Trung tâm của một chuỗi phản ứng hạt nhân nằm ở chỗ. Phản ứng hạt nhân và khối lượng tới hạn của uranium

Hãy xem xét cơ chế của chuỗi phản ứng phân hạch. Trong sự phân hạch của các hạt nhân nặng dưới tác dụng của nơtron, các nơtron mới được tạo ra. Ví dụ, với mỗi lần phân hạch của hạt nhân uranium 92 U 235, trung bình 2,4 neutron được tạo ra. Một số neutron này lại có thể gây ra sự phân hạch hạt nhân. Quá trình tuyết lở như vậy được gọi là Phản ứng dây chuyền .
Chuỗi phản ứng phân hạch diễn ra trong môi trường diễn ra quá trình nhân nơtron. Một môi trường như vậy được gọi là cốt lõi . Đại lượng vật lý quan trọng nhất đặc trưng cho cường độ nhân nơtron là hệ số nhân neutron trong môi trường k∞. Hệ số nhân bằng tỷ số giữa số nơtron trong một thế hệ với số của chúng ở thế hệ trước. Chỉ số ∞ chỉ ra rằng chúng ta đang nói về một phương tiện lý tưởng có kích thước vô hạn. Tương tự với giá trị k ∞, chúng ta xác định hệ số nhân neutron trong một hệ thống vật lý k. Hệ số k là một đặc tính của một cài đặt cụ thể.
Trong môi trường phân hạch có kích thước hữu hạn, một phần neutron sẽ thoát ra khỏi vùng hoạt động ra bên ngoài. Do đó, hệ số k còn phụ thuộc vào xác suất P để nơtron không rời khỏi lõi. Theo định nghĩa

k = k ∞ P.

(1)

Giá trị của P phụ thuộc vào thành phần của lõi, kích thước, hình dạng của nó, và cả mức độ mà chất bao quanh lõi phản xạ neutron.
Các khái niệm quan trọng về khối lượng tới hạn và kích thước tới hạn có liên quan đến khả năng thoát neutron ra khỏi lõi. kích thước quan trọng là kích thước của vùng hoạt động tại đó k = 1. khối lượng tới hạn được gọi là khối lượng của vùng hoạt động có kích thước tới hạn. Rõ ràng, khi khối lượng dưới ngưỡng tới hạn, phản ứng dây chuyền sẽ không diễn ra, ngay cả khi> 1. Ngược lại, khối lượng vượt quá ngưỡng tới hạn đáng chú ý dẫn đến phản ứng không kiểm soát được - một vụ nổ.
Nếu có N nơtron ở thế hệ thứ nhất thì sẽ có Nk n ở thế hệ thứ n. Do đó, với k = 1, chuỗi phản ứng tiến hành tĩnh, với k< 1 реакция гаснет, а при k >1 cường độ của phản ứng tăng lên. Với k = 1, chế độ phản ứng được gọi là phê bình , với k> 1 - siêu tới hạn và cho k< 1 – cận tới hạn .
Thời gian tồn tại của một thế hệ neutron phụ thuộc mạnh mẽ vào đặc tính của môi trường và theo thứ tự từ 10–4 đến 10–8 s. Do thời gian này quá nhỏ, để thực hiện một phản ứng dây chuyền có kiểm soát, cần phải duy trì đẳng thức k = 1 với độ chính xác lớn, vì ở k = 1,01, hệ thống sẽ nổ gần như ngay lập tức. Hãy xem những yếu tố nào xác định các hệ số k ∞ và k.
Đại lượng đầu tiên xác định k ∞ (hoặc k) là số nơtron trung bình được phát ra trong một sự kiện phân hạch. Con số phụ thuộc vào loại nhiên liệu và năng lượng của neutron tới. Trong bảng. Bảng 1 cho thấy giá trị của các đồng vị chính của năng lượng hạt nhân đối với nơtron nhiệt và nhanh (E = 1 MeV).

Phổ năng lượng của neutron phân hạch cho đồng vị 235U được thể hiện trong Hình. 1. Quang phổ của loại này tương tự nhau đối với tất cả các đồng vị phân hạch: có năng lượng lan truyền mạnh, và phần lớn các nơtron có năng lượng trong vùng 1–3 MeV. Các neutron được tạo ra trong quá trình phân hạch bị làm chậm lại, khuếch tán trong một khoảng cách nhất định, và được hấp thụ khi có hoặc không có quá trình phân hạch. Tùy thuộc vào tính chất của môi trường, neutron có thời gian chuyển động chậm dần đến các năng lượng khác nhau trước khi hấp thụ. Với sự có mặt của một chất điều hòa tốt, hầu hết các nơtron có thời gian chuyển động chậm lại thành năng lượng nhiệt theo bậc 0,025 eV. Trong trường hợp này, phản ứng dây chuyền được gọi là chậm hoặc, giống nhau, nhiệt. Trong trường hợp không có bộ điều chỉnh đặc biệt, các neutron chỉ có thời gian chậm lại ở năng lượng 0,1–0,4 MeV, vì tất cả các đồng vị phân hạch đều nặng và do đó hoạt động chậm lại rất kém. Các phản ứng dây chuyền tương ứng được gọi là Nhanh(Chúng tôi nhấn mạnh rằng các biểu mô "nhanh" và "chậm" đặc trưng cho tốc độ của neutron, chứ không phải tốc độ của phản ứng). Phản ứng dây chuyền trong đó neutron bị làm chậm lại với năng lượng từ hàng chục đến một keV được gọi là Trung gian .
Khi một nơtron va chạm với một hạt nhân nặng, luôn có thể bắt được nơtron bức xạ (n, γ). Quá trình này sẽ cạnh tranh với sự phân hạch và do đó làm giảm hệ số nhân. Điều này ngụ ý rằng đại lượng vật lý thứ hai ảnh hưởng đến các hệ số k ∞, k là xác suất phân hạch khi một neutron bị hạt nhân của một đồng vị phân hạch bắt giữ. Xác suất này đối với neutron đơn năng rõ ràng là bằng

(2)

trong đó nf, nγ lần lượt là mặt cắt phân hạch và bắt bức xạ. Để đồng thời tính đến cả số lượng neutron trên mỗi sự kiện phân hạch và xác suất bắt bức xạ, hệ số η được đưa ra, bằng số trung bình của neutron thứ cấp trên mỗi lần bắt neutron của một hạt nhân phân hạch.

(3)

giá trị của η phụ thuộc vào loại nhiên liệu và năng lượng của nơtron. Các giá trị của η cho các đồng vị quan trọng nhất đối với neutron nhiệt và nhanh được cho trong cùng một bảng. 1. Giá trị của η là đặc trưng quan trọng nhất của hạt nhân nhiên liệu. Phản ứng dây chuyền chỉ có thể tiến hành khi η> 1. Giá trị của η càng cao thì chất lượng của nhiên liệu càng cao.

Bảng 1. Giá trị của ν, η đối với các đồng vị phân hạch

Nhân tế bào		92 U 233	92 U 235	94 Pu 239
Neutron nhiệt (E = 0,025 eV)	ν	2.52	2.47	2.91
Neutron nhiệt (E = 0,025 eV)	η	2.28	2.07	2.09
neutron nhanh (E = 1 MeV)	ν	2.7	2.65	3.0
neutron nhanh (E = 1 MeV)	η	2.45	2.3	2.7

Chất lượng của nhiên liệu hạt nhân được xác định bởi tính sẵn có của nó và hệ số η. Trong tự nhiên, chỉ có ba đồng vị có thể dùng làm nhiên liệu hạt nhân hoặc nguyên liệu để sản xuất nó. Đây là đồng vị của thorium 232 Th và đồng vị của uranium 238 U và 235 U. Trong số này, hai chất đầu tiên không cho phản ứng dây chuyền, nhưng có thể được xử lý thành các đồng vị mà phản ứng xảy ra. Bản thân đồng vị 235 U tạo ra phản ứng dây chuyền. Trong vỏ trái đất có lượng thori nhiều hơn uranium gấp vài lần. Thori tự nhiên thực tế chỉ gồm một đồng vị, 232 Th. Uranium tự nhiên chủ yếu bao gồm đồng vị 238 U và chỉ 0,7% của đồng vị 235 U.
Trong thực tế, câu hỏi về tính khả thi của một phản ứng dây chuyền trên hỗn hợp tự nhiên của các đồng vị uranium, trong đó có 140 hạt nhân 238 U trên mỗi hạt nhân 235 U, là vô cùng quan trọng. , nhưng nhanh thì không. Để xem xét một phản ứng dây chuyền trong một hỗn hợp tự nhiên, thuận tiện là đưa ra một đại lượng mới, tiết diện hấp thụ nơtron trung bình trên một hạt nhân của đồng vị 235 U. Theo định nghĩa,

Đối với nơtron nhiệt = 2,47, = 580 ô, = 112 ô, = 2,8 ô (lưu ý độ nhỏ của phần cuối). Thay các số này vào (5), chúng ta nhận được số đó đối với các nơtron chậm trong hỗn hợp tự nhiên

Điều này có nghĩa là 100 neutron nhiệt, được hấp thụ trong một hỗn hợp tự nhiên, sẽ tạo ra 132 neutron mới. Từ đó trực tiếp dẫn đến phản ứng dây chuyền với neutron chậm, về nguyên tắc, có thể xảy ra với uranium tự nhiên. Về nguyên tắc, vì để thực hiện một phản ứng dây chuyền, người ta phải có khả năng làm chậm neutron với tổn thất thấp.
Đối với nơtron nhanh ν = 2,65, 2 ô, 0,1 ô. Nếu chỉ tính đến sự phân hạch trên đồng vị 235 U, chúng ta thu được

235 (nhanh) 0,3.

(7)

Nhưng chúng ta cũng phải lưu ý rằng các nơtron nhanh có năng lượng trên 1 MeV cũng có thể phân hạch với cường độ tương đối đáng chú ý các hạt nhân của đồng vị 238 U, có rất nhiều trong một hỗn hợp tự nhiên. Đối với phép chia cho 238 U, hệ số xấp xỉ 2,5. Trong quang phổ phân hạch, khoảng 60% neutron có năng lượng trên ngưỡng hiệu dụng 1,4 MeV phân hạch bằng 238 U. Nhưng trong số 60% này, chỉ có một trong số 5 neutron có thời gian phân hạch mà không bị giảm tốc độ xuống năng lượng dưới ngưỡng. do hiện tượng tán xạ đàn hồi và đặc biệt là không đàn hồi. Do đó, đối với hệ số 238 (nhanh), chúng tôi nhận được ước tính

Do đó, một phản ứng dây chuyền trong một hỗn hợp tự nhiên (235 U + 238 U) không thể tiến hành với các nơtron nhanh. Thực nghiệm đã chứng minh rằng đối với uranium kim loại nguyên chất, hệ số nhân đạt tới sự thống nhất ở mức làm giàu 5,56%. Trong thực tế, phản ứng trên neutron nhanh chỉ có thể được duy trì trong một hỗn hợp được làm giàu có chứa ít nhất 15% của đồng vị 235 U.
Một hỗn hợp tự nhiên của đồng vị uranium có thể được làm giàu bằng đồng vị 235 U. Làm giàu là một quá trình phức tạp và tốn kém do tính chất hóa học của cả hai đồng vị gần như giống nhau. Chúng ta phải tận dụng những khác biệt nhỏ về tốc độ phản ứng hóa học, sự khuếch tán, v.v., phát sinh từ sự khác biệt về khối lượng của các đồng vị. Phản ứng dây chuyền đối với 235 U hầu như luôn luôn được thực hiện trong môi trường có hàm lượng cao 238 U. Người ta thường sử dụng hỗn hợp tự nhiên của các đồng vị, trong đó η = 1,32 trong vùng nơtron nhiệt, vì 238 U cũng có ích. Đồng vị 238 U được phân hạch bởi các nơtron có năng lượng trên 1 MeV. Sự phân hạch này dẫn đến một sự nhân thêm neutron nhỏ.
Chúng ta hãy so sánh chuỗi phản ứng phân hạch trên nơtron nhiệt và nhanh.
Đối với neutron nhiệt, tiết diện bắt giữ lớn và thay đổi mạnh khi truyền từ hạt nhân này sang hạt nhân khác. Trên hạt nhân của một số nguyên tố (ví dụ, trên cadimi), các mặt cắt này vượt quá mặt cắt ngang 235 U gấp hàng trăm lần. cài đặt.
Đối với neutron nhanh, tất cả các tiết diện bắt giữ đều nhỏ và không chênh lệch quá nhiều so với nhau, do đó vấn đề về độ tinh khiết cao của vật liệu không nảy sinh. Một ưu điểm khác của phản ứng nhanh là tốc độ sinh sản cao hơn.
Một đặc điểm phân biệt quan trọng của phản ứng nhiệt là trong vùng hoạt động, nhiên liệu loãng hơn nhiều, tức là có nhiều hạt nhân không tham gia phân hạch trên mỗi lõi nhiên liệu hơn đáng kể so với phản ứng nhanh. Ví dụ, trong phản ứng nhiệt trên uranium tự nhiên, có 140 lõi nguyên liệu 238 U trên lõi nhiên liệu 235 U và trong một phản ứng nhanh, không quá 5 đến 6 hạt nhân 238 U có thể rơi vào lõi 235 U và cùng một năng lượng trong một phản ứng nhiệt được giải phóng trong một khối lượng vật chất lớn hơn nhiều so với một phản ứng nhanh. Do đó, việc loại bỏ nhiệt ra khỏi vùng hoạt động của phản ứng nhiệt dễ dàng hơn, cho phép phản ứng này thực hiện với cường độ lớn hơn cường độ nhanh.
Thời gian tồn tại của một thế hệ neutron đối với phản ứng nhanh ngắn hơn vài bậc độ lớn so với phản ứng nhiệt. Do đó, tốc độ của một phản ứng nhanh có thể thay đổi rõ rệt trong một thời gian rất ngắn sau khi các điều kiện vật lý trong lõi thay đổi. Trong quá trình hoạt động bình thường của lò phản ứng, ảnh hưởng này là không đáng kể, vì trong trường hợp này, chế độ vận hành được xác định bởi thời gian tồn tại của các nơtron bị trì hoãn chứ không phải là nhanh.
Trong môi trường đồng nhất chỉ bao gồm các đồng vị phân hạch của một loại, hệ số nhân sẽ bằng η. Tuy nhiên, trong các tình huống thực tế, ngoài các hạt nhân phân hạch, luôn có những hạt nhân không phân hạch khác. Các hạt nhân ngoại lai này sẽ bắt neutron và từ đó ảnh hưởng đến hệ số nhân. Do đó, đại lượng thứ ba xác định các hệ số k ∞, k là xác suất mà một trong các hạt nhân không phân hạch sẽ không bắt được nơtron. Trong các cài đặt thực tế, quá trình bắt giữ “ngoại lai” diễn ra trên lõi của bộ điều tiết, trên lõi của các phần tử cấu trúc khác nhau, cũng như trên lõi của các sản phẩm phân hạch và các sản phẩm thu nhận.
Để thực hiện một phản ứng dây chuyền trên các nơtron chậm, các chất đặc biệt được đưa vào lõi - chất điều tiết, chuyển đổi các nơtron phân hạch thành các nơtron nhiệt. Trong thực tế, một phản ứng dây chuyền trên neutron chậm được thực hiện trên uranium đồng vị 235 U tự nhiên hoặc được làm giàu nhẹ. Sự hiện diện của một lượng lớn đồng vị 238U trong lõi làm phức tạp quá trình giảm tốc và khiến nó phải đặt ra các yêu cầu cao về chất lượng của bộ điều tiết. Tuổi thọ của một thế hệ nơtron trong lõi có bộ điều chỉnh xấp xỉ có thể được chia thành hai giai đoạn: điều chỉnh đối với năng lượng nhiệt và sự khuếch tán c. vận tốc nhiệt trước khi hấp thụ. Để phần chính của các nơtron có thời gian chuyển động chậm lại mà không bị hấp thụ thì phải thoả mãn điều kiện

trong đó σ kiểm soát, σ bắt giữ tương ứng là mặt cắt tán xạ đàn hồi trung bình năng lượng và bắt giữ, và n là số vụ va chạm nơtron với hạt nhân điều hòa cần thiết để đạt được năng lượng nhiệt. Số n tăng lên nhanh chóng cùng với số khối của người điều hành. Đối với uranium 238 U, số n có bậc vài nghìn. Và tỷ lệ σ kiểm soát / bắt σ đối với đồng vị này không vượt quá 50 ngay cả trong vùng năng lượng tương đối thuận lợi của neutron nhanh. Cái gọi là vùng cộng hưởng từ 1 keV đến 1 eV đặc biệt "nguy hiểm" liên quan đến bắt neutron. Trong vùng này, tổng tiết diện tương tác của một nơtron với các hạt nhân 238 U có một số lượng lớn các cộng hưởng mạnh (Hình 2). Ở năng lượng thấp, độ rộng bức xạ vượt quá độ rộng của nơtron. Do đó, trong vùng cộng hưởng, tỷ lệ σ kiểm soát / σ bắt giữ thậm chí còn ít hơn sự thống nhất. Điều này có nghĩa là khi một neutron đi vào vùng của một trong những điểm cộng hưởng, nó sẽ bị hấp thụ với xác suất gần như 100%. Và vì sự giảm tốc đối với một hạt nhân nặng như uranium diễn ra trong "những bước nhỏ", nên khi đi qua vùng cộng hưởng, neutron giảm tốc chắc chắn sẽ "vấp" vào một trong những vùng cộng hưởng và bị hấp thụ. Từ đó dẫn đến phản ứng dây chuyền không thể thực hiện trên urani tự nhiên không có tạp chất lạ: đối với các nơtron nhanh, phản ứng không tiến hành do hệ số η nhỏ, và các nơtron chậm không thể được hình thành để tránh hiện tượng bắt cộng hưởng. của một neutron, các hạt nhân rất nhẹ phải được sử dụng để làm chậm lại, tại đó quá trình giảm tốc diễn ra với "các bước lớn", điều này làm tăng mạnh xác suất "nhảy" thành công của neutron qua vùng năng lượng cộng hưởng. Các nguyên tố điều hòa tốt nhất là hydro, đơteri, berili và cacbon. Do đó, các chất điều hòa được sử dụng trong thực tế chủ yếu được khử thành nước nặng, berili, ôxít berili, than chì, cũng như nước thông thường, làm chậm nơtron không tệ hơn nước nặng, nhưng hấp thụ chúng với số lượng lớn hơn nhiều. Chất làm chậm phải được làm sạch tốt. Lưu ý rằng để thực hiện một phản ứng chậm, chất điều chế phải gấp hàng chục, thậm chí hàng trăm lần uranium để ngăn chặn sự va chạm cộng hưởng của neutron với hạt nhân 238 U.

Các đặc tính điều hòa của môi trường hoạt động có thể được mô tả gần đúng bằng ba đại lượng: xác suất để một nơtron tránh bị bộ điều chỉnh hấp thụ trong quá trình giảm tốc, xác suất p để tránh bắt cộng hưởng bởi hạt nhân 238 U và xác suất f đối với một nơtron nhiệt được hấp thụ bởi hạt nhân nhiên liệu hơn là bộ điều tiết. Giá trị f thường được gọi là hệ số sử dụng nhiệt. Việc tính toán chính xác các đại lượng này rất khó. Thông thường, các công thức bán thực nghiệm gần đúng được sử dụng để tính toán chúng.

Các giá trị của p và f không chỉ phụ thuộc vào lượng tương đối của bộ điều tiết mà còn phụ thuộc vào dạng hình học của vị trí của nó trong lõi. Vùng hoạt động, bao gồm một hỗn hợp đồng nhất của uranium và chất điều hòa, được gọi là đồng nhất, và hệ thống các khối uranium và chất điều hòa xen kẽ của chúng được gọi là không đồng nhất (Hình 4). Một hệ thống không đồng nhất về mặt chất lượng được phân biệt bởi thực tế là trong đó neutron nhanh hình thành trong uranium có thời gian thoát vào bộ điều hòa mà không đạt đến năng lượng cộng hưởng. Quá trình giảm tốc tiếp tục diễn ra trong một bộ điều độ thuần túy. Điều này làm tăng xác suất p của việc tránh bắt cộng hưởng

p het> p hom.

Mặt khác, ngược lại, khi trở thành nhiệt trong chất điều hòa, neutron, để tham gia vào phản ứng dây chuyền, khuếch tán, mà không bị hấp thụ trong chất điều hòa tinh khiết, đến ranh giới của nó. Do đó, hệ số sử dụng nhiệt f trong môi trường không đồng nhất thấp hơn trong môi trường đồng nhất:

f het< f гом.

Để ước tính hệ số nhân k ∞ của một lò phản ứng nhiệt, giá trị gần đúng công thức của bốn yếu tố

k ∞ = η pfε .

(11)

Chúng tôi đã xem xét ba yếu tố đầu tiên trước đó. Đại lượng ε được gọi là hệ số nhân trên neutron nhanh . Hệ số này được đưa ra nhằm tính đến việc một số neutron nhanh có thể phân hạch mà không có thời gian làm chậm lại. Theo nghĩa của nó, hệ số ε luôn vượt quá sự thống nhất. Nhưng lượng dư thừa này thường nhỏ. Giá trị ε = 1,03 đặc trưng cho phản ứng nhiệt. Đối với phản ứng nhanh, không áp dụng được công thức của bốn hệ số, vì mỗi hệ số phụ thuộc vào năng lượng và sự lan truyền năng lượng trong phản ứng nhanh là rất lớn.
Vì giá trị của η được xác định bởi loại nhiên liệu, và giá trị của ε đối với phản ứng chậm hầu như không khác với sự thống nhất, chất lượng của một môi trường hoạt động cụ thể được xác định bởi sản phẩm pf. Do đó, lợi thế của môi trường không đồng nhất so với môi trường đồng nhất được biểu hiện một cách định lượng ở chỗ, ví dụ, trong một hệ mà trong đó có 215 hạt nhân graphit trên mỗi hạt nhân uranium tự nhiên, tích số pf là 0,823 đối với môi trường không đồng nhất và 0,595 đối với một đồng nhất. Và vì đối với hỗn hợp tự nhiên η = 1,34, thì chúng ta nhận được điều đó đối với môi trường không đồng nhất k ∞> 1, và đối với môi trường đồng nhất k ∞< 1.
Để thực hiện một phản ứng dây chuyền ở trạng thái ổn định trên thực tế, người ta phải có khả năng kiểm soát phản ứng này. Việc kiểm soát này được đơn giản hóa rất nhiều do sự thoát ra của các neutron bị trì hoãn trong quá trình phân hạch. Phần lớn các neutron bay ra khỏi hạt nhân gần như ngay lập tức (tức là trong thời gian ngắn hơn nhiều bậc độ lớn so với thời gian tồn tại của một thế hệ neutron trong lõi), nhưng một vài phần mười neutron bị trì hoãn và bay ra khỏi các hạt nhân phân mảnh sau một khoảng thời gian khá dài - từ phân số giây đến vài và thậm chí hàng chục giây. Về mặt định tính, ảnh hưởng của các nơtron bị trễ có thể được giải thích như sau. Để hệ số nhân tăng ngay lập tức từ giá trị tới hạn tới giá trị siêu tới hạn sao cho k< 1 при отсутствии запаздывающих нейтронов. Тогда, очевидно, цепная реакция начнется не сразу, а лишь после вылета запаздывающих нейтронов. Тем самым процесс течения реакции будет регулируемым, если время срабатывания регулирующих устройств будет меньше сравнительно большого времени задержки запаздывающих нейтронов, а не очень малого времени развития цепной реакции. Доля запаздывающих нейтронов в ядерных горючих колеблется от 0.2 до 0.7%. Среднее время жизни запаздывающих нейтронов составляет приблизительно 10 с. При небольшой степени надкритичности скорость нарастания интенсивности цепной реакции определяется только запаздывающими нейтронами.
Việc các hạt nhân không tham gia chuỗi phản ứng bắt neutron làm giảm cường độ của phản ứng, nhưng có thể hữu ích liên quan đến việc hình thành các đồng vị phân hạch mới. Vì vậy, khi các neutron của đồng vị uranium 238 U và thorium 232 Th được hấp thụ, các đồng vị plutonium 239 Pu và uranium 233 U được hình thành (thông qua hai lần phân rã β liên tiếp), là nhiên liệu hạt nhân:

(12)

(13)

Hai phản ứng này mở ra khả năng thực sự tái sản xuất nhiên liệu hạt nhân trong chuỗi phản ứng. Trong trường hợp lý tưởng, tức là, trong trường hợp không có những tổn thất không cần thiết của neutron, trung bình 1 neutron có thể được sử dụng để tái tạo cho mỗi hành động hấp thụ neutron của một hạt nhân nhiên liệu.

Lò phản ứng hạt nhân (nguyên tử)

Lò phản ứng là một thiết bị trong đó phản ứng dây chuyền phân hạch có kiểm soát được duy trì. Trong quá trình hoạt động của lò phản ứng, nhiệt được tỏa ra do phản ứng phân hạch tỏa nhiệt. Đặc điểm chính của lò phản ứng là sức mạnh của nó - lượng nhiệt năng được giải phóng trên một đơn vị thời gian. Công suất của lò phản ứng được đo bằng megawatt (10 6 W). Công suất 1 MW tương ứng với một phản ứng dây chuyền trong đó 3 · 10 16 sự kiện phân hạch xảy ra mỗi giây. Có nhiều loại lò phản ứng khác nhau. Một trong những sơ đồ điển hình của lò phản ứng nhiệt được thể hiện trong Hình. 5.
Phần chính của lò phản ứng là vùng hoạt động, trong đó phản ứng diễn ra và do đó năng lượng được giải phóng. Trong các lò phản ứng neutron nhiệt và trung gian, lõi bao gồm nhiên liệu, thường được trộn với một đồng vị không phân hạch (thường là 238 U), và một chất điều tiết. Không có người điều tiết trong lõi của các lò phản ứng neutron nhanh.
Thể tích lõi thay đổi từ phần mười lít trong một số lò phản ứng neutron nhanh đến hàng chục mét khối trong các lò phản ứng nhiệt lớn. Để giảm sự rò rỉ neutron, lõi được tạo hình cầu hoặc gần hình cầu (ví dụ, hình trụ có chiều cao xấp xỉ bằng đường kính, hoặc hình lập phương).
Tùy thuộc vào vị trí tương đối của nhiên liệu và chất điều độ, các lò phản ứng đồng nhất và không đồng nhất được phân biệt. Một ví dụ về vùng hoạt động đồng nhất là dung dịch muối uranyl sulfat và U 2 SO 4 trong nước thường hoặc nước nặng. Lò phản ứng dị thể phổ biến hơn. Trong các lò phản ứng không đồng nhất, lõi bao gồm một bộ điều tiết, trong đó các khay chứa nhiên liệu được đặt vào. Vì năng lượng được giải phóng chính xác trong các băng này, chúng được gọi là nguyên tố nhiên liệu hoặc viết tắt những thanh nhiên liệu. Lõi có gương phản xạ thường được bọc trong vỏ thép.

Vai trò của neutron bị trì hoãn trong điều khiển lò phản ứng hạt nhân

Đây là một quá trình trong đó một phản ứng được thực hiện gây ra các phản ứng tiếp theo cùng loại.

Trong quá trình phân hạch của một hạt nhân uranium, các neutron tạo thành có thể gây ra sự phân hạch của các hạt nhân uranium khác, trong khi số lượng neutron tăng lên như một trận tuyết lở.

Tỷ số giữa số nơtron được tạo ra trong một sự kiện phân hạch với số nơtron đó trong sự kiện phân hạch trước đó được gọi là hệ số nhân nơtron k.

Khi k nhỏ hơn 1, phản ứng chết đi, vì số nơtron bị hấp thụ nhiều hơn số nơtron mới hình thành.
Khi k lớn hơn 1, một vụ nổ xảy ra gần như ngay lập tức.
Khi k bằng 1, một phản ứng dây chuyền đứng yên có kiểm soát xảy ra.

Một phản ứng dây chuyền đi kèm với việc giải phóng một lượng lớn năng lượng.

Để thực hiện một phản ứng dây chuyền, không thể sử dụng bất kỳ hạt nhân nào phân hạch dưới tác dụng của neutron.

Nguyên tố hóa học uranium, được sử dụng làm nhiên liệu cho các lò phản ứng hạt nhân, tự nhiên bao gồm hai đồng vị: uranium-235 và uranium-238.

Trong tự nhiên, đồng vị uranium-235 chỉ chiếm 0,7% tổng nguồn cung cấp uranium, nhưng chúng thích hợp để thực hiện phản ứng dây chuyền, bởi vì sự phân hạch dưới ảnh hưởng của các nơtron chậm.

Hạt nhân của uranium-238 chỉ có thể bị phân chia dưới ảnh hưởng của neutron năng lượng cao (neutron nhanh). Chỉ 60% số neutron xuất hiện trong quá trình phân hạch của hạt nhân uranium-238 có năng lượng như vậy. Chỉ có 1 trong số 5 neutron được tạo ra gây ra sự phân hạch hạt nhân.

Điều kiện để xảy ra phản ứng dây chuyền trong uranium-235:

Lượng nhiên liệu tối thiểu (khối lượng tới hạn) cần thiết cho phản ứng dây chuyền có kiểm soát trong lò phản ứng hạt nhân
- tốc độ của neutron nên gây ra sự phân hạch của các hạt nhân uranium
- không có tạp chất hấp thụ neutron

Khối lượng tới hạn:

Nếu khối lượng uranium nhỏ, neutron sẽ bay ra khỏi nó mà không phản ứng
- nếu khối lượng urani lớn, có thể xảy ra vụ nổ do số lượng nơtron tăng mạnh.
- nếu khối lượng tương ứng với khối lượng tới hạn, một phản ứng dây chuyền có kiểm soát sẽ xảy ra

Đối với uranium-235, khối lượng tới hạn là 50 kg (ví dụ như một quả bóng uranium có đường kính 9 cm).

Phản ứng dây chuyền có kiểm soát đầu tiên - Hoa Kỳ năm 1942 (E. Fermi)
Tại Liên Xô - 1946 (I.V. Kurchatov).

Định luật Faraday về cảm ứng điện từ là định luật cơ bản về điện động lực học liên quan đến nguyên lý hoạt động của máy biến áp, cuộn cảm và nhiều loại động cơ điện

Và máy phát điện. Luật nói:

Định luật Faraday như hai hiện tượng khác nhau [sửa | chỉnh sửa văn bản wiki]

Một số nhà vật lý lưu ý rằng định luật Faraday trong một phương trình mô tả hai hiện tượng khác nhau: động cơ emfđược tạo ra bởi tác dụng của lực từ lên một dây chuyển động, và máy biến áp EMF sinh ra do tác dụng của lực điện do sự thay đổi của từ trường. James Clerk Maxwell đã thu hút sự chú ý đến thực tế này trong công việc của mình Về đường vật lý của lực vào năm 1861. Trong nửa sau của phần II của tác phẩm này, Maxwell đưa ra lời giải thích vật lý riêng biệt cho từng hiện tượng trong số hai hiện tượng này. Tham khảo hai khía cạnh này của cảm ứng điện từ được tìm thấy trong một số sách giáo khoa hiện đại. Như Richard Feynman viết:

Định luật Lorentz [sửa | chỉnh sửa văn bản wiki]

Sạc pin q trong dây dẫn ở bên trái của vòng lặp chịu lực Lorentz q v × B k = −q v B (x C - w / 2) j (j, k- vectơ đơn vị theo hướng y và z; xem tích chéo của vectơ), gây ra EMF (công trên mỗi đơn vị phí) v ℓ B (x C - w / 2) dọc theo toàn bộ chiều dài của phía bên trái của vòng lặp. Ở phía bên phải của vòng lặp, lập luận tương tự cho thấy rằng emf là v ℓ B (x C + w / 2). Hai EMF đối nhau đẩy một điện tích dương về phía dưới cùng của vòng dây. Trong trường hợp trường B tăng dọc theo x thì lực ở phía bên phải sẽ lớn hơn và dòng điện chạy theo chiều kim đồng hồ. Sử dụng quy tắc bàn tay phải, chúng tôi nhận được rằng trường B, được tạo bởi dòng điện, ngược với trường được áp dụng. Emf gây ra dòng điện phải tăng theo hướng ngược chiều kim đồng hồ (ngược với dòng điện). Bằng cách thêm EMF theo hướng ngược chiều kim đồng hồ dọc theo vòng lặp, chúng tôi thấy:

Định luật Faraday [sửa | chỉnh sửa văn bản wiki]

Một cách tiếp cận hấp dẫn trực quan nhưng sai lầm để sử dụng quy tắc dòng chảy biểu thị dòng chảy qua mạch là Φ B = Bwℓ, ở đâu w- chiều rộng của vòng lặp chuyển động. Biểu thức này không phụ thuộc vào thời gian, vì vậy nó ngụ ý không chính xác rằng không có EMF nào được tạo ra. Lỗi trong câu lệnh này là nó không tính đến toàn bộ đường đi của dòng điện qua một vòng kín.

Để sử dụng đúng quy tắc dòng chảy, chúng ta phải xem xét toàn bộ đường dẫn hiện tại, bao gồm đường dẫn qua các vành trên đĩa trên và đĩa dưới. Chúng ta có thể chọn một đường khép kín tùy ý qua các vành và một vòng quay, và sử dụng quy luật dòng chảy, tìm EMF dọc theo đường này. Bất kỳ đường dẫn nào bao gồm một đoạn liền kề với vòng quay đều tính đến chuyển động tương đối của các bộ phận trong chuỗi.

Ví dụ, chúng ta hãy xem xét một đường đi qua phần trên của chuỗi theo hướng quay của đĩa trên và ở phần dưới của chuỗi - theo hướng ngược lại với đĩa dưới (được hiển thị bằng các mũi tên trong Hình 4). Trong trường hợp này, nếu vòng xoay lệch một góc θ so với vòng thu, thì nó có thể được coi là một phần của hình trụ có diện tích Một = rℓθ. Khu vực này vuông góc với trường B và đóng góp của nó vào luồng là:

trong đó dấu là âm, bởi vì theo quy tắc bên phải, trường B , được tạo ra bởi một vòng lặp mang dòng, ngược hướng với trường được áp dụng B ". Vì đây chỉ là phần phụ thuộc vào thời gian của dòng chảy, nên theo luật dòng chảy, EMF là:

phù hợp với công thức của định luật Lorentz.

Bây giờ chúng ta hãy xem xét một con đường khác, trong đó chúng ta chọn đoạn dọc theo vành của đĩa thông qua các phân đoạn đối diện. Trong trường hợp này, chuỗi liên kết sẽ là giảm bớt khi θ tăng, nhưng theo quy tắc bên phải, vòng lặp hiện tại thêm vào lĩnh vực ứng dụng B, vì vậy EMF cho đường dẫn này sẽ có cùng giá trị với đường dẫn đầu tiên. Bất kỳ đường dẫn trả về hỗn hợp nào cũng dẫn đến cùng một kết quả cho giá trị EMF, do đó, việc chọn đường dẫn nào không thực sự quan trọng.

Phản ứng nhiệt hạch là một loại phản ứng hạt nhân trong đó các hạt nhân nguyên tử nhẹ kết hợp lại thành những hạt nặng hơn do động năng chuyển động nhiệt của chúng. Nguồn gốc của thuật ngữ [sửa | chỉnh sửa văn bản wiki]

Để phản ứng hạt nhân xảy ra, các hạt nhân nguyên tử ban đầu phải vượt qua cái gọi là "rào cản Coulomb" - lực đẩy tĩnh điện giữa chúng. Để làm được điều này, chúng phải có động năng lớn. Theo lý thuyết động học, động năng của các vi hạt chuyển động của một chất (nguyên tử, phân tử hoặc ion) có thể được biểu thị bằng nhiệt độ, và do đó, bằng cách đốt nóng chất đó, phản ứng hạt nhân có thể đạt được. Đó là mối tương quan giữa sự đốt nóng của một chất và phản ứng hạt nhân mà thuật ngữ "phản ứng nhiệt hạch" phản ánh.

Rào cản Coulomb [sửa | chỉnh sửa văn bản wiki]

Hạt nhân nguyên tử mang điện dương. Ở khoảng cách lớn, các điện tích của chúng có thể bị che chắn bởi các electron. Tuy nhiên, để các hạt nhân hợp nhất, chúng phải tiếp cận ở khoảng cách mà tại đó lực tương tác mạnh. Khoảng cách này theo thứ tự kích thước của chính các hạt nhân và nhỏ hơn nhiều lần so với kích thước của nguyên tử. Ở những khoảng cách như vậy, các lớp vỏ electron của nguyên tử (ngay cả khi chúng được bảo toàn) không còn có thể che chắn các điện tích của hạt nhân, do đó chúng chịu một lực đẩy tĩnh điện mạnh. Độ mạnh của lực đẩy này, theo định luật Coulomb, tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa các điện tích. Ở những khoảng cách theo thứ tự kích thước của các hạt nhân, sức mạnh của tương tác mạnh, có xu hướng liên kết chúng, bắt đầu tăng nhanh và trở nên lớn hơn lực đẩy Coulomb.

Như vậy, để phản ứng, các hạt nhân phải vượt qua hàng rào thế năng. Ví dụ, đối với phản ứng đơteri-triti, giá trị của rào cản này xấp xỉ 0,1 MeV. Để so sánh, năng lượng ion hóa của hydro là 13 eV. Do đó, chất tham gia phản ứng nhiệt hạch sẽ bị ion hóa gần như hoàn toàn plasma.

Nhiệt độ tương đương 0,1 MeV là xấp xỉ 10 9 K, nhưng có hai hiệu ứng làm giảm nhiệt độ cần thiết cho phản ứng nhiệt hạch:

· Thứ nhất, nhiệt độ chỉ đặc trưng cho động năng trung bình, có những hạt có cả năng lượng thấp hơn và cao hơn. Trên thực tế, một số lượng nhỏ các hạt nhân có năng lượng cao hơn nhiều so với mức trung bình tham gia phản ứng nhiệt hạch (cái gọi là "đuôi của phân bố Maxwellian

· Thứ hai, do hiệu ứng lượng tử, các hạt nhân không phải có năng lượng vượt quá hàng rào Coulomb. Nếu năng lượng của chúng nhỏ hơn một chút so với kết giới, chúng có thể vượt qua nó với xác suất cao. [ nguồn không được chỉ định 339 ngày]

Phản ứng nhiệt hạch [sửa | chỉnh sửa văn bản wiki]

Một số phản ứng nhiệt hạch tỏa nhiệt quan trọng nhất có tiết diện lớn là:

(1)

→

4He

(3,5MeV)

(14,1 MeV)

(2)

→

(1,01 MeV)

(3.02MeV)

(50 %)

(3)

→

3He

(0,82 MeV)

(2,45 MeV)

(50 %)

(4)

3He

→

4He

(3,6MeV)

(14,7MeV)

(5)

→

4He

+ 11,3 MeV

(6)

3He

→

4He

(7)

3He

→

4He

+ 12,1 MeV

(51 %)

(8)

→

4He

(4,8MeV)

(9,5 MeV)

(43 %)

(9)

→

4He

(0,5MeV)

(1,9 MeV)

(11,9 MeV)

(6 %)

(10)

6Li

→

4He

+ 22,4 MeV -

(11)

6Li

→

4He

(1,7MeV)

3He

(2.3MeV) -

(12)

3He

6Li

→

4He

+ 16,9 MeV

(13)

11B

→

4He

+ 8,7 MeV

(14)

6Li

→

4He

+ 4,8 MeV

Xúc tác muonic [sửa | chỉnh sửa văn bản wiki]

Bài chi tiết: Xúc tác muonic

Phản ứng nhiệt hạch có thể được tạo điều kiện thuận lợi rất nhiều bằng cách đưa các muon tích điện âm vào plasma phản ứng.

Các hạt muon µ -, tương tác với nhiên liệu nhiệt hạch, tạo thành các trung phân tử, trong đó khoảng cách giữa các hạt nhân của các nguyên tử nhiên liệu nhỏ hơn một chút, điều này tạo điều kiện thuận lợi cho việc tiếp cận của chúng và ngoài ra, làm tăng xác suất đào hầm hạt nhân qua hàng rào Coulomb.

Số phản ứng tổng hợp Xc, do một muon khởi xướng, bị giới hạn bởi giá trị của hệ số bám muon. Bằng thực nghiệm, có thể thu được các giá trị của X c ~ 100, tức là một muon có thể giải phóng năng lượng ~ 100 × X MeV, trong đó X là năng lượng của phản ứng có xúc tác.

Cho đến nay, lượng năng lượng được giải phóng còn ít hơn chi phí năng lượng để sản xuất chính hạt muon (5-10 GeV). Do đó, xúc tác muon vẫn là một quá trình bất lợi về mặt năng lượng. Có thể sản xuất năng lượng khả thi về mặt thương mại bằng cách sử dụng xúc tác muon với Xc ~ 10 4 .

Ứng dụng [sửa | chỉnh sửa văn bản wiki]

Việc sử dụng phản ứng nhiệt hạch làm nguồn năng lượng thực tế vô tận gắn liền với triển vọng làm chủ công nghệ phản ứng tổng hợp nhiệt hạch có điều khiển (CTF). Hiện tại, cơ sở khoa học và công nghệ không cho phép sử dụng CTS ở quy mô công nghiệp.

Đồng thời, phản ứng nhiệt hạch không kiểm soát đã được tìm thấy ứng dụng của nó trong các vấn đề quân sự. Thiết bị nổ nhiệt hạch đầu tiên được thử nghiệm vào tháng 11 năm 1952 tại Hoa Kỳ, và vào tháng 8 năm 1953, một thiết bị nổ nhiệt hạch dưới dạng bom không khí đã được thử nghiệm ở Liên Xô. Sức mạnh của thiết bị nổ nhiệt hạch (không giống như thiết bị nguyên tử) chỉ bị giới hạn bởi lượng vật liệu được sử dụng để tạo ra nó, điều này có thể tạo ra các thiết bị nổ với hầu hết mọi công suất.

VÉ 27 câu hỏi 1

Hiện tượng tự cảm ứng

Chúng tôi đã nghiên cứu rằng một từ trường phát sinh gần một vật dẫn mang dòng điện. Và cũng nghiên cứu rằng một từ trường biến thiên tạo ra một dòng điện (hiện tượng cảm ứng điện từ). Hãy xem xét một mạch điện. Khi cường độ dòng điện thay đổi trong mạch này, một sự thay đổi trong từ trường sẽ xảy ra, do đó sẽ xuất hiện thêm một hiệu điện thế trong cùng một đoạn mạch. dòng điện cảm ứng. Hiện tượng như vậy được gọi là tự cảm ứng và dòng điện kết quả được gọi là dòng điện tự cảm ứng.

Hiện tượng tự cảm ứng là hiện tượng xảy ra trong một đoạn mạch dẫn có emf tạo ra do sự thay đổi cường độ dòng điện trong bản thân đoạn mạch đó.

Độ tự cảm của mạch phụ thuộc vào hình dạng và kích thước của nó, vào tính chất từ của môi trường và không phụ thuộc vào cường độ dòng điện trong mạch.

EMF của hiện tượng tự cảm ứng được xác định theo công thức:

Hiện tượng tự cảm ứng tương tự như hiện tượng quán tính. Cũng như trong cơ học không thể làm dừng ngay một vật chuyển động, do đó dòng điện không thể ngay lập tức có được một giá trị nào đó do hiện tượng tự cảm ứng. Nếu mắc nối tiếp cuộn dây với bóng đèn thứ hai trong đoạn mạch gồm hai bóng đèn giống nhau mắc song song vào một nguồn dòng điện thì khi đóng mạch, đèn thứ nhất sáng gần như ngay lập tức và đèn thứ hai có độ trễ đáng kể.

Khi mạch được mở, cường độ dòng điện giảm nhanh chóng, và sinh ra tự cảm ứng EMF ngăn từ thông giảm. Trong trường hợp này, dòng điện cảm ứng có chiều giống như dòng điện ban đầu. Emf tự cảm ứng có thể lớn hơn nhiều lần so với emf ngoài. Vì vậy, bóng đèn rất hay bị cháy khi tắt đèn.

Năng lượng từ trường

Năng lượng từ trường của mạch với dòng điện:

Bức xạ phóng xạ - bức xạ mà một đồng vị phát ra trong quá trình phân rã. Nó có ba loại: tia alpha (dòng hạt nhân của nguyên tử heli), tia beta (dòng electron) và tia gamma (bức xạ điện từ). Đối với con người, nguy hiểm nhất là bức xạ gamma.

Liều bức xạ hấp thụ bằng tỷ số giữa năng lượng mà cơ thể nhận được so với khối lượng của cơ thể. Liều hấp thụ được ký hiệu bằng chữ D và được đo bằng màu xám.

Trong thực tế, đơn vị đo lường cũng được sử dụng roentgen (P), bằng 2,58 lần 10 đến trừ 4 độ của mặt dây, chia cho kilogam.

Bức xạ được hấp thụ có thể tích lũy theo thời gian, liều lượng của nó càng lớn thì thời gian tiếp xúc càng dài.

Tỷ lệ liều được xác định bằng tỷ số giữa liều bức xạ hấp thụ và thời gian phơi nhiễm. Nó được ký hiệu bằng chữ N và được đo bằng màu xám chia cho một giây.

Đối với con người, liều lượng gây chết người của bức xạ hấp thụ tương đương với 6 Gy. Liều bức xạ tối đa cho phép đối với con người là 0,05 Gy mỗi năm.

ĐỀ 28 Câu 1

Hạt cơ bản là một thuật ngữ chung đề cập đến các vật thể vi mô ở quy mô hạt nhân phụ mà không thể chia nhỏ thành các phần cấu thành.

Cần lưu ý rằng một số hạt cơ bản ( điện tử, neutrino, hạt quark v.v.) hiện được coi là phi cấu trúc và được coi là hạt cơ bản . Các hạt cơ bản khác (được gọi là các hạt cấu thành, bao gồm các hạt tạo nên hạt nhân nguyên tử - proton và nơtron) có cấu trúc bên trong phức tạp, tuy nhiên, theo quan niệm hiện đại, không thể tách chúng thành các phần do tác dụng giam cầm.

Hoàn toàn với phản hạt hơn 350 hạt cơ bản đã được phát hiện. Trong số này, photon, electron và muon neutrino, electron, proton và các phản hạt của chúng là ổn định. Các hạt cơ bản còn lại tự phân rã trong thời gian từ khoảng 1000 giây (đối với nơtron tự do) đến một phần không đáng kể của giây (từ 10 −24 đến 10 −22, đối với cộng hưởng).

Với dao động điện từ, sự biến đổi tuần hoàn của điện tích, dòng điện và hiệu điện thế xảy ra Dao động điện từ được chia thành tự do, mờ dần, bị ép và dao động tự.

Dao động tự do được gọi là dao động xảy ra trong hệ (tụ điện và cuộn dây) sau khi bứt ra khỏi vị trí cân bằng (khi truyền điện tích cho tụ điện). Chính xác hơn, dao động điện từ tự do xảy ra khi phóng điện qua một tụ điện qua cuộn cảm. bắt buộc dao động được gọi là dao động trong mạch dưới tác dụng của suất điện động ngoài biến thiên tuần hoàn.

Hệ thống đơn giản nhất trong đó dao động điện từ tự do được quan sát là mạch dao động. bao gồm một cuộn cảm và một tụ điện. Quá trình này sẽ được lặp đi lặp lại nhiều lần. Sẽ nảy sinh dao động điện từ do sự biến đổi năng lượng của điện trường của tụ điện.

Tụ điện, sạc từ pin, sẽ thu được điện tích tối đa tại thời điểm ban đầu. Nghị lực của anh ấy Chúng tôi sẽ là tối đa (Hình a).

Nếu tụ điện được đóng vào cuộn dây, thì tại thời điểm này nó sẽ bắt đầu phóng điện (Hình b). Trong mạch sẽ có dòng điện. Khi tụ điện phóng điện, cường độ dòng điện trong mạch và trong cuộn cảm. Do hiện tượng tự cảm ứng, điều này không xảy ra ngay lập tức. năng lượng cuộn dây W m trở thành cực đại (Hình c).

Dòng điện cảm ứng chạy cùng chiều. Các điện tích lại được tích tụ trên tụ điện. Tụ điện được sạc lại, tức là Bản tụ điện trước đó tích điện dương sẽ tích điện âm. Năng lượng của tụ điện trở nên cực đại. Dòng điện theo hướng này sẽ dừng lại, và quá trình sẽ lặp lại theo hướng ngược lại (Hình d). Quá trình này sẽ được lặp đi lặp lại nhiều lần. Sẽ nảy sinh dao động điện từ do sự biến đổi năng lượng điện trường của tụ điện thành năng lượng từ trường của cuộn dây có dòng điện và ngược lại. Nếu không có tổn hao (điện trở R = 0) thì cường độ dòng điện, điện tích và hiệu điện thế thay đổi theo thời gian theo định luật điều hòa. Dao động xảy ra theo quy luật côsin hay sin được gọi là dao động điều hòa. Phương trình dao động điện tích điều hòa: .

Mạch trong đó không có hao phí năng lượng là mạch dao động lí tưởng. Chu kỳ dao động điện từ trong mạch dao động lí tưởng phụ thuộc vào độ tự cảm của cuộn dây và điện dung của tụ điện và nằm dọc Công thức của Thomson với L là độ tự cảm của cuộn dây, C là điện dung của tụ điện, T là chu kỳ e / m dao động.
Trong mạch dao động thực, dao động điện từ tự do sẽ là mờ dần do mất mát năng lượng khi đốt nóng các dây dẫn. Đối với ứng dụng thực tế, điều quan trọng là phải thu được dao động điện từ không lấy dấu, và đối với điều này, cần phải bổ sung điện cho mạch dao động để bù đắp tổn thất năng lượng từ máy phát dao động không lấy dấu, đây là một ví dụ về hệ tự dao động.

vé 29 câu hỏi 1

Một phản hạt là một hạt sinh đôi của một số hạt khác hạt cơ bản, có cùng một trọng lượng và tương tự mặt sau, khác với nó ở các dấu hiệu của tất cả các đặc điểm tương tác khác (các khoản phí chẳng hạn như điện và màu sắc phí, baryon và lepton Số lượng tử).

Định nghĩa về cái gọi là "hạt" trong cặp hạt-phản hạt phần lớn là tùy ý. Tuy nhiên, với sự lựa chọn "hạt" cho trước, phản hạt của nó được xác định duy nhất. Sự bảo toàn số lượng baryon trong các quá trình tương tác yếu làm cho nó có thể xác định "hạt" trong bất kỳ cặp baryon-kháng thể nào bằng chuỗi phân rã của các baryon. Việc chọn một electron làm “hạt” trong cặp electron-positron sẽ cố định (do sự bảo toàn số lepton trong các quá trình tương tác yếu) xác định trạng thái của một "hạt" trong một cặp neutrino điện tử và phản neutrino. Sự chuyển tiếp giữa các lepton của các thế hệ khác nhau (thuộc loại) đã không được quan sát thấy, do đó, định nghĩa về một "hạt" trong mỗi thế hệ lepton, nói chung, có thể được thực hiện một cách độc lập. Thông thường, bằng cách tương tự với một điện tử, "hạt" được gọi là mang điện tích âm lepton, khi số lepton được bảo toàn, xác định giá trị tương ứng neutrino và antineutrino. Vì bosons khái niệm "hạt" có thể được cố định bởi định nghĩa, ví dụ, quá tải.

Phản ứng dây chuyền có kiểm soát.

Nếu phản ứng dây chuyền bị giới hạn trong sự phát triển của nó sao cho số lượng neutron được tạo ra trong một đơn vị thời gian, đạt đến một giá trị lớn nhất định, sau đó ngừng tăng lên, thì một phản ứng dây chuyền phân hạch tự duy trì lặng lẽ sẽ diễn ra. Sẽ chỉ có thể kiểm soát phản ứng nếu có thể kiểm soát hệ số nhân neutron k eff khá chậm và trơn tru, và đối với một hệ thống tối ưu, k hiệu quả chỉ được vượt quá sự thống nhất 0,5%. Các nhà vật lý Liên Xô Ya.B. Zeldovich và Yu.B. Khariton đã chỉ ra về mặt lý thuyết (1939) rằng một phản ứng dây chuyền có kiểm soát có thể được thực hiện trên uranium tự nhiên.

Để phát triển một quá trình dây chuyền trong uranium tự nhiên, các neutron phải được làm chậm lại theo vận tốc nhiệt, vì trong trường hợp này xác suất bắt giữ chúng bởi các hạt nhân U với sự phân hạch tiếp theo tăng mạnh. Với mục đích này, các chất đặc biệt được sử dụng - người điều hành.

Việc kiểm soát phản ứng dây chuyền tĩnh (k eff = 1) được đơn giản hóa rất nhiều do sự hiện diện của nơtron bị trì hoãn(xem điều 3.6). Nó chỉ ra rằng thời gian T "gia tốc" của phản ứng (thời gian mà số phân chia tăng thêm e "2,71 lần) với mức độ siêu tới hạn nhỏ (k eff - 1<< 1) определятся только запаздывающими нейтронами:

T \ u003d t s × b / (k eff - 1),

trong đó t z là thời gian sống trung bình của các nơtron bị trễ (t z ~ 14,4 s),

b là phần của nơtron bị trễ (b ~ 0,68% đối với U).

Vì giá trị của t s × b có bậc ~ 5 × 10 -2 s., Nên cường độ của phản ứng sẽ tăng lên khá chậm và phản ứng được điều hòa tốt.

Có thể kiểm soát giá trị của k eff bằng cách tự động đưa các chất hấp thụ mạnh neutron vào lõi - chất hấp thụ.

12.3.1. Lò phản ứng hạt nhân

Một thiết bị trong đó phản ứng phân hạch hạt nhân đứng yên được thực hiện và duy trì được gọi là lò phản ứng hạt nhân, hay lò hơi nguyên tử.

Lò phản ứng hạt nhân đầu tiên được xây dựng dưới sự lãnh đạo của E. Fermi vào cuối năm 1942 (Mỹ). Lò phản ứng đầu tiên của châu Âu được thành lập vào năm 1946 tại Moscow dưới sự lãnh đạo của IV Kurchatov.

Hiện nay, có khoảng một nghìn lò phản ứng hạt nhân thuộc nhiều loại khác nhau đang hoạt động trên thế giới, khác nhau về:

· Theo nguyên tắc hoạt động (lò phản ứng trên neutron nhiệt, nhanh, v.v.);

Theo loại chất điều tiết (trên nước nặng, than chì, v.v.);

· Theo nhiên liệu được sử dụng (uranium, thorium, plutonium);

cho mục đích đã định (nghiên cứu, y tế, năng lượng, để tái sản xuất nhiên liệu hạt nhân, v.v.)

Các bộ phận chính của lò phản ứng hạt nhân (xem Hình 4.5) là:

· Vùng hoạt động (1), nơi chứa nhiên liệu hạt nhân, chuỗi phản ứng phân hạch tiến hành, năng lượng được giải phóng;

phản xạ neutron (2) bao quanh lõi;

· Hệ thống điều khiển của quá trình dây chuyền ở dạng thanh hấp thụ (3) neutron;

bảo vệ bức xạ (4) khỏi bức xạ;

chất làm mát (5).

TẠI đồng nhất lò phản ứng, nhiên liệu hạt nhân và chất điều chế được trộn lẫn, tạo thành một hỗn hợp đồng nhất (ví dụ, muối actinouranium và nước nặng). TẠI không đồng nhất lò phản ứng (Hình 4.6), nhiên liệu hạt nhân được đặt trong lõi dưới dạng thanh nhiên liệu ( nguyên tố nhiên liệu) - các khối-thanh (1) có tiết diện nhỏ, được bao bọc trong một lớp vỏ kín hấp thụ yếu các nơtron. Giữa các thanh nhiên liệu có bộ điều tiết (2).

Các nơtron sinh ra trong quá trình phân hạch của các hạt nhân, chưa kịp hấp thụ vào các nguyên tố nhiên liệu, sẽ rơi vào bộ điều hòa, nơi chúng mất năng lượng, chậm lại theo vận tốc nhiệt. Sau đó trở lại vào một trong các nguyên tố nhiên liệu, neutron nhiệt có xác suất cao bị hấp thụ bởi các hạt nhân có khả năng phân hạch (U, U, Pu). Những nơtron bị hạt nhân U bắt giữ cũng đóng một vai trò tích cực, bổ sung ở một mức độ nào đó cho việc tiêu thụ nhiên liệu hạt nhân.

Chất điều chế tốt là các hạt nhân nhẹ: đơteri, berili, cacbon, ôxy. Chất điều hòa neutron tốt nhất là sự kết hợp của deuterium với oxy - nước nặng. Tuy nhiên, do giá thành cao, cacbon thường được sử dụng ở dạng rất tinh khiết than chì. Berili và oxit của nó cũng được sử dụng. Các thanh nhiên liệu và bộ điều tiết thường tạo thành một mạng tinh thể đều đặn (ví dụ, uranium-graphite).

Do năng lượng phân hạch, các phần tử nhiên liệu được đốt nóng. Để làm mát, chúng được đặt trong dòng chất làm mát(không khí, nước, hơi nước, He, CO 2, v.v.).

Do sự mất mát của neutron trong hạt nhân mảnh điều hòa và phân hạch, lò phản ứng phải có kích thước siêu tới hạn và tạo ra lượng neutron dư thừa. Việc kiểm soát quá trình dây chuyền (tức là loại bỏ các neutron dư thừa) được thực hiện bởi các thanh điều khiển (3) (xem Hình 4.5 hoặc 4.6) làm bằng vật liệu hấp thụ mạnh neutron (thép boron, cadmium).

Các thông số của lò phản ứng được tính toán sao cho khi các thanh hấp thụ được cắm hoàn toàn vào lõi, phản ứng không tiến hành. Với việc tách dần các thanh, hệ số nhân neutron tăng lên, và tại một vị trí nhất định của chúng, k eff đạt đến sự thống nhất, lò phản ứng bắt đầu hoạt động. Các thanh hấp thụ được di chuyển từ bảng điều khiển. Quy định được đơn giản hóa do sự hiện diện của các nơtron bị trễ.

Đặc điểm chính của lò phản ứng hạt nhân là sức mạnh của nó. Công suất 1 MW tương ứng với một quá trình dây chuyền trong đó 3 × 10 16 sự kiện phân hạch xảy ra trong 1 giây. Lò phản ứng có khẩn cấp que, sự ra đời của nó, với sự gia tăng đột ngột sức mạnh phản ứng, ngay lập tức sẽ đặt lại nó.

Trong quá trình vận hành lò phản ứng hạt nhân, dần dần đốt cháy nhiên liệu hạt nhân, các mảnh phân hạch tích tụ, các nguyên tố transuranium được hình thành. Sự tích tụ của các mảnh gây ra giảm k eff. Quá trình này được gọi là đầu độc lò phản ứng (nếu các mảnh là phóng xạ) và xỉ(nếu các mảnh ổn định). Khi trúng độc, k eff giảm (1¸3)%. Để phản ứng không dừng lại, các thanh đặc biệt (bù trừ) dần dần (tự động) bị loại bỏ khỏi vùng hoạt động. Khi nhiên liệu hạt nhân bị đốt cháy hoàn toàn, nó được lấy ra (sau khi phản ứng kết thúc) và nạp một cái mới vào.

Trong số các lò phản ứng hạt nhân, một vị trí đặc biệt được chiếm bởi lò phản ứng của nhà chăn nuôi trên neutron nhanh - người chăn nuôi. Trong đó, việc phát điện đi kèm với việc tái tạo nhiên liệu hạt nhân thứ cấp (plutonium) do phản ứng (3.5), do đó không chỉ đồng vị U mà cả U cũng được sử dụng một cách hiệu quả (xem §3.6). Điều này có thể giải quyết triệt để vấn đề cung cấp nhiên liệu hạt nhân: cứ 100 hạt nhân được sử dụng trong một lò phản ứng như vậy thì có 150 hạt nhân mới có khả năng phân hạch được tạo ra. Công nghệ của lò phản ứng neutron nhanh đang trong quá trình tìm kiếm các giải pháp kỹ thuật tốt nhất. Nhà máy thí điểm đầu tiên thuộc loại này (Shevchenko) được sử dụng để tạo ra điện và khử muối nước biển (Biển Caspi).

Trong đó các phần tử gây ra chúng được hình thành và là sản phẩm của các phản ứng này. Phản ứng như vậy là sự phân hạch của uranium và một số nguyên tố trans-uranium (ví dụ, 23 9 Pu) dưới tác dụng của nơtron. Nó được thực hiện lần đầu tiên bởi E. Fermi vào năm 1942. Sau khi phát hiện ra sự phân hạch hạt nhân W. Zinn, L. Szilard và G. N. Flerov đã chỉ ra rằng trong quá trình phân hạch của hạt nhân uranium U nhiều hơn một neutron được phát ra: N + U → A + B + v. Nơi đây NHƯNG và TẠI- các mảnh phân hạch có khối lượng A từ 90 đến 150, v là số nơtron thứ cấp.

Hệ số nhân neutron. Để một phản ứng dây chuyền có thể xảy ra, điều cần thiết là số neutron trung bình được giải phóng trong một khối lượng uranium nhất định không giảm theo thời gian, hoặc điều gì đó hệ số nhân neutron k lớn hơn hoặc bằng một.

Hệ số nhân nơtron là tỷ số giữa số nơtron ở thế hệ bất kỳ với số nơtron của thế hệ trước. Biến đổi thế hệ được hiểu là sự phân hạch hạt nhân, trong đó các neutron của thế hệ cũ bị hấp thụ và neutron mới được sinh ra.

Nếu một k ≥ 1, sau đó số lượng nơtron tăng lên theo thời gian hoặc không đổi, và phản ứng dây chuyền xảy ra. Tại k> 1 số lượng neutron giảm, và phản ứng dây chuyền là không thể.

Vì một số lý do, trong số tất cả các hạt nhân được tìm thấy trong tự nhiên, chỉ có hạt nhân đồng vị là phù hợp để thực hiện phản ứng dây chuyền hạt nhân. Hệ số nhân được xác định bởi: 1) sự bắt giữ các neutron chậm bởi các hạt nhân, sau đó là sự phân hạch và sự bắt giữ các neutron nhanh bởi các hạt nhân và sau đó là sự phân hạch; 2) bắt giữ các neutron mà không có sự phân hạch bởi các hạt nhân uranium; 3) bắt giữ neutron bởi các sản phẩm phân hạch, chất điều tiết và các yếu tố cấu trúc của cơ sở; 4) sự thoát ra của neutron từ vật liệu phân hạch ra bên ngoài.

Chỉ có quá trình đầu tiên đi kèm với sự gia tăng số lượng nơtron. Đối với dòng phản ứng tĩnh k phải bằng 1. Đã ở k = 1,01 một vụ nổ xảy ra gần như ngay lập tức.

sự hình thành plutonium. Kết quả của sự bắt giữ một neutron bởi một đồng vị của uranium, một đồng vị phóng xạ được hình thành với chu kỳ bán rã là 23 phút. Sự phân rã tạo ra nguyên tố transura-mới đầu tiên neptunium:

β-neptunium phóng xạ (với chu kỳ bán rã khoảng hai ngày), phát ra một electron, biến thành nguyên tố transuranium tiếp theo - plutonium:

Chu kỳ bán rã của plutonium là 24.000 năm và đặc tính quan trọng nhất của nó là khả năng phân hạch dưới ảnh hưởng của các neutron chậm giống như một đồng vị. Sử dụng plutonium, một phản ứng dây chuyền có thể được thực hiện với việc giải phóng một lượng lớn Lượng năng lượng.

Phản ứng dây chuyền đi kèm với việc giải phóng năng lượng khổng lồ; 200 MeV được giải phóng trong quá trình phân hạch của mỗi hạt nhân. Khi phân hạch 1 hạt nhân uranium, năng lượng được giải phóng tương tự như khi đốt 3 cục than hoặc 2,5 tấn dầu.

Các nơtron thứ cấp được phát ra trong quá trình phân hạch hạt nhân có thể gây ra các sự kiện phân hạch mới, khiến nó có thể thực hiện chuỗi phản ứng phân hạch - phản ứng hạt nhân, trong đó các phần tử gây ra phản ứng được hình thành là sản phẩm của phản ứng này. Phản ứng dây chuyền phân hạch được đặc trưng bởi hệ số nhânk nơtron, bằng tỷ số giữa số nơtron trong một thế hệ nhất định với số của chúng ở thế hệ trước. Điều kiện cần thiết cho sự phát triển của một chuỗi phản ứng phân hạch là yêu cầuk 1.

Hóa ra là không phải tất cả các nơtron thứ cấp tạo thành đều gây ra sự phân hạch hạt nhân sau đó, dẫn đến giảm hệ số nhân. Thứ nhất, do kích thước hữu hạn cốt lõi(không gian nơi xảy ra phản ứng dây chuyền) và khả năng xuyên thấu cao của các neutron, một số neutron sẽ rời khỏi lõi trước khi chúng bị bắt giữ bởi bất kỳ hạt nhân nào. Thứ hai, một phần của các neutron bị bắt giữ bởi các hạt nhân của các tạp chất không phân hạch, chúng luôn có trong lõi. Ngoài ra, cùng với sự phân hạch, các quá trình bắt giữ bức xạ và tán xạ không đàn hồi cạnh tranh có thể diễn ra.

Hệ số nhân phụ thuộc vào bản chất của vật liệu phân hạch, và đối với một đồng vị nhất định, vào số lượng của nó, cũng như kích thước và hình dạng của vùng hoạt động. Kích thước tối thiểu của vùng hoạt động mà tại đó có thể xảy ra phản ứng dây chuyền được gọi là kích thước quan trọng. Khối lượng tối thiểu của vật liệu phân hạch nằm trong một hệ thống có kích thước quan trọng, cần thiết cho việc thực hiện Phản ứng dây chuyền, gọi là khối lượng tới hạn.

Tốc độ phát triển của các phản ứng dây chuyền là khác nhau. Để cho T là thời gian tồn tại trung bình của một thế hệ và N- số nơtron trong một thế hệ nhất định. Ở thế hệ tiếp theo, số lượng của họ là kN, tức là, sự gia tăng số lượng nơtron mỗi thế hệ dN = kN-N = N(k- 1). Sự gia tăng số lượng nơtron trên một đơn vị thời gian, tức là tốc độ

tăng phản ứng dây chuyền

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

Tích hợp (266.1), chúng tôi thu được

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

ở đâu không là số nơtron tại thời điểm ban đầu, và N- số của họ tại một thời điểm t. Nđược xác định bởi dấu (k-1). Tại k> 1 đi phát triển phản ứng. số lượng phân chia tăng lên liên tục và phản ứng có thể trở nên bùng nổ. Tại k = 1 sắp tới phản ứng tự duy trì mà số nơtron không thay đổi theo thời gian. Cái nĩa<1 идет phản ứng mờ dần.

Các phản ứng dây chuyền được chia thành được quản lý và không được quản lý. Ví dụ như vụ nổ bom nguyên tử là một phản ứng không kiểm soát được. Để ngăn bom nguyên tử phát nổ trong quá trình cất giữ, 235 92 U (hoặc 2 39 94 Pu) trong nó được chia thành hai phần cách xa nhau với khối lượng dưới mức tới hạn. Sau đó, với sự trợ giúp của một vụ nổ thông thường, các khối lượng này tiếp cận nhau, tổng khối lượng của vật liệu phân hạch trở nên quan trọng hơn, và phản ứng dây chuyền nổ xảy ra, kèm theo sự giải phóng tức thời một lượng năng lượng khổng lồ và sức phá hủy lớn. Phản ứng nổ bắt đầu do các neutron phân hạch tự phát có sẵn hoặc neutron bức xạ vũ trụ. Các phản ứng dây chuyền có kiểm soát diễn ra trong lò phản ứng hạt nhân (xem §267).

Có ba đồng vị trong tự nhiên có thể dùng làm nhiên liệu hạt nhân (235 92 U: uranium tự nhiên chứa khoảng 0,7%) hoặc nguyên liệu để sản xuất nó (232 90 Th và 238 92 U : trong uranium tự nhiên nó chứa khoảng 99,3%. 232 90 Th đóng vai trò là sản phẩm ban đầu để thu được nhiên liệu hạt nhân nhân tạo 233 92 U (xem phản ứng (265.2)), và 238 92 U, hấp thụ nơtron, thông qua hai ngày  - -giây - để được biến đổi thành hạt nhân 2 39 94 Pu :

Do đó, các phản ứng (266.2) và (265.2) mở ra khả năng thực sự tái tạo nhiên liệu hạt nhân trong quá trình phản ứng dây chuyền phân hạch.