Condiciones de reacción en cadena necesarias para la reacción. Reacción nuclear en cadena

Reacción nuclear en cadena- una reacción de fisión autosostenida de núcleos pesados, en la que se producen continuamente neutrones, dividiendo cada vez más núcleos nuevos. El núcleo de uranio-235, bajo la influencia de un neutrón, se divide en dos fragmentos radiactivos de masa desigual, que vuelan a altas velocidades. en lados diferentes, y dos o tres neutrones. Reacciones en cadena controladas llevado a cabo en reactores nucleares o calderas nucleares. Actualmente reacciones en cadena controladas se llevan a cabo con los isótopos de uranio-235, uranio-233 (obtenido artificialmente a partir de torio-232), plutonio-239 (obtenido artificialmente a partir de uranio-238), así como plutonio-241. Una tarea muy importante es aislar su isótopo, el uranio-235, del uranio natural. Desde los primeros pasos del desarrollo de la tecnología nuclear, el uso del uranio-235, cuya producción en forma pura Sin embargo, fue técnicamente difícil, porque el uranio-238 y el uranio-235 son químicamente inseparables.

50.Reactores nucleares. Perspectivas del uso de la energía termonuclear.

Reactor nuclear Es un dispositivo en el que se produce una reacción nuclear en cadena controlada, acompañada de la liberación de energía. El primer reactor nuclear fue construido y puesto en funcionamiento en diciembre de 1942 en Estados Unidos bajo la dirección de E. Fermi. El primer reactor construido fuera de Estados Unidos fue el ZEEP, lanzado en Canadá el 25 de diciembre de 1946. En Europa, el primer reactor nuclear fue la instalación F-1, que bajo la dirección de I. V. Kurchatov comenzó a funcionar en Moscú el 25 de diciembre de 1946. En 1978, ya estaban en funcionamiento en el mundo alrededor de un centenar de reactores nucleares de diversos tipos. Los componentes de cualquier reactor nuclear son: un núcleo con combustible nuclear, normalmente rodeado por un reflector de neutrones, un refrigerante, un sistema de control de reacción en cadena, protección radiológica y un sistema de control remoto. La vasija del reactor está sujeta a desgaste (especialmente bajo la influencia de radiaciones ionizantes). La principal característica de un reactor nuclear es su potencia. Una potencia de 1 MW corresponde a una reacción en cadena en la que se producen 3·1016 eventos de fisión en 1 segundo. La investigación sobre la física del plasma a alta temperatura se lleva a cabo principalmente en relación con la perspectiva de crear un reactor termonuclear. Los parámetros más cercanos a un reactor son las instalaciones tipo tokamak. En 1968 se anunció que la instalación T-3 había alcanzado una temperatura del plasma de diez millones de grados, en el desarrollo de esta tendencia en las últimas décadas los científicos de muchos países han concentrado sus esfuerzos. -El mantenimiento de la reacción termonuclear debe llevarse a cabo en la instalación que se está construyendo en Francia gracias a los esfuerzos de diferentes paises tokamak ITER. Se espera que los reactores termonucleares se utilicen a gran escala en el sector energético en la segunda mitad del siglo XXI. Además de los tokamaks, existen otros tipos de trampas magnéticas para confinar plasma a alta temperatura, por ejemplo las llamadas trampas abiertas. Debido a una serie de características, pueden contener plasma a alta presión y, por tanto, tienen buenas perspectivas como potentes fuentes de neutrones termonucleares y, en el futuro, como reactores termonucleares.

Progresos logrados en últimos años en el Instituto de Física Nuclear SB RAS en estudios de trampas abiertas axisimétricas modernas indican lo prometedor de este enfoque. Estos estudios están en curso y, al mismo tiempo, el BINP está trabajando en el diseño de una instalación de próxima generación, que ya podrá demostrar parámetros del plasma cercanos a los de un reactor.

Reacción nuclear en cadena- una secuencia de reacciones nucleares individuales, cada una de las cuales es causada por una partícula que apareció como producto de reacción en el paso anterior de la secuencia. Un ejemplo de reacción en cadena nuclear es la reacción en cadena de fisión de núcleos de elementos pesados, en la que la mayoría de los eventos de fisión son iniciados por neutrones producidos por la fisión de núcleos en la generación anterior.

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Física nuclear. Reacciones nucleares. Reacción en cadena de fisión nuclear. central nuclear

Fuerzas nucleares Energía de unión de partículas en el núcleo Fisión de núcleos de uranio Reacción en cadena

Reacciones nucleares

Subtítulos

Mecanismo de liberación de energía

La transformación de una sustancia va acompañada de la liberación de energía libre sólo si la sustancia tiene una reserva de energía. Esto último significa que las micropartículas de una sustancia se encuentran en un estado con una energía en reposo mayor que en otro posible estado al que exista una transición. Una transición espontánea siempre se ve impedida por una barrera energética, para superar la cual la micropartícula debe recibir una cierta cantidad de energía del exterior: energía de excitación. La reacción exoenergética consiste en que en la transformación que sigue a la excitación se libera más energía de la necesaria para excitar el proceso. Hay dos formas de superar la barrera energética: mediante la energía cinética de las partículas que chocan o mediante la energía de unión de la partícula que se une.

Si tenemos en cuenta la escala macroscópica de la liberación de energía, entonces todas o inicialmente al menos una fracción de las partículas de una sustancia deben tener la energía cinética necesaria para provocar reacciones. Esto sólo se puede lograr aumentando la temperatura del medio a un valor en el que la energía del movimiento térmico se acerque al umbral de energía que limita el curso del proceso. En el caso de transformaciones moleculares, es decir, reacciones químicas, dicho aumento suele ser de cientos de Kelvin, pero en el caso de reacciones nucleares es de al menos 10 7 K debido a la misma alta altitud Barreras de Coulomb de núcleos en colisión. La excitación térmica de las reacciones nucleares se lleva a cabo en la práctica sólo durante la síntesis de los núcleos más ligeros, en los que las barreras de Coulomb son mínimas (fusión termonuclear).

La excitación mediante la unión de partículas no requiere mucho energía cinética, y, por tanto, no depende de la temperatura del medio, ya que se produce por enlaces no utilizados inherentes a las partículas de fuerzas de atracción. Pero para provocar reacciones, las propias partículas son necesarias. Y si nuevamente no nos referimos a un acto de reacción separado, sino a la producción de energía a escala macroscópica, entonces esto sólo es posible cuando ocurre una reacción en cadena. Esto último ocurre cuando las partículas que excitan la reacción reaparecen como productos de una reacción exoenergética.

Reacciones en cadena

Las reacciones en cadena son comunes entre reacciones químicas, donde el papel de las partículas con enlaces no utilizados lo desempeñan átomos o radicales libres. El mecanismo de reacción en cadena durante las transformaciones nucleares puede ser proporcionado por neutrones que no tienen una barrera de Coulomb y excitan los núcleos durante la absorción. La aparición de la partícula necesaria en el ambiente provoca una cadena de reacciones que se suceden una tras otra, que continúa hasta que la cadena se rompe por la pérdida de la partícula portadora de la reacción. Hay dos razones principales para las pérdidas: la absorción de una partícula sin emisión de una secundaria y la salida de la partícula más allá del volumen de la sustancia que soporta el proceso en cadena. Si en cada acto de reacción aparece solo una partícula portadora, entonces la reacción en cadena se llama no ramificado. Una reacción en cadena no ramificada no puede conducir a una liberación de energía a gran escala.

Si en cada acto de reacción o en algunos eslabones de la cadena aparece más de una partícula, entonces ocurre una reacción en cadena ramificada, porque una de las partículas secundarias continúa la cadena iniciada, mientras que las otras dan origen a nuevas cadenas que se vuelven a ramificar. Es cierto que los procesos que conducen a roturas de cadena compiten con el proceso de ramificación, y la situación resultante da lugar a fenómenos limitantes o críticos específicos de las reacciones en cadena ramificada. Si el número de circuitos rotos es mayor que el número de circuitos nuevos que aparecen, entonces reacción en cadena autosostenida(SCR) resulta imposible. Incluso si se excita artificialmente introduciendo una cierta cantidad de partículas necesarias en el medio, entonces, dado que el número de cadenas en este caso solo puede disminuir, el proceso que ha comenzado se desvanece rápidamente. Si el número de nuevas cadenas formadas supera el número de roturas, la reacción en cadena se propaga rápidamente por todo el volumen de la sustancia cuando aparece al menos una partícula inicial.

La región de estados de la materia con el desarrollo de una reacción en cadena autosostenida está separada de la región donde una reacción en cadena es generalmente imposible, condición crítica. El estado crítico se caracteriza por la igualdad entre el número de circuitos nuevos y el número de interrupciones.

Alcanzar un estado crítico está determinado por una serie de factores. La fisión de un núcleo pesado es excitada por un neutrón y, como resultado del acto de fisión, aparece más de un neutrón (por ejemplo, para 235 U el número de neutrones producidos en un acto de fisión es en promedio de 2 a 3). En consecuencia, el proceso de fisión puede dar lugar a una reacción en cadena ramificada, cuyos portadores serán los neutrones. Si la tasa de pérdidas de neutrones (capturas sin fisión, escapes del volumen de reacción, etc.) compensa la tasa de multiplicación de neutrones de tal manera que el coeficiente de multiplicación de neutrones efectivo es exactamente igual a la unidad, entonces la reacción en cadena se desarrolla en una modo estacionario. La introducción de una retroalimentación negativa entre el factor de multiplicación efectivo y la tasa de liberación de energía permite una reacción en cadena controlada, que se utiliza, por ejemplo, en la energía nuclear. Si el factor de multiplicación es mayor que uno, la reacción en cadena se desarrolla exponencialmente; La reacción en cadena de fisión incontrolada se utiliza en

Es un proceso en el que una reacción llevada a cabo provoca reacciones posteriores del mismo tipo.

Durante la fisión de un núcleo de uranio, los neutrones resultantes pueden provocar la fisión de otros núcleos de uranio, y el número de neutrones aumenta como una avalancha.

La relación entre el número de neutrones producidos en un evento de fisión y el número de dichos neutrones en el evento de fisión anterior se denomina factor de multiplicación de neutrones k.

Cuando k es menor que 1, la reacción decae, porque número de neutrones absorbidos mas numero recientemente formado.
Cuando k es mayor que 1, se produce una explosión casi instantáneamente.
Cuando k es igual a 1, se produce una reacción en cadena estacionaria controlada.

La reacción en cadena va acompañada de la liberación. gran cantidad energía.

Para llevar a cabo una reacción en cadena no es posible utilizar ningún núcleo que se fisione bajo la influencia de neutrones.

Utilizado como combustible para reactores nucleares. elemento químico El uranio se compone naturalmente de dos isótopos: uranio-235 y uranio-238.

En la naturaleza, los isótopos de uranio-235 representan sólo el 0,7% de la reserva total de uranio, pero son los adecuados para llevar a cabo una reacción en cadena, porque fisión bajo la influencia de neutrones lentos.

Los núcleos de uranio-238 sólo pueden fisionarse bajo la influencia de neutrones de alta energía (neutrones rápidos). Sólo el 60% de los neutrones producidos durante la fisión del núcleo de uranio-238 tienen esta energía. Aproximadamente sólo 1 de cada 5 neutrones producidos provoca la fisión nuclear.

Condiciones para una reacción en cadena en uranio-235:

La cantidad mínima de combustible (masa crítica) necesaria para llevar a cabo una reacción en cadena controlada en reactor nuclear
- la velocidad de los neutrones debería provocar la fisión de los núcleos de uranio
- ausencia de impurezas que absorban neutrones

Masa critica:

Si la masa del uranio es pequeña, los neutrones volarán fuera de él sin reaccionar.
- si la masa del uranio es grande, es posible que se produzca una explosión debido a un fuerte aumento del número de neutrones
- si la masa corresponde a la masa crítica, se produce una reacción en cadena controlada

Para el uranio-235, la masa crítica es de 50 kg (es, por ejemplo, una bola de uranio con un diámetro de 9 cm).

La primera reacción en cadena controlada: Estados Unidos en 1942 (E. Fermi)
En la URSS - 1946 (I.V. Kurchatov).

Ley de inducción electromagnética de Faraday es la ley básica de la electrodinámica relativa a los principios de funcionamiento de transformadores, bobinas de choque y muchos tipos de motores eléctricos.

Y generadores. La ley establece:

La ley de Faraday como dos fenómenos diferentes[editar | editar texto wiki]

Algunos físicos señalan que la ley de Faraday describe dos fenómenos diferentes en una ecuación: fuerza electromagnética del motor, generado por la acción de una fuerza magnética sobre un cable en movimiento, y transformador EMF, generado por la acción de la fuerza eléctrica debido a cambios campo magnético. James Clerk Maxwell llamó la atención sobre este hecho en su obra. Acerca de las líneas de fuerza físicas en 1861. En la segunda mitad de la Parte II de este trabajo, Maxwell da una explicación física separada para cada uno de estos dos fenómenos. Enlace a estos dos aspectos inducción electromagnética disponible en algunos libros de texto modernos. Como escribe Richard Feynman:

Ley de Lorentz editar texto wiki]

Cargar q en el conductor del lado izquierdo del bucle experimenta la fuerza de Lorentz q v× B k = −q v B(x C − w / 2) j (jk- vectores unitarios en direcciones y Y z; ver producto vectorial de vectores), lo que causa fem (trabajo por unidad de carga) v ℓ B(x C − w / 2) a lo largo de toda la longitud del lado izquierdo del bucle. En lado derecho Un razonamiento similar en bucle muestra que la fem es igual a v ℓ B(x C + w / 2). Dos fem opuestas empujan la carga positiva hacia el fondo del circuito. En caso de que el campo B aumenta a lo largo de x, la fuerza en el lado derecho será mayor y la corriente fluirá en el sentido de las agujas del reloj. Usando la regla mano derecha, obtenemos que el campo B, creado por la corriente, es opuesto al campo aplicado. La fem que causa la corriente debe aumentar en sentido antihorario (a diferencia de la corriente). Sumando la fem en sentido antihorario a lo largo del bucle encontramos:

Ley de Faraday editar texto wiki]

Un enfoque intuitivamente atractivo pero defectuoso para usar la regla del flujo expresa el flujo a través de un circuito como Φ B = bwℓ, donde w- ancho del bucle en movimiento. Esta expresión es independiente del tiempo, por lo que se deduce incorrectamente que no se genera ninguna fem. El error en esta afirmación es que no tiene en cuenta el recorrido completo de la corriente a través del circuito cerrado.

Para uso correcto reglas de flujo debemos considerar todo el camino actual, que incluye el camino a través de los bordes en los bordes superior e inferior. Podemos elegir un camino cerrado arbitrario a través de los bordes y el circuito giratorio y, usando la ley del flujo, encontrar la fem a lo largo de este camino. Cualquier camino que incluya un segmento adyacente a un bucle giratorio tiene en cuenta el movimiento relativo de las partes de la cadena.

Como ejemplo, considere un camino que pasa en la parte superior de la cadena en la dirección de rotación del disco superior, y en la parte inferior de la cadena, en la dirección opuesta al disco inferior (mostrado por las flechas en la Fig. .4). En este caso, si el bucle giratorio se ha desviado en un ángulo θ del bucle colector, entonces puede considerarse parte de un cilindro con un área A = rℓθ. Esta área es perpendicular al campo. B, y su contribución al flujo es igual a:

donde el signo es negativo porque según la regla de la mano derecha el campo B , generado por un bucle con corriente, en dirección opuesta al campo aplicado B". Dado que ésta es sólo la parte del flujo que depende del tiempo, según la ley del flujo, la fem es:

de acuerdo con la fórmula de la ley de Lorentz.

Consideremos ahora otro camino, en el que elegimos pasar a lo largo de los bordes de los discos a través de segmentos opuestos. En este caso el hilo asociado será disminuir con θ creciente, pero de acuerdo con la regla de la mano derecha, el bucle actual agrega campo adjunto B, por lo tanto, la FEM para esta ruta será exactamente el mismo valor que para la primera ruta. Cualquier ruta de retorno mixta produce el mismo resultado para el valor de fem, por lo que realmente no importa qué ruta tomes.

Una reacción termonuclear es un tipo de reacción nuclear en la que los núcleos atómicos ligeros se combinan en otros más pesados debido a la energía cinética de su movimiento térmico. Origen del término[editar | editar texto wiki]

Para que se produzca una reacción nuclear, los núcleos atómicos originales deben superar la llamada "barrera de Coulomb", la fuerza de repulsión electrostática entre ellos. Para ello, deben tener una alta energía cinética. Según la teoría cinética, la energía cinética de las micropartículas en movimiento de una sustancia (átomos, moléculas o iones) se puede representar como temperatura y, por lo tanto, al calentar la sustancia, se puede lograr una reacción nuclear. Es esta relación entre el calentamiento de una sustancia y una reacción nuclear la que se refleja en el término "reacción termonuclear".

Barrera de Coulomb editar texto wiki]

Los núcleos atómicos tienen una carga eléctrica positiva. A grandes distancias, sus cargas pueden quedar protegidas por electrones. Sin embargo, para que se produzca la fusión de los núcleos, deben acercarse entre sí a una distancia a la que se produzca la interacción fuerte. Esta distancia es del orden del tamaño de los propios núcleos y muchas veces tamaño más pequeñoátomo. A tales distancias, las capas electrónicas de los átomos (incluso si se conservan) ya no pueden proteger las cargas de los núcleos, por lo que experimentan una fuerte repulsión electrostática. La fuerza de esta repulsión, según la ley de Coulomb, es inversamente proporcional al cuadrado de la distancia entre las cargas. A distancias del orden del tamaño de los núcleos, la magnitud de la interacción fuerte, que tiende a unirlos, comienza a aumentar rápidamente y llega a ser mayor que la magnitud de la repulsión de Coulomb.

Por tanto, para reaccionar, los núcleos deben superar una barrera de potencial. Por ejemplo, para la reacción deuterio-tritio, el valor de esta barrera es de aproximadamente 0,1 MeV. A modo de comparación, la energía de ionización del hidrógeno es de 13 eV. Por tanto, la sustancia que participará en la reacción termonuclear será un plasma casi completamente ionizado.

La temperatura equivalente a 0,1 MeV es aproximadamente 10 9 K, sin embargo existen dos efectos que reducen la temperatura requerida para una reacción de fusión:

· En primer lugar, la temperatura caracteriza sólo la energía cinética media; hay partículas con energía más baja y más alta. De hecho, en una reacción termonuclear interviene un pequeño número de núcleos que tienen una energía muy superior a la media (la llamada “cola de la distribución Maxwelliana”

· En segundo lugar, debido a los efectos cuánticos, los núcleos no necesariamente tienen una energía que supere la barrera de Coulomb. Si su energía es ligeramente menor que la barrera, es más probable que la atraviesen. [ fuente no especificada 339 días]

Reacciones termonucleares editar texto wiki]

Algunas de las reacciones termonucleares exotérmicas más importantes con grandes secciones transversales:

(1)

→

4él

(3,5 MeV)

norte

(14,1 MeV)

(2)

→

(1,01 MeV)

pag

(3,02 MeV)

(50 %)

(3)

→

3él

(0,82 MeV)

norte

(2,45 MeV)

(50 %)

(4)

3él

→

4él

(3,6 MeV)

pag

(14,7 MeV)

(5)

→

4él

norte

+ 11,3 MeV

(6)

3él

→

4él

pag

(7)

3él

→

4él

pag

norte

+ 12,1 MeV

(51 %)

(8)

→

4él

(4,8 MeV)

(9,5 MeV)

(43 %)

(9)

→

4él

(0,5 MeV)

norte

(1,9 MeV)

pag

(11,9 MeV)

(6 %)

(10)

6Li

→

4él

+ 22,4 MeV -

(11)

pag

6Li

→

4él

(1,7 MeV)

3él

(2,3 MeV)-

(12)

3él

6Li

→

4él

pag

+ 16,9 MeV

(13)

pag

11B

→

4él

+ 8,7 MeV

(14)

norte

6Li

→

4él

+ 4,8 MeV

Catálisis de muones editar texto wiki]

Articulo principal: Catálisis de muones

La reacción termonuclear puede facilitarse significativamente introduciendo muones cargados negativamente en el plasma de reacción.

Los muones µ − , al interactuar con el combustible termonuclear, forman mesomoléculas en las que la distancia entre los núcleos de los átomos del combustible es algo menor, lo que facilita su aproximación y, además, aumenta la probabilidad de que los núcleos hagan túneles a través de la barrera de Coulomb.

Número de reacciones de síntesis. xc, iniciado por un muón, está limitado por el valor del coeficiente de adherencia del muón. Experimentalmente, fue posible obtener valores de X c ~ 100, es decir, un muón es capaz de liberar energía ~ 100 × X MeV, donde X es la producción de energía de la reacción catalizada.

Hasta ahora, la cantidad de energía liberada es menor que los costos energéticos para la producción del propio muón (5-10 GeV). Por tanto, la catálisis de muones sigue siendo un proceso energéticamente desfavorable. Comercialmente producción rentable La energía mediante catálisis de muones es posible con xc ~ 10 4 .

Solicitud[editar | editar texto wiki]

El uso de la reacción termonuclear como fuente de energía prácticamente inagotable se asocia principalmente con la perspectiva de dominar la tecnología de fusión termonuclear controlada (CTF). Actualmente, la base científica y tecnológica no permite el uso de CTS a escala industrial.

Al mismo tiempo, la reacción termonuclear incontrolada ha encontrado su aplicación en los asuntos militares. El primer artefacto explosivo termonuclear se probó en noviembre de 1952 en los Estados Unidos, y ya en agosto de 1953 se probó en la Unión Soviética un artefacto explosivo termonuclear en forma de bomba aérea. El poder de un artefacto explosivo termonuclear (a diferencia de uno atómico) está limitado solo por la cantidad de material utilizado para crearlo, lo que permite crear artefactos explosivos de casi cualquier potencia.

BOLETO 27 pregunta 1

Fenómeno de autoinducción

Ya hemos estudiado que surge un campo magnético cerca de un conductor por el que circula corriente. También estudiamos que un campo magnético alterno genera una corriente (el fenómeno de la inducción electromagnética). Consideremos circuito eléctrico. Cuando la intensidad de la corriente cambia en este circuito, el campo magnético cambiará, como resultado de lo cual un adicional corriente inducida. Este fenómeno se llama autoinducción, y la corriente que surge en este caso se llama corriente de autoinducción.

El fenómeno de la autoinducción es la aparición de un EMF en un circuito conductor, creado como resultado de un cambio en la intensidad de la corriente en el propio circuito.

La inductancia del circuito depende de su forma y tamaño, de propiedades magnéticas ambiente y no depende de la intensidad actual en el circuito.

fem autoinducida determinado por la fórmula:

El fenómeno de la autoinducción es similar al fenómeno de la inercia. Así como en mecánica es imposible detener instantáneamente un cuerpo en movimiento, una corriente no puede adquirir instantáneamente un cierto valor debido al fenómeno de la autoinducción. Si se conecta una bobina en serie con la segunda lámpara en un circuito que consta de dos lámparas idénticas conectadas en paralelo a una fuente de corriente, cuando el circuito se cierra, la primera lámpara se enciende casi de inmediato y la segunda con un retraso notable.

Cuando se abre el circuito, la intensidad de la corriente disminuye rápidamente y la fem de autoinducción resultante evita la disminución del flujo magnético. En este caso, la corriente inducida se dirige de la misma forma que la original. La fem autoinducida puede ser muchas veces mayor que la fem externa. Por lo tanto, las bombillas muy a menudo se queman cuando se apagan las luces.

Energía del campo magnético

Energía del campo magnético de un circuito portador de corriente:

La radiación radiactiva es la radiación que libera un isótopo durante la desintegración. Tiene tres variedades: rayos alfa (el flujo de núcleos atómicos de helio), rayos beta (el flujo de electrones) y rayos gamma ( radiación electromagnética). Para los humanos, la más peligrosa es la radiación gamma.

La dosis de radiación absorbida es igual a la relación entre la energía recibida por el cuerpo y la masa corporal. La dosis de absorción se designa con la letra D y se mide en grises.

En la práctica, la unidad de medida es también el roentgen (R), igual a 2,58 por 10 elevado a menos 4 culombio, dividido por kilogramo.

La radiación absorbida puede acumularse con el tiempo y su dosis aumenta cuanto más dura la irradiación.

La tasa de dosis está determinada por la relación entre la dosis de radiación absorbida y el tiempo de irradiación. Se designa con la letra N y se mide en grises divididos por segundo.

Para el hombre dosis letal La radiación absorbida equivale a 6 Gy. La dosis máxima permitida de radiación para los humanos es de 0,05 Gy por año.

BOLETO 28 Pregunta 1

Una partícula elemental es un término colectivo que se refiere a microobjetos a escala subnuclear que no se pueden dividir en sus partes componentes.

Hay que tener en cuenta que algunas partículas elementales ( electrón, neutrino, quarks etc.) en este momento se consideran sin estructura y se consideran primarios partículas fundamentales . Otras partículas elementales (las llamadas partículas compuestas , incluidas las partículas que forman el núcleo átomo - protones Y neutrones) tienen una estructura interna compleja, pero, sin embargo, según las ideas modernas, es imposible dividirlos en partes debido al efecto confinamiento.

en total con antipartículas Se han descubierto más de 350 partículas elementales. De estos, el fotón, el electrón y el muón, el neutrino, el electrón, el protón y sus antipartículas son estables. Las partículas elementales restantes se desintegran espontáneamente en un tiempo de aproximadamente 1000 segundos (para un neutrón libre) a una fracción insignificante de segundo (de 10 −24 a 10 −22, para resonancias).

En las oscilaciones electromagnéticas se producen cambios periódicos en la carga eléctrica, la corriente y el voltaje. Las oscilaciones electromagnéticas se dividen en gratis, desvaneciéndose, forzado y autooscilaciones.

Las oscilaciones libres se denominan oscilaciones que ocurren en un sistema (condensador y bobina) después de que se retira de una posición de equilibrio (cuando se imparte una carga al condensador). Más precisamente, Las oscilaciones electromagnéticas libres ocurren cuando un capacitor se descarga a través de un inductor. Forzado Las oscilaciones se denominan oscilaciones en un circuito bajo la influencia de una fuerza electromotriz externa que cambia periódicamente.

El sistema más simple, en el que se observan oscilaciones electromagnéticas libres, es circuito oscilatorio. consta de un inductor y un condensador.Este proceso se repetirá una y otra vez. surgirá vibraciones electromagnéticas debido a la conversión de energía campo eléctrico condensador.

· El condensador, al cargarse desde la batería, adquirirá una carga máxima en el momento inicial. Su energía Nosotros será máximo (Fig. a).

· Si el condensador está en cortocircuito con una bobina, en ese momento comenzará a descargarse (Fig. b). La corriente aparecerá en el circuito. A medida que el condensador se descarga, aumenta la corriente en el circuito y en la bobina. Debido al fenómeno de la autoinducción, esto no ocurre instantáneamente. Energía de la bobina W m se vuelve máximo (Fig. c).

· La corriente de inducción fluye en la misma dirección. Las cargas eléctricas se acumulan nuevamente en el capacitor. El condensador se recarga, es decir. La placa del condensador, que antes estaba cargada positivamente, pasará a cargarse negativamente. La energía del condensador se vuelve máxima. La corriente en esta dirección se detendrá y el proceso se repetirá en la dirección opuesta (Fig. d). Este proceso se repetirá una y otra vez. surgirá vibraciones electromagnéticas debido a la conversión de la energía del campo eléctrico del condensador en energía del campo magnético de la bobina actual, y viceversa. Si no hay pérdidas (resistencia R = 0), entonces la intensidad de la corriente, la carga y el voltaje cambian con el tiempo según una ley armónica. Las oscilaciones que se producen según la ley del coseno o del seno se denominan armónicas. Ecuación de oscilación armónica de carga: .

Un circuito en el que no hay pérdida de energía es un circuito oscilatorio ideal. Período de oscilaciones electromagnéticas. en un circuito oscilatorio ideal depende de la inductancia de la bobina y la capacitancia del capacitor y se encuentra de acuerdo con la fórmula de thomson donde L es la inductancia de la bobina, C es la capacitancia del condensador, T es el período de oscilaciones eléctricas.
En un circuito oscilatorio real, las oscilaciones electromagnéticas libres serán desvanecimiento debido a la pérdida de energía al calentar los cables. Para aplicación práctica Es importante obtener oscilaciones electromagnéticas no amortiguadas, y para ello es necesario reponer el circuito oscilatorio con electricidad para compensar las pérdidas de energía del generador de oscilaciones no amortiguadas, que es un ejemplo de sistema autooscilante.

Boleto 29 pregunta 1

Antipartícula: una partícula gemela de alguna otra. partícula elemental , teniendo el mismo masa y el mismo girar, diferenciándose de él en los signos de todas las demás características de interacción. (cargos como eléctrico Y color cargas, barión y leptón números cuánticos).

La definición misma de cómo llamar “partícula” en un par partícula-antipartícula es en gran medida arbitraria. Sin embargo, para una determinada elección de “partícula”, su antipartícula se determina de forma única. La conservación del número bariónico en procesos de interacción débil permite determinar la “partícula” en cualquier par barión-antibarión a partir de la cadena de desintegraciones bariónicas. La elección de un electrón como “partícula” en el par electrón-positrón se fija (debido a la conservación del número de leptones en los procesos interacción débil) determinación del estado de una “partícula” en un par de electrones neutrino-antineutrino. No se han observado transiciones entre leptones de diferentes generaciones (tipo ), por lo que la definición de “partícula” en cada generación de leptones, en general, se puede hacer de forma independiente. Por lo general, por analogía con un electrón, las "partículas" se denominan cargadas negativamente. leptones, que, conservando el número de leptones, determina el correspondiente neutrino Y antineutrino. Para bosones el concepto de "partícula" se puede fijar por definición, por ejemplo, hipercarga.

Diagrama del dispositivo bomba nuclear

Reacción en cadena de fisión

Los neutrones secundarios emitidos durante la fisión nuclear (2,5 por acto de fisión) pueden provocar nuevos actos de fisión, lo que posibilita una reacción en cadena. La reacción en cadena de fisión se caracteriza por el factor de multiplicación de neutrones K, que es igual a la relación entre el número de neutrones en una generación determinada y su número en la generación anterior. Una condición necesaria el desarrollo de una reacción en cadena de fisión es . Con menos, la reacción es imposible. Cuando la reacción se produce con un número constante de neutrones (potencia constante de energía liberada). Esta es una reacción autosostenida. En - reacción amortiguada. El factor de multiplicación depende de la naturaleza del material fisible, el tamaño y la forma del núcleo. Peso mínimo La sustancia fisible necesaria para que se produzca una reacción en cadena se llama crítica. Pues la masa crítica es de 9 kg, mientras que el radio de la bola de uranio es de 4 cm.

Las reacciones en cadena pueden ser controladas o incontrolables. La explosión de una bomba atómica es un ejemplo de reacción incontrolada. La carga nuclear de una bomba de este tipo son dos o más piezas de o casi puro. La masa de cada pieza es inferior a la crítica, por lo que no se produce una reacción en cadena. Por tanto, para que se produzca una explosión basta con combinar estas piezas en una sola pieza, con una masa superior a la crítica. Esto debe hacerse muy rápido y la conexión de las piezas debe ser muy apretada. De lo contrario, la carga nuclear se desintegrará antes de que tenga tiempo de reaccionar. Para la conexión se utiliza un explosivo común. La capa sirve como reflector de neutrones y, además, evita que la carga nuclear chisporrotee hasta que el número máximo de núcleos libere toda la energía durante la fisión. Reacción en cadena en bomba atómica funciona con neutrones rápidos. Durante una explosión, sólo una parte de los neutrones de una carga nuclear tienen tiempo de reaccionar. La reacción en cadena conduce a la liberación de una energía colosal. La temperatura que se desarrolla alcanza los grados. La fuerza destructiva de la bomba lanzada sobre Hiroshima por los estadounidenses equivalía a la explosión de 20.000 toneladas de trinitrotolueno. El poder de la nueva arma es cientos de veces mayor que el de la primera. Si a esto le sumamos que una explosión atómica produce una gran cantidad de fragmentos de fisión, incluidos los de vida muy larga, resulta evidente el terrible peligro que representan estas armas para la humanidad.

Al cambiar el factor de multiplicación de neutrones, se puede lograr una reacción en cadena controlada. El dispositivo en el que se realiza. reacción controlada, se llama reactor nuclear. El material fisible es uranio natural o enriquecido. Para evitar la captura radiativa de neutrones por los núcleos de uranio, se colocan bloques relativamente pequeños de material fisionable a cierta distancia entre sí y los huecos se llenan con una sustancia que modera los neutrones (moderador). La moderación de neutrones se produce debido a la dispersión elástica. En este caso, la energía perdida por la partícula que se frena depende de la proporción de las masas de las partículas en colisión. Importe máximo Se pierde energía si las partículas tienen la misma masa. El deuterio, el grafito y el berilio cumplen esta condición. El primer reactor de uranio-grafito se puso en marcha en 1942 en la Universidad de Chicago bajo la dirección del destacado físico italiano Fermi. Para explicar el principio de funcionamiento del reactor, considere un diagrama típico de un reactor de neutrones térmicos en la Fig. 1.

Figura 1.

En el núcleo del reactor se encuentran los elementos combustibles 1 y el moderador 2, que ralentiza los neutrones a velocidades térmicas. Los elementos combustibles (barras de combustible) son bloques de material fisionable encerrados en una capa sellada que absorbe débilmente neutrones. Debido a la energía liberada durante la fisión nuclear, los elementos combustibles se calientan y, por lo tanto, para enfriarlos, se colocan en el flujo de refrigerante (3-5 - canal de refrigerante). El núcleo está rodeado por un reflector que reduce la fuga de neutrones. La reacción en cadena está controlada por barras de control especiales hechas de materiales que absorben fuertemente los neutrones. Los parámetros del reactor se calculan de modo que cuando las varillas están completamente insertadas, la reacción obviamente no ocurre. A medida que se retiran gradualmente las barras, el factor de multiplicación de neutrones aumenta y en una determinada posición alcanza la unidad. En este momento el reactor comienza a funcionar. A medida que el reactor funciona, la cantidad de material fisionable en el núcleo disminuye y se contamina con fragmentos de fisión, que pueden incluir fuertes absorbentes de neutrones. Para evitar que la reacción se detenga, las barras de control se retiran gradualmente del núcleo mediante un dispositivo automático. Este control de las reacciones es posible gracias a la existencia de neutrones retardados emitidos por núcleos fisionables con un retraso de hasta 1 minuto. Cuando el combustible nuclear se quema, la reacción se detiene. Antes de reiniciar el reactor, se retira el combustible nuclear quemado y se carga combustible nuevo. El reactor también cuenta con barras de emergencia, cuya introducción detiene inmediatamente la reacción. Un reactor nuclear es una poderosa fuente de radiación penetrante, aproximadamente veces mayor que la normas sanitarias. Por tanto, cualquier reactor tiene protección biológica, un sistema de pantallas hechas de materiales protectores (por ejemplo, hormigón, plomo, agua), ubicada detrás de su reflector, y un control remoto.

Por primera vez en la URSS se utilizó la energía nuclear con fines pacíficos. En Obninsk, en 1954, bajo el liderazgo de Kurchatov, se puso en funcionamiento la primera central nuclear con una capacidad de 5 MW.

Sin embargo, los reactores de neutrones térmicos de uranio pueden resolver el problema del suministro de energía a una escala limitada, que está determinada por la cantidad de uranio.

La forma más prometedora de desarrollar la energía nuclear es el desarrollo de reactores de neutrones rápidos, los llamados reactores reproductores. Un reactor de este tipo produce más combustible nuclear del que consume. La reacción se lleva a cabo con neutrones rápidos, por lo que no solo pueden participar en ella, sino también lo que se convierte en. Este último se puede separar químicamente. Este proceso se llama reproducción de combustible nuclear. En los reactores reproductores especiales, el factor de reproducción del combustible nuclear supera uno. El núcleo de los reproductores es una aleación de uranio enriquecido con isótopos y un metal pesado que absorbe pequeños neutrones. Los reactores reproductores no tienen moderador. Control de dichos reactores moviendo el reflector o cambiando la masa de material fisionable.

Reacción nuclear en cadena

Reacción nuclear en cadena- una secuencia de reacciones nucleares individuales, cada una de las cuales es causada por una partícula que apareció como producto de reacción en el paso anterior de la secuencia. Un ejemplo de reacción en cadena nuclear es una reacción en cadena de fisión de núcleos de elementos pesados, en la que la mayor parte de los eventos de fisión son iniciados por neutrones obtenidos durante la fisión de núcleos en la generación anterior.

Mecanismo de liberación de energía

Si tenemos en cuenta la escala macroscópica de la liberación de energía, entonces todas o inicialmente al menos una fracción de las partículas de una sustancia deben tener la energía cinética necesaria para provocar reacciones. Esto sólo se puede lograr aumentando la temperatura del medio a un valor en el que la energía del movimiento térmico se acerque al umbral de energía que limita el curso del proceso. En el caso de transformaciones moleculares, es decir, reacciones químicas, dicho aumento suele ser de cientos de Kelvin, pero en el caso de reacciones nucleares es de al menos 10 7 K debido a la altísima altura de las barreras de Coulomb de los núcleos en colisión. La excitación térmica de las reacciones nucleares se lleva a cabo en la práctica sólo durante la síntesis de los núcleos más ligeros, en los que las barreras de Coulomb son mínimas (fusión termonuclear).

La excitación al unir partículas no requiere mucha energía cinética y, por tanto, no depende de la temperatura del medio, ya que se produce debido a enlaces no utilizados inherentes a las fuerzas de atracción de las partículas. Pero para provocar reacciones, las propias partículas son necesarias. Y si nuevamente no nos referimos a un acto de reacción separado, sino a la producción de energía a escala macroscópica, entonces esto sólo es posible cuando ocurre una reacción en cadena. Esto último ocurre cuando las partículas que excitan la reacción reaparecen como productos de una reacción exoenergética.

Reacciones en cadena

Las reacciones en cadena están muy extendidas entre las reacciones químicas, donde el papel de las partículas con enlaces no utilizados lo desempeñan átomos libres o radicales. El mecanismo de reacción en cadena durante las transformaciones nucleares puede ser proporcionado por neutrones que no tienen una barrera de Coulomb y excitan los núcleos durante la absorción. La aparición de la partícula necesaria en el ambiente provoca una cadena de reacciones que se suceden una tras otra, que continúa hasta que la cadena se rompe por la pérdida de la partícula portadora de la reacción. Hay dos razones principales para las pérdidas: la absorción de una partícula sin emisión de una secundaria y la salida de la partícula más allá del volumen de la sustancia que soporta el proceso en cadena. Si en cada acto de reacción aparece solo una partícula portadora, entonces la reacción en cadena se llama no ramificado. Una reacción en cadena no ramificada no puede conducir a una liberación de energía a gran escala.

Alcanzar un estado crítico está determinado por una serie de factores. La fisión de un núcleo pesado es excitada por un neutrón y, como resultado del acto de fisión, aparece más de un neutrón (por ejemplo, para 235 U, el número de neutrones producidos en un acto de fisión es en promedio 2,5). En consecuencia, el proceso de fisión puede dar lugar a una reacción en cadena ramificada, cuyos portadores serán los neutrones. Si la tasa de pérdida de neutrones (capturas sin fisión, escapes del volumen de reacción, etc.) compensa la tasa de multiplicación de neutrones de tal manera que el factor de multiplicación de neutrones efectivo es exactamente igual a la unidad, entonces la reacción en cadena se desarrolla en una modo estacionario. La introducción de una retroalimentación negativa entre el factor de multiplicación efectivo y la tasa de liberación de energía permite una reacción en cadena controlada, que se utiliza, por ejemplo, en la energía nuclear. Si el factor de multiplicación es mayor que uno, la reacción en cadena se desarrolla exponencialmente; La reacción en cadena de fisión descontrolada se utiliza en armas nucleares.

ver también

Reacción química en cadena

Literatura

Klímov A. N. Física nuclear y reactores nucleares.- M. Atomizdat, .
Levin V.E. Física nuclear y reactores nucleares./ 4ª ed. - M.: Atomizdat, .
Petunin V.P. Ingeniería termoeléctrica de instalaciones nucleares.- M.: Atomizdat, .

Fundación Wikimedia. 2010.

Vea qué es "Reacción en cadena nuclear" en otros diccionarios:

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Reacción de fisión núcleos atómicos elementos pesados bajo la influencia de neutrones, en cada enjambre aumenta el número de neutrones, de modo que puede tener lugar un proceso de fisión autosostenible. Por ejemplo, durante la fisión de un núcleo del isótopo de uranio 235U bajo la influencia de ... Gran Diccionario Politécnico Enciclopédico

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reacción en cadena de fisión nuclear con neutrones- - [A.S.Goldberg. Diccionario de energía inglés-ruso. 2006] Temas: energía en general EN reacción divergente... Guía del traductor técnico

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