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 lanț reacție nucleară este o reacție în lanț de fisiune a nucleelor ​​elementelor grele, în care numărul principal de evenimente de fisiune este inițiat de neutroni obținuți în timpul fisiunii nucleelor ​​din generația anterioară.

YouTube enciclopedic

    1 / 3

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

    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 la început 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 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 la un act individual 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 reactii 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 unei particule 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 emergentă 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, stare 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

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. Masa minimă de material fisionabil necesară pentru realizarea unei reacții în lanț 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 are loc o reacție controlată 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. Cantitate maxima 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 radiații penetrante, 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 energie nucleară a fost folosit 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 crescătorilor este un aliaj de uraniu îmbogățit cu izotopi 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.

Teoria relativității spune că masa este formă specială energie. De aici rezultă că este posibil să se transforme masa în energie și energia în masă. La nivel intraatomic au loc astfel de reacții. În special, o anumită cantitate de masă în sine poate fi convertită în energie. Acest lucru se întâmplă în mai multe moduri. În primul rând, un nucleu se poate descompune într-un număr de nuclee mai mici, o reacție numită „dezintegrare”. În al doilea rând, nucleele mai mici se pot combina cu ușurință pentru a forma unul mai mare - aceasta este o reacție de fuziune. Astfel de reacții sunt foarte frecvente în Univers. Este suficient să spunem că reacția de fuziune este o sursă de energie pentru stele. Dar reacția de degradare este folosită de umanitate pentru că oamenii au învățat să controleze aceste procese complexe. Dar ce este o reacție nucleară în lanț? Cum să o gestionezi?

Ce se întâmplă în nucleul unui atom

Reacția nucleară în lanț - un proces care are loc în timpul unei coliziuni particule elementare sau sâmburi cu alte sâmburi. De ce „lanț”? Acesta este un set de reacții nucleare unice secvențiale. Ca urmare a acestui proces, are loc o schimbare a stării cuantice și a compoziției nucleonice a nucleului original și chiar apar particule noi - produse de reacție. Reacția nucleară în lanț, a cărei fizică face posibilă studierea mecanismelor de interacțiune a nucleelor ​​cu nucleele și cu particulele, este metoda principală pentru obținerea de noi elemente și izotopi. Pentru a înțelege cursul unei reacții în lanț, trebuie să vă ocupați mai întâi de cele singure.

Ce este necesar pentru o reacție

Pentru a realiza un proces precum o reacție nucleară în lanț, este necesar să se apropie particulele (un nucleu și un nucleon, două nuclee) de distanța razei de interacțiune puternică (aproximativ un Fermi). Dacă distanțele sunt mari, atunci interacțiunea particulelor încărcate va fi pur Coulomb. Într-o reacție nucleară se respectă toate legile: conservarea energiei, impuls, impuls, sarcină barionică. O reacție nucleară în lanț este desemnată prin simbolurile a, b, c, d. Simbolul a denotă nucleul original, b particula care vine, c noua particulă emisă și d denotă nucleul rezultat.

Energia de reacție

O reacție nucleară în lanț poate avea loc atât cu absorbția, cât și cu eliberarea de energie, care este egală cu diferența dintre masele particulelor după reacție și înaintea acesteia. Energia absorbită determină energia cinetică minimă a ciocnirii, așa-numitul prag al unei reacții nucleare, la care se poate desfășura liber. Acest prag depinde de particulele care participă la interacțiune și de caracteristicile acestora. În stadiul inițial, toate particulele sunt într-o stare cuantică predeterminată.

Efectuarea reacției

Principala sursă de particule încărcate cu care este bombardat nucleul este cea care produce fascicule de protoni, ioni grei și nuclee ușoare. Neutronii lenți sunt produși prin folosire reactoare nucleare. Pentru a detecta particulele încărcate care intră, pot fi utilizate diferite tipuri de reacții nucleare - atât fuziune, cât și dezintegrare. Probabilitatea lor depinde de parametrii particulelor care se ciocnesc. Această probabilitate este asociată cu o caracteristică precum secțiunea transversală de reacție - valoarea ariei efective, care caracterizează nucleul ca țintă pentru particulele incidente și care este o măsură a probabilității ca particule și nucleu să intre în interacțiune. Dacă particulele cu o valoare de spin diferită de zero iau parte la reacție, atunci secțiunea transversală depinde direct de orientarea lor. Deoarece spinurile particulelor incidente nu sunt complet orientate haotic, ci mai mult sau mai puțin ordonate, toți corpusculii vor fi polarizați. Caracteristica cantitativă a spinurilor fasciculului orientat este descrisă de vectorul de polarizare.

Mecanismul de reacție

Ce este o reacție nucleară în lanț? După cum am menționat deja, aceasta este o secvență de reacții mai simple. Caracteristicile particulei incidente și interacțiunea acesteia cu nucleul depind de masă, sarcină și energia cinetică. Interacțiunea este determinată de gradul de libertate al nucleelor, care sunt excitate în timpul ciocnirii. Obținerea controlului asupra tuturor acestor mecanisme permite un proces precum o reacție nucleară controlată în lanț.

Reacții directe

Dacă o particulă încărcată care lovește un nucleu țintă îl atinge doar, atunci durata coliziunii va fi egală cu cea necesară pentru a acoperi raza nucleului. Această reacție nucleară se numește directă. Caracteristici generale pentru toate reacțiile de acest tip este excitarea unui număr mic de grade de libertate. Într-un astfel de proces, după prima coliziune, particula mai are suficientă energie pentru a depăși atracția nucleară. De exemplu, interacțiunile precum împrăștierea neutronilor inelastici și schimbul de sarcină sunt clasificate drept directe. Contribuția unor astfel de procese la caracteristica numită „secțiune transversală totală” este destul de neglijabilă. Cu toate acestea, distribuția produselor unei reacții nucleare directe face posibilă determinarea probabilității de evadare din unghiul de direcție al fasciculului, selectivitatea stărilor populate și determinarea structurii acestora.

Emisia pre-echilibru

Dacă particula nu părăsește regiunea de interacțiune nucleară după prima ciocnire, atunci va fi implicată într-o întreagă cascadă de coliziuni succesive. Aceasta este de fapt ceea ce se numește o reacție nucleară în lanț. Ca urmare a acestei situatii energie cinetică particulele sunt distribuite între părțile constitutive ale nucleului. Starea nucleului în sine va deveni treptat mult mai complicată. În timpul acestui proces, energia suficientă pentru emisia acestui nucleon din nucleu poate fi concentrată pe un anumit nucleon sau pe un întreg cluster (grup de nucleoni). O relaxare ulterioară va duce la formarea unui echilibru statistic și formarea unui nucleu compus.

Reacții în lanț

Ce este o reacție nucleară în lanț? Aceasta este secvența ei componente. Adică, reacțiile nucleare unice secvențiale multiple cauzate de particulele încărcate apar ca produse de reacție în etapele anterioare. Ce este o reacție nucleară în lanț? De exemplu, fisiunea nucleelor ​​grele, când mai multe evenimente de fisiune sunt inițiate de neutroni obținuți din dezintegrari anterioare.

Caracteristicile unei reacții nucleare în lanț

Printre toate reacțiile chimice, reacțiile în lanț au devenit larg răspândite. Particulele cu legături neutilizate acționează ca atomi liberi sau radicali. Într-un proces precum o reacție nucleară în lanț, mecanismul pentru apariția acestuia este asigurat de neutroni, care nu au o barieră Coulomb și excită nucleul la absorbție. Dacă în mediu apare particula necesară, aceasta provoacă un lanț de transformări ulterioare care va continua până când lanțul se rupe din cauza pierderii particulei purtătoare.

De ce se pierde mass-media?

Există doar două motive pentru pierderea unei particule purtătoare într-un lanț continuu de reacții. Prima este absorbția unei particule fără procesul de emitere a uneia secundare. Al doilea este plecarea unei particule dincolo de limita de volum a substanței care susține procesul în lanț.

Două tipuri de proces

Dacă în fiecare perioadă a unei reacții în lanț se naște o particulă purtătoare exclusiv unică, atunci acest proces poate fi numit neramificat. Nu poate duce la eliberarea de energie pe scară largă. Dacă apar multe particule purtătoare, atunci aceasta se numește o reacție ramificată. Ce este o reacție nucleară în lanț ramificată? Una dintre particulele secundare obținute în actul anterior va continua lanțul început mai devreme, dar altele vor crea reacții noi care se vor ramifica și ele. Procesele care conduc la o pauză vor concura cu acest proces. Situația rezultată va da naștere unor fenomene critice și limitative specifice. De exemplu, dacă există mai multe întreruperi decât lanțuri pur noi, atunci auto-susținerea reacției va fi imposibilă. Chiar dacă este excitat artificial prin introducerea numărului necesar de particule într-un mediu dat, procesul se va descompune în timp (de obicei destul de repede). Dacă numărul de lanțuri noi depășește numărul de pauze, atunci reacția nucleară în lanț va începe să se răspândească în întreaga substanță.

Stare critică

Starea critică separă regiunea stării unei substanțe cu o reacție în lanț autosusținută dezvoltată și regiunea în care această reacție este deloc imposibilă. Acest parametru este caracterizat de egalitatea între numărul de circuite noi și numărul de întreruperi posibile. La fel ca prezența unei particule purtătoare libere, starea critică este elementul principal pe o listă precum „condițiile pentru o reacție nucleară în lanț”. Atingerea acestei stări poate fi determinată de un număr de factori posibili. a unui element greu este excitat de un singur neutron. Ca rezultat al unui proces numit reacție în lanț de fisiune nucleară, sunt produși mai mulți neutroni. În consecință, acest proces poate produce o reacție ramificată, în care neutronii acționează ca purtători. În cazul în care rata de captare a neutronilor fără fisiune sau emisie (rata de pierdere) este compensată de rata de multiplicare a particulelor purtătoare, reacția în lanț se va desfășura într-un mod staționar. Această egalitate caracterizează coeficientul de reproducere. În cazul de mai sus este egal cu unu. Datorită introducerii între rata de eliberare a energiei și factorul de multiplicare, este posibil să se controleze cursul unei reacții nucleare. Dacă acest coeficient este mai mare de unu, atunci reacția se va dezvolta exponențial. Reacțiile în lanț necontrolate sunt folosite în armele nucleare.

Reacția nucleară în lanț în energie

Reactivitatea unui reactor este determinată de un număr mare de procese care au loc în miezul său. Toate aceste influențe sunt determinate de așa-numitul coeficient de reactivitate. Efectul schimbărilor de temperatură a tijelor de grafit, a lichidelor de răcire sau a uraniului asupra reactivității reactorului și a intensității unui proces precum o reacție nucleară în lanț se caracterizează printr-un coeficient de temperatură (pentru lichid de răcire, pentru uraniu, pentru grafit). Există, de asemenea, caracteristici dependente de putere, indicatoare barometrice și indicatoare de abur. Pentru a menține o reacție nucleară într-un reactor, este necesară transformarea unor elemente în altele. Pentru a face acest lucru, este necesar să se ia în considerare condițiile pentru apariția unei reacții nucleare în lanț - prezența unei substanțe care este capabilă să se împartă și să elibereze din ea însăși în timpul dezintegrarii un anumit număr de particule elementare, care, ca o consecință. , va provoca fisiunea altor nuclee. Uraniul-238, uraniul-235 și plutoniul-239 sunt adesea folosite ca astfel de substanțe. În timpul unei reacții nucleare în lanț, izotopii acestor elemente se vor descompune și vor forma două sau mai multe altele chimicale. În timpul acestui proces, sunt emise așa-numitele raze „gamma”, are loc o eliberare intensă de energie și se formează doi sau trei neutroni capabili să continue actele de reacție. Există neutroni lenți și rapidi, deoarece pentru ca nucleul unui atom să se descompună, aceste particule trebuie să zboare cu o anumită viteză.

Neutronii secundari emiși în timpul fisiunii nucleare pot provoca noi evenimente de fisiune, ceea ce face posibil reacție în lanț de fisiune - o reacție nucleară în care particulele care provoacă reacția se formează ca produse ale reacției. Reacția în lanț de fisiune se caracterizează prin factor de multiplicarek neutroni, care este egal cu raportul dintre numărul de neutroni dintr-o generație dată și numărul lor din generația anterioară. O condiție necesară pentru dezvoltarea unei reacţii în lanţ de fisiune este cerinţăk 1.

Se pare că nu toți neutronii secundari produși provoacă fisiunea nucleară ulterioară, ceea ce duce la o scădere a factorului de multiplicare. În primul rând, datorită dimensiunilor finite miez(spațiul în care are loc reacția în lanț) și capacitatea mare de penetrare a neutronilor, unii dintre aceștia vor părăsi zona activă înainte de a fi capturați de orice nucleu. În al doilea rând, unii dintre neutroni sunt capturați de nucleele de impurități nefisibile, care sunt întotdeauna prezente în miez. În plus, împreună cu fisiunea, pot apărea procese concurente de captare radiativă și împrăștiere inelastică.

Factorul de multiplicare depinde de natura substanței fisionabile, iar pentru un izotop dat, de cantitatea acestuia, precum și de mărimea și forma zonei active. Se numesc dimensiunile minime ale zonei active la care este posibilă o reacție în lanț dimensiuni critice. Masa minimă de material fisionabil situat într-un sistem de dimensiuni critice necesare implementării reacţie în lanţ, numit masa critica.

Viteza de dezvoltare a reacțiilor în lanț este diferită. Lasă T- durata medie de viață a unei generații și N- numărul de neutroni dintr-o generație dată. În generația următoare numărul lor este egal kN, adică creșterea numărului de neutroni pe generație dN= kN-N=N(k- 1). Creșterea numărului de neutroni pe unitatea de timp, adică viteza

creșterea reacției în lanț,

dN/dt=N(k-1)/T (266,1)

Integrând (266.1), obținem

N=N 0 e (k-1)t/T ,

Unde Nu este numărul de neutroni în momentul inițial de timp și N- numărul lor la un moment dat t. N este determinată de semnul (k-1). La k> 1 venire dezvoltarea reacției, numărul de fisiuni crește continuu și reacția poate deveni explozivă. La k= 1 merge reacție autosusținutăîn care numărul de neutroni nu se modifică în timp. La k<1 идет reacție de estompare.

Reacțiile în lanț sunt împărțite în gestionate și negestionate. Explozia unei bombe atomice, de exemplu, este o reacție necontrolată. Pentru a preveni explozia unei bombe atomice în timpul depozitării, 235 92 U (sau 2 39 94 Pu) din ea este împărțit în două părți distanțate una de cealaltă, cu mase sub nivelul critic. Apoi, cu ajutorul unei explozii obișnuite, aceste mase se apropie, masa totală a substanței fisionabile devine mai mare decât cea critică și are loc o reacție explozivă în lanț, însoțită de eliberarea instantanee a unei cantități uriașe de energie și distrugeri mari. . Reacția explozivă începe din cauza neutronilor disponibili din fisiunea spontană sau neutronii din radiația cosmică. Reacțiile controlate în lanț apar în reactoarele nucleare (vezi §267).

Există trei izotopi în natură care pot servi drept combustibil nuclear (235 92 U: uraniul natural conține aproximativ 0,7%) sau materii prime pentru producerea sa (232 90 Th și 238 92 U : uraniul natural conține aproximativ 99,3%). 232 90 Th servește ca produs de pornire pentru producerea combustibilului nuclear artificial 233 92 U (vezi reacția (265.2)), și 238 92 U, absorbind neutroni, prin două  - - descompuneri - pentru a se transforma în nucleul 2 39 94 Pu:

Reacțiile (266.2) și (265.2), astfel, deschid posibilitatea reală de reproducere a combustibilului nuclear în procesul unei reacții în lanț de fisiune.

Reacția nucleară în lanț- o reacție de fisiune autosusținută a nucleelor ​​grele, în care se produc în mod continuu neutroni, 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 inegale, zburând cu viteze mari. în direcții diferite și doi sau trei neutroni. Reacții în lanț controlate efectuate 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 din primii pași ai dezvoltării tehnologiei nucleare, utilizarea uraniului-235 a fost de o importanță decisivă obținerea lui în forma sa pură a fost, totuși, dificilă din punct de vedere tehnic, deoarece uraniul-238 și uraniul-235 sunt inseparabile din punct de vedere chimic;

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

Reactorul 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, aproximativ o sută de reactoare nucleare de diferite tipuri funcționau 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 ultimele decenii - susținerea reacției termonucleare ar trebui efectuată pe un tokamak construit în Franța prin eforturile diferitelor țări ITER. Utilizarea la scară largă a reactoarelor termonucleare în sectorul energetic este de așteptat în a doua jumătate a secolului XXI Pe lângă tokamak, există și alte tipuri de capcane magnetice pentru confinarea 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.

Succesele obținute în ultimii ani la Institutul de Fizică Nucleară SB RAS în cercetarea capcanelor deschise axisimetrice moderne indică promisiunea acestei abordări. Aceste studii sunt în desfășurare și, în același timp, la BINP se lucrează la un proiect pentru o instalație de generație următoare, care va putea deja să demonstreze parametrii plasmei apropiați de cei ai unui reactor.