Tamo je također pokazano da se raspadi na dva produkta i na tri ili više karakteriziraju različitim energetskim spektrima produkata raspada. U slučaju raspadanja na dvije čestice, spektri proizvoda raspada su diskretni. Primjer takvih raspada su svi α-raspadi jezgara. Podsjetimo da bi zakoni održanja energije i impulsa za raspade trebali biti zapisani u koordinatnom sistemu povezanom s raspadnom česticom ili jezgrom. Da bismo pojednostavili formule, zgodno je koristiti sistem jedinica ћ = c = 1, u kojem energija, masa i impuls imaju istu dimenziju.

Drugi razlog za oslobađanje radioaktivnih materijala bio je taj što je reaktor u Černobilu radio veoma drugačije od ostalih elektrana. Gotovo sve elektrane rade na principu koji se naziva "samoodrživa lančana reakcija nuklearne fisije", gdje neutroni bombardiraju ili udaraju na atome u gorivu, uzrokujući fisiju. Međutim, ovaj proces se mora kontrolisati – mora postojati niz metoda za kontrolu brzine kojom je dozvoljena lančana reakcija.

Upotreba metoda za kontrolu ove lančane reakcije leži u činjenici da se reaktor u Černobilu veoma razlikuje od drugih reaktora. Neutroni nastali tokom fisije oslobađaju se sa velika brzina. Da bi ovi neutroni bili efikasno apsorbovani od strane drugih atoma uranijuma u gorivu i izazvali naknadne događaje fisije, oni se prvo moraju usporiti. Svi energetski reaktori u Sjedinjenim Državama koriste vodu i kao rashladno sredstvo i kao moderator. Dakle, voda u potpunosti okružuje uranijsko gorivo i usporava neutrone u isto vrijeme kada voda uklanja toplinu iz uranijskog goriva.

Ako su proizvodi raspada X → A + B nerelativistički, kinetičke energije proizvoda raspada se na vrlo jednostavan način odnose na razliku u masama mirovanja čestice X i proizvoda raspada A i B

Za kinetičke energije jezgri radona i helijuma koje proizlaze iz α -propadanje jezgra radijuma:

Voda se zatim pretvara u paru u reaktorima s kipućom vodom koji teku kroz cjevovode do turbina, koje se zauzvrat vrte i proizvode električnu energiju. Iako je reaktor u Černobilu također bio hlađen vodom, voda se u suštini koristila samo za hlađenje, ali nije usporavala neutrone. Umjesto toga, ogromni blokovi grafita su okruživali gorivo i korišteni su za usporavanje neutrona.

Ako nešto pođe po zlu u reaktoru koji je i vodeno hlađen i vodeno hlađen, količina oslobođene topline uzrokuje da voda koja okružuje gorivo ključa i pretvara se u paru. Dok je voda odličan moderator neutrona, para nije. Kada se usporavanje neutrona smanji, neutroni se više neće moći nastaviti lančana reakcija fisije i reaktor će se ugasiti. Zbog toga većina reaktora reaguje kako bi spriječila bilo kakvo katastrofalno povećanje tlaka i moguće posljedice toga.

226 Ra → 222 Rn + 4 He.

Dobivene vrijednosti kinetičkih energija jezgri radona i helijuma opravdavaju upotrebu nerelativističke aproksimacije. Za procjenu valjanosti ove aproksimacije nema potrebe izračunavati brzine proizvoda i upoređivati ​​ih sa brzinom svjetlosti, dovoljno je uporediti kinetičku energiju čestice sa njenom energijom mirovanja. U raspadu jezgra radijuma 226 Ra, maksimum kinetička energija nosi jezgro helijuma (tj. α-česticu), a ta energija je manja od 0,5% energije mirovanja nukleona (~940 MeV) i, shodno tome, manje od 0,15% energije mirovanja jezgra helijuma .
Jezgro radona koje je rezultat α-raspada radijuma (T 1/2 = 1600 godina) takođe doživljava α-raspad sa poluživotom od T 1/2 = 3,82 dana.

U slučaju nesreće na nuklearna elektrana u Černobilu naglo povećanje snage izazvalo je ključanje rashladne vode, ali pošto nije bila hlađena vodom, grafitni blokovi su nastavili da usporavaju neutrone, dozvoljavajući da se snaga povećava sve dok nije dostigla razorne efekte.

Također treba napomenuti da su neposredno prije ovog incidenta operateri provodili testove u kojima su odabrali da onesposobe određena sigurnosna kola, tako da testovi ne bi trajali toliko dugo. Odsustvo jednog od ovih sigurnosnih krugova zapravo je omogućilo brzo povećanje snage.

Problem 10.1. Izračunajte kinetičku energiju α-čestice u raspadu 222 Rn → 218 Rn + 4 He.

ΔM = Δ(222 Rn) − Δ(218 Rn) − Δ(4 He);

Polonijumsko jezgro 218 Po koje nastaje ovim raspadom takođe se raspada emisijom α-čestica (njegovo poluživot je T 1/2 = 3,1 min): 218 Po → 214 Pb + 4 He. Produkt ovog raspada je olovno jezgro 214 Pb "preopterećeno" neutronima (stabilni su izotopi olova 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb). Dakle, 214 Pb se raspada (T 1/2 = 27 minuta) kroz β-raspadni kanal.
"Lanac" raspada koji smo razmatrali je karakteristična karakteristika raspada teških jezgara. Nastala tokom sinteze elemenata prije više od 10 milijardi godina, teška jezgra se raspadaju, formirajući ponovo nestabilna jezgra. Propadanja se nastavljaju do formiranja stabilnih elemenata. U raspadima se emituju α-čestice i parovi leptona (β-raspadi). Kod α-raspada, broj nukleona A u jezgrima se mijenja za 4, β-raspadi se javljaju bez promjene A. Dakle, postoje samo 4 serije (familije) radioaktivnih raspada teških jezgara sa maseni brojevi A = 4n, 4n + 1, 4n + 2 i 4n + 3 (vidi tabelu 3.1).

Grafitni blokovi su se zapalili, uzrokujući još topline i oštećenja. Eksplozije pare i sva toplina natjerali su reaktorsku posudu da sakrije svoje nosače i doveli do toga da su mnogi produkti fisije ispušteni u reaktor iz zgrade reaktora. I zapamtite da je reaktor u Černobilu bio smješten u zgradi od tankog lima i nije sadržavao 3-dijelni čelični armirani beton poput onih koji se koriste u SAD-u i drugim zemljama osim Rusije i bivšeg Sovjetskog Saveza.

Broj smrtnih slučajeva uzrokovanih akutnim radijacijskim sindromom tokom prve godine nakon nesreće u Černobilu je dobro dokumentovan. Još dvije osobe preminule su od posljedica drugih povreda zadobijenih nakon nesreće. Nakon nesreće u nuklearnoj elektrani Černobil, pojavila su se predviđanja veliki broj smrti od raka. Posebno zabrinjavaju potencijalni zdravstveni efekti na nerođenu djecu trudnica koje su bile potencijalno izložene tokom nesreće. Slična viđenja su primijećena u Italiji, Zapadnoj Njemačkoj, Danskoj i Norveškoj.

Radioaktivni raspad serije 238 U


Primarna jezgra druge od familija sa A = 4n + 1 su se praktično raspala tokom vremena koje je proteklo nakon njihovog formiranja. Raspadi preostala tri reda su izvor radioaktivnosti Zemljine materije. Gore razmatrani raspadi 226Ra, 222Rn i 218Po pripadaju porodici 4n + 2.

Iako će djeca izložena prije rođenja vjerovatno imati povećanu incidenciju raka štitnjače, vrlo malo bi umrlo od te bolesti. Međutim, do danas nema jasnog porasta solidnih karcinoma ili leukemije u populaciji koja prima najveća vrijednost. Uran kao i svi ostali atomski elementi, javlja se u nekoliko različitih oblika, poznatih kao izotopi.

Budući da je nuklearna fisija vrlo efikasan izvor energije, nuklearni reaktori zahtijevaju vrlo malo goriva. Jedan ostatak od 20 grama uranijumskog goriva može proizvesti istu količinu energije kao 400 kilograma uglja, 410 litara nafte ili 350 kubnih metara prirodnog gasa.

. Nuklearne reakcije sa neutronima

I neutroni i protoni učestvuju u jakim interakcijama sa jezgrima i nukleonima. Međutim, ne imati električni naboj neutron nema kulonovsku barijeru unutra nuklearne reakcije, pa se odigravaju nuklearne reakcije pod djelovanjem neutrona posebnu ulogu u primijenjenoj nuklearnoj fizici.
Dobijanje radioaktivnih izotopa u medicinske i tehničke svrhe vrši se zračenjem stabilnih izotopa neutronima. Izvor neutrona je, na primjer, nuklearni reaktor. Razmislite o dobijanju radioaktivni izotop na primjeru reakcije aktivacije zlata

Glavne komponente nuklearnih reaktora

Uran je relativno stabilan prije ulaska u reaktor: emituje tako malu količinu radijacije da su neiskorištene pelete goriva bezbedne. Ovaj proces oslobađa toplinu koja se može pretvoriti u električnu energiju. Kontrolom koncentracije nuklearnog goriva i usporavanjem ili apsorpcijom neutrona, nuklearni reaktori stabiliziraju ovu lančanu reakciju potrebnom brzinom. Glavni dijelovi nuklearnog reaktora su jezgra, moderator, upravljačke šipke, rashladna tekućina i štit.

n + 197 Au → 198 Au + γ.

Dobijeni izotop zlata sa A = 198 je radioaktivan. Raspada se s vremenom poluraspada T 1/2 = 2,7 dana 198 Au → 198 Hg + e + e .
Razmotrimo promjenu broja zlatnih jezgri 198 s vremenom, počevši od trenutka početka zračenja zlata 197:

Ovdje je I neutronski tok, n je broj zlatnih jezgara 197 Au u uzorku, σ je efektivni poprečni presjek aktivacijske reakcije.

Jezgro reaktora sadrži uranijumsko gorivo. Moderator je lagani materijal poput vode koji dozvoljava neutronima da uspore, a da ne budu zarobljeni. Usporavanje brzih neutrona stvorenih fisijom može povećati njihovu efikasnost, uzrokujući dalju fisiju.

Kontrolne šipke su napravljene od materijala koji apsorbuju neutrone kao što su bor, srebro, indijum, kadmijum ili hafnij. Oni se uvode u reaktor kako bi se smanjio broj neutrona i tako zaustavio proces fisije kada je to potrebno. Koriste se i za kontrolu nivoa i distribuciju energije u reaktoru.

Aktivnost je broj raspada datog lijeka u 1 sekundi. Aktivnost je jednaka proizvodu vjerovatnoće raspada na broj jezgara radioaktivnog izotopa u uzorku

J(t) = λN(t) = Inσ(1 – e -λt).

Pod uslovom da je vreme ekspozicije t<< T 1/2 ,

λt = tln2/T<<1 (1 – e -λt) ≈ 1 – 1 – λt = λt.

Uzimajući u obzir da je n = mN A /A, gdje je m masa aktiviranog uzorka, N A Avogadroov broj, dobijamo da je inducirana aktivnost izotopa zlata 198 Au

Rashladno sredstvo je tekućina koja cirkulira kroz jezgro reaktora, a koja se koristi za apsorpciju i prijenos topline stvorene tokom nuklearne fisije. Istovremeno, održava temperaturu goriva u prihvatljivim granicama. Zaštita je struktura oko reaktora i njegovih generatora pare dizajnirana da ga zaštiti od upada i zaštiti one oko njega od izlaganja zračenju u slučaju većeg kvara unutar njega. Ovo je tipična betonska i čelična konstrukcija debljine metar.

Enciklopedija špijunaže, obavještajne službe i sigurnosti. Nuklearni reaktori su složeni uređaji u kojima fisioni elementi kao što su uranijum, torij ili plutonijum prolaze kroz kontinuiranu nuklearnu lančanu reakciju. Ova lančana reakcija oslobađa energiju u obliku zračenja, što održava lančanu reakciju; transmutira obližnje atome, uključujući i samo nuklearno gorivo; i može se sakupljati kao toplota. Transmutacija konvencionalnog, ali slabo fisijskog nuklida uranijuma-238 u nuklearnom reaktoru u plutonijum-239 važan je izvor eksploziva za nuklearno oružje, a toplina nuklearnih reaktora se koristi za proizvodnju otprilike 16 posto svjetske električne energije i za pogon podmornica, nosača aviona , i neka druga vojna plovila.

Merenje aktivnosti uzorka ozračenog u neutronskom fluksu takođe može poslužiti kao metoda za određivanje efektivnog preseka aktivacije.

Efektivni presjeci za reakcije s neutronima, kao i za druge nuklearne reakcije, zavise od kinetičke energije neutrona. U slučaju da hvatanje neutrona dovede do egzotermne reakcije – tj. ide sa oslobađanjem energije - efektivni poprečni presek hvatanja opada sa povećanjem energije u oblasti E kin< 1 эВ (приблизительно по закону σ ~ 1/v). В области 1 эВ < Е кин < 1 МэВ сечение захвата проходит через несколько резонансных максимумов, положение которых определено спектром энергий возбуждения ядра, получающегося в результате захвата нейтрона. При энергиях нейтрона выше резонансной области эффективное сечение снова падает. Для большинства ядер примерный ход зависимости сечения экзотермической реакции захвата σ n = f(E кин) близок к показанному на рис. 10.1. для эффективного сечения реакции деления изотопов урана. Таким образом, уменьшение кинетической энергии нейтрона приводит к увеличению эффективного сечения захвата нейтрона ядром мишени.
Navedeno u uslovima problema 10.1. vrijednost efektivnog poprečnog presjeka aktivacije za zlato odgovara energiji neutrona jednakoj energiji toplotnog kretanja. Takve energije se postižu moderacijom neutrona.

Nuklearni reaktori su također korišteni na satelitima i predloženi su kao izvori energije za lokomotive, avione i rakete. Kako radi nuklearni reaktor. Nuklearni reaktor iskorištava inherentnu nestabilnost određenih atoma, općenito onih koji imaju visok atomski broj ili koji sadrže neravnotežu protona i neutrona koji pucaju u nasumično vrijeme, oslobađajući fotone, neutrone, elektrone i alfa čestice. Za neke nuklide, prosječno čekanje dok dati atom spontano ne postane kraći.

Kada se dovoljno atoma takvog nestabilnog izotopa zbliži, veća je vjerovatnoća da će neutroni koje oslobađaju fisijski atomi pogoditi jezgra susjednih nestabilnih atoma. Mogu se fisirati odjednom, oslobađajući još više neutrona, što može izazvati više fisionih događaja, itd. to je lančana reakcija o kojoj ovise nuklearni reaktori i nuklearne bombe nuklearnog tipa. Međutim, u reaktoru je brzina fisije približno konstantna, dok u bombi raste eksponencijalno, trošeći većinu fisionog materijala u malom djeliću sekunde.

. Neutronska moderacija

Neutronska moderacija se provodi kako bi se povećali efektivni presjeci za reakcije sa neutronima.
Za uspori neutroni koristi se elastično raspršivanje neutrona na jezgrima materije. Poprečni presjek za elastično raspršivanje neutrona jezgrama teži konstanti kako se kinetička energija neutrona smanjuje.
U elastičnom rasejanju neutrona protonima, u proseku, neutron gubi polovinu svoje energije u jednom događaju rasejanja:

Da bi se osigurala trajna lančana reakcija, a ne nuklearna eksplozija, reaktor ne smije skupljati fisijske atome previše blizu jedan drugom. Stoga se miješaju sa manje fisivnim atomima koji ne podržavaju lančanu reakciju. Za fisionu bombu tipično bi bilo obogaćivanje od 90%. Pomorski nuklearni reaktori o kojima se govori u nastavku koristili su gorivo obogaćeno između 20 i 93 posto. Razrjeđivanjem svoje aktivne komponente goriva, tipičan nuklearni reaktor mora kompenzirati osiguravanjem da neutroni proizvedeni ovim razrijeđenim gorivom mogu održati lančanu reakciju.

Zakoni održanja energije i impulsa pri elastičnom raspršenju neutrona na protonu:

Simbol E označava kinetičke energije. Budući da su kinetičke energije neutrona i protona u nerelativističkoj aproksimaciji

(razlika između mase protona i neutrona se može zanemariti, tj. m n ≈ m p), tj. trougao zakona održanja količine kretanja je pravougli trougao.
Zbog toga:

Ovo se radi u većini reaktora tako što se gorivo u malim komadima ili "gorivim ćelijama" ugrađuje u matricu materijala zvanu "moderator". Funkcija moderatora je da uspori neutrone koje emituju fisijski atomi u gorivu. Paradoksalno, spori neutron je vjerojatnije da će uzrokovati fisiju u jezgri uranijuma, plutonijuma ili torija nego u brzim neutronima, moderatoru, usporavajući većinu neutrona kako bi im omogućio da pogode jezgra, čime se povećava vjerovatnoća da će svaki neutron doprinijeti za održavanje lančane reakcije.

Dakle, bilo koja tvar koja sadrži vodonik - voda, parafin, itd. - može se koristiti kao moderator. Međutim, u brojnim primjenama neutronske fizike, na primjer, za održavanje lančane reakcije fisije, važna karakteristika moderatora je mali efektivni presjek hvatanja neutrona od strane moderatora. U ovim slučajevima, izbor moderatora je određen kako efikasnošću procesa redukcije energije neutrona u moderatoru tako i malim poprečnim presjekom hvatanja neutrona. Prema ovim karakteristikama, teška voda (D 2 O) i grafit su dobri moderatori. Kada se voda ili druge tvari koje sadrže vodonik koriste kao moderator, dolazi do značajnog hvatanja neutrona zbog reakcije 1 H(n,γ) 2 H.
Kod elastičnog raspršenja neutrona težim jezgrima prosječni gubitak kinetičke energije neutrona je manji nego kod raspršenja protonima. Na primjer, kada se neutroni rasprše na 12 C jezgri:

Kao moderatori mogu se koristiti grafit, voda, teška voda i cirkonijum hidrid. Obična voda je najčešće korišteni moderator. Ako lančana reakcija koju održava nuklearni reaktor stvara dovoljno topline da ošteti sam reaktor, ta toplina mora biti stalno odvođena plinom ili tekućinom dok reaktor radi. Kada se ukloni iz reaktora, ova energija se može pustiti u okoliš kao otpadna toplina ili djelomično koristiti za proizvodnju električne energije.

Tečni natrijum, voda pod pritiskom, kipuća voda i helijum su se koristili kao rashladni medij za nuklearne reaktore, kada se koriste u industrijskim ili nuklearnim elektranama pod pritiskom ili ključalom vodom. Obično se toplotna energija uklonjena iz reaktora prvo pretvara u kinetičku energiju koristeći vrući plin ili paru za pogon turbina, a zatim u električnu energiju pomoću turbina za okretanje generatora. Reaktor nusproizvoda.

Smanjenje kinetičke energije neutrona u procesima raspršenja događa se do energija toplinskog kretanja molekula u materijalu moderatora. U ovom energetskom rasponu, distribucija neutrona u smislu brzina i kinetičkih energija je bliska Maxwell raspodjeli. Procijenimo prosječnu kinetičku energiju toplinskih neutrona na temperaturi moderatora od oko 300 o K.

Prosječna kinetička energija toplotnog kretanja čestice sa 3 stepena slobode je
E kin =(3/2)kT, gdje je k Boltzmannova konstanta (k = 8,62×10 -11 MeV/k):

Ekin =(3/2)kT = 0,04 eV.

Ako se oko 1/2 kinetičke energije neutrona izgubi u jednom činu elastičnog raspršenja, tada je prosječan broj događaja raspršenja potrebnih za usporavanje ~27. stvarno:

. lančana reakcija fisije

Reakcija raspada atomskog jezgra na dva fragmenta uporedive mase naziva se fisija. Fisija može biti spontana ili prisilna (tj. uzrokovana interakcijom s upadnom česticom). Reakcija fisije teških jezgara pod dejstvom neutrona je u osnovi metoda za dobijanje nuklearne energije. Iz krivulje zavisnosti specifične energije vezivanja jezgara od broja nukleona A može se procijeniti kolika se energija oslobađa pri transformaciji jednog jezgra sa A = 200 u dva jezgra sa manjim brojem nukleona. Budući da je za teška jezgra energija vezivanja po nukleonu oko 7,5 MeV, a za srednja jezgra ≈ 8,5 MeV, fisijom ovog jezgra će se osloboditi energija od ~200 MeV.
Glavni dio energije fisije pretvara se u kinetičku energiju "fragmenata" - tj. koja je rezultat nuklearne fisije. Fragmenti, po pravilu, nemaju jednake mase, u prosjeku je omjer masa 1,5.
Vrlo bitna karakteristika fisije je da je za jedan broj teških jezgara fisija praćena emisijom neutrona, što pokazuje primjer prisilne fisije jezgra uranijuma 235 U:

n + 235U → 95Sr + 139Xe +2n. (10.4)

Osim reakcije (10.4), prisilna fisija izotopa uranijuma 235 U prolazi kroz desetine drugih fisionih kanala. Najvažnija karakteristika reakcija inducirane fisije jezgri 235 U je činjenica da za ovaj izotop reakcije fisije (n,f) nemaju energetski prag, tj. mogu se pojaviti na termalnim neutronima i stoga imaju velike efektivne poprečne presjeke. U prosjeku, ν = 2,43 brzih neutrona proizvode toplinski neutroni po događaju fisije izotopa 235 U. Upravo oni elementi čija jezgra tokom prisilne fisije daju u prosjeku 2-4 neutrona za svaki događaj fisije mogu se koristiti za održavanje lančana reakcija fisije. Međutim, neutroni nastali kao rezultat fisije ne mogu se uvijek koristiti za podršku procesa stimulirane fisije. Neki od neutrona proizvedenih u reakcijama fisije će izazvati druge reakcije, na primjer, (n,γ) reakciju. Stoga, za održavanje procesa fisije, vrijednost

Lančana reakcija fisije će se održati ako broj neutrona u jednoj generaciji nije manji od broja neutrona u prethodnoj generaciji. NPP reaktor radi sa faktorom umnožavanja neutrona k > 1, jer se dio proizvedenih neutrona gubi zbog izlaska iz reaktora i zbog drugih reakcija (na primjer, reakcije radijacijskog hvatanja (n,γ)).
Masa fisijskog elementa ne može biti manja od tzv. kritična masa, a veličina aktivne zone u kojoj dolazi do fisije je manja od kritične veličine.
U praksi se samo tri izotopa 235 U, 238 U, 239 Pu koriste za dobijanje kontrolisane lančane reakcije fisije, a treći izotop plutonijuma - 239 Pu - proizvodi se u nuklearnim reaktorima uranijuma. Izotop 238 U podliježe fisiji samo pod djelovanjem brzih neutrona s energijama ne manjim od 1,1 MeV.
Većina industrijskih nuklearnih reaktora (NPP) radi na obogaćenom uranijumu, tj. mješavina izotopa 238 U i 235 U, u kojoj postotak 235 U značajno premašuje udio ovog izotopa u prirodnoj mješavini (oko 4% umjesto ~0,7%). Ovo je takozvani "nisko obogaćeni" uranijum (mješavina izotopa uranijuma s više od 6% sadržaja 235 U - "visoko obogaćeni" uran - materijal je koji se koristi za izradu nuklearnog oružja). Lančana reakcija fisije pod dejstvom toplotnih neutrona dešava se na izotopu 235 U. Ovaj izotop uranijuma, pod dejstvom toplotnih neutrona, deli se na dva „fragmenta“ - jezgra sa masenim brojem od 72 do 161 i protonskim brojem od 30 do 65. Na primjer,

n + 235U → 94Kr + 140Ba +2n. (10.6)

Ukupni efektivni presjek za reakcije fisije 235U(n,f) za termičke neutrone je oko 580 barn.

Reakcija fisije izotopa 238 U je granična; ovaj izotop fisije samo pri energijama neutrona iznad 1,1 MeV, tj. "brzi" neutroni. Međutim, efektivni poprečni presjek za ovu reakciju fisije je mnogo manji od poprečnog presjeka za fisiju od 235 U(n,f) pod djelovanjem toplinskih neutrona (vidi sliku 10.1).

Energija koja se oslobađa u reakciji se praktično poklapa s razlikom masa mirovanja jezgara i neutrona lijevog i desnog dijela (10.4), budući da se kinetička energija toplinskih neutrona (~0,04 eV) u energetskom bilansu može zanemariti :

E = m n + M(235 U) − M(95 Sr) − M(139 Xe) − 2m n =
= Δ(235 U) − Δ(95 Sr) − Δ(139 Xe) − Δ(n) =
= (40,92 − (−75,05) − (−75,69) − 8,07) MeV≈ 183 MeV.

Neutroni koji nastaju u procesu fisije su brzi. Moraju se usporiti do brzina termičkog kretanja da bi se koristile za fisiju drugih 235 U jezgara – odnosno za održavanje lančane reakcije. U tu svrhu koriste se materijali koji se sastoje od elemenata sa malom vrijednošću A. Što je A manji, to je brže usporavanje neutrona (usporavanje neutrona nastaje u reakciji elastičnog raspršenja neutrona na jezgrima moderatora ). Još jedan obavezan kvalitet moderatora je niska vrijednost efektivnog presjeka apsorpcije neutrona. Takve zahtjeve ispunjava teška voda, koja se koristi u homogenim reaktorima. Grafit se koristi kao moderator u heterogenim reaktorima. U ovom slučaju dolazi do moderacije neutrona na jezgri ugljika. U tabeli 10.2 date su glavne karakteristike tri neutronska moderatora: vrijednosti poprečnih presjeka hvatanja termalnih neutrona i moderacijske dužine L neutrona u moderatoru (L je put kojim neutroni putuju u moderatoru od prosječne kinetičke energije s kojom oni se rađaju u procesu fisije na energije toplotnog kretanja).

Kao rezultat reakcija fisije nastaju nestabilna jezgra („fragmenti“ fisije), „prezasićena“ neutronima. U poređenju sa stabilnim jezgrama sa istom vrednošću broja protona

Moderatori - rubrika Hemija, Nuklearna energija Moderatori. Moderator služi za smanjenje energije neutrona E...

Retarderi.

Moderator služi za smanjenje energije neutrona emitovanih u procesu fisije sa oko 1 MeV na toplotnu energiju od oko 0,025 eV. Budući da umjerenost nastaje uglavnom kao rezultat elastičnog raspršenja jezgrima necijepih atoma, masa atoma moderatora mora biti što manja kako bi im neutron mogao prenijeti maksimalnu energiju. Osim toga, atomi moderatora moraju imati mali poprečni presjek hvatanja u odnosu na poprečni presjek raspršenja, budući da se neutron mora više puta sudarati s atomima moderatora prije nego što se uspori na toplinsku energiju.

Najbolji moderator je vodonik, jer je njegova masa skoro jednaka masi neutrona i stoga neutron gubi najveću količinu energije pri sudaru sa vodonikom. Ali obični laki vodonik suviše jako apsorbuje neutrone, pa se stoga deuterijum teški vodik i teška voda ispostavljaju kao prikladniji moderatori, uprkos njihovoj nešto većoj masi, jer manje apsorbuju neutrone.

Berilijum se može smatrati dobrim moderatorom. Ugljik ima tako mali poprečni presjek apsorpcije neutrona da efikasno ublažava neutrone, iako je za usporavanje potrebno mnogo više sudara nego vodonik. Prosječan broj N elastičnih sudara potrebnih za usporavanje neutrona sa 1 MeV na 0,025 eV korištenjem vodonika, deuterijuma, berilijuma i ugljika je približno 18, 27, 36 i 135, respektivno. Približna priroda ovih vrijednosti je zbog činjenice da zbog prisustva kemijske energije veze u moderatoru sudara pri energijama ispod 0,3 eV teško mogu biti elastične.

Pri niskim energijama, atomska rešetka može prenijeti energiju na neutrone ili promijeniti efektivnu masu u sudaru, čime se krši proces usporavanja. Nosači toplote. Rashladne tečnosti koje se koriste u nuklearnim reaktorima su voda, teška voda, tečni natrijum, tečna legura natrijum-kalijum NaK, helijum, ugljen dioksid i organske tečnosti kao što je terfenil.

Ove tvari su dobri nosioci topline i imaju male presjeke apsorpcije neutrona. Voda je odličan moderator i rashladna tečnost, ali previše upija neutrone i ima previsok parni pritisak od 14 MPa na radnoj temperaturi od 336 C. Najpoznatiji moderator je teška voda. Njegove karakteristike su bliske običnim vodama, a presjek apsorpcije neutrona je manji. Natrijum je odlična rashladna tečnost, ali nije efikasan kao moderator neutrona.

Stoga se koristi u reaktorima na brzim neutronima, gdje se više neutrona emituje tokom fisije. Istina, natrijum ima niz nedostataka: izaziva radioaktivnost, ima mali toplotni kapacitet, hemijski je aktivan i očvršćava se na sobnoj temperaturi. Legura natrijuma i kalija je po svojstvima slična natrijumu, ali ostaje tečna na sobnoj temperaturi. Helijum je odlična rashladna tečnost, ali ima nizak specifični toplotni kapacitet. Ugljični dioksid je dobro rashladno sredstvo i široko se koristi u grafitnim reaktorima.

Terfenil ima prednost u odnosu na vodu što ima nizak pritisak pare na radnoj temperaturi, ali se razgrađuje i polimerizira pod visokim temperaturama i fluksovima zračenja koji su karakteristični za reaktore. Elementi za stvaranje toplote. Gorivni element gorive šipke je jezgro goriva sa zapečaćenom ljuskom. Obloga sprečava curenje fisionih produkata i interakciju goriva sa rashladnom tečnošću.

Materijal ljuske mora slabo apsorbirati neutrone i imati prihvatljive mehaničke, hidraulične i karakteristike provodljivosti topline. Gorivi elementi su obično pelete sinterovanog uranijum oksida u cevima od aluminijuma, cirkonija ili nerđajućeg čelika pelete od legura uranijuma sa cirkonijumom, molibdenom i aluminijumom obložene cirkonijumom ili aluminijumom u slučaju legure aluminijuma grafitne pelete sa karbidnim premazom prekrivenim karbidnim premazom. .

Koriste se svi ovi gorivi elementi, ali za vodene reaktore pod pritiskom, najpoželjniji su peleti uran oksida u cijevima od nehrđajućeg čelika. Uran dioksid ne reaguje sa vodom, ima visoku otpornost na zračenje i karakteriše ga visoka tačka topljenja. Za visokotemperaturne gasno hlađene reaktore, grafitne gorivne ćelije su izgleda vrlo prikladne, ali one imaju ozbiljan nedostatak zbog difuzije ili zbog defekata u grafitu, fisijski plinovi mogu prodrijeti kroz njihovu oblogu.

Organska rashladna sredstva nisu kompatibilna sa cirkonijumskim gorivnim šipkama i stoga zahtevaju upotrebu aluminijskih legura. Izgledi za reaktore sa organskim rashladnim tečnostima zavise od toga da li se stvaraju legure aluminijuma ili proizvodi metalurgije praha koji bi imali snagu na radnim temperaturama i toplotnu provodljivost neophodnu za upotrebu rebara koja povećavaju prenos toplote na rashladno sredstvo. Budući da je prijenos topline između goriva i organskog rashladnog sredstva zbog toplinske provodljivosti mali, poželjno je koristiti površinsko ključanje kako bi se povećao prijenos topline.

Novi problemi bit će povezani s površinskim ključanjem, ali oni se moraju riješiti ako se korištenje organskih tekućina za prijenos topline pokaže korisnim.

Kraj rada -

Ova tema pripada:

Nuklearna energija
NUKLEARNI CIKLUS GORIVA. Nuklearna energija je složena industrija koja uključuje mnoge industrijske procese koji zajedno čine ciklus goriva. Postoje različite vrste ciklusa goriva, za

Razvoj nuklearne industrije
Razvoj nuklearne industrije. Poslije Drugog svjetskog rata u elektroprivredu širom svijeta uloženo je desetine milijardi dolara. Ovaj građevinski bum bio je vođen brzim porastom potražnje za

Ekonomija nuklearne energije
Ekonomija nuklearne energije. Ulaganja u nuklearnu energiju, kao i ulaganja u druge oblasti proizvodnje električne energije, ekonomski su opravdana ako su ispunjena dva uslova: cijena kilograma

Istorijat
Istorijat. Istorija otkrića nuklearne fisije datira iz rada A. Becquerela 1852. 1908. Godine 1896., proučavajući fosforescenciju različitih materijala, otkrio je da minerali koji sadrže uranijum, ca.

Prve naznake mogućnosti nuklearne fisije
Prve naznake mogućnosti nuklearne fisije. Fermi je zaslužan za otkriće mnogih danas poznatih neutronskih reakcija. Konkretno, pokušao je da dobije element sa atomskim brojem 93 neptunijum, bombe

Potvrda djeljivosti
Potvrda divizije. Nakon toga, Fermi, J. Dunning i J. Pegram sa Univerziteta Columbia izveli su eksperimente koji su pokazali da postoji nuklearna fisija. Dele

Razvoj tokom Drugog svetskog rata
Razvoj tokom Drugog svetskog rata. Od 1940. do 1945. smjer razvoja određivali su vojni razlozi. Godine 1941. dobijene su male količine plutonijuma i određeni broj nuklearne pare

Sirovi izotopi
Sirovi izotopi. Postoje dva sirova izotopa torijum-232 i uranijum-238, od kojih se dobijaju fisioni izotopi uranijum-233 i plutonijum-239. Tehnologija korištenja sirovih izotopa ovisi o različitim faktorima.

Vrste reaktora
Vrste reaktora. Teoretski, moguće je više od 100 različitih tipova reaktora koji se razlikuju u gorivu, moderatoru i rashladnim tečnostima. Većina konvencionalnih reaktora koristi

Reaktivnost i kontrola
Reaktivnost i kontrola. Mogućnost samoodržive lančane reakcije u nuklearnom reaktoru ovisi o tome koliko neutrona curi iz reaktora. Neutroni nastali u procesu fisije nestaju

Sigurnosni sistemi
Sigurnosni sistemi. Sigurnost reaktora osigurava jedan ili drugi mehanizam za njegovo gašenje u slučaju naglog povećanja snage. To može biti mehanizam fizičkog procesa ili djelovanje sistema.

PERSPEKTIVE NUKLEARNE ENERGIJE. BEZBEDNOSNA PITANJA
PERSPEKTIVE NUKLEARNE ENERGIJE. BEZBEDNOSNA PITANJA. Među onima koji insistiraju na potrebi da se nastavi potraga za sigurnim i ekonomičnim putevima razvoja nuklearne energije, mogu se izdvojiti dva glavna.

Možemo li napustiti nuklearnu energiju
Možemo li napustiti nuklearnu energiju. Na osnovu materijala A.Vaganova, NG-Nauka, 2001. Klimatska katastrofa Vodeći istraživač Instituta za biofiziku RAS A. Karnaukhov ispitao


Spisak korištene literature i izvora. Dementiev B.A. Nuklearni energetski reaktori. M 1984 2. Robertson B. Moderna fizika u primijenjenim naukama. M 1985 3. Samoilov O. B. Usynin G. B. Bakhme