Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, что делает возможным осуществление цепной реакции деления - ядерной реакции, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Цепная реакция деления характеризуется коэффициентом размножения k нейтронов, который равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Необходимым условием для развития цепной реакции деления является требование k 1.
Оказывается, что не все образующиеся вторичные нейтроны вызывают последующее деление ядер, что приводит к уменьшению коэффициента размножения. Во-первых, из-за конечных размеров активной зоны (пространство, где происходит цепная реакция) и большой проникающей способности нейтронов часть из них покинет активную зону раньше, чем будет захвачена каким-либо ядром. Во-вторых, часть нейтронов захватывается ядрами неделящихся примесей, всегда присутствующих в активной зоне. Кроме того, наряду с делением могут иметь место конкурирующие процессы радиационного захвата и неупругого рассеяния.
Коэффициент размножения зависит от природы делящегося вещества, а для данного изотопа - от его количества, а также размеров и формы активной зоны. Минимальные размеры активной зоны, при которых возможно осуществление цепной реакции, называются критическими размерами. Минимальная масса делящегося вещества, находящегося в системе критических размеров, необходимая для осуществления цепной реакции, называется критической массой.
Скорость развития цепных реакций различна. Пусть Т - среднее время жизни одного поколения, а N - число нейтронов в данном поколении. В следующем поколении их число равно kN, т. е. прирост числа нейтронов за одно поколение dN= kN-N=N (k- 1). Прирост же числа нейтронов за единицу времени, т. е. скорость
нарастания цепной реакции,
dN/dt=N(k-1)/T (266.1)
Интегрируя (266.1), получим
N=N 0 e (k-1)t/T ,
где No - число нейтронов в начальный момент времени, а N -их число в момент времени t. N определяется знаком (k-1). При k> 1 идет развивающаяся реакция, число делений непрерывно растет и реакция может стать взрывной. При k= 1 идет самоподдерживающаяся реакция, при которой число нейтронов с течением времени не изменяется. При k<1 идет затухающая реакция.
Цепные реакции делятся на управляемые и неуправляемые. Взрыв атомной бомбы, например, является неуправляемой реакцией. Чтобы атомная бомба при хранении не взорвалась, в ней 235 92 U (или 2 39 94 Pu) делится на две удаленные друг от друга части с массами ниже критических. Затем с помощью обычного взрыва эти массы сближаются, общая масса делящегося вещества становится больше критической и возникает взрывная цепная реакция, сопровождающаяся мгновенным выделением огромного количества энергии и большими разрушениями. Взрывная реакция начинается за счет имеющихся нейтронов спонтанного деления или нейтронов космического излучения. Управляемые цепные реакции осуществляются в ядерных реакторах (см. §267).
В природе имеется три изотопа, которые могут служить ядерным топливом (235 92 U: в естественном уране его содержится примерно 0,7 %) или сырьем для его получения (232 90 Th и 238 92 U: в естественном уране его содержится примерно 99,3%). 232 90 Th служит исходным продуктом для получения искусственного ядерного топлива 233 92 U (см. реакцию (265.2)), a 238 92 U, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных - -распадов - для превращения в ядро 2 39 94 Pu:
Реакции (266.2) и (265.2), таким образом, открывают реальную возможность воспроизводства ядерного горючего в процессе цепной реакции деления.
Цепна́я я́дерная реа́кция - последовательность единичных ядерных реакций , каждая из которых вызывается частицей, появившейся как продукт реакции на предыдущем шаге последовательности. Примером цепной ядерной реакции является цепная реакция деления ядер тяжёлых элементов, при которой основное число актов деления инициируется нейтронами , полученными при делении ядер в предыдущем поколении.
Энциклопедичный YouTube
1 / 3
Ядерная физика. Ядерные реакции. Цепная ядерная реакция деления. АЭС
Ядерные силы Энергия связи частиц в ядре Деление ядер урана Цепная реакция
Ядерные реакции
Субтитры
Механизм энерговыделения
Превращение вещества сопровождается выделением свободной энергии лишь в том случае, если вещество обладает запасом энергии. Последнее означает, что микрочастицы вещества находятся в состоянии с энергией покоя большей, чем в другом возможном, переход в которое существует. Самопроизвольному переходу всегда препятствует энергетический барьер , для преодоления которого микрочастица должна получить извне какое-то количество энергии - энергии возбуждения. Экзоэнергетическая реакция состоит в том, что в следующем за возбуждением превращении выделяется энергии больше, чем требуется для возбуждения процесса. Существуют два способа преодоления энергетического барьера: либо за счёт кинетической энергии сталкивающихся частиц, либо за счёт энергии связи присоединяющейся частицы.
Если иметь в виду макроскопические масштабы энерговыделения, то необходимую для возбуждения реакций кинетическую энергию должны иметь все или сначала хотя бы некоторая доля частиц вещества. Это достижимо только при повышении температуры среды до величины, при которой энергия теплового движения приближается к величине энергетического порога , ограничивающего течение процесса. В случае молекулярных превращений, то есть химических реакций , такое повышение обычно составляет сотни кельвинов, в случае же ядерных реакций - это минимум 10 7 К из-за очень большой высоты кулоновских барьеров сталкивающихся ядер. Тепловое возбуждение ядерных реакций осуществлено на практике только при синтезе самых лёгких ядер, у которых кулоновские барьеры минимальны (термоядерный синтез).
Возбуждение присоединяющимися частицами не требует большой кинетической энергии, и, следовательно, не зависит от температуры среды, поскольку происходит за счёт неиспользованных связей, присущих частицам сил притяжения. Но зато для возбуждения реакций необходимы сами частицы. И если опять иметь в виду не отдельный акт реакции, а получение энергии в макроскопических масштабах, то это возможно лишь при возникновении цепной реакции. Последняя же возникает, когда возбуждающие реакцию частицы снова появляются как продукты экзоэнергетической реакции.
Цепные реакции
Цепные реакции широко распространены среди химических реакций, где роль частиц с неиспользованными связями выполняют свободные атомы или радикалы . Механизм цепной реакции при ядерных превращениях могут обеспечить нейтроны , не имеющие кулоновского барьера и возбуждающие ядра при поглощении. Появление в среде необходимой частицы вызывает цепь следующих, одна за другой реакций, которая продолжается до обрыва цепи вследствие потери частицы-носителя реакции. Основных причин потерь две: поглощение частицы без испускания вторичной и уход частицы за пределы объёма вещества, поддерживающего цепной процесс. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица-носитель, то цепная реакция называется неразветвлённой . Неразветвлённая цепная реакция не может привести к энерговыделению в больших масштабах.
Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна из вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда, с процессом ветвления конкурируют процессы, приводящие к обрывам цепей, и складывающаяся ситуация порождает специфические для разветвленных цепных реакций предельные или критические явления. Если число обрывов цепей больше, чем число появляющихся новых цепей, то самоподдерживающаяся цепная реакция (СЦР) оказывается невозможной. Даже если её возбудить искусственно, введя в среду какое-то количество необходимых частиц, то, поскольку число цепей в этом случае может только убывать, начавшийся процесс быстро затухает. Если же число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объёму вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы.
Область состояний вещества с развитием цепной самоподдерживающейся реакции отделена от области, где цепная реакция вообще невозможна, критическим состоянием . Критическое состояние характеризуется равенством между числом новых цепей и числом обрывов.
Достижение критического состояния определяется рядом факторов. Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате акта деления появляется более одного нейтрона (например, для 235 U число нейтронов, родившихся в одном акте деления, в среднем равно от 2 до 3). Следовательно, процесс деления может породить разветвленную цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны. Если скорость потерь нейтронов (захватов без деления, вылетов из реакционного объёма и т. д.) компенсирует скорость размножения нейтронов таким образом, что эффективный коэффициент размножения нейтронов в точности равен единице, то цепная реакция идёт в стационарном режиме. Введение отрицательных обратных связей между эффективным коэффициентом размножения и скоростью энерговыделения позволяет осуществить управляемую цепную реакцию, которая используется, например, в ядерной энергетике . Если коэффициент размножения больше единицы, цепная реакция развивается экспоненциально; неуправляемая цепная реакция деления используется в
В которых частицы, вызывающие их, образуются и как продукты этих реакций. Такой реакцией является деление урана и некоторых транс-урановых элементов (например, 23 9 Pu ) под действием нейтронов. Впервые она была осуществлена Э. Ферми в 1942 г. После открытия деления ядер У. Зинн, Л. Силард и Г. Н. Флеров показали, что при делении ядра урана U вылетает больше одного нейтрона: n + U → А + В + v . Здесь А и В — осколки деления с массовыми числами А от 90 до 150, v — число вторичных нейтронов.
Коэффициент размножения нейтронов . Для течения цепной реакции необходимо, чтобы сред-нее число освобожденных нейтронов в данной массе урана не уменьшалось со временем, или что-бы коэффициент размножения нейтронов k был больше или равен единице.
Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком-либо поколении к числу нейтронов предшествующего поколения. Под сменой поколений понимают деление ядер, при котором поглощаются нейтроны старого поколения и рождаются новые нейтроны.
Если k ≥ 1 , то число нейтронов увеличивается с течением времени или остается постоянным, и цепная реакция идет. При k > 1 число нейтронов убывает, и цепная реакция невозможна.
В силу ряда причин из всех ядер, встречающихся в природе, для осуществления цепной ядер-ной реакции пригодны лишь ядра изотопа . Коэффициент размножения определяется: 1) захватом медленных нейтронов ядрами последующим делением и захватом быстрых нейтронов ядрами и , также с последующим делением; 2) захватом нейтронов без деления ядрами урана; 3) захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем и конструктивными элементами установки; 4) вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.
Лишь первый процесс сопровождается увеличением числа нейтронов. Для стационарного тече-ния реакции k должно быть равно 1. Уже при k = 1,01 почти мгновенно произойдет взрыв.
Образование плутония . В результате захвата изотопом урана нейтрона образуется радиоактивный изотоп с периодом полураспада 23 мин. При распаде возникает первый трансура-новый элемент нептуний :
.
β-радиоактивный нептуний (с периодом полураспада около двух дней), испуская электрон, превращается в следующий трансурановый элемент — плутоний :
Период полураспада плутония 24000 лет, и его важнейшим свойством является способность делиться под влиянием медленных нейтронов так же, как и изотоп С помощью плутония может быть осуществлена цепная реакция с выделением огромного количества энергии.
Цепная реакция сопровождается выделением огромной энергии; при делении каждого ядра выделяется 200 МэВ. При делении 1 ядер урана выделяется такая же энергия, как при сжига-нии 3 угля или 2,5 т нефти.
Цепная реакция - это самоподцерживающаяся химическая реакция, при которой первоначально появляющиеся продукты принимают участие в образовании новых продуктов. Цепные реакции протекают обычно с большой скоростью и нередко имеют характер взрыва.
Цепные реакции проходят три главные стадии: зарождения (инициирования), развития и обрыва цепи.
Рис. 9.13. Энергетический профиль реакции (график зависимости потенциальной энергии от координаты реакции), обнаруживающий минимум, который соответствует образованию интермедиата реакции.
Стадия инициирования. На этой стадии происходит образование интермедиатов (промежуточных продуктов). Интермедиатами могут быть атомы, ионы или нейтральные молекулы. Инициирование может осуществляться светом, ядерным излучением, термической (тепловой) энергией, анионами или катализаторами.
Стадия развития. На этой стадии промежуточные продукты реагируют с исходными реагентами, образуя новые интермедиаты и конечные продукты. Стадия развития в цепных реакциях повторяется много раз, что приводит к образованию большого числа конечных и промежуточных продуктов.
Стадия обрыва цепи. На этой стадии происходит окончательное расходование промежуточных продуктов или их разрушение. Вследствие этого реакция прекращается. Цепная реакция может оборваться самопроизвольно или под действием специальных веществ - ингибиторов.
Цепные реакции играют важную роль во многих отраслях химии, в частности в фотохимии, химии горения, реакциях ядерного деления и ядерного синтеза (см. гл. 1), в органической химии (см. гл. 17-20).
Фотохимия
Этот раздел химии охватывает химические процессы, связанные с воздействием света на вещество. Примером фотохимических процессов является фотосинтез.
Многие цепные реакции инициируются светом. Инициирующей частицей в этом случае служит фотон, который обладает энергией (см. разд. 1.2). Классический пример - реакция между водородом и хлором в присутствии света
Эта реакция протекает со взрывом. Она включает следующие три стадии.
Инициирование. На этой стадии происходит разрыв ковалентной связи в молекуле хлора, в результате чего образуются два атома, каждый с неспаренным электроном:
Реакция такого типа представляет собой гомолиз, или гемолитическое деление (см. разд. 17.3). Она является также примером фотолиза. Термин «фотолиз» означает фотохимическое разложение. Два образующихся атома хлора представляют собой промежуточные продукты (интермедиаты). Они являются радикалами. Радикал - это атом (или группа атомов), обладающий хотя бы одним неспаренным электроном. Следует отметить, что, хотя стадия инициирования - самая медленная стадия цепной реакции, она не определяет скорость всей цепной реакции.
Стадия развития. На этой стадии атомы хлора реагируют с молекулами водорода, образуя конечный продукт - хлороводород, а также водородные радикалы. Водородные радикалы вступают в реакцию с молекулами хлора; в результате образуются новые порции продукта и новые радикалы хлора:
Эти две реакции, в совокупности составляющие стадию развития, повторяются миллионы раз.
Стадия обрыва цепи. Цепная реакция окончательно прекращается в результате
таких реакций, как
Для поглощения энергии, которая выделяется при протекании этих реакций обрыва цепи, необходимо, чтобы в них принимало участие еще какое-либо третье тело. Этим третьим телом обычно являются стенки сосуда, в котором проводится реакция.
Квантовый выход
Поглощение одного фотона света молекулой хлора в описанной выше цепной реакции может приводить к образованию миллионов молекул хлороводорода. Отношение числа молекул продукта к числу квантов света (фотонов), инициирующих реакцию, называется квантовым выходом. Квантовый выход фотохимических реакций может иметь значения от единицы до нескольких миллионов. Высокий квантовый выход указывает на цепной характер происходящей реакции.
Импульсный фотолиз
Так называется методика, используемая для получения радикалов с концентрацией, достаточно высокой для их обнаружения. На рис. 9.14 показана упрощенная схема установки, используемой для импульсного фотолиза. На реакционную смесь воздействуют
Рис. 9.14. Импульсный фотолиз.
мощной вспышкой света из специального импульсного источника. Такой источник позволяет создавать вспышки света с энергией до 105 Дж и с продолжительностью порядка с или меньше. Современные методики импульсного фотолиза используют импульсные лазеры с продолжительностью вспышки порядка наносекунды (10-9 с). За протекающей в результате такой вспышки света реакцией можно проследить, регистрируя последовательность оптических спектров поглощения реакционной смеси. За первой вспышкой следует ряд вспышек от маломощного импульсного источника. Эти вспышки следуют друг за другом с интервалами порядка миллисекунд или микросекунд и позволяют записывать спектры поглощения реакционной смеси с такими интервалами времени.
Горение
Реакция с кислородом, приводящая к выделению тепловой энергии и света, называется горением. Горение обычно протекает как сложная последовательность радикальных реакций.
В качестве примера приведем горение водорода. При определенных условиях эта реакция протекает со взрывом. На рис. 9.15 представлены экспериментальные данные для реакции стехиометрической смеси водорода и кислорода в пирексовом реакторе. Заштрихованный участок диаграммы соответствует взрывной области этой реакции. Для реакции горения водорода этот участок диаграммы имеет форму взрывного полуострова. Область взрыва ограничена границами взрыва.
Рис. 9.15. Условия взрывного протекания реакции горения водорода:
