear Reactor pagkatapos nitong isara o pagbabawas ng kuryente (“iodine pit”). Dahil dito, kinakailangan na magkaroon ng karagdagang reactivity margin sa mga regulatory body o ginagawang imposible ang panandaliang paghinto at pagbabagu-bago ng kuryente. Lalim at Tagal yodo ang mga balon ay nakasalalay sa neutron flux Ф: sa Ф = 5 10 13 neutron/cm2? sec tagal yodo butas ~ 30 h, at ang lalim ay 2 beses na mas malaki kaysa sa nakatigil na pagbabago SA ef sanhi ng pagkalason 135 Xe . 2) Dahil sa pagkalason, maaaring mangyari ang spatio-temporal fluctuations ng neutron flux Ф, at samakatuwid ang kapangyarihan ng nuclear reactor, Ang mga pagbabagong ito ay nangyayari sa Ф> 10 13 neutrons / cm 2? sec at malalaking sukat ng nuclear reactor. Mga panahon ng oscillation ~ 10 h.

Ang bilang ng iba't ibang mga stable na fragment na nagmumula sa nuclear fission ay malaki. May mga fragment na may malaki at maliit na absorption cross section kumpara sa absorption cross section ng isang fissile isotope. Ang konsentrasyon ng dating ay umabot sa saturation sa mga unang ilang araw ng pagpapatakbo ng Nuclear Reactor (pangunahing 149 Sm , binabago ang K eff ng 1%). Ang konsentrasyon ng huli at ang negatibong reaktibidad na ipinakilala ng mga ito ay tumataas nang linearly sa paglipas ng panahon.

Ang pagbuo ng mga elemento ng transuranium sa isang nuclear reactor ay nangyayari ayon sa mga sumusunod na scheme:

Narito ang 3 ay nangangahulugan ng pagkuha ng neutron, ang numero sa ilalim ng arrow ay ang kalahating buhay.

Akumulasyon ng 239 Pu (nuclear fuel) sa simula ng pagpapatakbo ng isang nuclear reactor ay nangyayari nang linearly sa oras, at ang mas mabilis (na may isang nakapirming burnup na 235 U ), mas kaunting pagpapayaman uranium. Pagkatapos konsentrasyon 239 Pu may kaugaliang isang pare-parehong halaga, na hindi nakadepende sa antas ng pagpapayaman, ngunit natutukoy sa pamamagitan ng ratio ng neutron capture cross sections 238 U at 239 Pu . Katangiang oras ng pagtatatag ng konsentrasyon ng balanse 239 Pu ~ 3/ F taon (F sa mga yunit 10 13 neutrons/ cm 2 ?sec). Isotopes 240 Pu, 241 Pu maabot lamang ang konsentrasyon ng equilibrium kapag ang gasolina ay muling sinunog sa isang nuclear reactor pagkatapos ng pagbabagong-buhay ng nuclear fuel.

Ang pagkasunog ng nuclear fuel ay nailalarawan sa kabuuang enerhiya na inilabas sa isang nuclear reactor bawat 1 T panggatong. Para sa mga nuclear reactor na pinagagana ng natural na uranium, maximum na pagkasunog ~ 10 gwt?araw/t(mabigat na tubig nuclear reactors). Sa isang nuclear reactor na may mahinang enriched uranium (2-3% 235 U ) pagkasunog ~ 20-30 GW-araw/t. Sa isang mabilis na neutron nuclear reactor - hanggang sa 100 GW-araw/t. Burnout 1 GW-araw/t tumutugma sa pagkasunog ng 0.1% ng nuclear fuel.

Kapag nasunog ang nuclear fuel, bumababa ang reaktibiti ng nuclear reactor (sa isang nuclear reactor na tumatakbo sa natural uranium sa mababang pagkasunog, nangyayari ang ilang pagtaas sa reaktibiti). Ang pagpapalit ng nasunog na gasolina ay maaaring isagawa kaagad mula sa buong core o unti-unting kasama ang mga fuel rod upang mayroong mga fuel rod sa lahat ng edad sa core - tuloy-tuloy na refueling mode (posible ang mga intermediate na opsyon). Sa unang kaso, ang isang nuclear reactor na may sariwang gasolina ay may labis na reaktibiti na kailangang mabayaran. Sa pangalawang kaso, ang naturang kabayaran ay kailangan lamang sa paunang pagsisimula, bago pumasok sa tuloy-tuloy na overload mode. Ginagawang posible ng patuloy na pag-refueling na mapataas ang lalim ng pagkasunog, dahil ang reaktibiti ng isang nuclear reactor ay tinutukoy ng average na konsentrasyon ng mga fissile nuclides (Ang mga TVL na may pinakamababang konsentrasyon ng mga fissile nuclides ay na-disload). Ipinapakita sa talahanayan 2 ang komposisyon ng na-extract na nuclear fuel (sa kg) Vmay presyon ng tubig reaktor kapangyarihan 3 Gwt. Ang buong core ay ibinababa nang sabay-sabay pagkatapos ng operasyon ng nuclear reactor para sa 3 taon at "mga sipi" 3 taon(Ф = 3?1013 neutron/cm2?sec). Panimulang Lineup: 238 U - 77350, 235 U - 2630, 234 U - 20.

Tab. 2. - Ang komposisyon ng hindi na-load na gasolina, kg