Reakcja łańcuchowa to warunki niezbędne do reakcji. Jądrowa reakcja łańcuchowa

Jądrowa reakcja łańcuchowa- samopodtrzymująca się reakcja rozszczepienia ciężkich jąder, w której neutrony są stale odtwarzane, dzieląc coraz więcej jąder Jądro uranu-235 pod wpływem neutronu dzieli się na dwa radioaktywne fragmenty o nierównej masie, rozpraszające się z dużymi prędkościami w różne kierunki i dwa lub trzy neutrony. Kontrolowane reakcje łańcuchowe przeprowadzane w reaktorach jądrowych lub kotłach jądrowych. W tej chwili kontrolowane reakcje łańcuchowe są przeprowadzane na izotopach uranu-235, uranu-233 (sztucznie otrzymywanego z toru-232), plutonu-239 (sztucznie otrzymywanego z rany-238), a także plutonu-241. Bardzo ważnym zadaniem jest oddzielenie jego izotopu, uranu-235, od uranu naturalnego. Od pierwszych kroków w rozwoju technologii jądrowej decydujące znaczenie miało wykorzystanie uranu-235, którego produkcja w czysta forma było to jednak trudne technicznie, ponieważ uran-238 i uran-235 są chemicznie nierozłączne.

50. Reaktory jądrowe. Perspektywy wykorzystania energii termojądrowej.

Reaktor jądrowy to urządzenie, w którym przeprowadzana jest kontrolowana reakcja łańcuchowa jądrowa, której towarzyszy uwalnianie energii. Pierwszy reaktor jądrowy zbudowano i uruchomiono w grudniu 1942 r. w USA pod kierownictwem E. Fermiego. Pierwszym reaktorem zbudowanym poza Stanami Zjednoczonymi był ZEEP, uruchomiony w Kanadzie 25 grudnia 1946 roku. W Europie pierwszym reaktorem jądrowym była instalacja F-1, którą uruchomiono 25 grudnia 1946 r. w Moskwie pod przewodnictwem IV Kurchatowa.Do 1978 r. Na świecie działało już około stu reaktorów jądrowych różnych typów . Części składowe każdego reaktora jądrowego to: rdzeń z paliwem jądrowym, zwykle otoczony reflektorem neutronów, chłodziwo, system kontroli reakcji łańcuchowej, ochrona przed promieniowaniem i system zdalnego sterowania. Zbiornik reaktora podlega zużyciu (zwłaszcza na skutek promieniowania jonizującego). Główną cechą reaktora jądrowego jest jego moc. Moc 1 MW odpowiada reakcji łańcuchowej, w której 3 · 10 16 zdarzeń rozszczepienia zachodzi w ciągu 1 sekundy. Badania nad fizyką plazmy wysokotemperaturowej prowadzone są głównie w związku z perspektywą stworzenia reaktora termojądrowego. Najbliższe parametrami reaktorowi są instalacje typu tokamak. W 1968 roku ogłoszono, że w instalacji T-3 osiągnięto temperaturę plazmy rzędu dziesięciu milionów stopni i to właśnie na rozwoju tego kierunku koncentrowały się w ostatnich dziesięcioleciach wysiłki naukowców z wielu krajów. różnych krajów tokamak ITER. Pełne wykorzystanie reaktorów termojądrowych w energetyce spodziewane jest w drugiej połowie XXI w. Oprócz tokamaków istnieją inne rodzaje pułapek magnetycznych do zamykania plazmy wysokotemperaturowej, np. tzw. . Ze względu na szereg cech mogą one utrzymywać plazmę wysokociśnieniową, a zatem mają dobre perspektywy jako potężne źródła neutronów termojądrowych, aw przyszłości – jako reaktory termojądrowe.

Sukcesy osiągnięte w ostatnich latach w Instytucie Fizyki Jądrowej Oddziału Syberyjskiego Rosyjskiej Akademii Nauk w badaniach nad nowoczesnymi pułapkami osiowosymetrycznymi wskazują, że podejście to jest obiecujące. Badania te są kontynuowane, a jednocześnie INP pracuje nad projektem obiektu nowej generacji, w którym już teraz będzie można zademonstrować parametry plazmy zbliżone do parametrów reaktora.

Łańcuchowa reakcja jądrowa- sekwencja pojedynczych reakcji jądrowych, z których każda jest powodowana przez cząstkę, która pojawiła się jako produkt reakcji na poprzednim etapie sekwencji. Przykładem jądrowej reakcji łańcuchowej jest reakcja łańcuchowa rozszczepienia jąder ciężkich pierwiastków, w której większość procesów rozszczepienia jest inicjowana przez neutrony otrzymane z rozszczepienia jądrowego w poprzedniej generacji.

Kolegium YouTube

1 / 3

Fizyka nuklearna... Reakcje jądrowe. Reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego. elektrownia jądrowa

Siły jądrowe Energia wiązania cząstek w jądrze Rozszczepienie jąder uranu Reakcja łańcuchowa

Reakcje jądrowe

Napisy na filmie obcojęzycznym

Mechanizm uwalniania energii

Przekształceniu substancji towarzyszy uwolnienie energii swobodnej tylko wtedy, gdy substancja posiada magazyn energii. To ostatnie oznacza, że mikrocząstki substancji znajdują się w stanie o energii spoczynkowej większej niż w innym możliwym stanie, do którego istnieje przejście. Spontaniczne przejście jest zawsze utrudnione przez barierę energetyczną, aby ją pokonać, mikrocząstka musi otrzymać z zewnątrz pewną ilość energii - energię wzbudzenia. Reakcja egzoenergetyczna polega na tym, że w transformacji następującej po wzbudzeniu uwalniane jest więcej energii niż jest potrzebne do wzbudzenia procesu. Istnieją dwa sposoby na pokonanie bariery energetycznej: albo dzięki energii kinetycznej zderzających się cząstek, albo dzięki energii wiązania łączącej się cząstki.

Jeśli weźmiemy pod uwagę makroskopowe skale uwalniania energii, to energia kinetyczna niezbędna do wzbudzenia reakcji musi mieć wszystkie lub przynajmniej część cząstek substancji. Jest to osiągalne tylko wtedy, gdy temperatura medium wzrośnie do wartości, przy której energia ruchu termicznego zbliża się do wartości progu energetycznego ograniczającego przebieg procesu. W przypadku przemian molekularnych, czyli reakcji chemicznych, wzrost ten wynosi zwykle setki kelwinów, w przypadku reakcji jądrowych jest to minimum 107 K ze względu na bardzo wielki wzrost Bariery kulombowskie jąder kolidujących. Wzbudzenie termiczne reakcji jądrowych w praktyce realizuje się tylko w syntezie najlżejszych jąder, dla których bariery kulombowskie są minimalne (fuzja termojądrowa).

Wzbudzenie przez przyczepienie cząstek nie wymaga dużych energia kinetyczna, a zatem nie zależy od temperatury ośrodka, ponieważ występuje z powodu niewykorzystanych wiązań tkwiących w cząsteczkach sił przyciągania. Ale z drugiej strony same cząstki są potrzebne do wzbudzenia reakcji. A jeśli znowu mamy na myśli nie oddzielny akt reakcji, ale produkcję energii w skali makroskopowej, to jest to możliwe tylko wtedy, gdy zachodzi reakcja łańcuchowa. To ostatnie pojawia się, gdy cząstki wzbudzające reakcję pojawiają się ponownie jako produkty reakcji egzoenergetycznej.

Reakcje łańcuchowe

Reakcje łańcuchowe są szeroko rozpowszechnione wśród reakcje chemiczne, gdzie rolę cząstek z niewykorzystanymi wiązaniami odgrywają wolne atomy lub rodniki. Mechanizm reakcji łańcuchowej podczas przemian jądrowych mogą być zapewnione przez neutrony, które nie mają bariery kulombowskiej i wzbudzają jądra po absorpcji. Pojawienie się niezbędnej cząstki w ośrodku powoduje ciąg następujących po sobie reakcji, które trwają aż do zakończenia łańcucha z powodu utraty cząstki nośnika reakcji. Istnieją dwie główne przyczyny strat: wchłonięcie cząstki bez emisji wtórnej oraz wyjście cząstki poza objętość substancji wspomagającej proces łańcuchowy. Jeśli w każdym akcie reakcji pojawia się tylko jedna cząstka nośnika, wówczas wywoływana jest reakcja łańcuchowa nierozgałęziony... Nierozgałęziona reakcja łańcuchowa nie może prowadzić do uwolnienia energii na dużą skalę.

Jeśli w każdym akcie reakcji lub w niektórych ogniwach łańcucha pojawia się więcej niż jedna cząstka, wówczas powstaje rozgałęziona reakcja łańcuchowa, ponieważ jedna z cząstek wtórnych kontynuuje rozpoczęty łańcuch, podczas gdy inne ponownie dają nowe łańcuchy, które rozgałęziają się. To prawda, że procesy prowadzące do zerwania łańcucha konkurują z procesem rozgałęziania, a pojawiająca się sytuacja powoduje powstawanie zjawisk ograniczających lub krytycznych charakterystycznych dla reakcji rozgałęzionych łańcuchów. Jeżeli liczba otwartych obwodów jest większa niż liczba pojawiających się nowych obwodów, to samowystarczalna reakcja łańcuchowa(SCR) okazuje się niemożliwe. Nawet jeśli jest on sztucznie wzbudzany przez wprowadzenie do medium pewnej ilości niezbędnych cząstek, to ponieważ liczba łańcuchów w tym przypadku może się tylko zmniejszyć, proces, który się rozpoczął, szybko wygasa. Jeśli liczba utworzonych nowych łańcuchów przekracza liczbę przerw, reakcja łańcuchowa szybko rozprzestrzenia się w całej objętości substancji, gdy pojawia się co najmniej jedna początkowa cząstka.

Region stanów materii z rozwojem samopodtrzymującej się reakcji łańcuchowej jest oddzielony od regionu, w którym reakcja łańcuchowa jest generalnie niemożliwa, krytyczna kondycja... Stan krytyczny charakteryzuje się równością liczby nowych obwodów i liczby przerw.

O osiągnięciu stanu krytycznego decyduje szereg czynników. Rozszczepienie ciężkiego jądra jest wzbudzane przez jeden neutron iw wyniku aktu rozszczepienia pojawia się więcej niż jeden neutron (np. dla 235 U liczba neutronów powstających w jednym akcie rozszczepienia wynosi średnio od 2 do 3) . W konsekwencji proces rozszczepienia może spowodować reakcję rozgałęzionego łańcucha, który będzie przenoszony przez neutrony. Jeżeli szybkość utraty neutronów (wychwytywanie bez rozszczepienia, odejście od objętości reakcji itp.) kompensuje szybkość mnożenia neutronów w taki sposób, że efektywny współczynnik mnożenia neutronów wynosi dokładnie jedność, to reakcja łańcuchowa przebiega w trybie stacjonarnym . Wprowadzenie ujemnych sprzężeń zwrotnych między efektywnym mnożnikiem a szybkością uwalniania energii pozwala na kontrolowaną reakcję łańcuchową, co jest wykorzystywane m.in. w energetyce jądrowej. Jeśli mnożnik jest większy niż jeden, reakcja łańcuchowa rozwija się wykładniczo; niekontrolowana reakcja łańcuchowa rozszczepienia jest stosowana w

Jest to proces, w którym jedna przeprowadzona reakcja powoduje kolejne reakcje tego samego typu.

Podczas rozszczepienia jednego jądra uranu powstałe neutrony mogą spowodować rozszczepienie innych jąder uranu, podczas gdy liczba neutronów rośnie jak lawina.

Stosunek liczby neutronów wytworzonych w jednym akcie rozszczepienia do liczby takich neutronów w poprzednim akcie rozszczepienia nazywany jest mnożnikiem neutronów k.

Gdy k jest mniejsze niż 1, reakcja wygasa, ponieważ liczba zaabsorbowanych neutronów więcej numerów nowo utworzony.
Gdy k jest większe niż 1, eksplozja następuje niemal natychmiast.
Gdy k jest równe 1, zachodzi kontrolowana stacjonarna reakcja łańcuchowa.

Reakcji łańcuchowej towarzyszy uwolnienie duża liczba energia.

Do realizacji reakcji łańcuchowej nie można zastosować żadnego rozszczepienia jądra pod wpływem neutronów.

Używany jako paliwo do reaktorów jądrowych pierwiastek chemiczny uran naturalnie składa się z dwóch izotopów: uranu-235 i uranu-238.

W naturze izotopy uranu-235 stanowią tylko 0,7% całkowitej rezerwy uranu, jednak nadają się do przeprowadzenia reakcji łańcuchowej, ponieważ rozszczepienie pod wpływem wolnych neutronów.

Jądra uranu-238 mogą rozszczepiać się tylko pod wpływem neutronów wysokoenergetycznych (neutronów prędkich). Tylko 60% neutronów powstałych w wyniku rozszczepienia jądra uranu-238 ma taką energię. Tylko około 1 na 5 generowanych neutronów powoduje rozszczepienie jądra.

Warunki reakcji łańcuchowej w uranie-235:

Minimalna ilość paliwa (masa krytyczna) wymagana do przeprowadzenia kontrolowanej reakcji łańcuchowej w reaktor jądrowy
- prędkość neutronów powinna spowodować rozszczepienie jąder uranu
- brak zanieczyszczeń absorbujących neutrony

Masa Krytyczna:

Jeśli masa uranu jest niewielka, neutrony wylecą z niego bez reakcji
- przy dużej masie uranu możliwa jest eksplozja ze względu na silny wzrost liczby neutronów
- jeśli masa odpowiada masie krytycznej, zachodzi kontrolowana reakcja łańcuchowa

Dla uranu-235 masa krytyczna wynosi 50 kg (jest to na przykład kulka uranu o średnicy 9 cm).

Pierwsza kontrolowana reakcja łańcuchowa – USA w 1942 roku (E. Fermi)
W ZSRR - 1946 (I.V. Kurczatow).

Prawo indukcji elektromagnetycznej Faradaya jest podstawową zasadą elektrodynamiki dotyczącą zasady działania transformatorów, dławików, wielu typów silników elektrycznych

I generatory. Prawo stanowi:

Prawo Faradaya jako dwa różne zjawiska [edytuj | edytuj tekst wiki]

Niektórzy fizycy zauważają, że prawo Faradaya w jednym równaniu opisuje dwa różne zjawiska: silnik emf generowane przez działanie siły magnetycznej na poruszający się drut, oraz transformator EMF generowane przez działanie siły elektrycznej w wyniku zmiany pole magnetyczne... James Clerk Maxwell zwrócił uwagę na ten fakt w swojej pracy O fizycznym linie energetyczne w 1861 roku. W drugiej połowie części II tej pracy Maxwell przedstawia osobne wyjaśnienie fizyczne dla każdego z tych dwóch zjawisk. Link do tych dwóch aspektów Indukcja elektromagnetyczna dostępne w niektórych nowoczesne podręczniki... Jak pisze Richard Feynman:

Prawo Lorentza [edytuj | edytuj tekst wiki]

Opłata Q w przewodniku po lewej stronie pętli działa siła Lorentza Q v × b k = −q v B (x C - w / 2) J (j, k- wektory jednostkowe w kierunkach tak oraz z; zobacz iloczyn krzyżowy wektorów), który powoduje EMF (praca na ładunek jednostkowy) v ℓ B (x C - w / 2) na całej długości lewej strony pętli. Na prawa strona zapętlić podobne rozumowanie pokazuje, że emf jest równy v B (x C + w / 2)... Dwa przeciwległe pola elektromagnetyczne popychają ładunek dodatni w kierunku dna pętli. W przypadku gdy pole b wzrasta wzdłuż x, siła po prawej stronie będzie większa, a prąd popłynie zgodnie z ruchem wskazówek zegara. Korzystanie z reguły prawa ręka, dostajemy, że pole b tworzony przez prąd przeciwny do zastosowanego pola. EMF powodujące prąd musi wzrastać w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara (w przeciwieństwie do prądu). Dodając EMF w kierunku przeciwnym do ruchu wskazówek zegara wzdłuż pętli, znajdujemy:

Prawo Faradaya [edytuj | edytuj tekst wiki]

Intuicyjne, ale błędne podejście do stosowania reguły przepływu wyraża przepływ przez łańcuch jako Φ B = B w, gdzie w- szerokość ruchomej pętli. To wyrażenie nie zależy od czasu, dlatego błędnie wynika z tego, że nie jest generowany żaden EMF. Błędem tego stwierdzenia jest to, że nie uwzględnia całej ścieżki prądu przez zamkniętą pętlę.

Do prawidłowe użycie zasady przepływu musimy wziąć pod uwagę całą ścieżkę prądu, która obejmuje ścieżkę przez felgi na górnej i dolnej tarczy. Możemy wybrać dowolną zamkniętą ścieżkę przez obręcze i obracającą się pętlę i zgodnie z prawem strumienia znaleźć pole elektromagnetyczne wzdłuż tej ścieżki. Każda ścieżka, która zawiera segment sąsiadujący z obracającą się pętlą, umożliwia względny ruch części łańcucha.

Jako przykład rozważ ścieżkę na górze łańcucha w kierunku obrotu górnej tarczy i na dole łańcucha w kierunku przeciwnym do dolnej tarczy (pokazane strzałkami na rysunku 4). W tym przypadku, jeśli pętla wirująca odbiega o kąt θ od pętli kolektora, to można ją uznać za część cylindra o powierzchni A = r. Ten obszar jest prostopadły do pola b, a jego wkład w strumień to:

gdzie znak jest ujemny, ponieważ zgodnie z zasadą prawej ręki pole b generowana przez pętlę prądową jest przeciwna do przyłożonego pola B "... Ponieważ jest to tylko część przepływu zależna od czasu, zgodnie z prawem przepływu, pole elektromagnetyczne jest równe:

zgodnie z formułą prawa Lorentza.

Rozważmy teraz inny sposób, w którym wybieramy przejście wzdłuż obrzeży dysków przez przeciwległe segmenty. W takim przypadku powiązany wątek będzie zmniejszać z rosnącym θ, ale zgodnie z zasadą prawej ręki pętla prądowa dodaje dołączone pole b, dlatego siła pola elektromagnetycznego dla tej ścieżki będzie dokładnie taka sama jak dla pierwszej ścieżki. Każda mieszana ścieżka powrotu prowadzi do tego samego wyniku dla wartości EMF, więc tak naprawdę nie ma znaczenia, którą ścieżkę wybierzesz.

Reakcja termojądrowa to rodzaj reakcji jądrowej, w której lekkie jądra atomowe łączą się w cięższe ze względu na energię kinetyczną ich ruchu termicznego. Pochodzenie terminu [edytuj | edytuj tekst wiki]

Aby zaszła reakcja jądrowa, początkowe jądra atomowe muszą pokonać tak zwaną „barierę kulombowska” – siłę odpychania elektrostatycznego między nimi. Aby to zrobić, muszą mieć wysoką energię kinetyczną. Zgodnie z teorią kinetyczną energię kinetyczną poruszających się mikrocząstek substancji (atomów, cząsteczek lub jonów) można przedstawić w postaci temperatury, a zatem poprzez ogrzewanie substancji można osiągnąć reakcję jądrową. To właśnie ten związek między ogrzewaniem materii a reakcją jądrową znajduje odzwierciedlenie w pojęciu „reakcja termojądrowa”.

Bariera kulombowska [edytuj | edytuj tekst wiki]

Jądra atomowe mają dodatni ładunek elektryczny. Na dużych odległościach ich ładunki mogą być ekranowane przez elektrony. Aby jednak jądra się połączyły, muszą zbliżyć się do siebie na odległość, na którą działa oddziaływanie silne. Odległość ta jest rzędu wielkości samych jąder i jest wielokrotnie mniejsza niż wielkość atomu. Na takich odległościach powłoki elektronowe atomów (nawet jeśli zostały zachowane) nie mogą już ekranować ładunków jąder, więc doświadczają silnego odpychania elektrostatycznego. Siła tego odpychania, zgodnie z prawem Coulomba, jest odwrotnie proporcjonalna do kwadratu odległości między ładunkami. W odległościach rzędu wielkości jąder, wielkość oddziaływania silnego, które ma tendencję do ich łączenia, zaczyna gwałtownie rosnąć i staje się większa niż wartość odpychania kulombowskiego.

Aby więc zareagować, jądra muszą pokonać potencjalną barierę. Na przykład dla reakcji deuter-tryt bariera ta wynosi około 0,1 MeV. Dla porównania energia jonizacji wodoru wynosi 13 eV. Dlatego substancją biorącą udział w reakcji termojądrowej będzie prawie całkowicie zjonizowana plazma.

Temperatura równoważna 0,1 MeV wynosi około 10 9 K, ale istnieją dwa efekty, które obniżają temperaturę wymaganą do reakcji termojądrowej:

· Po pierwsze, temperatura charakteryzuje się jedynie średnią energią kinetyczną, istnieją cząstki o zarówno niższej, jak i wyższej energii. W rzeczywistości niewielka liczba jąder o energiach znacznie wyższych od średniej (tzw. „ogon rozkładu Maxwella

· Po drugie, ze względu na efekty kwantowe, jądra nie muszą mieć energii przekraczającej barierę kulombowska. Jeśli ich energia jest nieco mniejsza niż bariera, najprawdopodobniej mogą przez nią przejść. [ źródło nieokreślone 339 dni]

Reakcje termojądrowe [edytuj | edytuj tekst wiki]

Niektóre z najważniejszych egzotermicznych reakcji termojądrowych o dużych przekrojach:

(1)

→

4He

(3,5 MeV)

(14,1 MeV)

(2)

→

(1,01 MeV)

(3,02 MeV)

(50 %)

(3)

→

3He

(0,82 MeV)

(2,45 MeV)

(50 %)

(4)

3He

→

4He

(3,6 MeV)

(14,7 MeV)

(5)

→

4He

+ 11,3 MeV

(6)

3He

→

4He

(7)

3He

→

4He

+ 12,1 MeV

(51 %)

(8)

→

4He

(4,8 MeV)

(9,5 MeV)

(43 %)

(9)

→

4He

(0,5 MeV)

(1,9 MeV)

(11,9 MeV)

(6 %)

(10)

6Li

→

4He

+ 22,4 MeV -

(11)

6Li

→

4He

(1,7 MeV)

3He

(2,3 MeV) -

(12)

3He

6Li

→

4He

+ 16,9 MeV

(13)

11B

→

4He

+ 8,7 MeV

(14)

6Li

→

4He

+ 4,8 MeV

Kataliza mionowa [edytuj | edytuj tekst wiki]

Główny artykuł: Kataliza mionowa

Reakcja termojądrowa może być znacznie ułatwiona przez wprowadzenie ujemnie naładowanych mionów do plazmy reakcyjnej.

Miony µ - oddziałując z paliwem termojądrowym tworzą mezomolekuły, w których odległość między jądrami atomów paliwa jest nieco mniejsza, co ułatwia ich zbliżanie się, a ponadto zwiększa prawdopodobieństwo tunelowania jąder przez barierę Coulomba.

Liczba reakcji syntezy Xc inicjowane przez jeden mion jest ograniczone wartością współczynnika przywierania mionów. Eksperymentalnie udało się uzyskać wartości X c ~ 100, czyli jeden mion jest w stanie uwolnić energię ~ 100 × X MeV, gdzie X jest wydajnością energetyczną katalizowanej reakcji.

Natomiast wartość uwolnionej energii jest mniejsza niż zużycie energii na produkcję samego mionu (5-10 GeV). Kataliza mionowa jest więc nadal procesem niekorzystnym energetycznie. Komercyjnie opłacalna produkcja energii przy użyciu katalizy mionowej jest możliwa dzięki Xc ~ 10 4 .

Aplikacja [edytuj | edytuj tekst wiki]

Wykorzystanie reakcji termojądrowej jako praktycznie niewyczerpanego źródła energii wiąże się przede wszystkim z perspektywą opanowania technologii kontrolowanej syntezy termojądrowej (CTF). Obecnie baza naukowo-technologiczna nie pozwala na wykorzystanie TCB na skalę przemysłową.

Jednocześnie niekontrolowana reakcja termojądrowa znalazła zastosowanie w sprawach wojskowych. Po raz pierwszy termojądrowe urządzenie wybuchowe zostało przetestowane w listopadzie 1952 r. w Stanach Zjednoczonych, a już w sierpniu 1953 r. termojądrowe urządzenie wybuchowe w postaci bomby lotniczej zostało przetestowane w Związku Radzieckim. Moc termojądrowego urządzenia wybuchowego (w przeciwieństwie do atomowego) jest ograniczona jedynie ilością materiału użytego do jego wytworzenia, co umożliwia tworzenie urządzeń wybuchowych o niemal dowolnej mocy.

SEZON 27 pytanie 1

Zjawisko samoindukcji

Zbadaliśmy już, że pole magnetyczne powstaje w pobliżu przewodnika z prądem. Zbadali również, że zmienne pole magnetyczne generuje prąd (zjawisko indukcji elektromagnetycznej). Rozważać obwód elektryczny... Gdy zmienia się natężenie prądu w tym obwodzie, zmienia się pole magnetyczne, w wyniku czego dodatkowy prąd indukcyjny... Zjawisko to nazywa się samoindukcja, a prąd powstający w tym przypadku nazywa się prąd samoindukcyjny.

Zjawisko samoindukcji to pojawienie się pola elektromagnetycznego w obwodzie przewodzącym, powstałego w wyniku zmiany natężenia prądu w samym obwodzie.

Indukcyjność obwodu zależy od jego kształtu i wielkości, on właściwości magnetyczne środowisko i nie zależy od prądu w obwodzie.

EMF samoindukcji określone wzorem:

Zjawisko samoindukcji jest podobne do zjawiska bezwładności. Podobnie jak w mechanice niemożliwe jest natychmiastowe zatrzymanie poruszającego się ciała, tak i prąd nie może od razu nabrać określonej wartości ze względu na zjawisko samoindukcji. Jeżeli cewka jest połączona szeregowo z drugą lampą w obwodzie składającym się z dwóch identycznych lamp połączonych równolegle ze źródłem prądu, to przy zamknięciu obwodu pierwsza lampka zapala się niemal natychmiast, a druga z zauważalnym opóźnieniem.

Gdy obwód jest otwarty, prąd gwałtownie spada, a pojawiające się pola elektromagnetyczne indukcji własnej zapobiegają zmniejszeniu strumienia magnetycznego. W tym przypadku indukowany prąd jest kierowany w taki sam sposób, jak początkowy. EMF samoindukcji może wielokrotnie przekraczać zewnętrzną EMF. Dlatego żarówki bardzo często przepalają się, gdy światło jest wyłączone.

Energia pola magnetycznego

Energia pola magnetycznego obwodu z prądem:

Promieniowanie radioaktywne - promieniowanie emitowane przez izotop podczas rozpadu. Posiada trzy rodzaje: promienie alfa (strumień jąder helu), promienie beta (strumień elektronów) i promienie gamma ( promieniowanie elektromagnetyczne). Dla ludzi najbardziej niebezpieczne jest promieniowanie gamma.

Dawka pochłoniętego promieniowania jest równa stosunkowi energii otrzymanej przez organizm do masy ciała. Dawka absorpcji jest oznaczona literą D i mierzona w odcieniach szarości.

W praktyce używają również jednostki miary promieniowania rentgenowskiego (P), równej 2,58 pomnożonej przez 10 do potęgi minus 4 kulomba podzielonej przez kilogram.

Pochłonięte promieniowanie może kumulować się w czasie, jego dawka jest tym większa, im dłużej trwa napromienianie.

Moc dawki jest określana przez stosunek pochłoniętej dawki promieniowania do czasu ekspozycji. Jest oznaczony literą N i mierzony w szarościach przez sekundę.

Dla mężczyzny dawka śmiertelna pochłonięte promieniowanie jest równoważne 6 Gy. Maksymalna dopuszczalna dawka promieniowania dla ludzi wynosi 0,05 Gy rocznie.

SEZON 28 Pytanie 1

Cząstka elementarna to zbiorczy termin odnoszący się do mikroobiektów w skali subjądrowej, których nie można podzielić na ich części składowe.

Należy pamiętać, że niektóre cząstki elementarne ( elektron, neutrin, kwarki itp.) są obecnie uważane za bezstrukturalne i uważane za podstawowe cząstki podstawowe ... Inne cząstki elementarne (tzw złożone cząstki , w tym cząstki tworzące rdzeń atom - protony oraz neutrony) mają złożoną strukturę wewnętrzną, niemniej jednak zgodnie z nowoczesnymi koncepcjami nie można ich podzielić na części ze względu na efekt uwięzienie.

Razem z antycząstki odkryto ponad 350 cząstek elementarnych. Spośród nich foton, elektron i neutrino mionowe, elektron, proton i ich antycząstki są stabilne. Reszta cząstek elementarnych rozpada się samorzutnie w czasie od około 1000 sekund (dla wolnego neutronu) do pomijalnego ułamka sekundy (od 10-24 do 10-22, dla rezonanse).

Przy oscylacjach elektromagnetycznych występują okresowe zmiany ładunku elektrycznego, prądu i napięcia.Drgania elektromagnetyczne dzielą się na: wolny gnijące wymuszony i samooscylacje.

Drgania swobodne to drgania, które pojawiają się w układzie (kondensatorze i cewce) po wyprowadzeniu go z położenia równowagi (gdy kondensator jest naładowany). Dokładniej, swobodne oscylacje elektromagnetyczne występują, gdy kondensator jest rozładowywany przez cewkę indukcyjną. Wymuszony oscylacje nazywane są oscylacjami w obwodzie pod wpływem zewnętrznej, okresowo zmieniającej się siły elektromotorycznej.

Najprostszy system, w którym obserwuje się swobodne oscylacje elektromagnetyczne, jest obwód oscylacyjny. składa się z cewki indukcyjnej i kondensatora.Proces ten będzie powtarzany w kółko. Powstanie wibracje elektromagnetyczne ze względu na transformację energii pola elektrycznego kondensatora.

· Kondensator, ładowany z akumulatora, w początkowym momencie osiągnie maksymalny poziom naładowania. Jego energia My będzie maksymalna (rys. a).

· Jeśli kondensator jest zamknięty na cewce, to w tym momencie zacznie się rozładowywać (rys. B). W obwodzie pojawi się prąd. Gdy kondensator się rozładowuje, prąd w obwodzie iw cewce wzrasta. Ze względu na zjawisko samoindukcji nie dzieje się to natychmiast. Energia cewki W m staje się maksymalny (rys. c).

· Prąd indukcyjny płynie w tym samym kierunku. Ładunki elektryczne ponownie gromadzą się na kondensatorze. Kondensator jest ładowany, tj. płytka kondensatora, wcześniej naładowana dodatnio, będzie naładowana ujemnie. Energia kondensatora staje się maksymalna. Prąd w tym kierunku ustanie, a proces zostanie powtórzony w przeciwnym kierunku (rys. D). Ten proces będzie się powtarzał w kółko. Powstanie wibracje elektromagnetyczne z powodu przekształcenia energii pola elektrycznego kondensatora w energię pola magnetycznego cewki prądowej i odwrotnie. Jeżeli nie ma strat (rezystancja R = 0), to natężenie prądu, ładunek i napięcie zmieniają się w czasie zgodnie z prawem harmonicznym. Oscylacje, które występują zgodnie z prawem cosinusa lub sinusa, nazywane są harmonicznymi. Równanie oscylacji ładunku harmonicznego: .

Obwód, w którym nie ma strat energii, jest idealnym obwodem oscylacyjnym. Okres oscylacji elektromagnetycznych w idealnym obwodzie oscylacyjnym zależy od indukcyjności cewki i pojemności kondensatora i znajduje się wzdłuż Wzór Thomsona gdzie L to indukcyjność cewki, C to pojemność kondensatora, T to okres oscylacji e/m.
W rzeczywistym obwodzie oscylacyjnym będą swobodne oscylacje elektromagnetyczne gnijące ze względu na straty energii podczas podgrzewania przewodów. Do praktyczne zastosowanie ważne jest uzyskanie ciągłych oscylacji elektromagnetycznych, a do tego konieczne jest zasilanie obwodu oscylacyjnego energią elektryczną w celu skompensowania strat energii z oscylatora ciągłego, który jest przykładem układu samooscylującego.

Bilet 29 Pytanie 1

Antycząsteczka - bliźniacza cząsteczka jakiegoś innego cząstka elementarna posiadanie tego samego masa i to samo wirować, który różni się od niego oznakami wszystkich innych cech interakcji (opłaty takie jak elektryczny oraz kolorładunki, barionowe i leptonowe liczby kwantowe).

Sama definicja tego, co nazwać „cząstką” w parze cząstka-antycząstka, jest w dużej mierze arbitralna. Jednak przy danym wyborze „cząstki” jej antycząstka jest określana jednoznacznie. Zachowanie liczby barionowej w procesach oddziaływań słabych pozwala na wyznaczenie „cząstki” w dowolnej parze barion-antybarion poprzez łańcuch rozpadu barionu. Wybór elektronu jako „cząstki” w parze elektron-pozyton jest ustalony (ze względu na zachowanie liczby leptonowej w procesach słaba interakcja) określenie stanu „cząstki” w parze neutrino-antyneutrino elektronowe. Nie zaobserwowano przejść między leptonami różnych generacji (typów), tak że definicji „cząstki” w każdej generacji leptonów można, najogólniej rzecz biorąc, dokonać niezależnie. Zwykle, przez analogię do elektronu, „cząstki” nazywane są ujemnie naładowanymi leptony, który zachowując liczbę leptonową, określa odpowiedni neutrin oraz antyneutrin... Do bozony pojęcie „cząstki” można ustalić za pomocą definicji, na przykład, hiperdoładowanie.

Schemat urządzenia Bomba jądrowa

Reakcja łańcuchowa rozszczepienia

Neutrony wtórne emitowane podczas rozszczepienia (2,5 części na akt rozszczepienia) mogą powodować nowe zdarzenia rozszczepienia, co umożliwia przeprowadzenie reakcji łańcuchowej. Łańcuchowa reakcja rozszczepienia charakteryzuje się współczynnikiem mnożenia neutronów K, który jest równy stosunkowi liczby neutronów w danej generacji do ich liczby w poprzedniej generacji. Warunek wstępny rozwój reakcji łańcuchowej rozszczepienia jest. Przy mniejszym reakcja jest niemożliwa. Gdy reakcja przebiega ze stałą liczbą neutronów (stała moc uwalnianej energii). To jest samopodtrzymująca się odpowiedź. At jest stłumioną reakcją. Mnożnik zależy od rodzaju materiału rozszczepialnego, wielkości i kształtu rdzenia. Minimalna waga substancja rozszczepialna wymagana do reakcji łańcuchowej nazywana jest krytyczną. Bo masa krytyczna to 9 kg, a promień kuli uranu to 4 cm.

Reakcje łańcuchowe mogą być kontrolowane i niekontrolowane. Wybuch bomby atomowej jest przykładem niekontrolowanej reakcji. Ładunek jądrowy takiej bomby to dwa lub więcej kawałków prawie czystego lub. Masa każdego kawałka jest mniejsza niż masa krytyczna, więc reakcja łańcuchowa nie zachodzi. Dlatego, aby doszło do wybuchu, wystarczy połączyć te części w jedną całość o masie większej od krytycznej. Trzeba to zrobić bardzo szybko, a połączenie kawałków musi być bardzo szczelne. W przeciwnym razie ładunek jądrowy rozleci się, zanim będzie mógł zareagować. Do połączenia używany jest zwykły materiał wybuchowy. Powłoka służy jako reflektor neutronów, a ponadto zapobiega rozpylaniu ładunku jądrowego, dopóki maksymalna liczba jąder nie uwolni całej energii podczas rozszczepienia. Reakcja łańcuchowa w bomba atomowa idzie na szybkie neutrony. Podczas eksplozji tylko część neutronów ładunku jądrowego ma czas na reakcję. Reakcja łańcuchowa prowadzi do uwolnienia kolosalnej energii. Temperatura, która rozwija się w tym samym czasie, sięga stopni. Niszczycielska siła bomby zrzuconej na Hiroszimę przez Amerykanów była równoznaczna z eksplozją 20 000 ton TNT. Nowe bronie są setki razy potężniejsze od pierwszych. Jeśli dodamy do tego, że eksplozja atomowa wytwarza ogromną liczbę fragmentów rozszczepienia, w tym bardzo długowiecznych, staje się oczywiste, jak straszne niebezpieczeństwo stanowi ta broń dla ludzkości.

Zmieniając współczynnik mnożenia neutronów, można zrealizować kontrolowaną reakcję łańcuchową. Urządzenie, w którym kontrolowana reakcja, zwany reaktorem jądrowym. Naturalny lub wzbogacony uran służy jako materiał rozszczepialny. Aby zapobiec promieniowemu wychwytywaniu neutronów przez jądra uranu, stosunkowo małe bloki materii rozszczepialnej umieszcza się w pewnej odległości od siebie, a luki wypełnia substancja spowalniająca neutrony (moderator). Neutrony są spowalniane przez elastyczne rozpraszanie. W tym przypadku energia tracona przez wyhamowaną cząstkę zależy od stosunku mas zderzających się cząstek. Maksymalna ilość energia jest tracona, jeśli cząstki mają taką samą masę. Warunek ten spełniają deuter, grafit i beryl. Pierwszy reaktor uranowo-grafitowy uruchomiono w 1942 roku na Uniwersytecie w Chicago pod kierownictwem wybitnego włoskiego fizyka Fermiego. Aby wyjaśnić zasadę działania reaktora, rozważmy typowy schemat reaktora termicznego na ryc. 1.

Rys. 1.

W rdzeniu reaktora znajdują się elementy paliwowe 1 oraz moderator 2, który spowalnia neutrony do prędkości termicznych. Elementy paliwowe (pręty paliwowe) to bloki materiału rozszczepialnego zamknięte w szczelnej powłoce, która słabo pochłania neutrony. Ze względu na energię uwalnianą podczas rozszczepienia jądra elementy paliwowe są podgrzewane, a zatem do chłodzenia są umieszczane w strumieniu chłodziwa (3-5 - kanał chłodziwa). Rdzeń jest otoczony przez odbłyśnik w celu zmniejszenia wycieku neutronów. Reakcja łańcuchowa jest kontrolowana przez specjalne pręty kontrolne wykonane z materiałów silnie pochłaniających neutrony. Parametry reaktora są tak obliczone, że przy całkowitym włożeniu prętów reakcja na pewno nie zachodzi. Wraz ze stopniowym usuwaniem pręcików współczynnik mnożenia neutronów wzrasta iw pewnej pozycji osiąga jedność. W tym momencie reaktor zaczyna działać. W trakcie pracy reaktora ilość materiału rozszczepialnego w rdzeniu zmniejsza się i zostaje on zanieczyszczony fragmentami rozszczepienia, wśród których mogą znajdować się silne absorbery neutronów. Aby zapobiec zatrzymaniu reakcji, pręty sterujące są stopniowo usuwane z rdzenia za pomocą automatycznego urządzenia. Taka kontrola reakcji jest możliwa dzięki istnieniu opóźnionych neutronów emitowanych przez jądra rozszczepialne z opóźnieniem do 1 min. Gdy paliwo jądrowe wypala się, reakcja ustaje. Przed ponownym uruchomieniem reaktora wypalone paliwo jądrowe jest usuwane i ładowane na nowe. W reaktorze znajdują się również pręty awaryjne, których wprowadzenie natychmiast przerywa reakcję. Reaktor jądrowy jest potężnym źródłem promieniowania przenikliwego, około razy większym niż normy sanitarne... Dlatego każdy reaktor posiada ochronę biologiczną - system osłon wykonanych z materiałów ochronnych (np. betonu, ołowiu, wody) - umieszczonych za jego reflektorem oraz pilota zdalnego sterowania.

Po raz pierwszy w ZSRR wykorzystano energię jądrową do celów pokojowych. W 1954 roku w Obnińsku pod kierownictwem Kurczatowa oddano do użytku pierwszą elektrownię jądrową o mocy 5 MW.

Jednak termiczne reaktory uranowe mogą rozwiązać problem dostaw energii elektrycznej w ograniczonej skali, którą określa ilość uranu.

Najbardziej obiecującym sposobem rozwoju energetyki jądrowej jest rozwój reaktorów na neutronach prędkich, tzw. reaktorów powielających. Taki reaktor wytwarza więcej paliwa jądrowego niż zużywa. Reakcja zachodzi na neutronach prędkich, w związku z czym nie tylko mogą w niej uczestniczyć, ale także, w co się zamienia. Te ostatnie można oddzielić chemicznie. Proces ten nazywa się reprodukcją paliwa jądrowego. W specjalnych reaktorach regenerujących współczynnik rozmnażania paliwa jądrowego przekracza jedność. Aktywną strefą hodowców jest stop izotopowo wzbogaconego uranu z metalem ciężkim, który mało absorbuje neutrony. W reaktorach reprodukcyjnych nie ma moderatora. Sterowanie takimi reaktorami poprzez przesuwanie reflektora lub zmianę masy materii rozszczepialnej.

Jądrowa reakcja łańcuchowa

Łańcuchowa reakcja jądrowa- sekwencja pojedynczych reakcji jądrowych, z których każda jest powodowana przez cząstkę, która pojawiła się jako produkt reakcji na poprzednim etapie sekwencji. Przykładem jądrowej reakcji łańcuchowej jest reakcja łańcuchowa rozszczepienia jąder ciężkich pierwiastków, w której większość procesów rozszczepienia jest inicjowana przez neutrony otrzymane podczas rozszczepienia jądra w poprzedniej generacji.

Mechanizm uwalniania energii

Przekształceniu substancji towarzyszy uwolnienie energii swobodnej tylko wtedy, gdy substancja ma zapas energii. To ostatnie oznacza, że mikrocząstki substancji znajdują się w stanie o energii spoczynkowej większej niż w innym możliwym stanie, do którego istnieje przejście. Spontaniczne przejście jest zawsze utrudnione przez barierę energetyczną, aby ją pokonać, mikrocząstka musi otrzymać z zewnątrz pewną ilość energii - energię wzbudzenia. Reakcja egzoenergetyczna polega na tym, że w transformacji następującej po wzbudzeniu uwalniane jest więcej energii niż jest potrzebne do wzbudzenia procesu. Istnieją dwa sposoby na pokonanie bariery energetycznej: albo dzięki energii kinetycznej zderzających się cząstek, albo dzięki energii wiązania łączącej się cząstki.

Jeśli weźmiemy pod uwagę makroskopowe skale uwalniania energii, to energia kinetyczna niezbędna do wzbudzenia reakcji musi mieć wszystkie lub przynajmniej część cząstek substancji. Jest to osiągalne tylko wtedy, gdy temperatura medium wzrośnie do wartości, przy której energia ruchu termicznego zbliża się do wartości progu energetycznego ograniczającego przebieg procesu. W przypadku przemian molekularnych, czyli reakcji chemicznych, wzrost ten wynosi zwykle setki kelwinów, natomiast w przypadku reakcji jądrowych jest to co najmniej 107 K ze względu na bardzo dużą wysokość barier kulombowskich jąder kolidujących. Wzbudzenie termiczne reakcji jądrowych w praktyce realizuje się tylko w syntezie najlżejszych jąder, dla których bariery kulombowskie są minimalne (fuzja termojądrowa).

Wzbudzenie przez przyłączanie cząstek nie wymaga dużej energii kinetycznej, a zatem nie zależy od temperatury ośrodka, ponieważ występuje z powodu niewykorzystanych wiązań tkwiących w cząsteczkach sił przyciągania. Ale z drugiej strony same cząstki są potrzebne do wzbudzenia reakcji. A jeśli znowu mamy na myśli nie oddzielny akt reakcji, ale produkcję energii w skali makroskopowej, to jest to możliwe tylko wtedy, gdy zachodzi reakcja łańcuchowa. To ostatnie pojawia się, gdy cząstki wzbudzające reakcję pojawiają się ponownie jako produkty reakcji egzoenergetycznej.

Reakcje łańcuchowe

Reakcje łańcuchowe są szeroko rozpowszechnione wśród reakcji chemicznych, w których wolne atomy lub rodniki pełnią rolę cząstek z niewykorzystanymi wiązaniami. Mechanizm reakcji łańcuchowej podczas przemian jądrowych mogą być zapewnione przez neutrony, które nie mają bariery kulombowskiej i wzbudzają jądra po absorpcji. Pojawienie się niezbędnej cząstki w ośrodku powoduje ciąg następujących po sobie reakcji, które trwają aż do zakończenia łańcucha z powodu utraty cząstki nośnika reakcji. Istnieją dwie główne przyczyny strat: wchłonięcie cząstki bez emisji wtórnej oraz wyjście cząstki poza objętość substancji wspomagającej proces łańcuchowy. Jeśli w każdym akcie reakcji pojawia się tylko jedna cząstka nośnika, wówczas wywoływana jest reakcja łańcuchowa nierozgałęziony... Nierozgałęziona reakcja łańcuchowa nie może prowadzić do uwolnienia energii na dużą skalę.

O osiągnięciu stanu krytycznego decyduje szereg czynników. Rozszczepienie ciężkiego jądra jest wzbudzane przez jeden neutron iw wyniku aktu rozszczepienia pojawia się więcej niż jeden neutron (np. dla 235 U liczba neutronów powstających w jednym akcie rozszczepienia wynosi średnio 2,5). W konsekwencji proces rozszczepienia może spowodować reakcję rozgałęzionego łańcucha, który będzie przenoszony przez neutrony. Jeżeli szybkość utraty neutronów (wychwytywanie bez rozszczepienia, odejście od objętości reakcji itp.) kompensuje szybkość mnożenia neutronów w taki sposób, że efektywny współczynnik mnożenia neutronów wynosi dokładnie jedność, to reakcja łańcuchowa przebiega w trybie stacjonarnym . Wprowadzenie ujemnych sprzężeń zwrotnych między efektywnym mnożnikiem a szybkością uwalniania energii pozwala na kontrolowaną reakcję łańcuchową, co jest wykorzystywane m.in. w energetyce jądrowej. Jeśli mnożnik jest większy niż jeden, reakcja łańcuchowa rozwija się wykładniczo; niekierowana reakcja łańcuchowa rozszczepienia jest stosowana w broni jądrowej.

Zobacz też

Łańcuchowa reakcja chemiczna

Literatura

A. N. Klimov Fizyka jądrowa i reaktory jądrowe.- M. Atomizdat,.
V.E.Levin Fizyka jądrowa i reaktory jądrowe/ 4 wyd. - M.: Atomizdat,.
Petunin wiceprezes Energetyka cieplna instalacji jądrowych.- M.: Atomizdat,.

Fundacja Wikimedia. 2010.

Zobacz, co „Nuclear Chain Reaction” znajduje się w innych słownikach:

Łańcuchowa reakcja jądrowa sekwencja reakcji jądrowych wzbudzanych przez cząstki (na przykład neutrony) generowane w każdym akcie reakcji. W zależności od średniej liczby reakcji następujących po jednej poprzedniej mniejszej, równej lub ... ... Warunki energetyki jądrowej

jądrowa reakcja łańcuchowa- Sekwencja reakcji jądrowych wzbudzanych przez cząstki (na przykład neutrony), powstające w każdym akcie reakcji. W zależności od średniej liczby reakcji następujących po jednej poprzedniej mniejszej, równej lub większej niż jedna reakcja ... ...

jądrowa reakcja łańcuchowa- grandininė branduolinė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: angl. reakcja łańcuchowa jądrowa vok. Kettenkernreaktion, f rus. reakcja łańcuchowa jądrowa, f pranc. réaction en chaîne nucléaire, f; réaction nucléaire en chaîne, f… Fizikos termin žodynas

Reakcja rozszczepienia jądra atomowe ciężkie pierwiastki pod działaniem neutronów, w każdym akcie roju wzrasta liczba neutronów, tak że może zachodzić samopodtrzymujący się proces rozszczepienia. Na przykład w rozszczepieniu jednego jądra izotopu uranu 235U pod działaniem ... Wielki encyklopedyczny słownik politechniczny

Jądrowa reakcja łańcuchowa- reakcja rozszczepienia jąder atomowych pod działaniem neutronów, w których w każdym akcie emitowany jest co najmniej jeden neutron, co zapewnia utrzymanie reakcji. Jest stosowany jako źródło energii w ładunkach jądrowych (wybuchowy centralny reaktor jądrowy) i reaktorach jądrowych ... ... Słownik terminów wojskowych

reakcja łańcuchowa rozszczepienia jądrowego- - [A.S. Goldberg. Angielsko-rosyjski słownik energetyczny. 2006] Tematy energii ogólnie EN reakcja rozbieżna ... Poradnik tłumacza technicznego

Samopodtrzymująca się jądrowa reakcja łańcuchowa- 7. Samopodtrzymująca się jądrowa reakcja łańcuchowa SCR Jądrowa reakcja łańcuchowa charakteryzująca się efektywnym mnożnikiem większym lub równym jeden