Ядерная цепная реакция - Nuclear chain reaction

Возможный ядерное деление цепная реакция. 1. А уран-235 атом поглощает нейтрон, и деление на два (осколки деления), высвобождая три новых нейтрона и большое количество энергии связи. 2. Один из этих нейтронов поглощается атомом уран-238, и не продолжает реакцию. Другой нейтрон покидает систему, не поглощаясь. Однако один нейтрон действительно сталкивается с атомом урана-235, который затем делится и высвобождает два нейтрона и больше энергии связи. 3. Оба этих нейтрона сталкиваются с атомами урана-235, каждый из которых делится и высвобождает несколько нейтронов, которые затем могут продолжить реакцию.

Ядерная цепная реакция происходит, когда один сингл ядерная реакция вызывает в среднем одну или несколько последующих ядерных реакций, что приводит к возможности самораспространяющейся серии этих реакций. Специфической ядерной реакцией может быть деление тяжелых изотопов (например, уран-235, 235U). Цепная ядерная реакция выделяет в несколько миллионов раз больше энергии на реакцию, чем любая другая. химическая реакция.

История

Химическая цепные реакции были впервые предложены немецким химиком Макс Боденштейн в 1913 году и были достаточно хорошо изучены до того, как были предложены цепные ядерные реакции.[1] Было понятно, что цепные химические реакции ответственны за экспоненциально увеличивающиеся скорости реакций, например, возникающих при химических взрывах.

Сообщается, что концепция ядерной цепной реакции была впервые выдвинута гипотезой Венгерский ученый Лео Сцилард 12 сентября 1933 г.[2] В то утро Сцилард читал в лондонской газете об эксперименте, в котором протоны из ускорителя использовались для расщепления лития-7 на альфа-частицы, и о том, что в результате реакции было произведено гораздо большее количество энергии, чем поставляемый протон. Эрнест Резерфорд отметил в статье, что неэффективность процесса не позволяет использовать его для производства электроэнергии. Однако нейтрон был открыт незадолго до этого в 1932 году как продукт ядерной реакции. Сцилард, получивший образование инженера и физика, соединил в уме два результата ядерных экспериментов и понял, что если ядерная реакция производит нейтроны, которые затем вызывают дальнейшие аналогичные ядерные реакции, процесс может быть самовоспроизводящейся ядерной цепочкой. -реакция, спонтанно производящая новые изотопы и мощность без протонов или ускорителя. Сцилард, однако, не предлагал деление в качестве механизма своей цепной реакции, поскольку реакция деления еще не была обнаружена или даже подозревалась. Вместо этого Сцилард предложил использовать смеси более легких известных изотопов, которые производят нейтроны в больших количествах. В следующем году он подал патент на свою идею простого ядерного реактора.[3]

В 1936 году Сцилард попытался создать цепную реакцию, используя бериллий и индий, но безуспешно. Ядерное деление был обнаружен Отто Хан и Фриц Штрассманн в декабре 1938 г.[4] и объяснено теоретически в январе 1939 г. Лиз Мейтнер и ее племянник Отто Роберт Фриш.[5] Несколько месяцев спустя, Фредерик Жолио-Кюри, Х. фон Халбан и Л. Коварски в Париже[6] искали и открыли размножение нейтронов в уране, доказав, что ядерная цепная реакция по этому механизму действительно возможна.

4 мая 1939 года Жолио-Кюри, Халбан и Коварски подали три патента. Первые два описывали производство энергии в результате цепной ядерной реакции, последний - Совершенствование вспомогательных зарядов взрывчатых веществ был первым патентом на атомную бомбу и зарегистрирован как патент № 445686 Caisse nationale de Recherche Scientifique.[7]

Параллельно Сцилард и Энрико Ферми в Нью-Йорке сделали такой же анализ.[8] Это открытие побудило письмо из Сциларда[неудачная проверка ] и подписано Альберт Эйнштейн Президенту Франклин Д. Рузвельт, предупреждение о возможности того, что нацистская Германия может пытаться построить атомную бомбу.[9][10]

2 декабря 1942 года группа под руководством Ферми (включая Сциларда) произвела первую искусственную самоподдерживающуюся цепную ядерную реакцию с Чикаго Пайл-1 (CP-1) экспериментальный реактор в ракетки суд под трибунами Стагг Филд на Чикагский университет. Эксперименты Ферми в Чикагском университете были частью Артур Х. Комптон с Металлургическая лаборатория из Манхэттенский проект; позже лаборатория была переименована Аргоннская национальная лаборатория, и ему было поручено проводить исследования по использованию деления для ядерной энергии.[11]

В 1956 г. Пол Курода из Университет Арканзаса постулировал, что естественный реактор деления мог когда-то существовать. Поскольку для ядерных цепных реакций могут потребоваться только природные материалы (такие как вода и уран, если уран имеет достаточное количество 235U), эти цепные реакции могли происходить в далеком прошлом, когда концентрации урана-235 были выше, чем сегодня, и когда в земной коре было правильное сочетание материалов. Предсказание Куроды было подтверждено обнаружением свидетельств естественные самоподдерживающиеся цепные ядерные реакции в прошлом в Окло в Габон в сентябре 1972 г.[12]

Цепная реакция деления

Цепные реакции деления происходят из-за взаимодействия между нейтроны и делящийся изотопы (такие как 235U). Цепная реакция требует как высвобождения нейтронов из делящихся изотопов, ядерное деление и последующее поглощение некоторых из этих нейтронов делящимися изотопами. Когда атом подвергается ядерному делению, несколько нейтронов (точное количество зависит от неконтролируемых и неизмеримых факторов; ожидаемое количество зависит от нескольких факторов, обычно от 2,5 до 3,0) выбрасываются из реакции. Эти свободные нейтроны затем будут взаимодействовать с окружающей средой, и, если присутствует больше делящегося топлива, некоторые из них могут быть поглощены и вызвать большее количество делений. Таким образом, цикл повторяется, чтобы вызвать самоподдерживающуюся реакцию.

Атомная электростанция работают, точно контролируя скорость, с которой происходят ядерные реакции. Ядерное оружие с другой стороны, они специально разработаны, чтобы вызывать настолько быструю и интенсивную реакцию, что ее невозможно контролировать после ее начала. При правильном проектировании эта неконтролируемая реакция приведет к взрывному выделению энергии.

Топливо ядерного деления

В ядерном оружии используется высококачественное высокообогащенное топливо, превышающее критические размеры и геометрию (критическая масса ) необходимо для получения взрывной цепной реакции. Топливо для энергетических целей, например, в ядерном реакторе деления, очень отличается и обычно состоит из низкообогащенного оксидного материала (например, UO2). В ядерных реакторах для реакций деления используются два основных изотопа. Первый и самый распространенный - это U-235 или уран-235. Это делящийся изотоп урана, который составляет примерно 0,7% всего природного урана.[13] Из-за небольшого количества существующего урана-235 он считается невозобновляемым источником энергии, несмотря на то, что его находят в горных породах по всему миру.[14] U-235 не может использоваться в качестве топлива в базовой форме для производства энергии. Чтобы получить соединение UO, он должен пройти процесс, известный как очистка.2 или диоксид урана. Затем диоксид урана прессуется и формируется в керамические таблетки, которые впоследствии могут быть помещены в топливные стержни. Это когда соединение диоксида урана может быть использовано для производства ядерной энергии. Вторым по распространенности изотопом, используемым при делении ядер, является Pu-239 или плутоний-239. Это связано с его способностью расщепляться при взаимодействии медленных нейтронов. Этот изотоп образуется внутри ядерных реакторов в результате воздействия на U-238 нейтронов, выделяемых радиоактивным изотопом U-235.[15] Этот нейтронный захват вызывает распад бета-частиц, который позволяет U-238 превращаться в Pu-239. Когда-то плутоний в естественных условиях находился в земной коре, но остались лишь следовые количества. Единственный способ, которым он доступен в больших количествах для производства энергии, - это метод захвата нейтронов.

Процесс обогащения

Делящийся изотоп уран-235 в естественном состоянии непригоден для ядерных реакторов. Чтобы его можно было использовать в качестве топлива для производства энергии, его необходимо обогащать. Процесс обогащения не применяется к плутонию. Плутоний реакторного качества образуется как побочный продукт взаимодействия нейтронов между двумя разными изотопами урана. Первый шаг к обогащению урана начинается с преобразования оксида урана (созданного в процессе измельчения урана) в газообразную форму. Этот газ известен как гексафторид урана, который создается путем объединения фтористого водорода, газообразного фтора и оксида урана. В этом процессе также присутствует диоксид урана, который отправляют для использования в реакторах, не требующих обогащенного топлива. Оставшееся соединение гексафторида урана сливают в прочные металлические цилиндры, где оно затвердевает. Следующим шагом является отделение гексафторида урана от оставшегося обедненного U-235. Обычно это делается с помощью центрифуг, которые вращаются достаточно быстро, чтобы позволить изотопам урана разделиться на 1% разницы по массе. Затем используется лазер для обогащения гексафторидного соединения. Заключительный этап включает в себя обратное преобразование обогащенного соединения обратно в оксид урана с получением конечного продукта: обогащенного оксида урана. Эта форма УО2 теперь могут использоваться в реакторах деления на электростанциях для производства энергии.

Продукты реакции деления

Основная статья: ядерное деление

Когда делящийся атом подвергается ядерному делению, он распадается на два и более осколков деления. Также несколько свободных нейтронов, гамма излучение, и нейтрино испускаются, и выделяется большое количество энергии. Сумма остальных масс осколков деления и выброшенных нейтронов меньше суммы масс покоя исходного атома и падающего нейтрона (конечно, осколки деления не находятся в состоянии покоя). Разница масс учитывается при выделении энергии согласно уравнению E= ΔMC2:

масса выделенной энергии =

Из-за чрезвычайно большой стоимости скорость света, cнебольшое уменьшение массы связано с огромным выделением активной энергии (например, кинетической энергии осколков деления). Эта энергия (в виде излучения и тепла) несет недостающая масса, когда она покидает реакционную систему (общая масса, как и полная энергия, всегда консервированный ). В то время как типичные химические реакции высвобождают энергию порядка нескольких эВ (например, энергия связи электрона с водородом составляет 13,6 эВ), реакции ядерного деления обычно выделяют энергию порядка сотен миллионов эВ.

Ниже показаны две типичные реакции деления со средними значениями выделенной энергии и количества выброшенных нейтронов:

[16]

Обратите внимание, что эти уравнения относятся к делениям, вызванным медленными (тепловыми) нейтронами. Средняя выделяемая энергия и количество выброшенных нейтронов зависят от скорости падающего нейтрона.[16] Также обратите внимание, что эти уравнения исключают энергию из нейтрино, поскольку эти субатомные частицы чрезвычайно нереактивны и, следовательно, редко вкладывают свою энергию в систему.

Временные рамки ядерных цепных реакций

Мгновенное время жизни нейтрона

В время жизни мгновенного нейтрона, л, - среднее время между испусканием нейтронов и их поглощением в системе или их выходом из системы.[17] Нейтроны, возникающие непосредственно в результате деления, называются "быстрые нейтроны, "а те, которые являются результатом радиоактивного распада осколков деления, называются"запаздывающие нейтроны ". Термин" время жизни "используется потому, что испускание нейтрона часто считается его" рождением ", а последующее поглощение считается его" смертью ". Для реакторов деления на тепловых (медленных нейтронах) деления типичное время жизни мгновенных нейтронов указано на порядка 10−4 секунд, а для реакторов на быстрых нейтронах время жизни мгновенных нейтронов составляет порядка 10−7 секунд.[16] Эти чрезвычайно короткие сроки жизни означают, что за 1 секунду может пройти от 10 000 до 10 000 000 нейтронов. В средний (также называемый прилегающий невзвешенный) время жизни мгновенных нейтронов учитывает все мгновенные нейтроны, независимо от их важности в активной зоне реактора; то эффективный время жизни мгновенного нейтрона (называемое сопряженный взвешенный по пространству, энергии и углу) относится к нейтрону средней важности.[18]

Среднее время генерации

В среднее время генерации, Λ, - среднее время от испускания нейтрона до захвата, приводящего к делению.[16] Среднее время генерации отличается от времени жизни мгновенных нейтронов, потому что среднее время генерации включает только поглощения нейтронов, которые приводят к реакциям деления (не другие реакции поглощения). Два времени связаны следующей формулой:

В этой формуле k - эффективный коэффициент размножения нейтронов, описанный ниже.

Эффективный коэффициент размножения нейтронов

В формула шести факторов эффективный коэффициент размножения нейтронов, k, - среднее количество нейтронов от одного деления, которое вызывает другое деление. Остальные нейтроны либо поглощаются в реакциях, не связанных с делением, либо покидают систему, не поглощаясь. Значение k определяет, как протекает цепная ядерная реакция:

  • k < 1 (подкритичность ): Система не может поддерживать цепную реакцию, и любое начало цепной реакции со временем исчезает. Для каждого деления, индуцированного в системе, среднее общий из 1 / (1 -k) происходят деления.
  • k = 1 (критичность ): Каждое деление вызывает в среднем еще одно деление, что приводит к постоянному уровню деления (и мощности). Атомные электростанции работают с k = 1, если уровень мощности не увеличивается или уменьшается.
  • k > 1 (сверхкритичность ): Для каждого деления материала, вероятно, будет "k"деления после следующего среднее время генерации (Λ). В результате количество реакций деления возрастает экспоненциально, согласно уравнению , где t - прошедшее время. Ядерное оружие предназначено для работы в этом состоянии. Есть два подразделения сверхкритичности: мгновенная и отложенная.

При описании кинетики и динамики ядерных реакторов, а также в практике эксплуатации реакторов используется понятие реактивности, характеризующее отклонение реактора от критического состояния: ρ = (k − 1)/k. В час (из обратный час, иногда сокращенно ih или inhr) - единица реактивности ядерного реактора.

В ядерном реакторе k фактически будет колебаться от чуть менее 1 до чуть более 1, в основном из-за тепловых эффектов (по мере выработки большей мощности топливные стержни нагреваются и, таким образом, расширяются, снижая их коэффициент захвата и, таким образом, приводя в движение k ниже). Это оставляет среднее значение k ровно 1. Запаздывающие нейтроны играют важную роль во времени этих колебаний.

В бесконечной среде коэффициент размножения можно описать как четырехфакторная формула; в небесконечной среде коэффициент размножения может быть описан шести факторная формула.

Быстрая и отсроченная сверхкритичность

Не все нейтроны испускаются как прямой продукт деления; некоторые вместо этого из-за радиоактивный распад некоторых осколков деления. Нейтроны, возникающие непосредственно в результате деления, называются "быстрые нейтроны, », а те, которые являются результатом радиоактивного распада осколков деления, называются« запаздывающими нейтронами ». Доля задержанных нейтронов называется β, и эта доля обычно составляет менее 1% от всех нейтронов в цепной реакции. .[16]

Запаздывающие нейтроны позволяют ядерному реактору реагировать на несколько порядков медленнее, чем только мгновенные нейтроны.[17] Без запаздывающих нейтронов изменения в скорости реакции в ядерных реакторах будут происходить со скоростью, слишком высокой для человека.

Область сверхкритичности между k = 1 и k = 1 / (1 - β) известен как отложенная сверхкритичность (или же отложенная критичность ). Именно в этом регионе работают все ядерные реакторы. Область сверхкритичности для k > 1 / (1 - β) известен как быстрая сверхкритичность (или же срочная критичность ), который является регионом, в котором действует ядерное оружие.

Изменение в k необходимо перейти от критического к незамедлительному критическому определяется как доллар.

Применение размножения нейтронов в ядерном оружии

Оружие ядерного деления требует массы делящегося топлива, которое быстро становится сверхкритическим.

Для данной массы делящегося материала значение k можно увеличить за счет увеличения плотности. Поскольку вероятность столкновения нейтрона с ядром на пройденное расстояние пропорциональна плотности материала, увеличение плотности делящегося материала может увеличиваться. k. Эта концепция используется в метод имплозии для ядерного оружия. В этих устройствах ядерная цепная реакция начинается после увеличения плотности делящегося материала с помощью обычного взрывчатого вещества.

в орудие деления пушечного типа, две подкритические части топлива быстро сближаются. Значение k для комбинации двух масс всегда больше, чем у его компонентов. Величина разницы зависит от расстояния, а также от физической ориентации.

Значение k также можно увеличить с помощью отражатель нейтронов окружающий делящийся материал

Как только масса топлива становится сверхкритической, мощность увеличивается экспоненциально. Однако экспоненциальное увеличение мощности не может продолжаться долго, поскольку k уменьшается, когда количество оставшегося материала деления уменьшается (то есть он потребляется делениями). Кроме того, ожидается, что во время взрыва изменится геометрия и плотность, так как оставшийся делящийся материал разорвется на части от взрыва.

Преддетонация

Если два куска подкритического материала не собрать вместе достаточно быстро, может произойти ядерная предварительная детонация, в результате чего меньший взрыв, чем ожидалось, разнесет основную массу материала на части. Видеть Fizzle (ядерное испытание)

Детонация ядерного оружия предполагает очень быстрое приведение расщепляющегося материала в оптимальное сверхкритическое состояние. Во время части этого процесса сборка находится в сверхкритическом состоянии, но еще не в оптимальном состоянии для цепной реакции. Свободные нейтроны, в частности от спонтанное деление, может вызвать в устройстве предварительную цепную реакцию, которая разрушает делящийся материал до того, как оно будет готово произвести большой взрыв, который известен как преддонация.[19]

Чтобы сохранить низкую вероятность преддонации, продолжительность неоптимального периода сборки сводится к минимуму, и используются делящиеся и другие материалы с низкой скоростью спонтанного деления. Фактически, комбинация материалов должна быть такой, чтобы маловероятно, что будет даже единичное спонтанное деление в период сверхкритической сборки. В частности, пистолетный метод нельзя использовать с плутонием (см. конструкция ядерного оружия ).

Атомные электростанции и контроль цепных реакций

Основные статьи: Чикаго Пайл-1 и физика ядерных реакторов

Цепные реакции естественным образом вызывают рост (или уменьшение) скорости реакции. экспоненциально, в то время как ядерный энергетический реактор должен поддерживать достаточно постоянную скорость реакции. Для поддержания этого контроля критичность цепной реакции должна иметь достаточно медленную шкалу времени, чтобы допускать вмешательство дополнительных эффектов (например, механических регулирующих стержней или теплового расширения). Следовательно, все ядерные энергетические реакторы (даже реакторы на быстрых нейтронах ) полагаются на запаздывающие нейтроны для их критичности. Действующий ядерный энергетический реактор колеблется между слегка подкритическим и слегка запаздывающе-сверхкритическим, но всегда должен оставаться ниже мгновенно-критического.

На атомной электростанции невозможна цепная ядерная реакция, приводящая к взрыву мощности, сопоставимой с ядерное оружие, но даже взрывы малой мощности из-за неконтролируемых цепных реакций (которые в бомбе можно было бы рассматривать как «сбои») могут все же вызвать значительные повреждения и расплавление реактора. Например, Чернобыльская катастрофа включала неуправляемую цепную реакцию, но результатом был паровой взрыв малой мощности из-за относительно небольшого выделения тепла по сравнению с бомбой. Однако реакторный комплекс был разрушен жарой, а также обычным сжиганием графита на воздухе.[17] Такие паровые взрывы были бы типичными для очень диффузной сборки материалов в ядерный реактор, даже в худших условиях.

Кроме того, для обеспечения безопасности можно предпринять другие меры. Например, электростанции, лицензированные в США, требуют отрицательного коэффициент пустоты реактивности (это означает, что если воду удалить из активной зоны реактора, ядерная реакция будет иметь тенденцию прекращаться, а не увеличиваться). Это исключает возможность аварии такого типа, которая произошла в Чернобыле (что произошло из-за положительного коэффициента пустоты). Однако ядерные реакторы по-прежнему способны вызывать небольшие взрывы даже после полного останова, как в случае с Ядерная катастрофа на Фукусиме-дайити. В таких случаях остаточная спад тепла из активной зоны может вызвать высокие температуры в случае потери потока теплоносителя, даже через день после прекращения цепной реакции (см. КАТИСЬ ). Это может вызвать химическую реакцию между водой и топливом, в результате которой образуется газообразный водород, который может взорваться после смешивания с воздухом с серьезными последствиями загрязнения, поскольку в результате этого процесса материал топливного стержня может подвергаться воздействию атмосферы. Однако такие взрывы происходят не во время цепной реакции, а в результате энергии радиоактивных бета-распад после остановки цепной реакции деления.

Смотрите также

Рекомендации

  1. ^ См. Эту Нобелевскую лекцию 1956 года по истории цепной реакции в химии.
  2. ^ Джогалекар, Ашутош. «Лео Сцил роуд, светофор и кусочек ядерной истории». Scientific American. Получено 4 января 2016.
  3. ^ L. Szilárd, «Улучшения в трансмутации химических элементов или связанные с ними», номер британского патента: GB630726 (подана: 28 июня 1934 г.; опубликована: 30 марта 1936 г.). просмотр документа esp @ cenet
  4. ^ Лиз Мейтнер: Отто Хан - первооткрыватель ядерного деления. В: Forscher und Wissenschaftler im heutigen Europa. Stalling Verlag, Ольденбург / Гамбург, 1955 год.
  5. ^ Лиз Мейтнер & О. Р. Фриш, "Распад урана нейтронами: новый тип ядерной реакции," Природа 143, 3615 (1939-02-11): 239, Bibcode:1939Натура.143..239М, Дои:10.1038 / 143239a0; О. Р. Фриш, "Физические доказательства деления тяжелых ядер под нейтронной бомбардировкой," Природа 143, 3616 (1939-02-18): 276, Дои:10.1038 / 143276a0. Статья датирована 16 января 1939 года. Установлено, что Мейтнер работает в Физическом институте Академии наук в Стокгольме. Фриш идентифицирован как сотрудник Института теоретической физики Копенгагенского университета.
  6. ^ Х. фон Хальбан, Ф. Жолио и Л. Коварски, Природа 143 (1939) 470 и 680.
  7. ^ Бенджеббар, Андре (2000). Histoire secrète de la bombe atomique française. Документы (На французском). Париж. Черче Миди. ISBN  978-2-862-74794-1. OCLC  45842105.
  8. ^ Х. Л. Андерсон, Э. Ферми и Лео Сцилард. «Производство и поглощение нейтронов в уране». Физический обзор, т. 56, страницы 284–286 (1 августа 1939 г.). Доступно онлайн на FDRlibrary.marist.edu
  9. ^ AIP.org
  10. ^ Atomicarchive.com
  11. ^ Холл, Джек (1997). Аргоннская национальная лаборатория, 1946-96 гг.. Университет Иллинойса Press. ISBN  978-0-252-02341-5.
  12. ^ Окло: Природные ядерные реакторы - информационный бюллетень В архиве 2008-10-20 на Wayback Machine
  13. ^ «Обзор ядерного топливного цикла - Всемирная ядерная ассоциация». www.world-nuclear.org. Получено 2020-03-18.
  14. ^ «Ядерное объяснение - Управление энергетической информации США (EIA)». www.eia.gov. Получено 2020-03-18.
  15. ^ «Плутоний - Всемирная ядерная ассоциация». www.world-nuclear.org. Получено 2020-03-18.
  16. ^ а б c d е Дудерштадт, Джеймс; Гамильтон, Луи (1976). Анализ ядерных реакторов. John Wiley & Sons, Inc. ISBN  978-0-471-22363-4.
  17. ^ а б c Ламарш, Джон; Баратта, Энтони (2001). Введение в ядерную инженерию. Прентис Холл. ISBN  978-0-201-82498-8.
  18. ^ Детерминированный анализ и анализ методом Монте-Карло термической подкритической сборки YALINA
  19. ^ Кэри Саблетт (20 февраля 1999 г.). «4.1.5.3 Преддетонация». 4. Конструирование и разработка ядерного оружия: 4.1 Элементы конструкции оружия деления.. Получено 29 июня, 2014.

внешняя ссылка