Condiții de reacție în lanț necesare reacției. Reacția nucleară în lanț

Reacția nucleară în lanț- o reacție de fisiune autosusținută a nucleelor grele, în care se produc neutroni în mod continuu, divând din ce în ce mai multe nuclee noi.Nucleul de uraniu-235 sub influența unui neutron este împărțit în două fragmente radioactive de masă inegală, zburând cu viteze mari. în laturi diferiteși doi sau trei neutroni. Reacții în lanț controlate efectuat în reactoare nucleare sau cazane nucleare. În prezent reacții în lanț controlate se efectuează pe izotopii de uraniu-235, uraniu-233 (obținut artificial din toriu-232), plutoniu-239 (obținut artificial din uriu-238), precum și plutoniu-241. O sarcină foarte importantă este izolarea izotopului său, uraniul-235, de uraniul natural. Încă de la primii pași ai dezvoltării tehnologiei nucleare, utilizarea uraniului-235, a cărui producție în formă pură a fost, totuși, dificil din punct de vedere tehnic, deoarece uraniul-238 și uraniul-235 sunt inseparabile chimic.

50.Reactoarele nucleare. Perspective de utilizare a energiei termonucleare.

Reactor nuclear este un dispozitiv în care are loc o reacție nucleară controlată în lanț, însoțită de eliberarea de energie. Primul reactor nuclear a fost construit și lansat în decembrie 1942 în SUA sub conducerea lui E. Fermi. Primul reactor construit în afara Statelor Unite a fost ZEEP, lansat în Canada pe 25 decembrie 1946. În Europa, primul reactor nuclear a fost instalația F-1, care a început să funcționeze la 25 decembrie 1946 la Moscova sub conducerea lui I.V. Kurchatov. Până în 1978, aproximativ o sută de reactoare nucleare de diferite tipuri funcționau deja în lume. Componentele oricărui reactor nuclear sunt: un miez cu combustibil nuclear, de obicei înconjurat de un reflector de neutroni, un lichid de răcire, un sistem de control al reacției în lanț, protecție împotriva radiațiilor și un sistem de control de la distanță. Vasul reactorului este supus uzurii (mai ales sub influența radiațiilor ionizante). Principala caracteristică a unui reactor nuclear este puterea sa. O putere de 1 MW corespunde unei reacții în lanț în care au loc 3·1016 evenimente de fisiune într-o secundă. Cercetările în fizica plasmei de înaltă temperatură se desfășoară în principal în legătură cu perspectiva creării unui reactor termonuclear. Parametrii cei mai apropiați de un reactor sunt instalațiile de tip tokamak. În 1968, s-a anunțat că instalația T-3 a atins o temperatură a plasmei de zece milioane de grade; tocmai pe dezvoltarea acestei direcții și-au concentrat eforturile oamenii de știință din multe țări în ultimele decenii.Prima demonstrație a unui sine. -sustinerea reactiei termonucleare ar trebui realizata la instalatia construita in Franta prin eforturile de tari diferite tokamak ITER. Utilizarea la scară largă a reactoarelor termonucleare în sectorul energetic este așteptată în a doua jumătate a secolului 21. Pe lângă tokamak-uri, există și alte tipuri de capcane magnetice pentru limitarea plasmei la temperatură înaltă, de exemplu așa-numitele capcane deschise. Datorită unui număr de caracteristici, ele pot reține plasmă de înaltă presiune și, prin urmare, au perspective bune ca surse puternice de neutroni termonucleari și, în viitor, ca reactoare termonucleare.

Progresul realizat în anul trecut la Institutul de Fizică Nucleară SB RAS în studiile capcanelor deschise axisimetrice moderne indică promisiunea acestei abordări. Aceste studii sunt în curs de desfășurare și, în același timp, BINP lucrează la un proiect pentru o instalație de generație următoare, care va putea deja să demonstreze parametrii plasmei apropiați de cei ai unui reactor.

Reacția nucleară în lanț- o secvență de reacții nucleare individuale, fiecare dintre acestea fiind cauzată de o particulă care a apărut ca produs de reacție la etapa anterioară a secvenței. Un exemplu de reacție nucleară în lanț este reacția în lanț de fisiune a nucleelor elementelor grele, în care majoritatea evenimentelor de fisiune sunt inițiate de neutroni produși prin fisiunea nucleelor din generația anterioară.

YouTube enciclopedic

1 / 3

Fizica nucleara. Reacții nucleare. Reacție în lanț de fisiune nucleară. CNE

Forțe nucleare Energia de legare a particulelor din nucleu Fisiunea nucleelor de uraniu Reacție în lanț

Reacții nucleare

Subtitrări

Mecanism de eliberare a energiei

Transformarea unei substanțe este însoțită de eliberarea de energie liberă numai dacă substanța are o rezervă de energie. Aceasta din urmă înseamnă că microparticulele unei substanțe se află într-o stare cu o energie de repaus mai mare decât într-o altă stare posibilă la care există o tranziție. O tranziție spontană este întotdeauna împiedicată de o barieră energetică, pentru a o depăși microparticula trebuie să primească o anumită cantitate de energie din exterior - energie de excitație. Reacția exoenergetică constă în faptul că în transformarea care urmează excitării se eliberează mai multă energie decât este necesară pentru excitarea procesului. Există două moduri de a depăși bariera energetică: fie datorită energiei cinetice a particulelor care se ciocnesc, fie datorită energiei de legare a particulei care se unește.

Dacă ținem cont de scara macroscopică a eliberării de energie, atunci toate sau inițial cel puțin o parte din particulele substanței trebuie să aibă energia cinetică necesară pentru a excita reacțiile. Acest lucru este realizabil doar prin creșterea temperaturii mediului până la o valoare la care energia mișcării termice se apropie de pragul de energie care limitează cursul procesului. În cazul transformărilor moleculare, adică al reacțiilor chimice, o astfel de creștere este de obicei de sute de kelvin, dar în cazul reacțiilor nucleare este de cel puțin 10 7 K datorită chiar altitudine inalta Bariere Coulomb ale nucleelor care se ciocnesc. Excitarea termică a reacțiilor nucleare se realizează în practică numai în timpul sintezei celor mai ușoare nuclee, în care barierele Coulomb sunt minime (fuziune termonucleară).

Excitarea prin unirea particulelor nu necesită mult energie kinetică, și, prin urmare, nu depinde de temperatura mediului, deoarece apare din cauza legăturilor neutilizate inerente particulelor de forțe atractive. Dar pentru a excita reacțiile, particulele în sine sunt necesare. Și dacă ne referim din nou nu la un act separat de reacție, ci la producerea de energie la scară macroscopică, atunci acest lucru este posibil numai atunci când are loc o reacție în lanț. Acesta din urmă apare atunci când particulele care excită reacția reapar ca produse ale unei reacții exoenergetice.

Reacții în lanț

Reacțiile în lanț sunt comune printre reacții chimice, unde rolul particulelor cu legături neutilizate este jucat de atomii liberi sau radicalii. Mecanismul de reacție în lanț în timpul transformărilor nucleare poate fi asigurat de neutroni care nu au o barieră Coulomb și excită nucleii la absorbție. Apariția particulei necesare în mediu determină un lanț de reacții care urmează una după alta, care continuă până când lanțul se rupe din cauza pierderii particulei purtătoare de reacție. Există două motive principale pentru pierderi: absorbția unei particule fără emisia uneia secundare și plecarea particulei dincolo de volumul substanței care susține procesul în lanț. Dacă în fiecare act de reacție apare o singură particulă purtătoare, atunci se numește reacția în lanț neramificată. O reacție în lanț neramificată nu poate duce la eliberarea de energie pe scară largă.

Dacă în fiecare act de reacție sau în unele verigi ale lanțului apare mai mult de o particulă, atunci are loc o reacție în lanț ramificat, deoarece una dintre particulele secundare continuă lanțul început, în timp ce celelalte dau naștere la noi lanțuri care se ramifică din nou. Adevărat, procesele care duc la rupere în lanț concurează cu procesul de ramificare, iar situația rezultată dă naștere unor fenomene limitative sau critice specifice reacțiilor în lanț ramificat. Dacă numărul de circuite întrerupte este mai mare decât numărul de circuite noi care apar, atunci reacție în lanț auto-susținută(SCR) se dovedește a fi imposibil. Chiar dacă este excitat artificial prin introducerea unei anumite cantități de particule necesare în mediu, atunci, deoarece numărul de lanțuri în acest caz poate doar să scadă, procesul care a început se estompează rapid. Dacă numărul de lanțuri noi formate depășește numărul de rupturi, reacția în lanț se răspândește rapid în întregul volum al substanței atunci când apare cel puțin o particulă inițială.

Regiunea stărilor materiei cu dezvoltarea unei reacții în lanț autosusținută este separată de regiunea în care o reacție în lanț este în general imposibilă, condiție critică. Starea critică este caracterizată de egalitatea între numărul de circuite noi și numărul de întreruperi.

Atingerea unei stări critice este determinată de o serie de factori. Fisiunea unui nucleu greu este excitată de un neutron, iar în urma actului de fisiune apar mai mult de un neutron (de exemplu, pentru 235 U numărul de neutroni produși într-un act de fisiune este în medie de la 2 la 3). În consecință, procesul de fisiune poate da naștere unei reacții în lanț ramificat, ai cărei purtători vor fi neutronii. Dacă rata pierderilor de neutroni (captură fără fisiune, scăpare din volumul de reacție etc.) compensează viteza de multiplicare a neutronilor în așa fel încât coeficientul efectiv de multiplicare a neutronilor să fie exact egal cu unitatea, atunci reacția în lanț are loc într-un modul staționar. Introducerea feedback-ului negativ între factorul de multiplicare efectiv și rata de eliberare a energiei permite o reacție în lanț controlată, care este utilizată, de exemplu, în energia nucleară. Dacă factorul de multiplicare este mai mare de unu, reacția în lanț se dezvoltă exponențial; reacția în lanț de fisiune necontrolată este utilizată în

Este un proces în care o reacție efectuată provoacă reacții ulterioare de același tip.

În timpul fisiunii unui nucleu de uraniu, neutronii rezultați pot provoca fisiunea altor nuclee de uraniu, iar numărul de neutroni crește ca o avalanșă.

Raportul dintre numărul de neutroni produși într-un eveniment de fisiune și numărul de astfel de neutroni din evenimentul de fisiune anterior se numește factor de multiplicare a neutronilor k.

Când k este mai mic decât 1, reacția decade, deoarece numărul de neutroni absorbiți mai mult număr nou format.
Când k este mai mare de 1, o explozie are loc aproape instantaneu.
Când k este egal cu 1, are loc o reacție în lanț staționară controlată.

Reacția în lanț este însoțită de eliberare cantitate mare energie.

Pentru a efectua o reacție în lanț, nu este posibil să se utilizeze niciun nuclee care fisiunea sub influența neutronilor.

Folosit ca combustibil pentru reactoare nucleare element chimic Uraniul constă în mod natural din doi izotopi: uraniu-235 și uraniu-238.

În natură, izotopii de uraniu-235 reprezintă doar 0,7% din rezerva totală de uraniu, dar sunt cei care se potrivesc pentru realizarea unei reacții în lanț, deoarece fisiune sub influența neutronilor lenți.

Nucleele de uraniu-238 pot fi fisiune numai sub influența neutronilor de înaltă energie (neutroni rapizi). Doar 60% dintre neutronii produși în timpul fisiunii nucleului de uraniu-238 au această energie. Aproximativ doar 1 din 5 neutroni produși cauzează fisiunea nucleară.

Condiții pentru o reacție în lanț în uraniu-235:

Cantitatea minimă de combustibil (masă critică) necesară pentru a efectua o reacție în lanț controlată în reactor nuclear
- viteza neutronilor ar trebui să provoace fisiunea nucleelor de uraniu
- absenta impuritatilor care absorb neutronii

Masa critica:

Dacă masa de uraniu este mică, neutronii vor zbura în afara acestuia fără a reacționa
- dacă masa uraniului este mare, este posibilă o explozie datorită creșterii puternice a numărului de neutroni
- dacă masa corespunde masei critice, are loc o reacție în lanț controlată

Pentru uraniu-235, masa critică este de 50 kg (aceasta este, de exemplu, o minge de uraniu cu un diametru de 9 cm).

Prima reacție în lanț controlată - SUA în 1942 (E. Fermi)
În URSS - 1946 (I.V. Kurchatov).

Legea lui Faraday a inducției electromagnetice este legea de bază a electrodinamicii referitoare la principiile de funcționare a transformatoarelor, bobinelor și multor tipuri de motoare electrice

Și generatoare. Legea prevede:

Legea lui Faraday ca două fenomene diferite[modifica | editați textul wiki]

Unii fizicieni notează că legea lui Faraday descrie două fenomene diferite într-o singură ecuație: EMF motor, generată de acțiunea unei forțe magnetice asupra unui fir în mișcare și transformator EMF, generată de acțiunea forței electrice datorată modificărilor camp magnetic. James Clerk Maxwell a atras atenția asupra acestui fapt în lucrarea sa Despre liniile fizice de forțăîn 1861. În a doua jumătate a părții a II-a a acestei lucrări, Maxwell oferă o explicație fizică separată pentru fiecare dintre aceste două fenomene. Legătură cu aceste două aspecte inductie electromagnetica disponibile în unele manualele moderne. După cum scrie Richard Feynman:

Legea lui Lorentz[modifica | editați textul wiki]

Încărca qîn conductorul din partea stângă a buclei experimentează forța Lorentz q v× B k = −q v B(x C − w / 2) j (j,k- vectori unitari în direcții yȘi z; vezi produsul vectorial al vectorilor), care provoacă fem (muncă pe unitate de sarcină) v ℓ B(x C − w / 2) pe toată lungimea părții stângi a buclei. Pe partea dreapta bucla raționament similar arată că emf este egală cu v ℓ B(x C + w / 2). Două EMF una față de cealaltă împing sarcina pozitivă spre partea de jos a buclei. În cazul în care câmpul B crește de-a lungul x, forța pe partea dreaptă va fi mai mare și curentul va curge în sensul acelor de ceasornic. Folosind regula mana dreapta, obținem că câmpul B, creat de curent, este opus câmpului aplicat. EMF care provoacă curentul trebuie să crească în sens invers acelor de ceasornic (spre deosebire de curent). Adăugând fem-ul în sens invers acelor de ceasornic de-a lungul buclei, găsim:

Legea lui Faraday[modifica | editați textul wiki]

O abordare intuitivă atractivă, dar defectuoasă a utilizării regulii de curgere exprimă fluxul printr-un circuit ca Φ B = B wℓ, unde w- latimea buclei mobile. Această expresie este independentă de timp, deci rezultă în mod incorect că nu este generată nicio emf. Eroarea din această afirmație este că nu ia în considerare întreaga cale a curentului prin bucla închisă.

Pentru utilizarea corectă regulile de curgere trebuie să luăm în considerare întregul drum curent, care include calea prin jantele de pe jantele superioare și inferioare. Putem alege o cale închisă arbitrară prin jante și bucla rotativă și, folosind legea fluxului, găsim fem-ul de-a lungul acestei căi. Orice cale care include un segment adiacent unei bucle rotative ia în considerare mișcarea relativă a părților lanțului.

Ca exemplu, luați în considerare o cale care trece în partea superioară a lanțului în direcția de rotație a discului superior și în partea inferioară a lanțului - în direcția opusă față de discul inferior (indicat de săgețile din fig. . 4). În acest caz, dacă bucla rotativă a deviat cu un unghi θ de la bucla colector, atunci poate fi considerată ca parte a unui cilindru cu o zonă A = rℓθ. Această zonă este perpendiculară pe câmp B, iar contribuția sa la flux este egală cu:

unde semnul este negativ deoarece conform regulii din dreapta câmpul B , generat de o buclă cu curent, opus în direcție câmpului aplicat B". Deoarece aceasta este doar partea dependentă de timp a fluxului, conform legii fluxului, fem este:

în conformitate cu formula legii lui Lorentz.

Acum luați în considerare o altă cale, în care alegem să trecem de-a lungul marginilor discurilor prin segmente opuse. În acest caz, firul asociat va fi scădea cu creșterea θ, dar conform regulii din dreapta, bucla de curent adaugă câmp atașat B, prin urmare EMF pentru această cale va fi exact aceeași valoare ca și pentru prima cale. Orice cale de întoarcere mixtă produce același rezultat pentru valoarea emf, deci nu contează cu adevărat calea pe care o parcurgeți.

O reacție termonucleară este un tip de reacție nucleară în care nucleele atomice ușoare se combină în altele mai grele datorită energiei cinetice a mișcării lor termice. Originea termenului[modifica | editați textul wiki]

Pentru ca o reacție nucleară să aibă loc, nucleele atomice originale trebuie să depășească așa-numita „barieră Coulomb” - forța de repulsie electrostatică dintre ele. Pentru a face acest lucru, trebuie să aibă energie cinetică mare. Conform teoriei cinetice, energia cinetică a microparticulelor în mișcare ale unei substanțe (atomi, molecule sau ioni) poate fi reprezentată ca temperatură și, prin urmare, prin încălzirea substanței se poate realiza o reacție nucleară. Această relație dintre încălzirea unei substanțe și o reacție nucleară este reflectată de termenul „reacție termonucleară”.

Bariera Coulomb[modifica | editați textul wiki]

Nucleele atomice au o sarcină electrică pozitivă. La distanțe mari, sarcinile lor pot fi ecranate de electroni. Totuși, pentru ca fuziunea nucleelor să aibă loc, acestea trebuie să se apropie unul de celălalt la o distanță la care operează interacțiunea puternică. Această distanță este de ordinul mărimii nucleelor înșiși și de multe ori dimensiune mai mică atom. La astfel de distanțe, învelișurile de electroni ale atomilor (chiar dacă s-au păstrat) nu mai pot apăra sarcinile nucleelor, astfel încât aceștia experimentează o puternică repulsie electrostatică. Forța acestei respingeri, în conformitate cu legea lui Coulomb, este invers proporțională cu pătratul distanței dintre sarcini. La distanțe de ordinul mărimii nucleelor, magnitudinea interacțiunii puternice, care tinde să le lege, începe să crească rapid și devine mai mare decât magnitudinea repulsiei Coulomb.

Astfel, pentru a reacționa, nucleele trebuie să depășească o barieră potențială. De exemplu, pentru reacția deuteriu-tritiu, valoarea acestei bariere este de aproximativ 0,1 MeV. Pentru comparație, energia de ionizare a hidrogenului este de 13 eV. Prin urmare, substanța care participă la reacția termonucleară va fi o plasmă aproape complet ionizată.

Temperatura echivalentă cu 0,1 MeV este de aproximativ 10 9 K, totuși există două efecte care scad temperatura necesară pentru o reacție de fuziune:

· În primul rând, temperatura caracterizează doar energia cinetică medie, există particule cu energie atât mai mică, cât și mai mare. De fapt, o reacție termonucleară implică un număr mic de nuclee care au o energie mult mai mare decât media (așa-numita „coada distribuției maxwelliene”

· În al doilea rând, datorită efectelor cuantice, nucleele nu au neapărat o energie care depășește bariera coulombiană. Dacă energia lor este puțin mai mică decât bariera, este mai probabil să treacă prin ea. [ sursa nespecificata 339 de zile]

Reacții termonucleare[modifica | editați textul wiki]

Unele dintre cele mai importante reacții termonucleare exoterme cu secțiuni transversale mari:

(1)

→

4El

(3,5 MeV)

(14,1 MeV)

(2)

→

(1,01 MeV)

(3,02 MeV)

(50 %)

(3)

→

3El

(0,82 MeV)

(2,45 MeV)

(50 %)

(4)

3El

→

4El

(3,6 MeV)

(14,7 MeV)

(5)

→

4El

+ 11,3 MeV

(6)

3El

→

4El

(7)

3El

→

4El

+ 12,1 MeV

(51 %)

(8)

→

4El

(4,8 MeV)

(9,5 MeV)

(43 %)

(9)

→

4El

(0,5 MeV)

(1,9 MeV)

(11,9 MeV)

(6 %)

(10)

6Li

→

4El

+ 22,4 MeV -

(11)

6Li

→

4El

(1,7 MeV)

3El

(2,3 MeV)-

(12)

3El

6Li

→

4El

+ 16,9 MeV

(13)

11B

→

4El

+ 8,7 MeV

(14)

6Li

→

4El

+ 4,8 MeV

Cataliza muonilor[modifica | editați textul wiki]

Articolul principal: Cataliza muonilor

Reacția termonucleară poate fi facilitată semnificativ prin introducerea de muoni încărcați negativ în plasma de reacție.

Muonii µ − , interacționând cu combustibilul termonuclear, formează mezomolecule în care distanța dintre nucleele atomilor de combustibil este oarecum mai mică, ceea ce facilitează apropierea acestora și, în plus, crește probabilitatea tunelării nucleelor prin bariera coulombiană.

Numărul de reacții de sinteză Xc, inițiat de un muon, este limitat de valoarea coeficientului de lipire a muonului. Experimental, a fost posibil să se obțină valori de X c ~ 100, adică un muon este capabil să elibereze energie ~ 100 × X MeV, unde X este puterea de ieșire a reacției catalizate.

Până acum, cantitatea de energie eliberată este mai mică decât costurile energetice pentru producerea muonului în sine (5-10 GeV). Astfel, cataliza muonilor este încă un proces nefavorabil din punct de vedere energetic. Comercial producție profitabilă energia folosind cataliza muonilor este posibilă cu Xc ~ 10 4 .

Aplicație[modifica | editați textul wiki]

Utilizarea reacției termonucleare ca sursă de energie practic inepuizabilă este asociată în primul rând cu perspectiva stăpânirii tehnologiei fuziunii termonucleare controlate (CTF). În prezent, baza științifică și tehnologică nu permite utilizarea CTS la scară industrială.

În același timp, reacția termonucleară necontrolată și-a găsit aplicația în afacerile militare. Primul dispozitiv exploziv termonuclear a fost testat în noiembrie 1952 în Statele Unite, iar deja în august 1953, un dispozitiv exploziv termonuclear sub forma unei bombe aeriene a fost testat în Uniunea Sovietică. Puterea unui dispozitiv exploziv termonuclear (spre deosebire de unul atomic) este limitată doar de cantitatea de material folosită pentru a-l crea, ceea ce face posibilă crearea dispozitivelor explozive de aproape orice putere.

BILET 27 întrebarea 1

Fenomen de autoinducție

Am studiat deja că un câmp magnetic apare în apropierea unui conductor care transportă curent. De asemenea, am studiat că un câmp magnetic alternativ generează un curent (fenomenul inducției electromagnetice). Sa luam in considerare circuit electric. Când puterea curentului se schimbă în acest circuit, câmpul magnetic se va modifica, drept urmare un suplimentar curent indus. Acest fenomen se numește auto-inducere, iar curentul care apare în acest caz se numește curent de autoinducție.

Fenomenul de auto-inducție este apariția unui EMF într-un circuit conductor, creat ca urmare a unei modificări a intensității curentului în circuitul însuși.

Inductanța circuitului depinde de forma și dimensiunea acestuia proprietăți magnetice mediu inconjuratorși nu depinde de puterea curentului din circuit.

EMF autoindusă determinat de formula:

Fenomenul de autoinducție este similar cu fenomenul de inerție. La fel ca în mecanică este imposibil să oprești instantaneu un corp în mișcare, așadar un curent nu poate dobândi instantaneu o anumită valoare datorită fenomenului de auto-inducție. Dacă o bobină este conectată în serie cu a doua lampă într-un circuit format din două lămpi identice conectate în paralel la o sursă de curent, atunci când circuitul este închis, prima lampă se aprinde aproape imediat, iar a doua cu o întârziere vizibilă.

Când circuitul este deschis, puterea curentului scade rapid, iar fem-ul de auto-inducție rezultat împiedică scăderea fluxului magnetic. În acest caz, curentul indus este direcționat în același mod ca și cel inițial. FEM autoindusă poate fi de multe ori mai mare decât CEM externă. Prin urmare, becurile se ard foarte des atunci când luminile sunt stinse.

Energia câmpului magnetic

Energia câmpului magnetic al unui circuit purtător de curent:

Radiația radioactivă este radiația pe care un izotop o eliberează în timpul dezintegrarii. Are trei varietăți: raze alfa (fluxul nucleelor atomice de heliu), raze beta (fluxul electronilor) și raze gamma ( radiatie electromagnetica). Pentru oameni, cea mai periculoasă este radiația gamma.

Doza de radiație absorbită este egală cu raportul dintre energia primită de corp și masa corporală. Doza de absorbție este desemnată cu litera D și se măsoară în gri.

În practică, unitatea de măsură este și roentgenul (R), egal cu 2,58 ori 10 la puterea lui minus 4 coulomb, împărțit la kilogram.

Radiațiile absorbite se pot acumula în timp, iar doza acesteia crește cu cât durează mai mult iradierea.

Rata dozei este determinată de raportul dintre doza de radiație absorbită și timpul de iradiere. Este desemnat prin litera N și se măsoară în gri împărțit pe secundă.

Pentru om doză letală radiația absorbită este echivalentă cu 6 Gy. Doza maximă admisă de radiații pentru oameni este de 0,05 Gy pe an.

BILET 28 Întrebarea 1

O particulă elementară este un termen colectiv care se referă la micro-obiecte la scară subnucleară care nu pot fi împărțite în părțile lor componente.

Trebuie avut în vedere că unele particule elementare ( electron, neutrini, quarcuri etc.) pe acest moment sunt considerate fără structură și sunt considerate primare particule fundamentale . Alte particule elementare (așa-numitele particule compozite , inclusiv particulele care alcătuiesc nucleul atom - protoniȘi neutroni) au o structură internă complexă, dar, cu toate acestea, conform ideilor moderne, este imposibil să le împărțim în părți din cauza efectului izolarea.

În total cu antiparticule Au fost descoperite peste 350 de particule elementare. Dintre aceștia, fotonii, electronii și muonii neutrini, electroni, protoni și antiparticulele lor sunt stabile. Particulele elementare rămase se descompun spontan într-un timp de la aproximativ 1000 de secunde (pentru un neutron liber) până la o fracțiune neglijabilă de secundă (de la 10 -24 la 10 -22, pentru rezonanțe).

Cu oscilațiile electromagnetice apar modificări periodice ale sarcinii electrice, curentului și tensiunii Oscilațiile electromagnetice sunt împărțite în gratuit, decolorarea, forţatși auto-oscilații.

Oscilațiile libere se numesc oscilații care apar într-un sistem (condensator și bobină) după ce acesta este scos dintr-o poziție de echilibru (atunci când o sarcină este transmisă condensatorului). Mai precis, oscilațiile electromagnetice libere apar atunci când un condensator este descărcat printr-un inductor. Forţat oscilațiile se numesc oscilații într-un circuit sub influența unei forțe electromotoare externe care se schimbă periodic.

Cel mai simplu sistem, în care se observă oscilații electromagnetice libere, este circuit oscilator.It constă dintr-un inductor și un condensator.Acest proces se va repeta iar și iar. va apărea vibratii electromagnetice datorită conversiei energiei câmp electric condensator.

· Condensatorul, fiind incarcat de la baterie, va capata o incarcare maxima in momentul initial de timp. Energia lui Noi va fi maximă (Fig. a).

· Dacă condensatorul este scurtcircuitat la o bobină, atunci în acest moment va începe să se descarce (Fig. b). Curentul va apărea în circuit. Pe măsură ce condensatorul se descarcă, curentul din circuit și din bobină crește. Datorită fenomenului de auto-inducție, acest lucru nu se întâmplă instantaneu. Energia bobinei W m devine maximă (Fig. c).

· Curentul de inducție circulă în aceeași direcție. Sarcinile electrice se acumulează din nou pe condensator. Condensatorul este reîncărcat, adică Placa condensatorului, încărcată anterior pozitiv, va deveni încărcată negativ. Energia condensatorului devine maximă. Curentul în acest sens se va opri, iar procesul se va repeta în sens opus (Fig. d). Acest proces va fi repetat din nou și din nou. va apărea vibratii electromagnetice datorită conversiei energiei câmpului electric al condensatorului în energia câmpului magnetic al bobinei curente și invers. Dacă nu există pierderi (rezistența R = 0), atunci puterea curentului, sarcina și tensiunea se modifică în timp conform unei legi armonice. Oscilațiile care apar conform legii cosinusului sau sinusului se numesc armonice. Ecuația oscilației armonice a sarcinii: .

Un circuit în care nu există pierderi de energie este un circuit oscilator ideal. Perioada oscilațiilor electromagneticeîntr-un circuit oscilator ideal depinde de inductanța bobinei și de capacitatea condensatorului și se găsește conform formula lui Thomson unde L este inductanța bobinei, C este capacitatea condensatorului, T este perioada oscilațiilor electrice.
Într-un circuit oscilator real, vor fi oscilații electromagnetice libere decolorare din cauza pierderilor de energie la încălzirea firelor. Pentru aplicație practică Este important să se obțină oscilații electromagnetice neamortizate, iar pentru aceasta este necesară completarea circuitului oscilant cu energie electrică pentru a compensa pierderile de energie de la generatorul de oscilații neamortizate, care este un exemplu de sistem auto-oscilant.

Biletul 29 întrebarea 1

Antiparticulă - o particulă dublă a altora particulă elementară , având la fel masa si la fel a învârti, care diferă de acesta prin semnele tuturor celorlalte caracteristici de interacțiune (taxele precum electricȘi culoareîncărcături, barion și lepton numere cuantice).

Însăși definiția a ceea ce să numiți „particulă” într-o pereche particule-antiparticule este în mare măsură arbitrară. Cu toate acestea, pentru o anumită alegere de „particulă”, antiparticula acesteia este determinată în mod unic. Conservarea numărului de barion în procesele de interacțiune slabă face posibilă determinarea „particulei” din orice pereche barion-antibarion din lanțul dezintegrarilor barionului. Alegerea unui electron ca „particulă” în perechea electron-pozitron se fixează (datorită conservării numărului de leptoni în procese interacțiune slabă) determinarea stării unei „particule” într-o pereche de electroni neutrino-antineutrini. Nu s-au observat tranziții între leptoni de diferite generații (tip ), astfel încât definirea unei „particule” în fiecare generație de leptoni, în general vorbind, se poate face independent. De obicei, prin analogie cu un electron, „particulele” sunt numite încărcate negativ leptoni, care, păstrând numărul lepton, determină corespunzătoare neutriniȘi antineutrino. Pentru bozoni conceptul de „particulă” poate fi fixat prin definiție, de exemplu, hiperîncărcare.

Diagrama dispozitivului bombă nucleară

Reacție în lanț de fisiune

Neutronii secundari emiși în timpul fisiunii nucleare (2,5 pe act de fisiune) pot provoca noi acte de fisiune, ceea ce face posibilă o reacție în lanț. Reacția de fisiune în lanț este caracterizată de factorul de multiplicare a neutronilor K, care este egal cu raportul dintre numărul de neutroni dintr-o anumită generație și numărul lor din generația anterioară. O condiție necesară dezvoltarea unei reacţii în lanţ de fisiune este . Cu mai puțin, reacția este imposibilă. Când reacția are loc la un număr constant de neutroni (putere constantă a energiei eliberate). Aceasta este o reacție care se autosusține. At - reacție amortizată. Factorul de multiplicare depinde de natura materialului fisionabil, de mărimea și forma miezului. Greutate minima Substanța fisionabilă necesară pentru ca o reacție în lanț să aibă loc se numește critică. Pentru masa critică este de 9 kg, în timp ce raza bilei de uraniu este de 4 cm.

Reacțiile în lanț pot fi controlate sau necontrolabile. Explozia unei bombe atomice este un exemplu de reacție necontrolată. Sarcina nucleară a unei astfel de bombe este de două sau mai multe bucăți de aproape pur sau. Masa fiecărei piese este mai mică decât critică, deci nu are loc o reacție în lanț. Prin urmare, pentru a avea loc o explozie, este suficient să combinați aceste piese într-o singură bucată, cu o masă mai mare decât cea critică. Acest lucru trebuie făcut foarte repede, iar legătura pieselor trebuie să fie foarte strânsă. În caz contrar, sarcina nucleară se va destrăma înainte de a avea timp să reacționeze. Pentru conectare se folosește un exploziv obișnuit. Învelișul servește ca un reflector de neutroni și, în plus, împiedică încărcarea nucleară să pulverizeze până când numărul maxim de nuclee eliberează toată energia în timpul fisiunii. Reacție în lanț în bombă atomică rulează pe neutroni rapizi. În timpul unei explozii, doar o parte din neutronii unei sarcini nucleare au timp să reacționeze. Reacția în lanț duce la eliberarea de energie colosală. Temperatura care se dezvoltă ajunge la grade. Forța distructivă a bombei aruncate asupra Hiroshima de către americani a fost echivalentă cu explozia a 20.000 de tone de trinitrotoluen. Puterea noii arme este de sute de ori mai mare decât cea a primei. Dacă adăugăm la aceasta că o explozie atomică produce un număr imens de fragmente de fisiune, inclusiv cele foarte longevive, atunci devine evident ce pericol teribil reprezintă aceste arme pentru omenire.

Prin schimbarea factorului de multiplicare a neutronilor se poate realiza o reacție în lanț controlată. Dispozitivul în care se realizează răspuns controlat, se numește reactor nuclear. Materialul fisionabil este uraniu natural sau îmbogățit. Pentru a preveni captarea radiativă a neutronilor de către nucleele de uraniu, blocuri relativ mici de material fisionabil sunt plasate la o oarecare distanță unele de altele, iar golurile sunt umplute cu o substanță care moderează neutronii (moderator). Moderarea neutronilor apare din cauza împrăștierii elastice. În acest caz, energia pierdută de particulele care este încetinită depinde de raportul dintre masele particulelor care se ciocnesc. Suma maximă energie se pierde dacă particulele au aceeași masă. Deuteriul, grafitul și beriliul îndeplinesc această condiție. Primul reactor de uraniu-grafit a fost lansat în 1942 la Universitatea din Chicago sub conducerea remarcabilului fizician italian Fermi. Pentru a explica principiul de funcționare al reactorului, luați în considerare o diagramă tipică a unui reactor cu neutroni termici din Fig. 1.

Fig.1.

În miezul reactorului există elemente de combustibil 1 și moderator 2, care încetinește neutronii la viteze termice. Elementele de combustibil (barele de combustibil) sunt blocuri de material fisionabil închise într-o carcasă etanșă care absoarbe slab neutronii. Datorită energiei eliberate în timpul fisiunii nucleare, elementele de combustibil sunt încălzite și, prin urmare, pentru răcire, sunt plasate în fluxul de lichid de răcire (3-5 - canal de răcire). Miezul este înconjurat de un reflector care reduce scurgerea de neutroni. Reacția în lanț este controlată de tije speciale de control realizate din materiale care absorb puternic neutronii. Parametrii reactorului sunt calculați astfel încât atunci când tijele sunt introduse complet, reacția evident că nu are loc. Pe măsură ce tijele sunt îndepărtate treptat, factorul de multiplicare a neutronilor crește și la o anumită poziție ajunge la unitate. În acest moment reactorul începe să funcționeze. Pe măsură ce reactorul funcționează, cantitatea de material fisionabil din miez scade și devine contaminat cu fragmente de fisiune, care pot include absorbanți puternici de neutroni. Pentru a preveni oprirea reacției, tijele de control sunt îndepărtate treptat din miez folosind un dispozitiv automat. Un astfel de control al reacțiilor este posibil datorită existenței neutronilor întârziați emiși de nucleele fisionabile cu o întârziere de până la 1 minut. Când combustibilul nuclear se stinge, reacția se oprește. Înainte ca reactorul să fie repornit, combustibilul nuclear ars este îndepărtat și este încărcat combustibil nou. Reactorul are și tije de urgență, a căror introducere oprește imediat reacția. Un reactor nuclear este o sursă puternică de radiație penetrantă, de aproximativ ori mai mare decât standardele sanitare. Prin urmare, orice reactor are protecție biologică - un sistem de ecrane din materiale de protecție (de exemplu, beton, plumb, apă) - situat în spatele reflectorului său și o telecomandă.

Pentru prima dată energia nucleară a fost folosită în scopuri pașnice în URSS. La Obninsk, în 1954, sub conducerea lui Kurchatov, a fost pusă în funcțiune prima centrală nucleară cu o capacitate de 5 MW.

Cu toate acestea, reactoarele cu neutroni termici cu uraniu pot rezolva problema alimentării cu energie la o scară limitată, care este determinată de cantitatea de uraniu.

Cea mai promițătoare modalitate de a dezvolta energia nucleară este dezvoltarea reactoarelor cu neutroni rapizi, așa-numitele reactoare de reproducere. Un astfel de reactor produce mai mult combustibil nuclear decât consumă. Reacția se desfășoară cu neutroni rapizi, deci nu numai, ci și poate participa la ea, care se transformă în. Acesta din urmă poate fi separat chimic de. Acest proces se numește creșterea combustibilului nuclear. În reactoarele speciale de reproducere, factorul de generare a combustibilului nuclear depășește unu. Miezul reproducătorilor este un aliaj de uraniu îmbogățit cu izotopi cu un metal greu care absoarbe puțini neutroni. Reactoarele de reproducere nu au un moderator. Controlul unor astfel de reactoare prin deplasarea reflectorului sau modificarea masei materialului fisionabil.

Reacția nucleară în lanț

Reacția nucleară în lanț- o secvență de reacții nucleare individuale, fiecare dintre acestea fiind cauzată de o particulă care a apărut ca produs de reacție la etapa anterioară a secvenței. Un exemplu de reacție nucleară în lanț este o reacție în lanț de fisiune a nucleelor elementelor grele, în care numărul principal de evenimente de fisiune este inițiat de neutronii obținuți în timpul fisiunii nucleelor din generația anterioară.

Mecanism de eliberare a energiei

Dacă ținem cont de scara macroscopică a eliberării de energie, atunci toate sau inițial cel puțin o parte din particulele substanței trebuie să aibă energia cinetică necesară pentru a excita reacțiile. Acest lucru este realizabil doar prin creșterea temperaturii mediului până la o valoare la care energia mișcării termice se apropie de pragul de energie care limitează cursul procesului. În cazul transformărilor moleculare, adică al reacțiilor chimice, o astfel de creștere este de obicei de sute de kelvin, dar în cazul reacțiilor nucleare este de cel puțin 10 7 K din cauza înălțimii foarte mari a barierelor Coulomb a nucleelor care se ciocnesc. Excitarea termică a reacțiilor nucleare se realizează în practică numai în timpul sintezei celor mai ușoare nuclee, în care barierele Coulomb sunt minime (fuziune termonucleară).

Excitarea prin unirea particulelor nu necesită energie cinetică mare și, prin urmare, nu depinde de temperatura mediului, deoarece apare din cauza legăturilor neutilizate inerente forțelor atractive ale particulelor. Dar pentru a excita reacțiile, particulele în sine sunt necesare. Și dacă ne referim din nou nu la un act separat de reacție, ci la producerea de energie la scară macroscopică, atunci acest lucru este posibil numai atunci când are loc o reacție în lanț. Acesta din urmă apare atunci când particulele care excită reacția reapar ca produse ale unei reacții exoenergetice.

Reacții în lanț

Reacțiile în lanț sunt larg răspândite printre reacțiile chimice, unde rolul particulelor cu legături neutilizate este jucat de atomii liberi sau radicalii. Mecanismul de reacție în lanț în timpul transformărilor nucleare poate fi asigurat de neutroni care nu au o barieră Coulomb și excită nucleii la absorbție. Apariția particulei necesare în mediu determină un lanț de reacții care urmează una după alta, care continuă până când lanțul se rupe din cauza pierderii particulei purtătoare de reacție. Există două motive principale pentru pierderi: absorbția unei particule fără emisia uneia secundare și plecarea particulei dincolo de volumul substanței care susține procesul în lanț. Dacă în fiecare act de reacție apare o singură particulă purtătoare, atunci se numește reacția în lanț neramificată. O reacție în lanț neramificată nu poate duce la eliberarea de energie pe scară largă.

Atingerea unei stări critice este determinată de o serie de factori. Fisiunea unui nucleu greu este excitată de un neutron, iar în urma actului de fisiune apar mai mult de un neutron (de exemplu, pentru 235 U numărul de neutroni produși într-un act de fisiune este în medie de 2,5). În consecință, procesul de fisiune poate da naștere unei reacții în lanț ramificat, ai cărei purtători vor fi neutronii. Dacă rata pierderilor de neutroni (captură fără fisiune, scăpare din volumul de reacție etc.) compensează viteza de multiplicare a neutronilor în așa fel încât factorul efectiv de multiplicare a neutronilor să fie exact egal cu unitatea, atunci reacția în lanț are loc într-un modul staționar. Introducerea feedback-ului negativ între factorul de multiplicare efectiv și rata de eliberare a energiei permite o reacție în lanț controlată, care este utilizată, de exemplu, în energia nucleară. Dacă factorul de multiplicare este mai mare de unu, reacția în lanț se dezvoltă exponențial; reacția de fisiune în lanț este folosită în armele nucleare.

Vezi si

Reacție chimică în lanț

Literatură

Klimov A.N. Fizică nucleară și reactoare nucleare.- M. Atomizdat, .
Levin V. E. Fizică nucleară și reactoare nucleare/ a 4-a ed. - M.: Atomizdat, .
Petunin V.P. Ingineria termoenergetica a instalatiilor nucleare.- M.: Atomizdat, .

Fundația Wikimedia. 2010.

Vedeți ce este „reacția nucleară în lanț” în alte dicționare:

Reacția nucleară în lanț este o secvență de reacții nucleare excitate de particule (de exemplu, neutroni) născute în fiecare eveniment de reacție. În funcție de numărul mediu de reacții care urmează uneia anterioară, este mai mic decât, egal cu sau... ... Termenii energiei nucleare

reacție nucleară în lanț- O secvență de reacții nucleare excitate de particule (de exemplu, neutroni) născute în fiecare eveniment de reacție. În funcție de numărul mediu de reacții care urmează unei reacții anterioare, mai puțin, egal sau mai mare decât unul... ...

reacție nucleară în lanț- grandininė branduolinė reakcija statusas T sritis fizika atitikmenys: engl. reacție nucleară în lanț vok. Kettenkernreaktion, f rus. reacție nucleară în lanț, f pranc. réaction en chaîne nucleară, f; réaction nucléaire en chaîne, f … Fizikos terminų žodynas

Reacție de fisiune nuclee atomice elemente grele sub influența neutronilor, în fiecare roi numărul de neutroni crește, astfel încât să se producă un proces de fisiune auto-susținut. De exemplu, în timpul fisiunii unui nucleu al izotopului de uraniu 235U sub influența ... Big Enciclopedic Polytechnic Dictionary

Reacția nucleară în lanț- reacţia de fisiune a nucleelor atomice sub influenţa neutronilor, în fiecare act din care se emite cel puţin un neutron, care asigură menţinerea reacţiei. Folosit ca sursă de energie în încărcături nucleare (reactoare nucleare explozive) și reactoare nucleare... ... Glosar de termeni militari

reacție în lanț de fisiune nucleară cu neutroni- - [A.S. Goldberg. Dicționar energetic englez-rus. 2006] Subiecte: energie în general EN reacție divergentă... Ghidul tehnic al traducătorului

Reacție nucleară în lanț autosusținută- 7. Reacție nucleară în lanț autosusținută SCR O reacție nucleară în lanț caracterizată printr-un factor de multiplicare efectiv mai mare sau egal cu unitatea