Orada ayrıca iki ürüne ve üç veya daha fazla ürüne bozunmanın, bozunma ürünlerinin farklı enerji spektrumları ile karakterize edildiği gösterildi. İki parçacığa bozunma durumunda, bozunma ürünlerinin spektrumları ayrıdır. Bu tür bozunmaların bir örneği, tüm çekirdeklerin α-bozunmalarıdır. Çürümeler için enerjinin ve momentumun korunumu yasalarının, bozunan parçacık veya çekirdekle ilişkili koordinat sisteminde yazılması gerektiğini hatırlayın. Formülleri basitleştirmek için birim sistemini kullanmak uygundur. ћ = c = 1, burada enerji, kütle ve momentum aynı boyuta sahiptir.

Radyoaktif maddelerin salınmasının bir başka nedeni de Çernobil reaktörünün diğer enerji santrallerinden çok farklı çalışmasıydı. Neredeyse tüm bitkiler, nötronların yakıttaki atomları bombaladığı veya çarptığı ve fisyona neden olduğu "kendi kendini sürdüren nükleer fisyon zincir reaksiyonu" adı verilen bir ilkeye göre çalışır. Ancak bu süreç kontrol edilmelidir—bir zincirleme reaksiyona izin verilen hızı kontrol etmek için çeşitli yöntemler olmalıdır.

Bu zincirleme reaksiyonu kontrol etmek için yöntemlerin kullanılması, Çernobil reaktörünün diğer reaktörlerden çok farklı olması gerçeğinde yatmaktadır. Fisyon sırasında üretilen nötronlar, yüksek hız. Bu nötronların yakıttaki diğer uranyum atomları tarafından verimli bir şekilde soğurulması ve ardından fisyon olaylarına neden olması için öncelikle yavaşlatılmaları gerekir. Amerika Birleşik Devletleri'ndeki tüm güç reaktörleri, hem soğutucu hem de moderatör olarak su kullanır. Böylece su, uranyum yakıtını tamamen çevreler ve su, uranyum yakıtından ısıyı uzaklaştırırken aynı zamanda nötronları yavaşlatır.

Bozunma ürünleri X → A + B göreli değilse, bozunma ürünlerinin kinetik enerjileri, X parçacığının geri kalan kütleleri ile A ve B bozunma ürünleri arasındaki farkla çok basit bir şekilde ilişkilidir.

Radon ve helyum çekirdeklerinin kinetik enerjileri için α -çürümek radyum çekirdekleri:

Su daha sonra boru hatlarından türbinlere akan kaynar su reaktörlerinde buhara dönüştürülür ve bu da elektrik üretir. Çernobil reaktörü de su soğutmalı olmasına rağmen, su esasen sadece soğutma için kullanıldı, ancak nötronları yavaşlatmadı. Bunun yerine büyük grafit blokları yakıtı çevreledi ve nötronları yavaşlatmak için kullanıldı.

Hem su soğutmalı hem de su soğutmalı bir reaktörde bir şeyler ters giderse, açığa çıkan ısı miktarı yakıtı çevreleyen suyun kaynamasına ve buhara dönüşmesine neden olur. Su, nötronlar için mükemmel bir moderatör iken, buhar değildir. Nötron yavaşlaması azaldığında, nötronlar artık devam edemez. zincirleme tepki fisyon ve reaktör kapanacaktır. Bu nedenle çoğu reaktör, herhangi bir feci basınç artışını ve bunun olası sonuçlarını önlemek için tepki verir.

226 Ra → 222 Rn + 4 He.

Radon ve helyum çekirdeklerinin kinetik enerjilerinin elde edilen değerleri, göreceli olmayan yaklaşımın kullanımını haklı çıkarır. Bu yaklaşımın geçerliliğini değerlendirmek için ürünlerin hızlarını hesaplamaya ve bunları ışık hızıyla karşılaştırmaya gerek yoktur, parçacığın kinetik enerjisini durgun enerjisiyle karşılaştırmak yeterlidir. Radyum çekirdeği 226 Ra'nın çürümesinde, maksimum kinetik enerji bir helyum çekirdeğini (yani bir a-parçacığı) taşır ve bu enerji, nükleonun kalan enerjisinin (~940 MeV) %0,5'inden ve dolayısıyla helyum çekirdeğinin kalan enerjisinin %0,15'inden azdır. .
Radyumun α-bozunmasından (T 1/2 = 1600 yıl) kaynaklanan radon çekirdeği de T 1/2 = 3.82 günlük bir yarı ömürle α-bozunumu yaşar.

Üzerinde bir kaza olması durumunda Çernobil nükleer santrali güçteki ani artış, soğutma suyunun kaynamasına neden oldu, ancak su ile soğutulmadığı için grafit bloklar nötronları yavaşlatmaya devam etti ve yıkıcı etkilere ulaşana kadar gücün artırılmasına izin verdi.

Ayrıca, bu olaydan hemen önce operatörlerin belirli güvenlik devrelerini devre dışı bırakmayı seçtikleri testler yürüttükleri, bu nedenle testlerin bu kadar uzun sürmeyeceğini de belirtmek gerekir. Bu güvenlik devrelerinden birinin olmaması, aslında güçte hızlı bir artışa izin verdi.

Sorun 10.1. 222 Rn → 218 Rn + 4 He bozunmasında bir α-parçacığının kinetik enerjisini hesaplayın.

ΔM = Δ(222 Rn) − Δ(218 Rn) − Δ(4 He);

Bu bozunmada ortaya çıkan 218 Po polonyum çekirdeği de α-parçacıklarının emisyonu ile bozunur (yarı ömrü Т 1/2 = 3,1 dakikadır): 218 Po → 214 Pb + 4 He. Bu bozunmanın ürünü, nötronlarla "aşırı yüklenmiş" kurşun çekirdeği 214 Pb'dir (kurşun izotopları 206 Pb, 207 Pb, 208 Pb kararlıdır). Bu nedenle, 214 Pb β-bozunma kanalı boyunca bozunur (T 1/2 = 27 dakika).
İncelediğimiz bozunma "zincirleri", ağır çekirdeklerin bozunmalarının karakteristik bir özelliğidir. 10 milyar yıldan daha uzun bir süre önce elementlerin sentezi sırasında oluşan ağır çekirdekler bozunur ve tekrar kararsız çekirdekler oluşturur. Bozulmalar kararlı elementlerin oluşumuna kadar devam eder. Bozunmalarda, α-parçacıkları ve lepton çiftleri yayılır (β-bozunur). α-bozunmalarında, çekirdeklerdeki A nükleonlarının sayısı 4 değişir, β-bozunmaları A değişmeden meydana gelir. Bu nedenle, ağır çekirdeklerin radyoaktif bozunmalarının sadece 4 serisi (aileleri) vardır. kütle numaraları A = 4n, 4n + 1, 4n + 2 ve 4n + 3 (bkz. Tablo 3.1).

Grafit bloklar alev alarak daha fazla ısıya ve hasara neden oldu. Buhar patlamaları ve tüm ısı, reaktör kabını yuvalarını gizlemeye zorladı ve birçok fisyon ürününün reaktör binasından reaktöre salınmasına neden oldu. Çernobil'de reaktörün ince bir duvarlı binaya yerleştirildiğini ve ABD'de ve Rusya ve eski Sovyetler Birliği dışındaki diğer ülkelerde kullanılanlar gibi 3 parçalı çelik betonarme içermediğini unutmayın.

Çernobil kazasından sonraki ilk yıl içinde akut radyasyon sendromunun neden olduğu ölümlerin sayısı iyi belgelenmiştir. Kazanın ardından meydana gelen diğer yaralanmalar nedeniyle iki kişi daha hayatını kaybetti. Çernobil nükleer santralindeki kazanın ardından tahminler yapıldı Büyük bir sayı kanser ölümleri. Özellikle endişe verici olan, kaza sırasında potansiyel olarak maruz kalan hamile kadınların doğmamış çocukları üzerindeki potansiyel sağlık etkileridir. Benzer manzaralar İtalya, Batı Almanya, Danimarka ve Norveç'te de gözlendi.

Radyoaktif bozunma serisi 238 U


A = 4n + 1 olan ailelerin ikincisinin birincil çekirdekleri, oluşumlarından sonra geçen süre boyunca pratik olarak parçalandı. Kalan üç sıranın bozunmaları, Dünya maddesinin radyoaktivitesinin kaynağıdır. Yukarıda ele alınan 226Ra, 222Rn ve 218Po bozunmaları 4n + 2 ailesine aittir.

Doğumdan önce maruz kalan çocukların tiroid kanseri insidansında artış olmasına rağmen, çok azı hastalıktan ölür. Bununla birlikte, bugüne kadar, kanser tedavisi gören popülasyonda katı kanserlerde veya lösemide belirgin bir artış yoktur. en yüksek değer. Uranüs herkes gibi atomik elementler, izotoplar olarak bilinen birkaç farklı biçimde oluşur.

Nükleer fisyon çok verimli bir enerji kaynağı olduğundan, nükleer reaktörler çok az yakıt gerektirir. Tek bir 20 gramlık uranyum yakıt kalıntısı, 400 kilogram kömür, 410 litre petrol veya 350 metreküp doğal gaz ile aynı miktarda enerji üretebilir.

. Nötronlarla nükleer reaksiyonlar

Hem nötronlar hem de protonlar, çekirdek ve nükleonlarla güçlü etkileşimlere katılır. Ancak sahip olmamak elektrik şarjı nötronun içinde Coulomb bariyeri yoktur nükleer reaksiyonlar, bu yüzden nötronların etkisi altındaki nükleer reaksiyonlar oynar özel rol uygulamalı nükleer fizikte.
Tıbbi ve teknik amaçlarla radyoaktif izotopların elde edilmesi, kararlı izotopların nötronlarla ışınlanmasıyla gerçekleştirilir. Nötronların kaynağı, örneğin bir nükleer reaktördür. almayı düşünün radyoaktif izotop altın aktivasyon reaksiyonu örneğinde

Nükleer reaktörlerin ana bileşenleri

Uranyum reaktöre girmeden önce nispeten kararlıdır: O kadar az miktarda radyasyon yayar ki, kullanılmayan yakıt peletlerinin etrafta olması güvenlidir. Bu işlem, elektriğe dönüştürülebilen ısıyı serbest bırakır. Nükleer yakıt konsantrasyonunu kontrol ederek ve nötronları yavaşlatarak veya emerek, nükleer reaktörler bu zincirleme reaksiyonu gerekli hızda stabilize eder. Bir nükleer reaktörün ana parçaları çekirdek, moderatör, kontrol çubukları, soğutucu ve ekranlamadır.

n + 197 Au → 198 Au + γ.

A = 198 ile elde edilen altının izotopu radyoaktiftir. Yarı ömür T 1/2 = 2,7 gün 198 Au → 198 Hg + e + e ile bozunur.
Altın 197'nin ışınlanmasının başladığı andan başlayarak, zamanla altın çekirdeği 198 sayısındaki değişimi ele alalım:

Burada I nötron akısıdır, n numunedeki 197 Au altın çekirdeği sayısıdır, σ aktivasyon reaksiyonunun etkin kesitidir.

Reaktör çekirdeği uranyum yakıtı içerir. Bir moderatör, nötronların yakalanmadan yavaşlamasına izin veren su gibi hafif bir malzemedir. Fisyon tarafından oluşturulan hızlı nötronları yavaşlatmak, etkinliklerini artırarak daha fazla fisyona neden olabilir.

Kontrol çubukları, bor, gümüş, indiyum, kadmiyum veya hafniyum gibi nötronları emen malzemelerden yapılmıştır. Nötron sayısını azaltmak ve böylece gerektiğinde fisyon sürecini durdurmak için reaktöre verilirler. Ayrıca reaktörde seviye kontrolü ve güç dağıtımı için kullanılırlar.

Aktivite, belirli bir ilacın 1 saniyedeki parçalanma sayısıdır. Aktivite, numunedeki bir radyoaktif izotopun çekirdek sayısı ile bozunma olasılığının ürününe eşittir.

J(t) = λN(t) = Inσ(1 – e -λt).

Maruz kalma süresinin t olması şartıyla<< T 1/2 ,

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

n = mN A /A olduğunu, burada m'nin aktive numunenin kütlesi, N A'nın Avogadro sayısı olduğunu dikkate alarak, altın izotop 198 Au'nun indüklenen aktivitesinin şu olduğunu elde ederiz.

Soğutucu, nükleer fisyon sırasında üretilen ısıyı emmek ve aktarmak için kullanılan reaktör çekirdeğinde dolaşan sıvıdır. Aynı zamanda yakıtın sıcaklığını kabul edilebilir sınırlar içinde tutar. Koruyucu, reaktörün etrafındaki bir yapıdır ve içindeki büyük bir arıza durumunda onu izinsiz girişten korumak ve etrafındakileri radyasyona maruz kalmaktan korumak için tasarlanmış buhar jeneratörleri. Bu tipik bir metre kalınlığında beton ve çelik yapıdır.

Casusluk, istihbarat ve güvenlik ansiklopedisi. Nükleer reaktörler, uranyum, toryum veya plütonyum gibi bölünebilir elementlerin sürekli bir nükleer zincir reaksiyonuna girdiği karmaşık cihazlardır. Bu zincirleme reaksiyon, zincirleme reaksiyonun devam etmesini sağlayan radyasyon şeklinde enerji açığa çıkarır; nükleer yakıtın kendisi de dahil olmak üzere yakındaki atomları dönüştürür; ve ısı olarak toplanabilir. Konvansiyonel ancak zayıf bölünebilen uranyum-238'in plütonyum-239'a nükleer reaktör dönüşümü, nükleer silahlar için önemli bir patlayıcı kaynağıdır ve nükleer reaktörlerden gelen ısı, dünya elektriğinin yaklaşık yüzde 16'sını üretmek ve denizaltıları, uçak gemilerini sevk etmek için kullanılır. , ve diğer bazı askeri gemiler. .

Bir nötron akısında ışınlanmış bir numunenin aktivitesinin ölçümü, etkin aktivasyon kesitinin belirlenmesi için bir yöntem olarak da hizmet edebilir.

Nötronlarla reaksiyonlar ve diğer nükleer reaksiyonlar için etkili kesitler, nötronların kinetik enerjilerine bağlıdır. Nötronların yakalanmasının ekzotermik bir reaksiyona yol açması durumunda - yani. enerjinin serbest bırakılması ile gider - E kin bölgesinde artan enerji ile etkili yakalama kesiti azalır< 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.
Problem 10.1 koşullarında belirtilmiştir. altın için etkin aktivasyon kesitinin değeri, termal hareket enerjisine eşit nötron enerjisine karşılık gelir. Bu tür enerjiler, nötronları yumuşatarak elde edilir.

Nükleer reaktörler uydularda da kullanılmış ve lokomotifler, uçaklar ve roketler için güç kaynakları olarak önerilmiştir. Bir nükleer reaktör nasıl çalışır. Bir nükleer reaktör, genellikle yüksek bir atom numarasına sahip olan veya rastgele zamanlarda patlayan, fotonları, nötronları, elektronları ve alfa parçacıklarını serbest bırakan proton ve nötron dengesizliği içeren belirli atomların doğal kararsızlığından yararlanır. Bazı nüklidler için, belirli bir atom kendiliğinden kısalıncaya kadar ortalama bekleme süresi.

Böyle kararsız bir izotop paketinin yeterli sayıda atomu birbirine yakın olduğunda, bölünebilir atomlar tarafından salınan nötronların, komşu kararsız atomların çekirdeklerine çarpma olasılığı daha yüksektir. Hepsi aynı anda bölünebilir, daha fazla nötron salabilir, bu da daha fazla fisyon olayını tetikleyebilir, vb. nükleer reaktörlerin ve nükleer tip nükleer bombaların bağlı olduğu zincirleme reaksiyondur. Bununla birlikte, bir reaktörde, fisyon hızı yaklaşık olarak sabittir, bir bombada ise katlanarak büyür ve bölünebilir malzemenin çoğunu bir saniyenin küçük bir bölümünde tüketir.

. nötron denetimi

Nötronlarla reaksiyonlar için etkili kesitleri arttırmak için nötron moderasyonu yapılır.
İçin yavaşlatmak nötronlar nötronların maddenin çekirdeği üzerindeki elastik saçılması kullanılır. Nötronun kinetik enerjisi azaldıkça, nötronların çekirdekler tarafından elastik saçılması için enine kesit sabit olma eğilimindedir.
Nötronların protonlar tarafından elastik saçılmasında, ortalama olarak bir nötron, bir saçılma olayında enerjisinin yarısını kaybeder:

Nükleer bir patlama yerine sürekli bir zincirleme reaksiyon sağlamak için, reaktör bölünebilir atomları birbirine çok yakın toplamamalıdır. Bu nedenle zincirleme reaksiyonu desteklemeyen daha az bölünebilen atomlarla karışırlar. Bir fisyon bombası için %90 zenginleştirme tipik olacaktır. Aşağıda tartışılan deniz nükleer reaktörleri, yüzde 20 ila 93 arasında zenginleştirilmiş yakıt kullandı. Tipik bir nükleer reaktör, aktif yakıt bileşenini seyrelterek, bu seyreltik yakıt tarafından üretilen nötronların zincirleme reaksiyonu sürdürebilmesini sağlayarak telafi etmelidir.

Bir nötronun proton üzerindeki elastik saçılımında enerji ve momentumun korunumu yasaları:

E sembolü kinetik enerjileri ifade eder. Rölativistik olmayan yaklaşımda nötron ve protonun kinetik enerjileri

(proton ve nötron kütleleri arasındaki fark ihmal edilebilir, yani m n ≈ m p), yani. momentumun korunumu yasasının üçgeni bir dik üçgendir.
Bu yüzden:

Bu, çoğu reaktörde, yakıtı küçük parçalar veya "yakıt hücreleri" halinde "moderatör" olarak adlandırılan bir malzeme matrisine gömerek yapılır. Moderatörün işlevi, yakıttaki bölünebilir atomların yaydığı nötronları yavaşlatmaktır. Paradoksal olarak, yavaş bir nötronun bir uranyum, plütonyum veya toryum çekirdeğinde fisyona neden olması, hızlı nötronlara göre daha olasıdır, moderatör, çoğu nötronu yavaşlatarak çekirdeğe çarpmalarına izin vererek, böylece her bir nötronun katkıda bulunma olasılığını artırır. zincirleme reaksiyonu sürdürmek için.

Bu nedenle, herhangi bir hidrojen içeren madde - su, parafin vb. - moderatör olarak kullanılabilir. Bununla birlikte, örneğin bir fisyon zincir reaksiyonunu sürdürmek için nötron fiziğinin bir dizi uygulamasında, moderatörün önemli bir özelliği, moderatör tarafından küçük etkili nötron yakalama kesiti. Bu durumlarda, bir moderatör seçimi, hem moderatördeki nötron enerjisi azaltma işleminin verimliliği hem de düşük nötron yakalama kesiti ile belirlenir. Bu özelliklere göre ağır su (D 2 O) ve grafit iyi moderatörlerdir. Moderatör olarak su veya diğer hidrojen içeren maddeler kullanıldığında, 1 H(n,γ) 2 H reaksiyonundan dolayı önemli nötron yakalaması meydana gelir.
Nötronların daha ağır çekirdekler tarafından elastik saçılmasında, nötron kinetik enerjilerinin ortalama kaybı, protonların saçılmasından daha azdır. Örneğin, nötronlar 12 C çekirdeği üzerine saçıldığında:

Moderatör olarak grafit, su, ağır su ve zirkonyum hidrit kullanılabilir. Sade su en sık kullanılan moderatördür. Bir nükleer reaktör tarafından sürdürülen zincirleme reaksiyon, reaktörün kendisine zarar verecek kadar ısı yaratırsa, bu ısı, reaktör çalışırken sürekli olarak gaz veya sıvı tarafından taşınmalıdır. Reaktörden çıkarıldıktan sonra bu enerji çevreye atık ısı olarak salınabilir veya kısmen elektrik üretmek için kullanılabilir.

Sıvı sodyum, basınçlı su, kaynar su ve helyum, endüstriyel veya nükleer santrallerde basınçlı veya kaynar su altında kullanıldığında nükleer reaktörler için bir soğutma ortamı olarak kullanılmıştır. Tipik olarak, bir reaktörden çıkarılan termal enerji, önce türbinleri çalıştırmak için sıcak gaz veya buhar kullanılarak kinetik enerjiye, ardından jeneratörleri döndürmek için türbinler kullanılarak elektrik enerjisine dönüştürülür. Yan ürün reaktörü.

Saçılma süreçlerinde nötronların kinetik enerjilerindeki azalma, moderatör malzemedeki moleküllerin termal hareketinin enerjilerine kadar gerçekleşir. Bu enerji aralığında, hızlar ve kinetik enerjiler açısından nötronların dağılımı Maxwell dağılımına yakındır. Yaklaşık 300 o K'lik bir moderatör sıcaklığında termal nötronların ortalama kinetik enerjisini tahmin edelim.

3 serbestlik dereceli bir parçacığın termal hareketinin ortalama kinetik enerjisi,
E kin =(3/2)kT, burada k, Boltzmann sabitidir (k = 8.62×10 -11 MeV/k):

Ekin =(3/2)kT = 0.04 eV.

Bir elastik saçılma eyleminde nötron kinetik enerjisinin yaklaşık 1/2'si kaybolursa, yavaşlama için gereken ortalama saçılma olayı sayısı ~27'dir. Yok canım:

. fisyon zincir reaksiyonu

Bir atom çekirdeğinin bozunmasının, karşılaştırılabilir kütleye sahip iki parçaya tepkimesine fisyon denir. Fisyon kendiliğinden veya zorlamalı olabilir (yani, gelen bir parçacıkla etkileşimin neden olduğu). Ağır çekirdeklerin nötronların etkisi altında fisyon reaksiyonu, nükleer enerji elde etme yöntemlerinin temelini oluşturur. Çekirdeklerin spesifik bağlanma enerjisinin A nükleonlarının sayısına bağımlılık eğrisinden, A = 200 olan bir çekirdeğin daha az sayıda nükleonlu iki çekirdeğe dönüştürülmesi sırasında hangi enerjinin salındığı tahmin edilebilir. Ağır çekirdekler için nükleon başına bağlanma enerjisi yaklaşık 7.5 MeV ve orta çekirdekler için ≈ 8.5 MeV olduğundan, bu çekirdeğin fisyonu ~200 MeV'lik bir enerji yayacaktır.
Fisyon enerjisinin ana kısmı, "parçaların" kinetik enerjisine dönüştürülür - yani. nükleer fisyon sonucu oluşur. Parçalar, kural olarak, eşit kütlelere sahip değildir, ortalama olarak kütlelerin oranı 1.5'tir.
Fisyonun çok önemli bir özelliği, bir dizi ağır çekirdek için fisyona, uranyum 235 U çekirdeğinin zorunlu fisyon örneğinin gösterdiği gibi, nötron emisyonunun eşlik etmesidir:

n + 235U → 95Sr + 139Xe +2n. (10.4)

Reaksiyona (10.4) ek olarak, uranyum izotopu 235 U'nun zorunlu fisyonu, düzinelerce başka fisyon kanalından geçer. 235 U çekirdeğinin indüklenmiş fisyon reaksiyonlarının en önemli özelliği, bu izotop için fisyon reaksiyonlarının (n,f) bir enerji eşiğine sahip olmamasıdır, yani. termal nötronlarda meydana gelebilir ve bu nedenle büyük etkili kesitlere sahiptir. Ortalama olarak, 235 U izotopunun fisyon olayı başına termal nötronlar tarafından ν = 2.43 hızlı nötron üretilir. Tam olarak, zorunlu fisyon sırasında çekirdekleri, korumak için kullanılabilecek her fisyon olayı için ortalama 2-4 nötron veren elementlerdir. fisyon zincir reaksiyonu. Bununla birlikte, fisyon sonucu üretilen nötronlar, uyarılmış fisyon sürecini desteklemek için her zaman kullanılamaz. Fisyon reaksiyonlarında üretilen bazı nötronlar, örneğin (n,γ) reaksiyonu gibi başka reaksiyonlara neden olacaktır. Bu nedenle, fisyon sürecini sürdürmek için değer

Bir nesildeki nötron sayısı önceki nesildeki nötron sayısından az değilse, fisyon zinciri reaksiyonu sürdürülecektir. NPP reaktörü bir nötron çarpma faktörü k > 1'de çalışır, çünkü üretilen nötronların bir kısmı reaktörden kaçmak ve diğer reaksiyonlar (örneğin, radyasyon yakalama reaksiyonları (n,y) nedeniyle) nedeniyle kaybolur.
Bölünebilir elemanın kütlesi, sözde olandan daha az olamaz. kritik kütle ve fisyonun meydana geldiği aktif bölgenin boyutu kritik boyuttan daha küçüktür.
Uygulamada, kontrollü bir fisyon zincir reaksiyonu elde etmek için sadece üç izotop 235 U, 238 U, 239 Pu kullanılır ve uranyum nükleer reaktörlerinde üçüncü plütonyum izotopu - 239 Pu - üretilir. 238 U izotopu, yalnızca enerjileri 1,1 MeV'den düşük olmayan hızlı nötronların etkisi altında fisyona uğrar.
Çoğu endüstriyel nükleer reaktör (NPP), zenginleştirilmiş uranyum üzerinde çalışır, yani. 235 U yüzdesinin bu izotopun doğal karışımdaki oranını önemli ölçüde aştığı 238 U ve 235 U izotoplarından oluşan bir karışım (~%0,7 yerine yaklaşık %4). Bu sözde "düşük zenginleştirilmiş" uranyumdur (%6'dan fazla 235 U - "yüksek oranda zenginleştirilmiş" uranyum içeren uranyum izotoplarının bir karışımı - nükleer silah yapmak için kullanılan malzemedir). 235 U izotopunda termal nötronların etkisi altında bir zincirleme fisyon reaksiyonu meydana gelir.Termal nötronların etkisi altında bu uranyum izotopu iki "parçaya" ayrılır - kütle numaraları 72 ila 161 arasında olan çekirdekler ve proton sayıları 30 ila 65. Örneğin,

n + 235U → 94Kr + 140Ba +2n. (10.6)

Termal nötronlar için 235U(n,f) fisyon reaksiyonları için toplam etkin kesit yaklaşık 580 barn'dır.

238 U izotopunun fisyon reaksiyonu bir eşik reaksiyonudur; bu izotop fisyonları yalnızca 1.1 MeV'nin üzerindeki nötron enerjilerinde, yani. "hızlı" nötronlar. Bununla birlikte, bu fisyon reaksiyonu için etkin kesit, termal nötronların etkisi altında 235 U(n,f) fisyonunun kesitinden çok daha düşüktür (bkz. Şekil 10.1).

Reaksiyonda açığa çıkan enerji, enerji dengesindeki termal nötronların (~0.04 eV) kinetik enerjisi ihmal edilebileceğinden, pratik olarak (10.4'ün sol ve sağ kısımlarındaki çekirdeklerin ve nötronların geri kalan kütleleri arasındaki farkla çakışır) :

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.

Fisyon sürecinde üretilen nötronlar hızlıdır. Diğer 235 U çekirdeğinin fisyonunda kullanılmaları, yani zincirleme reaksiyonu sürdürmeleri için termal hareket hızlarına yavaşlatılmaları gerekir. Bu amaçla, A değeri küçük olan elementlerden oluşan malzemeler kullanılır.A ne kadar küçükse, nötronların yavaşlaması o kadar hızlı olur (nötronların yavaşlaması, moderatörün çekirdeğindeki bir nötronun elastik saçılımının reaksiyonunda meydana gelir) ). Moderatörün bir diğer zorunlu niteliği, etkin nötron absorpsiyon kesitinin düşük değeridir. Bu tür gereksinimler, homojen reaktörlerde kullanılan ağır su ile karşılanır. Grafit, heterojen reaktörlerde moderatör olarak kullanılır. Bu durumda, nötronların ılımlılığı karbon çekirdeğinde meydana gelir. Tablo 10.2, üç nötron moderatörünün temel özelliklerini vermektedir: termal nötron yakalama kesitlerinin değerleri ve moderatördeki nötronların moderasyon uzunluğu L (L, nötronların moderatörde ortalama kinetik enerjilerden hareket ettiği yoldur, fisyon sürecinde termal hareketin enerjilerine doğarlar).

Fisyon reaksiyonlarının bir sonucu olarak, nötronlarla "aşırı doymuş" kararsız çekirdekler (fisyonun "fragmanları") ortaya çıkar. Aynı proton sayısına sahip kararlı çekirdeklerle karşılaştırıldığında

Moderatörler - bölüm Kimya, Nükleer enerji endüstrisi Moderatörleri. Moderatör Nötronların Enerjisini Azaltmaya Hizmet Eder...

geciktiriciler

Moderatör, fisyon sürecinde yayılan nötronların enerjisini yaklaşık 1 MeV'den yaklaşık 0.025 eV'lik termal enerjilere düşürmeye hizmet eder. Ilımlılık esas olarak bölünemeyen atomların çekirdekleri tarafından elastik saçılmanın bir sonucu olarak meydana geldiğinden, moderatör atomların kütlesi, nötronun onlara maksimum enerjiyi aktarabilmesi için mümkün olduğunca küçük olmalıdır. Ek olarak, nötron, termal enerjiye yavaşlamadan önce moderatör atomlarla tekrar tekrar çarpışmak zorunda olduğundan, moderatör atomların saçılma kesitine kıyasla küçük bir yakalama kesitine sahip olması gerekir.

En iyi moderatör hidrojendir, çünkü kütlesi neredeyse nötronun kütlesine eşittir ve bu nedenle nötron hidrojenle çarpışırken en büyük enerji miktarını kaybeder. Ancak sıradan hafif hidrojen, nötronları çok güçlü bir şekilde emer ve bu nedenle, döteryum ağır hidrojen ve ağır su, nötronları daha az emdikleri için, biraz daha büyük kütlelerine rağmen daha uygun moderatörler olarak ortaya çıkıyor.

Berilyum iyi bir moderatör olarak kabul edilebilir. Karbon o kadar küçük bir nötron absorpsiyon kesitine sahiptir ki, yavaşlatmak için hidrojenden çok daha fazla çarpışma gerektirse de, nötronları etkili bir şekilde yumuşatır. Hidrojen, döteryum, berilyum ve karbon kullanarak bir nötronu 1 MeV'den 0.025 eV'ye yavaşlatmak için gereken ortalama N elastik çarpışma sayısı sırasıyla yaklaşık 18, 27, 36 ve 135'tir. Bu değerlerin yaklaşık doğası, kimyasal enerjinin varlığından dolayı, 0,3 eV'nin altındaki enerjilerde çarpışma moderatöründeki bağların pek esnek olamamasından kaynaklanmaktadır.

Düşük enerjilerde, atomik kafes enerjiyi nötronlara aktarabilir veya bir çarpışmada etkin kütleyi değiştirebilir, böylece yavaşlama sürecini ihlal edebilir. Isı taşıyıcılar. Nükleer reaktörlerde kullanılan soğutucular su, ağır su, sıvı sodyum, sıvı sodyum-potasyum alaşımı NaK, helyum, karbon dioksit ve terfenil gibi organik sıvılardır.

Bu maddeler iyi ısı taşıyıcılardır ve düşük nötron absorpsiyon kesitlerine sahiptirler. Su mükemmel bir düzenleyici ve soğutucudur, ancak nötronları çok güçlü bir şekilde emer ve 336 C'lik bir çalışma sıcaklığında 14 MPa'lık çok yüksek bir buhar basıncına sahiptir. En iyi bilinen moderatör ağır sudur. Özellikleri sıradan suya yakındır ve nötron absorpsiyon kesiti daha küçüktür. Sodyum mükemmel bir soğutucudur, ancak nötron moderatörü olarak etkili değildir.

Bu nedenle, fisyon sırasında daha fazla nötronun yayıldığı hızlı nötron reaktörlerinde kullanılır. Doğru, sodyumun bir takım dezavantajları vardır: radyoaktiviteye neden olur, düşük bir ısı kapasitesine sahiptir, kimyasal olarak aktiftir ve oda sıcaklığında katılaşır. Bir sodyum ve potasyum alaşımı, özelliklerde sodyuma benzer, ancak oda sıcaklığında sıvı kalır. Helyum mükemmel bir soğutucudur, ancak özgül ısı kapasitesi düşüktür. Karbondioksit iyi bir soğutucudur ve grafit kontrollü reaktörlerde yaygın olarak kullanılmaktadır.

Terfenil, su üzerinde, çalışma sıcaklığında düşük bir buhar basıncına sahip olması avantajına sahiptir, ancak reaktörlerin karakteristiği olan yüksek sıcaklıklar ve radyasyon akışları altında ayrışır ve polimerize olur. Isı üreten elemanlar. Yakıt çubuğu yakıt elemanı, sızdırmaz bir kabuğa sahip bir yakıt çekirdeğidir. Kaplama, fisyon ürünlerinin sızmasını ve yakıtın soğutucu ile etkileşimini önler.

Kabuk malzemesi nötronları zayıf bir şekilde emmeli ve kabul edilebilir mekanik, hidrolik ve ısı iletme özelliklerine sahip olmalıdır. Yakıt elementleri genellikle alüminyum, zirkonyum veya zirkonyum, molibden ve alüminyum ile kaplanmış uranyum alaşımlarının paslanmaz çelik peletlerinin tüplerinde sinterlenmiş uranyum oksit peletleridir. .

Bu yakıt elemanlarının tamamı kullanılır, ancak basınçlı su reaktörleri için en çok paslanmaz çelik borulardaki uranyum oksit peletleri tercih edilir. Uranyum dioksit suyla reaksiyona girmez, yüksek radyasyon direncine sahiptir ve yüksek bir erime noktası ile karakterize edilir. Yüksek sıcaklıkta gaz soğutmalı reaktörler için grafit yakıt pilleri çok uygun görünmektedir, ancak difüzyon veya grafitteki kusurlar nedeniyle ciddi bir dezavantaja sahiptirler, fisyon gazları kaplamalarından geçebilir.

Organik soğutucular zirkonyum yakıt çubuklarıyla uyumlu değildir ve bu nedenle alüminyum alaşımlarının kullanılmasını gerektirir. Organik soğutuculara sahip reaktörler için beklentiler, soğutucuya ısı transferini artıran kanatçıkların kullanımı için gerekli çalışma sıcaklıklarında mukavemete ve termal iletkenliğe sahip olacak alüminyum alaşımları veya toz metalurjisi ürünlerinin oluşturulup oluşturulmamasına bağlıdır. Yakıt ve organik soğutucu arasındaki termal iletim nedeniyle ısı transferi küçük olduğundan, ısı transferini arttırmak için yüzey kaynatma kullanılması tercih edilir.

Yüzey kaynaması ile ilgili yeni problemler olacaktır, ancak organik ısı transfer akışkanlarının kullanımının faydalı olduğu kanıtlanırsa, bunlar çözülmelidir.

İş bitimi -

Bu konu şunlara aittir:

Nükleer enerji
NÜKLEER YAKIT DÖNGÜSÜ. Nükleer enerji, birlikte yakıt döngüsünü oluşturan birçok endüstriyel süreci içeren karmaşık bir endüstridir. için farklı yakıt çevrimleri vardır.

Nükleer endüstrinin gelişimi
Nükleer endüstrinin gelişimi. İkinci Dünya Savaşı'ndan sonra, tüm dünyada elektrik enerjisi endüstrisine on milyarlarca dolar yatırım yapıldı. Bu inşaat patlaması, talepteki hızlı artıştan kaynaklandı.

Nükleer enerjinin ekonomisi
Nükleer enerjinin ekonomisi. Nükleer enerjiye yapılan yatırımlar, elektrik üretiminin diğer alanlarına yapılan yatırımlar gibi, iki koşulun karşılanması durumunda ekonomik olarak haklıdır: kilo maliyeti

Geçmiş referansı
Tarih referansı. Nükleer fisyonun keşfinin tarihi, A. Becquerel 1852 1908'in çalışmasına kadar uzanır. 1896'da, çeşitli malzemelerin fosforesansını incelerken, uranyum içeren minerallerin, ca.

Nükleer fisyon olasılığının ilk belirtileri
Nükleer fisyon olasılığının ilk belirtileri. Fermi, bugün bilinen birçok nötron reaksiyonunun keşfiyle tanınır. Özellikle atom numarası 93 neptünyum olan bir element, bombalar elde etmeye çalıştı.

Bölünebilirlik Onayı
Bölüm onayı. Bundan sonra, Columbia Üniversitesi'nden Fermi, J. Dunning ve J. Pegram, nükleer fisyonun gerçekleştiğini gösteren deneyler yaptılar. Sil

İkinci Dünya Savaşı sırasındaki gelişmeler
Dünya Savaşı sırasındaki gelişmeler. 1940'tan 1945'e kadar gelişimin yönü askeri mülahazalarla belirlendi. 1941'de küçük miktarlarda plütonyum elde edildi ve bir dizi nükleer buhar

ham izotoplar
Ham izotoplar. Bölünebilir izotoplar uranyum-233 ve plütonyum-239 elde edilen iki ham izotop toryum-232 ve uranyum-238 vardır. Ham izotop kullanma teknolojisi farklı faktörlere bağlıdır.

reaktör türleri
Reaktör çeşitleri. Teorik olarak, yakıt, moderatör ve soğutma sıvıları bakımından farklılık gösteren 100'den fazla farklı tipte reaktör mümkündür. Çoğu konvansiyonel reaktörün kullandığı

Reaktivite ve kontrol
Reaktivite ve kontrol. Bir nükleer reaktörde kendi kendini sürdüren bir zincirleme reaksiyon olasılığı, reaktörden ne kadar nötron sızdığına bağlıdır. Fisyon sürecinde üretilen nötronlar yok olur

Güvenlik sistemi
Güvenlik sistemi. Reaktörün güvenliği, güçte keskin bir artış olması durumunda onu kapatmak için bir veya başka mekanizma ile sağlanır. Fiziksel bir sürecin mekanizması veya bir sistemin eylemi olabilir.

NÜKLEER ENERJİ İÇİN BEKLENTİLER. GÜVENLİK SORUNLARI
NÜKLEER ENERJİ İÇİN BEKLENTİLER. GÜVENLİK SORUNLARI. Nükleer enerjiyi geliştirmenin güvenli ve ekonomik yollarını aramaya devam etme ihtiyacında ısrar edenler arasında başlıca iki tanesi ayırt edilebilir.

Nükleer enerjiyi bırakabilir miyiz?
Nükleer enerjiden vazgeçebilir miyiz? A.Vaganov, NG-Nauka, 2001'in materyallerine dayanmaktadır. İklim felaketi Biyofizik Enstitüsü'nün önde gelen araştırmacısı RAS A. Karnaukhov inceledi


Kullanılan literatür ve kaynakların listesi. Dementiev B.A. Nükleer güç reaktörleri. M 1984 2. Robertson B. Uygulamalı bilimlerde modern fizik. M 1985 3. Samoilov O.B. Usynin G.B. Bakhme