Aty u tregua gjithashtu se zbërthimet në dy produkte dhe në tre ose më shumë karakterizohen nga spektra të ndryshëm energjetik të produkteve të kalbjes. Në rastin e zbërthimit në dy grimca, spektrat e produkteve të kalbjes janë diskrete. Një shembull i zbërthimeve të tilla janë të gjitha α-zbërthimet e bërthamave. Kujtoni se ligjet e ruajtjes së energjisë dhe momentit për zbërthimin duhet të shkruhen në sistemin koordinativ të lidhur me grimcën ose bërthamën në kalbje. Për të thjeshtuar formulat, është i përshtatshëm të përdoret sistemi i njësive ћ = c = 1, në të cilën energjia, masa dhe momenti kanë të njëjtin dimension.

Një arsye tjetër për lëshimin e materialeve radioaktive ishte se reaktori i Çernobilit funksiononte shumë ndryshe nga termocentralet e tjera. Pothuajse të gjitha impiantet funksionojnë në një parim të quajtur "reaksioni zinxhir i ndarjes bërthamore vetë-qëndrueshme", ku neutronet bombardojnë ose godasin atomet në karburant, duke shkaktuar ndarje. Megjithatë, ky proces duhet të kontrollohet - duhet të ketë një shumëllojshmëri metodash për të kontrolluar shpejtësinë me të cilën lejohet një reaksion zinxhir.

Përdorimi i metodave për të kontrolluar këtë reaksion zinxhir qëndron në faktin se reaktori i Çernobilit është shumë i ndryshëm nga reaktorët e tjerë. Neutronet e prodhuara gjatë ndarjes çlirohen me shpejtësi e lartë. Në mënyrë që këto neutrone të absorbohen në mënyrë efikase nga atomet e tjerë të uraniumit në lëndë djegëse dhe të shkaktojnë ngjarje të mëvonshme të ndarjes, ato duhet së pari të ngadalësohen. Të gjithë reaktorët e energjisë në Shtetet e Bashkuara përdorin ujin si ftohës dhe si moderator. Kështu, uji e rrethon plotësisht karburantin e uraniumit dhe ngadalëson neutronet në të njëjtën kohë që uji largon nxehtësinë nga karburanti i uraniumit.

Nëse produktet e zbërthimit X → A + B janë jorelativiste, energjitë kinetike të produkteve të zbërthimit lidhen në një mënyrë shumë të thjeshtë me ndryshimin në masat e mbetura të grimcës X dhe produkteve të zbërthimit A dhe B.

Për energjitë kinetike të bërthamave të radonit dhe heliumit që rezultojnë nga α -prishje bërthamat e radiumit:

Më pas, uji shndërrohet në avull në reaktorët e ujit të vluar që rrjedhin nëpër tubacione drejt turbinave, të cilat nga ana e tyre rrotullohen dhe prodhojnë energji elektrike. Megjithëse reaktori i Çernobilit ishte gjithashtu i ftohur me ujë, uji në thelb përdorej vetëm për ftohje, por nuk ngadalësonte neutronet. Në vend të kësaj, blloqe të mëdha grafiti rrethuan karburantin dhe u përdorën për të ngadalësuar neutronet.

Nëse diçka shkon keq në një reaktor që është i ftohur me ujë dhe i ftohur me ujë, sasia e nxehtësisë së çliruar bën që uji që rrethon karburantin të vlojë dhe të kthehet në avull. Ndërsa uji është një moderator i shkëlqyer për neutronet, avulli nuk është. Kur ngadalësimi i neutronit zvogëlohet, neutronet nuk do të jenë më në gjendje të vazhdojnë reaksion zinxhir ndarje, dhe reaktori do të mbyllet. Kjo është arsyeja pse shumica e reaktorëve reagojnë për të parandaluar çdo rritje katastrofike të presionit dhe pasojat e mundshme të kësaj.

226 Ra → 222 Rn + 4 He.

Vlerat e marra të energjive kinetike të bërthamave të radonit dhe heliumit justifikojnë përdorimin e përafrimit jorelativist. Për të vlerësuar vlefshmërinë e këtij përafrimi, nuk ka nevojë të llogariten shpejtësitë e produkteve dhe t'i krahasojmë ato me shpejtësinë e dritës, mjafton të krahasohet energjia kinetike e grimcës me energjinë e saj të pushimit. Në zbërthimin e bërthamës së radiumit 226 Ra, maksimumi energjia kinetike mbart një bërthamë heliumi (d.m.th., një grimcë α), dhe kjo energji është më pak se 0,5% e energjisë së mbetur të nukleonit (~ 940 MeV) dhe, rrjedhimisht, më pak se 0,15% e energjisë së mbetur të bërthamës së heliumit. .
Bërthama e radonit që rezulton nga α-shkatërrimi i radiumit (T 1/2 = 1600 vjet) gjithashtu përjeton α-zbërthim me një gjysmë jete prej T 1/2 = 3,82 ditë.

Në rast aksidenti në Centrali bërthamor i Çernobilit rritja e papritur e fuqisë bëri që uji ftohës të vlonte, por duke qenë se ai nuk ftohej nga uji, blloqet e grafitit vazhduan të ngadalësojnë neutronet, duke lejuar që fuqia të rritet derisa të arrijë efekte shkatërruese.

Duhet të theksohet gjithashtu se pak para këtij incidenti, operatorët po kryenin teste në të cilat ata zgjodhën të çaktivizonin qarqe të caktuara sigurie, kështu që testet nuk do të kishin zgjatur aq shumë. Mungesa e njërit prej këtyre qarqeve të sigurisë lejoi në fakt një rritje të shpejtë të fuqisë.

Problemi 10.1. Llogaritni energjinë kinetike të një grimce α në zbërthimin 222 Rn → 218 Rn + 4 He.

ΔM = Δ(222 Rn) − Δ(218 Rn) − Δ(4 He);

Bërthama e poloniumit 218 Po që lind në këtë zbërthim gjithashtu kalbet me emetimin e grimcave α (gjysma e jetës së saj është Т 1/2 = 3,1 min): 218 Po → 214 Pb + 4 He. Produkti i këtij zbërthimi është bërthama e plumbit 214 Pb "e mbingarkuar" me neutrone (izotopet e plumbit 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb janë të qëndrueshme). Prandaj, 214 Pb zbërthehet (T 1/2 = 27 minuta) përmes kanalit β-zbërthimi.
"Zinxhiri" i zbërthimeve që kemi shqyrtuar është një tipar karakteristik i prishjeve të bërthamave të rënda. Të formuar gjatë sintezës së elementeve më shumë se 10 miliardë vjet më parë, bërthamat e rënda prishen, duke formuar përsëri bërthama të paqëndrueshme. Prishjet vazhdojnë deri në formimin e elementeve të qëndrueshme. Në zbërthimin, lëshohen grimca α dhe çifte leptonesh (β-zbërthimi). Në kalbjet α, numri i nukleoneve A në bërthama ndryshon me 4, β-zbërthimi ndodh pa ndryshuar A. Prandaj, ekzistojnë vetëm 4 seri (familje) zbërthimesh radioaktive të bërthamave të rënda me numrat masiv A = 4n, 4n + 1, 4n + 2 dhe 4n + 3 (shih tabelën 3.1).

Blloqet e grafitit morën flakë, duke shkaktuar më shumë nxehtësi dhe dëmtime. Shpërthimet e avullit dhe e gjithë nxehtësia e detyruan anijen e reaktorit të fshihte montimet e saj dhe bënë që shumë produkte të ndarjes të lëshoheshin në reaktor nga ndërtesa e reaktorit. Dhe mbani mend se në Çernobil reaktori ishte vendosur në një ndërtesë muri me fletë të hollë dhe nuk përmbante beton të përforcuar prej çeliku prej 3 pjesësh si ato të përdorura në SHBA dhe vende të tjera përveç Rusisë dhe ish-Bashkimit Sovjetik.

Numri i vdekjeve të shkaktuara nga sindroma akute e rrezatimit gjatë vitit të parë pas aksidentit të Çernobilit është i dokumentuar mirë. Dy persona të tjerë kanë humbur jetën si pasojë e plagëve të tjera të marra pas aksidentit. Pas aksidentit në termocentralin bërthamor të Çernobilit, pati parashikime një numër i madh vdekjet nga kanceri. Shqetësuese të veçanta janë efektet e mundshme shëndetësore tek fëmijët e palindur të grave shtatzëna që ishin ekspozuar potencialisht gjatë aksidentit. Shikime të ngjashme janë vërejtur në Itali, Gjermaninë Perëndimore, Danimarkë dhe Norvegji.

Seria e zbërthimit radioaktiv 238 U


Bërthamat parësore të së dytës së familjeve me A = 4n + 1 praktikisht u shpërbënë gjatë kohës që kaloi pas formimit të tyre. Prishjet e tre rreshtave të mbetur janë burimi i radioaktivitetit të materies së Tokës. Zbërthimet 226Ra, 222Rn dhe 218Po të konsideruara më sipër i përkasin familjes 4n + 2.

Megjithëse fëmijët e ekspozuar para lindjes ka të ngjarë të kenë një incidencë të shtuar të kancerit të tiroides, shumë pak do të vdisnin nga kjo sëmundje. Megjithatë, deri më sot, nuk ka një rritje të qartë të kancereve të ngurta ose leuçemisë në popullatën që merr vlerën më të lartë. Urani si gjithë të tjerët elementet atomike, shfaqet në disa forma të ndryshme, të njohura si izotope.

Për shkak se ndarja bërthamore është një burim shumë efikas i energjisë, reaktorët bërthamorë kërkojnë shumë pak karburant. Një mbetje e vetme e karburantit të uraniumit prej 20 gramë mund të prodhojë të njëjtën sasi energjie si 400 kilogramë qymyr, 410 litra naftë ose 350 metra kub gaz natyror.

. Reaksionet bërthamore me neutronet

Të dy neutronet dhe protonet marrin pjesë në ndërveprime të forta me bërthamat dhe nukleonet. Megjithatë, duke mos pasur ngarkesë elektrike neutroni nuk ka pengesë Kulombi brenda reaksionet bërthamore, pra luajnë reaksionet bërthamore nën veprimin e neutroneve rol të veçantë në fizikën bërthamore të aplikuar.
Marrja e izotopeve radioaktive për qëllime mjekësore dhe teknike kryhet duke rrezatuar izotope të qëndrueshme me neutrone. Burimi i neutroneve është, për shembull, një reaktor bërthamor. Konsideroni marrjen izotopi radioaktiv në shembullin e reaksionit të aktivizimit të arit

Përbërësit kryesorë të reaktorëve bërthamorë

Uraniumi është relativisht i qëndrueshëm përpara se të hyjë në reaktor: lëshon një sasi kaq të vogël rrezatimi saqë fishekët e karburantit të papërdorur janë të sigurta për t'u gjetur. Ky proces çliron nxehtësi që mund të shndërrohet në energji elektrike. Duke kontrolluar përqendrimin e karburantit bërthamor dhe duke ngadalësuar ose thithur neutronet, reaktorët bërthamorë e stabilizojnë këtë reaksion zinxhir me shpejtësinë e kërkuar. Pjesët kryesore të një reaktori bërthamor janë bërthama, moderatori, shufrat e kontrollit, ftohësi dhe mbrojtja.

n + 197 Au → 198 Au + γ.

Izotopi që rezulton i arit me A = 198 është radioaktiv. Ai zbërthehet me gjysmë-jetën T 1/2 = 2,7 ditë 198 Au → 198 Hg + e + e .
Le të shqyrtojmë ndryshimin e numrit të bërthamave të arit 198 me kohën, duke filluar nga momenti i fillimit të rrezatimit të arit 197:

Këtu I është fluksi i neutronit, n është numri i bërthamave të arit 197 Au në mostër, σ është seksioni kryq efektiv i reaksionit të aktivizimit.

Bërthama e reaktorit përmban karburant uranium. Një moderator është një material i lehtë si uji që lejon neutronet të ngadalësohen pa u kapur. Ngadalësimi i neutroneve të shpejta të krijuara nga ndarja mund të rrisë efektivitetin e tyre, duke shkaktuar ndarje të mëtejshme.

Shufrat e kontrollit janë bërë nga materiale që thithin neutrone si bor, argjend, indium, kadmium ose hafnium. Ato futen në reaktor për të reduktuar numrin e neutroneve dhe kështu ndalojnë procesin e ndarjes kur është e nevojshme. Ato përdoren gjithashtu për kontrollin e nivelit dhe shpërndarjen e energjisë në reaktor.

Aktiviteti është numri i zbërthimeve të një bari të caktuar në 1 sekondë. Aktiviteti është i barabartë me produktin e probabilitetit të kalbjes nga numri i bërthamave të një izotopi radioaktiv në mostër

J(t) = λN(t) = Inσ(1 – e -λt).

Me kusht që koha e ekspozimit t<< T 1/2 ,

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

Duke marrë parasysh se n = mN A /A, ku m është masa e kampionit të aktivizuar, N A është numri Avogadro, marrim se aktiviteti i induktuar i izotopit të arit 198 Au është

Ftohësi është lëngu që qarkullon nëpër bërthamën e reaktorit, i cili përdoret për të thithur dhe transferuar nxehtësinë e krijuar gjatë ndarjes bërthamore. Në të njëjtën kohë, ai ruan temperaturën e karburantit brenda kufijve të pranueshëm. Mbrojtja është një strukturë rreth reaktorit dhe gjeneratorëve të tij me avull të krijuar për ta mbrojtur atë nga ndërhyrja dhe për të mbrojtur ata që e rrethojnë nga ekspozimi ndaj rrezatimit në rast të një mosfunksionimi të madh brenda. Kjo është një strukturë tipike prej betoni dhe çeliku me trashësi metër.

Enciklopedia e spiunazhit, inteligjencës dhe sigurisë. Reaktorët bërthamorë janë pajisje komplekse në të cilat elementët e zbërthyeshëm si uraniumi, toriumi ose plutoniumi i nënshtrohen një reaksioni të qëndrueshëm zinxhir bërthamor. Ky reaksion zinxhir çliron energji në formën e rrezatimit, i cili e mban reaksionin zinxhir; shndërron atomet e afërta, duke përfshirë vetë karburantin bërthamor; dhe mund të mblidhet si nxehtësi. Shndërrimi i reaktorit bërthamor i uraniumit-238 konvencional, por pak i zbërthyeshëm në plutonium-239 është një burim i rëndësishëm eksplozivi për armët bërthamore, dhe nxehtësia nga reaktorët bërthamorë përdoret për të prodhuar afërsisht 16 për qind të energjisë elektrike në botë dhe për të shtyrë nëndetëset, aeroplanmbajtëset , dhe disa anije të tjera ushtarake. .

Matja e aktivitetit të një kampioni të rrezatuar në një fluks neutron mund të shërbejë gjithashtu si një metodë për përcaktimin e seksionit kryq efektiv të aktivizimit.

Prerjet tërthore efektive për reaksionet me neutronet, si dhe për reaksionet e tjera bërthamore, varen nga energjitë kinetike të neutroneve. Në rast se kapja e neutroneve çon në një reaksion ekzotermik - d.m.th. shkon me çlirimin e energjisë - seksioni kryq efektiv i kapjes zvogëlohet me rritjen e energjisë në rajonin e 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.
Përcaktuar në kushtet e problemit 10.1. vlera e prerjes tërthore të aktivizimit efektiv për arin korrespondon me energjinë e neutronit të barabartë me energjinë e lëvizjes termike. Këto energji arrihen duke moderuar neutronet.

Reaktorët bërthamorë janë përdorur gjithashtu në satelitë dhe janë propozuar si burime energjie për lokomotiva, avionë dhe raketa. Si funksionon një reaktor bërthamor. Një reaktor bërthamor shfrytëzon paqëndrueshmërinë e natyrshme të disa atomeve, përgjithësisht ato që kanë një numër atomik të lartë ose që përmbajnë një çekuilibër të protoneve dhe neutroneve që shpërthejnë në kohë të rastësishme, duke lëshuar fotone, neutrone, elektrone dhe grimca alfa. Për disa nuklide, pritja mesatare derisa një atom i caktuar të bëhet spontanisht më i shkurtër.

Kur atome të mjaftueshme të një pakete të tillë izotopi të paqëndrueshme janë afër njëra-tjetrës, neutronet e lëshuara nga atomet e zbërthyer kanë më shumë gjasa të godasin bërthamat e atomeve fqinje të paqëndrueshme. Ata mund të zbërthehen të gjitha menjëherë, duke lëshuar edhe më shumë neutrone, të cilat mund të shkaktojnë më shumë ngjarje të ndarjes, e kështu me radhë. është reaksioni zinxhir nga i cili varen reaktorët bërthamorë dhe bombat bërthamore të tipit bërthamor. Megjithatë, në një reaktor, shkalla e ndarjes është afërsisht konstante, ndërsa në një bombë rritet në mënyrë eksponenciale, duke konsumuar pjesën më të madhe të materialit të zbërthyer në një pjesë të vogël të sekondës.

. Moderimi i neutronit

Moderimi i neutronit kryhet për të rritur seksionet kryq efektive për reaksionet me neutronet.
Për ngadalësim neutronet përdoret shpërndarja elastike e neutroneve në bërthamat e materies. Seksioni kryq për shpërndarjen elastike të neutroneve nga bërthamat priret në një konstante ndërsa energjia kinetike e neutronit zvogëlohet.
Në shpërndarjen elastike të neutroneve nga protonet, mesatarisht, një neutron humbet gjysmën e energjisë së tij në një ngjarje shpërndarjeje:

Për të siguruar një reaksion zinxhir të qëndrueshëm, në vend të një shpërthimi bërthamor, reaktori nuk duhet të mbledhë atomet e zbërthyer shumë afër njëri-tjetrit. Prandaj, ato përzihen me atome më pak të zbërthyer që nuk mbështesin reaksionin zinxhir. Për një bombë me ndarje, një pasurim 90% do të ishte tipik. Reaktorët bërthamorë detarë të diskutuar më poshtë përdorën karburant të pasuruar midis 20 dhe 93 përqind. Duke holluar përbërësin e tij aktiv të karburantit, një reaktor tipik bërthamor duhet të kompensojë duke siguruar që neutronet e prodhuara nga ajo lëndë djegëse e holluar mund të mbajnë reaksionin zinxhir.

Ligjet e ruajtjes së energjisë dhe momentit në shpërndarjen elastike të një neutroni në një proton:

Simboli E tregon energjitë kinetike. Meqenëse energjitë kinetike të neutronit dhe protonit në përafrimin jorelativist

(diferenca ndërmjet masës së protonit dhe neutronit mund të neglizhohet, d.m.th. m n ≈ m p), d.m.th. trekëndëshi i ligjit të ruajtjes së momentit është trekëndësh kënddrejtë.
Kjo është arsyeja pse:

Kjo bëhet në shumicën e reaktorëve duke futur karburantin në copa të vogla ose "qeliza karburanti" në një matricë të një materiali të quajtur "moderator". Funksioni i moderatorit është të ngadalësojë neutronet e emetuara nga atomet e zbërthyer në karburant. Paradoksalisht, një neutron i ngadalshëm ka më shumë gjasa të shkaktojë ndarje në një bërthamë uraniumi, plutoniumi ose toriumi sesa në neutronet e shpejta, moderatori, duke ngadalësuar shumicën e neutroneve për t'i lejuar ata të godasin bërthamat, duke rritur kështu gjasat që secili neutron të kontribuojë. për të ruajtur reaksionin zinxhir.

Kështu, çdo substancë që përmban hidrogjen - ujë, parafinë, etj. - mund të përdoret si moderator. Megjithatë, në një numër aplikimesh të fizikës së neutroneve, për shembull, për të mbajtur një reaksion zinxhir të ndarjes, një karakteristikë e rëndësishme e moderatorit është seksion kryq i vogël efektiv i kapjes së neutronit nga moderatori. Në këto raste, zgjedhja e një moderatori përcaktohet si nga efikasiteti i procesit të reduktimit të energjisë së neutronit në moderator ashtu edhe nga seksioni kryq i kapjes së ulët të neutronit. Sipas këtyre karakteristikave, uji i rëndë (D 2 O) dhe grafiti janë moderatorë të mirë. Kur uji ose substanca të tjera që përmbajnë hidrogjen përdoren si moderator, kapja e konsiderueshme e neutronit ndodh për shkak të reaksionit 1 H(n,γ) 2 H.
Në shpërndarjen elastike të neutroneve nga bërthama më të rënda, humbja mesatare e energjive kinetike të neutroneve është më e vogël se në shpërndarjen nga protonet. Për shembull, kur neutronet shpërndahen në bërthama 12 C:

Grafiti, uji, uji i rëndë dhe hidridi i zirkonit mund të përdoren si moderatorë. Uji i thjeshtë është moderatori më i përdorur. Nëse reaksioni zinxhir i mbajtur nga një reaktor bërthamor krijon nxehtësi të mjaftueshme për të dëmtuar vetë reaktorin, ajo nxehtësi duhet të bartet vazhdimisht nga gazi ose lëngu ndërsa reaktori është në punë. Pasi të hiqet nga reaktori, kjo energji mund të çlirohet në mjedis si nxehtësi e mbetur ose të përdoret pjesërisht për të prodhuar energji elektrike.

Natriumi i lëngshëm, uji nën presion, uji i vluar dhe heliumi janë përdorur të gjithë si një mjet ftohës për reaktorët bërthamorë, kur përdoren në termocentrale industriale ose bërthamore nën presion ose ujë të valë. Në mënyrë tipike, energjia termike e hequr nga një reaktor konvertohet fillimisht në energji kinetike duke përdorur gaz të nxehtë ose avull për të drejtuar turbinat dhe më pas në energji elektrike duke përdorur turbinat për të kthyer gjeneratorët. Reaktor nënprodukt.

Ulja e energjive kinetike të neutroneve në proceset e shpërndarjes ndodh deri në energjitë e lëvizjes termike të molekulave në materialin moderator. Në këtë varg energjetik, shpërndarja e neutroneve për sa i përket shpejtësive dhe energjive kinetike është afër shpërndarjes së Maxwell. Le të vlerësojmë energjinë mesatare kinetike të neutroneve termike në një temperaturë moderatore prej rreth 300 o K.

Energjia mesatare kinetike e lëvizjes termike të një grimce me 3 gradë lirie është
E kin =(3/2)kT, ku k është konstanta e Boltzmann-it (k = 8.62×10 -11 MeV/k):

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

Nëse rreth 1/2 e energjisë kinetike të neutronit humbet në një akt të shpërndarjes elastike, atëherë numri mesatar i ngjarjeve të shpërndarjes që kërkohet për ngadalësim është ~27. Vërtet:

. reaksioni zinxhir i ndarjes

Reagimi i zbërthimit të një bërthame atomike në dy fragmente me masë të krahasueshme quhet ndarje. Fisioni mund të jetë spontan ose i detyruar (d.m.th., i shkaktuar nga ndërveprimi me një grimcë të incidentit). Reaksioni i ndarjes së bërthamave të rënda nën veprimin e neutroneve qëndron në themel të metodave për marrjen e energjisë bërthamore. Nga kurba e varësisë së energjisë specifike të lidhjes së bërthamave nga numri i nukleoneve A, mund të vlerësohet se çfarë energjie lirohet gjatë shndërrimit të një bërthame me A = 200 në dy bërthama me një numër më të vogël nukleonësh. Meqenëse për bërthamat e rënda energjia e lidhjes për nukleon është rreth 7,5 MeV, dhe për bërthamat e mesme është ≈ 8,5 MeV, ndarja e kësaj bërthame do të lëshojë një energji prej ~ 200 MeV.
Pjesa kryesore e energjisë së ndarjes shndërrohet në energjinë kinetike të "fragmenteve" - ​​d.m.th. që rezulton nga ndarja bërthamore. Fragmentet, si rregull, nuk kanë masa të barabarta; mesatarisht, raporti i masave është 1.5.
Një tipar shumë i rëndësishëm i ndarjes është se për një numër bërthamash të rënda, ndarja shoqërohet me emetim të neutroneve, siç tregon shembulli i ndarjes së detyruar të bërthamës së uraniumit 235 U:

n + 235U → 95Sr + 139Xe +2n. (10.4)

Përveç reaksionit (10.4), ndarja e detyruar e izotopit të uraniumit 235 U kalon nëpër dhjetëra kanale të tjera të ndarjes. Karakteristika më e rëndësishme e reaksioneve të ndarjes së induktuar të bërthamave 235U është fakti se për këtë izotop reaksionet e ndarjes (n,f) nuk kanë një prag energjie, d.m.th. mund të ndodhë në neutronet termike dhe për këtë arsye kanë seksione të mëdha tërthore efektive. Mesatarisht, ν = 2,43 neutrone të shpejta prodhohen nga neutronet termike për ngjarje të ndarjes së izotopit 235 U. Janë pikërisht ata elementë, bërthamat e të cilëve gjatë ndarjes së detyruar japin 2-4 neutrone mesatarisht për çdo ngjarje të ndarjes që mund të përdoren për të ruajtur reaksioni zinxhir i ndarjes. Megjithatë, neutronet e prodhuara si rezultat i ndarjes nuk mund të përdoren gjithmonë për të mbështetur procesin e ndarjes së stimuluar. Disa nga neutronet e prodhuara në reaksionet e ndarjes do të shkaktojnë reaksione të tjera, për shembull, reaksionin (n,γ). Prandaj, për të ruajtur procesin e ndarjes, vlera

Reaksioni zinxhir i ndarjes do të mbahet nëse numri i neutroneve në një gjeneratë nuk është më i ulët se numri i neutroneve në gjeneratën e mëparshme. Reaktori NPP funksionon me një faktor të shumëzimit të neutroneve k > 1, pasi një pjesë e neutroneve të prodhuara humbet për shkak të largimit nga reaktori dhe për shkak të reaksioneve të tjera (për shembull, reaksionet e kapjes së rrezatimit (n,γ)).
Masa e elementit të zbërthyeshëm nuk mund të jetë më e vogël se e ashtuquajtura. masa kritike, dhe madhësia e zonës aktive në të cilën ndodh ndarja është më e vogël se madhësia kritike.
Në praktikë, vetëm tre izotopë 235 U, 238 U, 239 Pu përdoren për të marrë një reaksion zinxhir të kontrolluar të ndarjes, dhe izotopi i tretë i plutoniumit - 239 Pu - prodhohet në reaktorët bërthamorë të uraniumit. Izotopi 238 U i nënshtrohet ndarjes vetëm nën veprimin e neutroneve të shpejtë me energji jo më të ulët se 1.1 MeV.
Shumica e reaktorëve bërthamorë industrialë (NPP) operojnë me uranium të pasuruar, d.m.th. një përzierje e izotopeve 238 U dhe 235 U, në të cilën përqindja e 235 U tejkalon ndjeshëm përqindjen e këtij izotopi në përzierjen natyrore (rreth 4% në vend të ~0,7%). Ky është i ashtuquajturi uranium "me pasurim të ulët" (një përzierje e izotopeve të uraniumit me më shumë se 6% përmbajtje 235 U - uranium "shumë i pasuruar" - është materiali që përdoret për prodhimin e armëve bërthamore). Një reaksion zinxhir i ndarjes nën veprimin e neutroneve termike ndodh në izotopin 235 U. Ky izotop i uraniumit, nën veprimin e neutroneve termike, ndahet në dy "fragmente" - bërthama me numra në masë nga 72 në 161 dhe numra protonikë nga 30 deri në 65. Për shembull,

n + 235U → 94Kr + 140Ba +2n. (10.6)

Seksioni kryq efektiv total për reaksionet e ndarjes 235U(n,f) për neutronet termike është rreth 580 hambar.

Reaksioni i ndarjes së izotopit 238 U është një prag; ky izotop shpërthen vetëm në energjitë e neutroneve mbi 1.1 MeV, d.m.th. neutronet "të shpejta". Megjithatë, seksioni kryq efektiv për këtë reaksion të ndarjes është shumë më i ulët se seksioni kryq për ndarjen e 235 U(n,f) nën veprimin e neutroneve termike (shih Fig. 10.1).

Energjia e çliruar në reaksion praktikisht përkon me ndryshimin midis masave të pushimit të bërthamave dhe neutroneve të anës së majtë dhe të djathtë të (10.4), pasi energjia kinetike e neutroneve termike (~0.04 eV) në bilancin e energjisë mund të neglizhohet. :

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.

Neutronet e prodhuara në procesin e ndarjes janë të shpejta. Ato duhet të ngadalësohen në shpejtësinë e lëvizjes termike në mënyrë që të përdoren për ndarjen e 235 bërthamave të tjera U - domethënë, për të mbajtur një reaksion zinxhir. Për këtë qëllim përdoren materiale që përbëhen nga elementë me vlerë të vogël A. Sa më i vogël A, aq më i shpejtë është ngadalësimi i neutroneve (ngadalësimi i neutroneve ndodh në reaksionin e shpërndarjes elastike të një neutroni në bërthamat e moderator). Një cilësi tjetër e detyrueshme e moderatorit është vlera e ulët e seksionit kryq efektiv të absorbimit të neutronit. Kërkesa të tilla plotësohen nga uji i rëndë, i cili përdoret në reaktorët homogjenë. Grafiti përdoret si moderator në reaktorët heterogjenë. Në këtë rast, moderimi i neutroneve ndodh në bërthamat e karbonit. Tabela 10.2 jep karakteristikat kryesore të tre moderatorëve të neutroneve: vlerat e seksioneve të kapjes termike të neutroneve dhe gjatësia e moderuar L e neutroneve në moderator (L është rruga që kalojnë neutronet në moderator nga energjitë mesatare kinetike me të cilat ato lindin në procesin e ndarjes me energjitë e lëvizjes termike).

Si rezultat i reaksioneve të ndarjes, shfaqen bërthama të paqëndrueshme ("fragmente" të ndarjes), "të mbingopura" me neutrone. Krahasuar me bërthamat e qëndrueshme me të njëjtën vlerë të numrit të protoneve

Moderatorët - seksioni Kimi, Industria e energjisë bërthamore Moderatorët. Moderatori shërben për të reduktuar energjinë e neutroneve E...

Retarderët.

Moderatori shërben për të reduktuar energjinë e neutroneve të emetuara në procesin e ndarjes nga rreth 1 MeV në energji termike prej rreth 0,025 eV. Meqenëse moderimi ndodh kryesisht si rezultat i shpërndarjes elastike nga bërthamat e atomeve jo të zbërthyeshme, masa e atomeve moderatore duhet të jetë sa më e vogël që të jetë e mundur në mënyrë që neutroni të transferojë energji maksimale tek ata. Përveç kësaj, atomet moderatore duhet të kenë një seksion kryq kapjeje të vogël në krahasim me seksionin kryq të shpërndarjes, pasi neutroni duhet të përplaset në mënyrë të përsëritur me atomet moderatore përpara se të ngadalësohet në energji termike.

Moderatori më i mirë është hidrogjeni, pasi masa e tij është pothuajse e barabartë me masën e neutronit dhe, për rrjedhojë, neutroni humbet sasinë më të madhe të energjisë kur përplaset me hidrogjenin. Por hidrogjeni i zakonshëm i lehtë thith neutronet shumë fort, dhe për këtë arsye moderatorë më të përshtatshëm, pavarësisht masës së tyre pak më të madhe, janë deuteriumi, hidrogjeni i rëndë dhe uji i rëndë, pasi ato thithin më pak neutronet.

Beriliumi mund të konsiderohet një moderator i mirë. Karboni ka një seksion kryq të përthithjes së neutroneve aq të vogël saqë në mënyrë efektive i moderon neutronet, megjithëse kërkon shumë më tepër përplasje për të ngadalësuar sesa hidrogjeni. Numri mesatar N i përplasjeve elastike që kërkohet për të ngadalësuar një neutron nga 1 MeV në 0,025 eV duke përdorur hidrogjen, deuterium, berilium dhe karbon është afërsisht 18, 27, 36 dhe 135, respektivisht. Natyra e përafërt e këtyre vlerave është për faktin se, për shkak të pranisë së energjisë kimike, lidhjet në moderatorin e përplasjes në energji nën 0.3 eV vështirë se mund të jenë elastike.

Në energji të ulëta, rrjeta atomike mund të transferojë energji në neutrone ose të ndryshojë masën efektive në një përplasje, duke shkelur kështu procesin e ngadalësimit. Transportuesit e nxehtësisë. Ftohësit e përdorur në reaktorët bërthamorë janë uji, uji i rëndë, natriumi i lëngshëm, aliazhi i lëngët natrium-kalium NaK, heliumi, dioksidi i karbonit dhe lëngjet organike si terfenili.

Këto substanca janë bartës të mirë të nxehtësisë dhe kanë seksione tërthore me absorbim të ulët të neutronit. Uji është një moderator dhe ftohës i shkëlqyer, por thith neutronet shumë fuqishëm dhe ka një presion shumë të lartë avulli prej 14 MPa në një temperaturë funksionimi prej 336 C. Moderatori më i njohur është uji i rëndë. Karakteristikat e tij janë të përafërta me ato të ujit të zakonshëm, dhe seksioni kryq i thithjes së neutronit është më i vogël. Natriumi është një ftohës i shkëlqyer, por nuk është efektiv si moderator i neutroneve.

Prandaj, përdoret në reaktorët e shpejtë të neutronit, ku më shumë neutrone emetohen gjatë ndarjes. Vërtetë, natriumi ka një sërë disavantazhesh: shkakton radioaktivitet, ka një kapacitet të ulët nxehtësie, është kimikisht aktiv dhe ngurtësohet në temperaturën e dhomës. Një aliazh natriumi dhe kaliumi është i ngjashëm në vetitë me natriumin, por mbetet i lëngshëm në temperaturën e dhomës. Heliumi është një ftohës i shkëlqyer, por ka një kapacitet të ulët specifik të nxehtësisë. Dioksidi i karbonit është një ftohës i mirë dhe është përdorur gjerësisht në reaktorët e moderuar nga grafiti.

Terfenili ka avantazhin ndaj ujit se ka një presion të ulët avulli në temperaturën e punës, por dekompozohet dhe polimerizohet nën temperaturat e larta dhe flukset e rrezatimit që janë karakteristikë e reaktorëve. Elementet që gjenerojnë nxehtësi. Elementi i karburantit të shufrës së karburantit është një bërthamë karburanti me një guaskë të mbyllur. Veshja parandalon rrjedhjen e produkteve të ndarjes dhe ndërveprimin e karburantit me ftohësin.

Materiali i guaskës duhet të thithë dobët neutronet dhe të ketë karakteristika të pranueshme mekanike, hidraulike dhe përcjellëse të nxehtësisë. Elementet e karburantit janë zakonisht fishekë të oksidit të uraniumit të sinteruar në alumin, zirkon ose tuba çeliku të pandryshkshëm, fishekë prej lidhjeve të uraniumit me zirkon, molibden dhe alumin të veshura me zirkon ose alumin në rastin e një fishekësh grafiti të aliazhit të aluminit me uranium të shpërndarë me karbide të shpërndara dhe imperate. .

Të gjithë këta elementë të karburantit përdoren, por për reaktorët e ujit nën presion, peletat e oksidit të uraniumit në tuba inox janë më të preferuarit. Dioksidi i uraniumit nuk reagon me ujin, ka një rezistencë të lartë ndaj rrezatimit dhe karakterizohet nga një pikë e lartë shkrirjeje. Për reaktorët me ftohje me gaz me temperaturë të lartë, qelizat e karburantit grafit duken të jenë shumë të përshtatshme, por ato kanë një disavantazh serioz për shkak të difuzionit ose për shkak të defekteve në grafit, gazrat e ndarjes mund të depërtojnë përmes veshjes së tyre.

Ftohësit organikë janë të papajtueshëm me shufrat e karburantit të zirkonit dhe për këtë arsye kërkojnë përdorimin e lidhjeve të aluminit. Perspektivat për reaktorët me ftohës organikë varen nga fakti nëse krijohen lidhje alumini ose produkte metalurgjike pluhur që do të kishin forcën në temperaturat e funksionimit dhe përçueshmërinë termike të nevojshme për përdorimin e pendëve që rrisin transferimin e nxehtësisë në ftohës. Meqenëse transferimi i nxehtësisë midis karburantit dhe ftohësit organik për shkak të përçueshmërisë termike është i vogël, është e dëshirueshme të përdoret zierja sipërfaqësore për të rritur transferimin e nxehtësisë.

Problemet e reja do të shoqërohen me vlimin sipërfaqësor, por ato duhet të zgjidhen nëse përdorimi i lëngjeve organike të transferimit të nxehtësisë rezulton të jetë i dobishëm.

Fundi i punës -

Kjo temë i përket:

Energjia bërthamore
CIKLI KARBURANT BËRTHAMOR. Energjia bërthamore është një industri komplekse që përfshin shumë procese industriale që së bashku formojnë ciklin e karburantit. Ekzistojnë lloje të ndryshme të cikleve të karburantit, për

Zhvillimi i industrisë bërthamore
Zhvillimi i industrisë bërthamore. Pas Luftës së Dytë Botërore, dhjetëra miliarda dollarë u investuan në industrinë e energjisë elektrike në të gjithë botën. Ky bum ndërtimi u nxit nga një rritje e shpejtë e kërkesës për

Ekonomia e energjisë bërthamore
Ekonomia e energjisë bërthamore. Investimet në energjinë bërthamore, si investimet në fusha të tjera të prodhimit të energjisë elektrike, justifikohen ekonomikisht nëse plotësohen dy kushte: kostoja e kilogramëve.

Referenca e historisë
Referenca e historisë. Historia e zbulimit të ndarjes bërthamore daton në punën e A. Becquerel 1852 1908. Në vitin 1896, duke studiuar fosforeshencën e materialeve të ndryshme, ai zbuloi se mineralet që përmbajnë uranium, ca.

Indikacionet e para të mundësisë së ndarjes bërthamore
Indikacionet e para të mundësisë së ndarjes bërthamore. Fermit i njihet merita për zbulimin e shumë prej reaksioneve të neutroneve të njohura sot. Në veçanti, ai u përpoq të merrte një element me numrin atomik 93 neptunium, bomba

Konfirmimi i pjesëtueshmërisë
Konfirmimi i ndarjes. Pas kësaj, Fermi, J. Dunning dhe J. Pegram nga Universiteti i Kolumbias kryen eksperimente që treguan se ndarja bërthamore me të vërtetë ndodh. Dele

Zhvillimet gjatë Luftës së Dytë Botërore
Zhvillimet gjatë Luftës së Dytë Botërore. Nga viti 1940 deri në 1945 drejtimi i zhvillimit u përcaktua nga konsideratat ushtarake. Në vitin 1941, u përftuan sasi të vogla plutoniumi dhe një numër avulli bërthamor

Izotopet e papërpunuara
Izotopet e papërpunuara. Ekzistojnë dy izotope të papërpunuara toriumi-232 dhe uraniumi-238, nga të cilët përftohen izotopet e zbërthyeshme uranium-233 dhe plutonium-239. Teknologjia e përdorimit të izotopeve të papërpunuara varet nga faktorë të ndryshëm.

Llojet e reaktorëve
Llojet e reaktorëve. Teorikisht, janë të mundshme më shumë se 100 lloje të ndryshme reaktorësh, të ndryshëm në karburant, moderator dhe ftohës. Shumica e reaktorëve konvencionalë përdorin

Reaktiviteti dhe kontrolli
Reaktiviteti dhe kontrolli. Mundësia e një reaksioni zinxhir të vetëqëndrueshëm në një reaktor bërthamor varet nga sasia e neutronit që rrjedh nga reaktori. Neutronet e prodhuara në procesin e ndarjes zhduken

Sistemet e sigurisë
Sistemet e sigurisë. Siguria e reaktorit sigurohet nga një ose një tjetër mekanizëm për mbylljen e tij në rast të një rritje të mprehtë të fuqisë. Mund të jetë një mekanizëm i një procesi fizik ose një veprim i një sistemi.

PERSPEKTIVAT PËR ENERGJINË Bërthamore. ÇËSHTJE TË SIGURISË
PERSPEKTIVAT PËR ENERGJINË Bërthamore. ÇËSHTJE TË SIGURISË. Ndër ata që këmbëngulin në nevojën për të vazhduar kërkimin e mënyrave të sigurta dhe ekonomike për zhvillimin e energjisë bërthamore, mund të dallohen dy kryesore.

A mund të braktisim energjinë bërthamore?
A mund të braktisim energjinë bërthamore? Bazuar në materialet e A.Vaganov, NG-Nauka, 2001. Katastrofa klimatike Ekzaminoi studiuesi kryesor i Institutit të Biofizikës RAS A. Karnaukhov


Lista e literaturës dhe burimeve të përdorura. Dementiev B.A. Reaktorët e energjisë bërthamore. M 1984 2. Robertson B. Fizika moderne në shkencat e aplikuara. M 1985 3. Samoilov O.B. Usynin G.B. Bakhme