Uraaniytimien fissio ja ketjureaktio. uraanin fissio

atomiytimien fissio Prosessia, jossa ydin jaetaan kahteen suunnilleen yhtä suureen osaan, kutsutaan. Tyypillisesti tällainen prosessi tapahtuu, kun jokin hiukkanen joutuu raskaaseen ytimeen - neutroniin, protoniin, alfahiukkaseen jne. Tällaisissa tapauksissa fissiota kutsutaan pakotetuksi. Mutta joskus jakautuminen tapahtuu spontaanisti, tällaista jakautumista kutsutaan spontaaniksi.

Pakotettu jakomekanismi. Kun hiukkanen (esim. neutroni) tulee ytimeen, sen sitoutumisenergia vapautuu ytimen sisällä E St.. Siihen lisätään merkittävä osa hiukkasen kineettistä energiaa E, jonka seurauksena ydin siirtyy virittyneeseen tilaan ja sen kokonaisviritysenergia osoittautuu yhtä suureksi kuin E * = E St. + E A/(A+1). Tämä heräte ilmenee ytimen kaikkien nukleonien kiihdytetyn liikkeen muodossa, ydin "kiehuu", aallot kulkevat sen pintaa pitkin jne. Sitten tapahtuu toinen kahdesta asiasta. Joko ylimääräinen energia poistuu ytimestä yhden tai useamman gamma-kvantin emission kanssa (eli tapahtuu saapuvan hiukkasen säteilyn sieppaus). Tai ydin "nesteen" värähtelyjen seurauksena ytimeen muodostuu supistuminen, ydin tulee käsipainon muotoon ja tämän kahden puoliskon varausten Coulombin hylkimisen vaikutuksesta " käsipaino", supistelu räjähtää, ja entisen ytimen kaksi osaa hajoavat vastakkaisiin suuntiin suurella energialla, joka saadaan samoista Coulombin hylkimisvoimista vastaavista sähkövarauksista. Syntyneitä alkuperäisen ytimen puolikkaita kutsutaan fission palaset. Pintajännitysvoimien vaikutuksesta ne saavat pallomaisen muodon ja muodostuvat uusien atomien ytimiksi, joiden massa on noin puolet uraaniytimen massasta, ts. jaksollisen järjestelmän keskellä olevien alkuaineiden atomit.

Mahdollinen fissioeste. Jotta ydin halkeaisi, sille on ensin saatava riittävän suuri muodonmuutos, joka tapahtuu ytimeen kohdistuvan viritysenergian seurauksena - muuten ydin kutistuu palloksi eikä fissiota tapahdu. Pienin viritysenergia, jolla fissio tulee mahdolliseksi, kutsutaan mahdolliseksi fissioesteeksi ja se on merkitty symbolilla U f. Fissio on mahdollista, jos ytimen viritysenergia E * > U f. Jos E * < U f, silloin jako on mahdotonta. Kaikilla raskailla ytimillä (torium, uraani, plutonium jne.) on arvot U f ovat suunnilleen samat ja ovat 5,1 - 5,4 MeV. Tällaisissa olosuhteissa kaikkien raskaiden ytimien olisi osoitettava sama fissiokyky. Se ei kuitenkaan ole.

Tiedetään, että neutronien fissiossa ytimet jaetaan kahteen eri ryhmään:

outoja ytimiä kuten 233 U, 235 U, 239 Pu, 241 Pu. He ovat jakaa helposti kaikki, jopa lämpöneutronit, joten niitä kutsutaan usein "polttoaineytimiksi";

parilliset ytimet 232 Th, 234 U, 238 U, 240 Pu, 242 Pu lämpöneutronit eivät fissio, joten niitä kutsutaan usein "raakoiksi" neutroneiksi.

Tämä johtuu siitä, että kun neutroni osuu parilliseen ytimeen, muodostuu parillinen ydin (esim. 235 U +n → 236 U), jossa neutronin sitoutumisenergia on erityisen korkea, joten jopa neutronin liike-energian ollessa nolla, viritysenergia osoittautuu fissioesteen korkeutta suuremmiksi ja ydin jakautuu helposti.

Kun neutroni osuu parilliseen ytimeen (esim. 238 U +n → 239 U), muodostuu pariton ydin, jossa neutronin sitoutumisenergia on paljon pienempi, eikä se riitä voittamaan fissioesteen. Mutta jos jälkimmäisessä tapauksessa ytimeen ei tule lämpöä, vaan nopea neutroni, jolla on riittävän suuri kineettinen energia, niin voi käydä ilmi, että viritysenergia E * > U f, ja jakautuminen tapahtuu. Neutronin pienin liike-energia, jolla parillisen ytimen fissio tulee mahdolliseksi, kutsutaan fissioenergian kynnys E siitä asti kun. Ytimen puolesta 238 U tätä energiaa E siitä asti kun≈ 1 MeV. Suunnilleen samoilla arvoilla on kynnysenergiat muille parillisille ytimille. Joten kaikki tällaiset ytimet myös fissioivat, mutta vain nopeilla neutroneilla.

spontaani jakautuminen. Suuren protonien ylikuormituksen vuoksi, jotka hylkivät toisiaan sähköstaattisten voimien vaikutuksesta ja yrittävät siten rikkoa ytimen, raskaat ytimet ovat erittäin epävakaita ja pystyvät siksi jakautumaan ilman ulkopuolista vaikutusta. Tätä spontaania jakautumista kutsutaan spontaani fissio. Spontaani fissio tapahtuu kuten alfa-hajoaminen fissioesteen läpi kulkevien fragmenttien tunnelointivaikutuksen seurauksena. Mutta fragmenttien suuren varauksen vuoksi niiden todennäköisyys läpäistä potentiaaliesteen läpi uraaniytimien fission aikana osoittautuu paljon pienemmäksi kuin alfahiukkasten, ja vastaavasti spontaanin fission puoliintumisaika on paljon pitempi. Joten uraani-238-ytimien alfahajoamisen osalta jakso T α = 4,5 10 9 vuotta, kun taas spontaani fissio T f= 10 16 vuotta, ts. 2,5 miljoonaa kertaa enemmän. Kun ytimen varaus kasvaa, arvot T f vähenevät nopeasti. Joten keinotekoisten transuraanialkuaineiden ytimille (katso alla), joiden Z>100, arvo T f mitataan minuuteissa ja jopa sekunneissa, ja joillekin nuklideille spontaanista fissiosta tulee vieläkin edullisempi hajoamistyyppi. Tämä mahdollistaa spontaanin fission laskemisen neljäs radioaktiivisen hajoamisen tyyppi alfa-, beeta- ja gammahajoamisen lisäksi.

Energian vapautuminen ydinfission aikana. Kaavio kuvassa 1.1. osoittaa, että nukleonien spesifinen sitoutumisenergia uraaniytimille (≈ 7,5 MeV/nukleoni) on merkittävästi pienempi kuin ytimille, joiden massa on puolet (≈ 8,4 MeV/nukleoni), jotka saadaan fissiolla fragmenttien muodossa. Tämä tarkoittaa, että fragmentit ovat sitoutuneet paljon vahvemmin kuin uraaniytimet, ja kun niitä muodostuu nukleonien uudelleenjärjestelyn seurauksena, vapautuu ylimääräistä sitoutumisenergiaa noin 0,9 MeV nukleonia kohti. Ja koska yhden ytimen fissioprosessissa on mukana 236 nukleonia, kokonaisenergian vapautuminen yhden ytimen fission aikana on 236 0,9 ≈ 212 MeV. Suurin osa tästä energiasta menee fragmenteille niiden kineettisen energian muodossa. Mutta ytimien fission aikana vapautuu fragmenttien lisäksi useita erilaisia ​​hiukkasia, jotka kuljettavat pois muun energian. Taulukossa 1.3 on esitetty likimääräinen energian jakautuminen eri hiukkasten välillä termisten neutronien aiheuttaman uraaniytimien fission aikana. Energian kokonaismäärä (215 MeV) vastaa hyvin edellä esitettyä arviota (212 MeV). Tästä energiamäärästä antineutriinot kuljettavat 10 MeV avaruuteen ja ovat siten "korjaamattomia tappioita". Loput energiasta absorboituu reaktorin eri materiaaleihin ja muunnetaan lopulta lämpöenergiaksi, joka käytetään joko suoraan (AST ja ATES) tai sähkövirran tuottamiseen (ydinvoimalaitoksissa ja ATES).

Taulukko 1.3. Energian jakautuminen raskaiden ytimien fission aikana

Tehokkaat fissiopoikkileikkaukset. Ydinfissio lämpöneutroneilla kykenee fissoitumaan myös keski- ja nopeilla neutroneilla, joten niille, kuten säteilysieppauksen tapauksessa (katso edellä), on tarpeen ottaa huomioon fissiopoikkileikkausten käyttäytyminen kaikilla kolmella alueella.

Termisten neutronien alueella fissiopoikkileikkaukset muuttuvat myös energian kasvaessa "1/v"-lain mukaan. Fissiopoikkileikkaukset σ f tämän alueen keskiarvoina on esitetty taulukossa 1.4.

Taulukko 1.4. Joidenkin ytimien fissiopoikkileikkaukset lämpöneutronien vaikutuksesta

Valitettavasti neutronin joutuessa uraani- tai plutoniumytimeen ei voi tapahtua vain fissiota, vaan myös neutronin säteilyn sieppaus ilman fissiota, esimerkiksi 235 U (n, γ) 236 U. Tämä prosessi on haitallinen reaktorin toiminnalle. reaktori, ja kaksinkertaisesti:

häviää neutroni, joka ei pysty osallistumaan fissioketjureaktioon;

235 U:n ydinpolttoainesydän katoaa, mikä muuttuu parillisen 236 U:n ytimeksi, joka, kuten edellä todettiin, ei halkea lämpöneutronien vaikutuksesta.

Mutta kuten taulukosta 5 voidaan nähdä, fissiopoikkileikkaukset osoittautuvat kaikissa tapauksissa suuremmiksi kuin säteilyn sieppauspoikkileikkaukset, joten hyödyllinen fissioprosessi tapahtuu suuremmalla todennäköisyydellä kuin ei-toivottu säteilyn sieppausprosessi. Tämän osoittavat erityisen selvästi näiden kahden prosessin poikkileikkausten suhteet (viimeinen rivi taulukossa 1.4).

Välineutronien alueella fission poikkileikkausten riippuvuus energiasta, aivan kuten säteilysieppauksen tapauksessa, osoittaa resonanssihuippuja. Keskimäärin tällä alueella "alfa"-parametrin arvot osoittautuvat jopa hieman korkeammiksi kuin lämpöneutronien alueella, joten vaikka välineutronireaktoreita rakennetaan, ne eivät ole saaneet laajaa levitystä.

Nopeiden neutronien alueella fissiopoikkileikkausten riippuvuus neutronienergiasta tasoittuu, mutta toisin kuin säteilyn sieppauspoikkileikkaukset, fissiopoikkileikkaukset eivät vain pienene neutronienergian kasvaessa, vaan jopa hieman kasvavat. . Tämä johtaa merkittävään parantumiseen neutronien säteilyn sieppaamisen ja fission todennäköisyyksien suhteen, erityisesti plutoniumin kohdalla, jonka suhde α = 0,029 nopeille neutroneille, ts. yli 12 kertaa parempi kuin lämpöneutroneilla. Tämä seikka liittyy yhteen nopeilla neutroneilla toimivien ydinreaktorien tärkeimmistä eduista termisiin reaktoreihin verrattuna.

Parillisten ja parillisten nuklidien fissiopoikkileikkaukset fissiokynnykseen asti ovat luonnollisesti nolla, ja kynnyksen yläpuolella, vaikka ne eroavat nollasta, ne eivät koskaan saa suuria arvoja. Fission poikkileikkaus on siis 238 U yli 1 MeV:n energioissa se on luokkaa 0,5 barn.

Fissiofragmentit. Huolimatta suuresta energiasta (noin 82 MeV jokaista fragmenttia kohti), fragmenttien reitit ilmassa eivät ole enempää, ja jopa hieman pienempiä kuin alfahiukkasten reitit (noin 2 cm). Ja tämä siitä huolimatta, että alfahiukkasilla on paljon alhaisempi energia (4 - 9 MeV). Tämä tapahtuu, koska fragmentin sähkövaraus on paljon suurempi kuin alfahiukkasen varaus, ja siksi se menettää energiaa paljon intensiivisemmin väliaineen atomien ionisaatiota ja viritystä varten.

Tarkemmat mittaukset ovat osoittaneet, että fragmenttien vaihteluvälit eivät yleensä ole samat, ja ne on ryhmitelty arvojen 1,8 ja 2,2 cm ympärille.

Yleensä fission aikana voi muodostua fragmentteja, joiden massaluvut vaihtelevat välillä 70-160 (eli noin 90 eri arvoa), mutta tällaisen massan omaavia fragmentteja muodostuu eri todennäköisyyksillä. Nämä todennäköisyydet ilmaistaan ​​yleensä ns. sirpaleet poistuvat Y MUTTA annetulla massaluvulla MUTTA: Y MUTTA = N A / N f, missä N A on fragmenttien lukumäärä, joilla on massaluku MUTTA aikana syntyneitä N f, ydinfissio. Yleensä arvo Y MUTTA prosentteina ilmaistuna.

Fissiofragmenttien tuottojen jakautumiskäyrällä massalukujen mukaan on kaksi maksimia (tai ”kumpumaa”), joista yksi maksimi sijaitsee alueella A=90 ja toinen alueella A=140. Huomaa, että juuri näiden massojen ytimet löytyvät useimmiten jälkistä - ydinkokeiden tai ydinonnettomuuksien jälkeisistä sateista. Riittää, kun muistaa jälkiä sellaisista nuklideista kuin 131 I, 133 I, 90 Sr, 137 Cs.

Neutronien lukumäärän suhde protonien lukumäärään fragmenteissa ensimmäisellä hetkellä osoittautuu suunnilleen samaksi kuin se oli uraanin ytimessä, ts. 143:92 = 1,55. Mutta stabiileille ytimille, joilla on keskimääräinen massa ja jotka sisältävät fragmentteja, tämä suhde on paljon lähempänä yhtenäisyyttä: esimerkiksi stabiilille ytimelle 118 Sn tämä suhde on 1,36. Tämä tarkoittaa, että fragmenttien ytimet ovat voimakkaasti ylikuormitettuja neutroneilla, ja ne pyrkivät pääsemään eroon tästä ylikuormituksesta beeta-hajoamisilla, joissa neutronit muuttuvat protoneiksi. Samanaikaisesti, jotta primaarinen fragmentti muuttuisi stabiiliksi nuklidiksa, voidaan tarvita useita peräkkäisiä beetahajoamisia, jotka muodostavat kokonaisen ketjun, esimerkiksi:

(vakaa).

Nuolien alla ovat nuklidien puoliintumisajat: s-sekuntia h-kello, y- vuotta. Huomaa, että fissiopalaksi on tapana kutsua vain ensimmäistä ydintä, joka syntyy suoraan uraaniytimen fission aikana (tässä tapauksessa 135 Sb). Kaikki muut beetahajoamisesta syntyneet nuklidit yhdessä fragmenttien ja stabiilien lopullisten nuklidien kanssa ovat ns. fissiotuotteet. Koska massaluku ei muutu ketjua pitkin, uraaniytimien fission aikana voi olla yhtä monta ketjua kuin massalukuja, ts. noin 90. Ja koska jokainen ketju sisältää keskimäärin 5 radioaktiivista nuklidia, niin kaikkiaan fissiotuotteista voidaan laskea noin 450 radionuklidia, joiden puoliintumisajat vaihtelevat sekunnin murto-osista miljooniin vuosiin. Ydinreaktorissa fissiotuotteiden kerääntyminen aiheuttaa tiettyjä ongelmia, koska. Ensinnäkin ne absorboivat neutroneja ja siten estävät fissioketjureaktion kulkua, ja toiseksi niiden beetahajoamisen vuoksi syntyy jäännöslämmön muodostusta, joka voi jatkua hyvin pitkään reaktorin sammuttamisen jälkeen (jäännöksissä Tšernobylin reaktori, lämmöntuotanto jatkuu tähän päivään asti). Fissiotuotteiden radioaktiivisuus on myös merkittävä vaara ihmisille.

Toissijaiset fissioneutronit. Ydinfission aiheuttavia neutroneja kutsutaan primäärisiksi ja ydinfission aikana esiintyviä neutroneja sekundäärisiksi. Toissijaiset fissioneutronit säteilevät fragmenteista heti liikkeensä alussa. Kuten jo todettiin, fragmentit välittömästi fission jälkeen osoittautuvat voimakkaasti ylikuormituiksi neutroneilla; tässä tapauksessa fragmenttien viritysenergia ylittää niissä olevien neutronien sitoutumisenergian, mikä määrää ennalta neutronipäästön mahdollisuuden. Poistuessaan fragmentin ytimestä neutroni kuljettaa mukanaan osan energiasta, minkä seurauksena fragmentin ytimen viritysenergia pienenee. Kun fragmenttiytimen viritysenergia on pienempi kuin siinä olevan neutronin sitoutumisenergia, neutronien emissio loppuu.

Eri ytimien fissio tuottaa eri määrän sekundaarisia neutroneja, yleensä 0-5 (useimmiten 2-3). Reaktoreita laskettaessa sekundäärineutronien keskimääräinen määrä fissiotapahtumaa kohden on erityisen tärkeä. Tätä numeroa merkitään yleensä kreikkalaisella kirjaimella ν (nu) tai yleisemmin ν f. ν f:n arvot riippuvat fissioytimen tyypistä ja primäärineutronien energiasta. Joitakin esimerkkejä on taulukossa 1.5. Tässä taulukossa esitetyt tiedot osoittavat, että ν f:n arvot kasvavat sekä fissioytimen varauksen ja massan kasvaessa että primäärineutronien energian kasvaessa.

Taulukko 1.5. Termisten ja nopeiden neutronien ydinfissiossa tuottamien sekundaaristen neutronien keskimääräinen määrä

Toinen nopeiden neutronireaktorien etu liittyy jälkimmäiseen seikkaan - suurempi määrä sekundaarisia neutroneja mahdollistaa niiden suorittamisen ydinpolttoaineen laajennetun jalostuksen prosessin (katso alla). Toissijaisia ​​neutroneja syntyy myös ytimien spontaanissa fissiossa. Joten ν f (U-238) = 1,98 ja vf (Cf-252) = 3,767.

Toissijaisten neutronien emissioprosessi erittäin virittyneiden fragmenttien ytimien avulla muistuttaa prosessia, jossa molekyylit haihtuvat erittäin kuumennetun nestepisaran pinnalta. Siksi toissijaisten neutronien energiaspektri on samanlainen kuin molekyylien Maxwell-jakauma lämpöliikkeen aikana. Tämän spektrin maksimi on 0,8 MeV:n energialla ja sekundäärifissioneutronien keskimääräinen energia on noin 2 MeV.

Suurin osa sekundaarisista neutroneista vapautuu fragmenttien ytimistä keskimäärin 10 -14 sekunnissa ytimen fission jälkeen, ts. melkein heti. Siksi tätä toissijaisten neutronien osaa kutsutaan pikaneutroneiksi. Mutta on myös ns. viivästyneitä neutroneja, joilla on tärkeä ja hyvin erityinen rooli reaktoreissa .

Viivästyneet neutronit ydinfissiossa. Kokemus osoittaa, että pieni osa sekundaarisista neutroneista (yleensä< 1 %) испускается облученным нейтронами образцом делящегося материала спустя долгое время после прекращения облучения, когда деления ядер в образце тоже, естественно, уже не происходят. Происхождение запаздывающих нейтронов связано с бета-распадом некоторых осколков деления. Если бета-распад происходит на уровень конечного ядра, энергия возбуждения которого превышает энергию связи нейтрона, то распад ядра из этого состояния может произойти не путем испускания гамма-кванта, как обычно, а путем испускания нейтрона. Вылет нейтрона происходит практически в то же мгновение, как только образуется возбужденное ядро, но относительно процесса деления исходного ядра этот момент оказывается отодвинутым на время, которое потребовалось для бета-распада осколка. Поэтому запаздывающие нейтроны вылетают практически одновременно с бета-частицами, и их выход во времени описывается таким же экспоненциальным законом и с тем же периодом полураспада, что и бета-распад осколка.

Viivästyneiden neutronien osuus määritellään viivästyneiden neutronien lukumäärän suhteeksi kaikkien sekundäärifissioneutronien lukumäärään: β = N sovellus. n / N n. Taulukossa 1.6 on esitetty joidenkin ytimien β-arvot niiden fission aikana erienergisten neutronien toimesta.

Taulukko 1.6. Viivästyneiden neutronien fraktiot ydinfissiossa

Koska viivästyneet neutronit voivat syntyä erilaisten fragmenttiytimien (jota kutsutaan ytimiksi - viivästyneiden neutronien esiasteiksi) hajoamisesta, joista jokainen hajoaa omalla puoliintumisajallaan, viivästyneet neutronit muodostavat useita ryhmiä, joilla jokaisella on oma puoliintumisaikansa. . Näiden ryhmien pääparametrit on esitetty taulukossa. 1.7. Tässä taulukossa viivästyneiden neutronien suhteelliset saannot on normalisoitu yksikköön. Viivästyneiden neutronien energiat ovat hieman pienempiä kuin nopean neutronien keskimääräinen energia (2 MeV), koska ne lentävät ulos vähemmän virittyneistä fragmenteista. Viivästyneiden neutronien ryhmien puoliintumisajat eivät täsmälleen täsmää eristettyjen esiasteiden puoliintumisaikojen kanssa, koska itse asiassa viivästyneitä neutronien esiasteita on paljon enemmän - jotkut tutkijat ovat löytäneet niitä jopa useita kymmeniä. Prekursoreista saadut neutronit, joilla on läheiset jaksot, sulautuvat yhdeksi ryhmäksi tietyllä keskimääräisellä jaksolla, joka kirjataan taulukoihin. Samasta syystä ryhmien saannot ja niiden jaksot riippuvat fissioituvan ytimen tyypistä ja primääristen neutronien energiasta, koska näiden kahden parametrin muuttuessa fissiofragmenttien saannot muuttuvat ja sitä kautta ryhmien koostumus. myös muuttuu.

Taulukko 1.7. Viivästyneiden neutronien ryhmien parametrit 235 U:n fissiossa lämpöneutronien vaikutuksesta

viivästyneitä neutroneja niillä on ratkaiseva rooli fissioketjureaktion hallinnassa ja koko ydinreaktorin toiminta kokonaisuudessaan.

Välitön gammasäteily fission aikana. Kun fragmentin ytimen viritysenergia on viimeisen neutronin poistuttua fragmentista pienempi kuin siinä olevan neutronin sitoutumisenergia, nopean neutronien paeta on mahdotonta. Mutta hieman ylimääräistä energiaa jää silti fragmenttiin. Tämä ylimääräinen energia kulkeutuu pois ytimestä emittoivien gammasäteiden sarjalla. Kuten edellä todettiin, nopean gamma-kvantin kokonaisenergia on noin 8 MeV, niiden keskimäärä fissiota kohti on noin 10, joten yhden gamma-kvantin keskimääräinen energia raskaiden ytimien fissiossa on noin 0,8 MeV.

Siten ydinreaktori ei ole vain neutronien, vaan myös gammasäteilyn voimakas lähde, ja molemmilta säteilytyypeiltä on suojauduttava.

Vuonna 1934 E. Fermi päätti hankkia transuraanialkuaineita säteilyttämällä 238 U neutroneilla. E. Fermin idea oli, että isotoopin 239 U β -hajoamisen seurauksena muodostuu kemiallinen alkuaine, jonka sarjanumero on Z = 93. 93:n muodostumista ei kuitenkaan voitu tunnistaa. elementti. Sen sijaan O. Hahnin ja F. Strassmannin suorittaman radioaktiivisten alkuaineiden radiokemiallisen analyysin tuloksena osoitettiin, että yksi uraanin neutroneilla säteilytyksen tuotteista on barium (Z = 56) - kemiallinen alkuaine, jonka atomipaino on keskimääräinen. , kun taas Fermin teorian oletuksen mukaan transuraanialkuaineita olisi pitänyt saada.
L. Meitner ja O. Frisch ehdottivat, että uraaniytimen neutronin sieppauksen seurauksena yhdistelmäydin hajoaa kahteen osaan

92 U + n → 56 Ba + 36 Kr + xn.

Uraanin fissioprosessiin liittyy sekundääristen neutronien ilmaantumista (x > 1), jotka voivat aiheuttaa muiden uraaniytimien fissiota, mikä avaa mahdollisuuden fissioketjureaktion tapahtumiseen - yksi neutroni voi synnyttää haaraketjun uraaniytimien fissio. Tässä tapauksessa erotettujen ytimien lukumäärän pitäisi kasvaa eksponentiaalisesti. N. Bohr ja J. Wheeler laskivat kriittisen energian, joka tarvitaan 236 U:n ytimen, joka muodostui 235 U:n isotoopin vangitseman neutronin halkeamisen seurauksena. Tämä arvo on 6,2 MeV, mikä on pienempi kuin lämpöneutronin 235 U sieppauksen yhteydessä muodostuneen 236 U:n isotoopin viritysenergia. Siksi, kun lämpöneutroneja siepataan, 235 U:n fissioketjureaktio on mahdollinen. yhteinen isotooppi 238 U, kriittinen energia on 5,9 MeV, kun taas lämpöneutroni siepattaessa tuloksena olevan 239 U:n ytimen viritysenergia on vain 5,2 MeV. Siksi luonnossa yleisimmän isotoopin 238 U fission ketjureaktio termisten neutronien vaikutuksesta on mahdotonta. Yhdessä fissiotapahtumassa vapautuu energiaa ≈ 200 MeV (vertailun vuoksi, kemiallisissa palamisreaktioissa vapautuu energiaa ≈ 10 eV yhdessä reaktiotapahtumassa). Mahdollisuus luoda olosuhteet fissioketjureaktiolle avasi mahdollisuuksia käyttää ketjureaktion energiaa atomireaktorien ja atomiaseiden luomiseen. Ensimmäisen ydinreaktorin rakensi E. Fermi USA:ssa vuonna 1942. Neuvostoliitossa ensimmäinen ydinreaktori käynnistettiin I. Kurchatovin johdolla vuonna 1946. Vuonna 1954 maailman ensimmäinen ydinvoimala aloitti toimintansa Obninskissa. Tällä hetkellä sähköä tuotetaan noin 440 ydinreaktorissa 30 maassa ympäri maailmaa.
Vuonna 1940 G. Flerov ja K. Petrzhak löysivät uraanin spontaanin fission. Seuraavat luvut osoittavat kokeen monimutkaisuuden. Isotoopin 238 U osittainen puoliintumisaika spontaanin fission suhteen on 10 16 – 10 17 vuotta, kun taas 238 U isotoopin hajoamisaika on 4,5∙10 9 vuotta. 238 U:n isotoopin tärkein hajoamiskanava on α-hajoaminen. 238 U-isotoopin spontaanin fission havaitsemiseksi oli tarpeen rekisteröidä yksi fissiotapahtuma 10 7 –10 8 α-hajoamistapahtuman taustaa vasten.
Spontaanin fission todennäköisyys määräytyy pääasiassa fissioesteen läpäisevyyden mukaan. Spontaanin fission todennäköisyys kasvaa ytimen varauksen kasvaessa, koska. tämä kasvattaa jakoparametria Z 2 /A. Z-isotoopeissa< 92-95 деление происходит преимущественно с образованием двух осколков деления с отношением масс тяжёлого и лёгкого осколков 3:2. В изотопах Z >100, symmetrinen fissio vallitsee, kun muodostuu saman massaisia ​​fragmentteja. Kun ytimen varaus kasvaa, spontaanin fission osuus kasvaa verrattuna α-hajoamiseen.

Ydinfissio. Tarina

1934- E. Fermi, säteilyttämällä uraania lämpöneutroneilla, löysi reaktiotuotteista radioaktiivisia ytimiä, joiden luonnetta ei voitu selvittää.
L. Szilard esitti idean ydinketjureaktiosta.

1939− O. Hahn ja F. Strassmann löysivät bariumin reaktiotuotteista.
L. Meitner ja O. Frisch ilmoittivat ensimmäistä kertaa, että neutronien vaikutuksesta uraani fissoitui kahdeksi massaltaan vertailukelpoiseksi fragmentiksi.
N. Bohr ja J. Wheeler antoivat kvantitatiivisen tulkinnan ydinfissiosta ottamalla käyttöön fissioparametrin.
Ya. Frenkel kehitti pudotusteorian hitaiden neutronien aiheuttamasta ydinfissiosta.
L. Szilard, E. Wigner, E. Fermi, J. Wheeler, F. Joliot-Curie, Ya. Zeldovich, Yu. Khariton perustelivat mahdollisuutta ydinfissioketjureaktion tapahtumisesta uraanissa.

1940− G. Flerov ja K. Petrzhak löysivät U-uraaniytimien spontaanin fission ilmiön.

1942− E. Fermi suoritti hallitun fissioketjureaktion ensimmäisessä atomireaktorissa.

1945− Ensimmäinen ydinaseiden testi (Nevada, USA). Atomipommeja pudotettiin Japanin kaupunkeihin Hiroshimaan (6. elokuuta) ja Nagasakiin (9. elokuuta).

1946− I.V.:n johdolla. Kurchatov, ensimmäinen reaktori Euroopassa käynnistettiin.

1954− Maailman ensimmäinen ydinvoimala käynnistettiin (Obninsk, Neuvostoliitto).

Ydinfissio.Vuodesta 1934 lähtien E. Fermi alkoi käyttää neutroneja atomien pommitukseen. Siitä lähtien keinotekoisella muunnolla saatujen stabiilien tai radioaktiivisten ytimien määrä on kasvanut useisiin satoihin, ja lähes kaikki jaksollisen järjestelmän paikat ovat täyttyneet isotoopeilla.
Kaikissa näissä ydinreaktioissa syntyneet atomit olivat jaksollisessa taulukossa samassa paikassa kuin pommitettu atomi tai naapuripaikat. Siksi Hahnin ja Strassmannin vuonna 1938 esittämä todiste siitä tosiasiasta, että kun neutronit pommittavat jaksollisen järjestelmän viimeistä elementtiä−uraani−hajoaa elementeiksi, jotka ovat jaksollisen järjestelmän keskiosissa. Täällä on erilaisia ​​hajoamistyyppejä. Syntyvät atomit ovat enimmäkseen epävakaita ja hajoavat välittömästi edelleen; joidenkin puoliintumisajat mitataan sekunneissa, joten Hahnin piti käyttää analyyttistä Curie-menetelmää pidentääkseen näin nopeaa prosessia. On tärkeää huomata, että uraanin, protaktiinin ja toriumin edessä olevat alkuaineet myös osoittavat samanlaista hajoamista neutronien vaikutuksesta, vaikka hajoamisen alkamiseen tarvitaan suurempaa neutronienergiaa kuin uraanin tapauksessa. Tämän lisäksi G. N. Flerov ja K. A. Petrzhak löysivät vuonna 1940 uraanin ytimen spontaanin fission, jolla oli pisin siihen asti tunnettu puoliintumisaika: noin 2· 10 15 vuotta; tämä tosiasia tulee selväksi prosessissa vapautuvien neutronien ansiosta. Joten oli mahdollista ymmärtää, miksi "luonnollinen" jaksollinen järjestelmä päättyy kolmeen nimettyyn elementtiin. Transuraanialkuaineet ovat nyt tunnettuja, mutta ne ovat niin epävakaita, että ne hajoavat nopeasti.
Uraanin fissio neutronien avulla mahdollistaa nyt atomienergian käytön, jonka monet ovat jo kuvitelleet "Jules Vernen unelmaksi".

M. Laue, History of Physics

1939 O. Hahn ja F. Strassmann, säteilyttäessään uraanisuoloja lämpöneutroneilla, löysivät bariumin (Z = 56) reaktiotuotteista

Otto Gunn (1879 – 1968)

Ydinfissio on ytimen halkeilu kahdeksi (harvemmin kolmeksi) ytimeksi, joilla on samanlainen massa, joita kutsutaan fissiofragmenteiksi. Fission aikana syntyy myös muita hiukkasia - neutroneja, elektroneja, α-hiukkasia. Fission seurauksena vapautuu ~200 MeV energiaa. Fissio voi olla spontaania tai pakotettua muiden hiukkasten, useimmiten neutronien, vaikutuksesta.
Fissiolle on ominaista se, että fissiofragmentit eroavat pääsääntöisesti massaltaan merkittävästi, eli epäsymmetrinen fissio on vallitseva. Siten uraani-isotoopin 236 U todennäköisimmän fission tapauksessa fragmentin massasuhde on 1,46. Raskaan fragmentin massaluku on 139 (ksenoni), kun taas kevyen massaluku on 95 (strontium). Kun otetaan huomioon kahden nopean neutronin emissio, tarkasteltavalla fissioreaktiolla on muoto

Nobelin kemian palkinto
1944 - O. Gan.
Uraaniytimien fissioreaktion löytämiseksi neutronien avulla.

Fission Sirpaleet

Kevyiden ja raskaiden fragmenttiryhmien keskimääräisten massojen riippuvuus fissioituvan ytimen massasta.

Ydinfission löytö. 1939

Tulin Ruotsiin, missä Lise Meitner kärsi yksinäisyydestä, ja omistautuneena veljenpoikana päätin käydä hänen luonaan jouluna. Hän asui pienessä hotellissa Kungälv lähellä Göteborgia. Sain hänet kiinni aamiaisella. Hän mietti kirjettä, jonka hän oli juuri saanut Hanilta. Olin hyvin skeptinen kirjeen sisällöstä, jossa kerrottiin bariumin muodostumisesta säteilyttämällä uraania neutroneilla. Häntä kuitenkin houkutteli tämä mahdollisuus. Kävelimme lumessa, hän käveli, minä hiihdin (hän ​​sanoi voivansa tehdä näin ilman, että hän jäisi jälkeeni, ja hän todisti sen). Kävelyn lopussa pystyimme jo tekemään joitain johtopäätöksiä; ydin ei halkeutunut, eikä siitä lentänyt palasia, mutta se oli prosessi, joka muistutti pikemminkin Bohrin ytimen pudotusmallia; kuin pisara, ydin voisi pidentyä ja jakautua. Sitten tutkin, kuinka nukleonien sähkövaraus vähentää pintajännitystä, joka, kuten pystyin toteamaan, putoaa nollaan Z = 100:ssa ja mahdollisesti hyvin alhaiseksi uraanin kohdalla. Lise Meitner oli mukana määrittämässä energiaa, joka vapautuu kunkin hajoamisen aikana massavian vuoksi. Hänellä oli erittäin selkeä käsitys massavikakäyrästä. Kävi ilmi, että sähköstaattisen hylkimisen vuoksi fissioelementit saisivat noin 200 MeV energiaa, ja tämä vastasi juuri massavirheeseen liittyvää energiaa. Siksi prosessi voisi edetä puhtaasti klassisesti ilman ajatusta mahdollisen esteen läpi kulkemisesta, mikä tietysti olisi tässä hyödytöntä.
Vietimme kaksi tai kolme päivää yhdessä jouluna. Sitten palasin Kööpenhaminaan ja tuskin ehdin kertoa Bohrille ideastamme juuri sillä hetkellä, kun hän oli jo noussut höyrylaivaan Yhdysvaltoihin. Muistan, kuinka hän löi otsaansa heti, kun aloin puhua ja huudahti: "Voi, mitä tyhmiä me olimme! Meidän olisi pitänyt huomata tämä aikaisemmin." Mutta hän ei huomannut, eikä kukaan huomannut.
Lise Meitner ja minä kirjoitimme artikkelin. Samanaikaisesti pidimme jatkuvasti yhteyttä kaukopuhelimella Kööpenhamina - Tukholma.

O. Frisch, Muistelmat. UFN. 1968. T. 96, numero 4, s. 697.

Spontaani ydinfissio

Alla kuvatuissa kokeissa käytimme Frischin ensin ehdottamaa menetelmää ydinfissioprosessien tallentamiseen. Uraanioksidikerroksella päällystetyillä levyillä varustettu ionisaatiokammio on kytketty lineaarivahvistimeen, joka on viritetty siten, että uraanista lähteviä α-hiukkasia ei rekisteröidä järjestelmässä; fragmenteista tulevat impulssit, jotka ovat paljon suurempia kuin α-hiukkasten impulssit, vapauttavat ulostulotyratronin ja niitä pidetään mekaanisena releenä.
Ionisointikammio suunniteltiin erityisesti monikerroksisen litteän kondensaattorin muodossa, jonka kokonaispinta-ala on 15 levyä 1000 cm. 2 .
Aivan ensimmäisissä kokeissa vahvistimella, joka oli viritetty laskemaan fragmentteja, oli mahdollista havaita spontaaneja (neutronilähteen puuttuessa) pulsseja releellä ja oskilloskoopilla. Näiden impulssien määrä oli pieni (6 per 1 tunti), ja siksi on täysin ymmärrettävää, että tätä ilmiötä ei voitu havaita tavallisen tyyppisillä kameroilla ...
Meillä on tapana ajatella niin havaitsemamme vaikutuksen on katsottava johtuvan uraanin spontaanista fissiosta syntyneistä paloista...

Spontaani fissio pitäisi katsoa yhdestä virittymättömästä U-isotoopista, jonka puoliintumisajat on saatu tulosten arvioinnista:

U 238 – 10 16 ~ 10 17 vuotta,
U 235 – 10 14 ~ 10 15 vuotta,
U 234 – 10 12 ~ 10 13 vuotta.

Isotooppien hajoaminen 238 U

Spontaani ydinfissio

Spontaanisti halkeavien isotooppien puoliintumisajat Z = 92-100

Ensimmäinen kokeellinen järjestelmä uraani-grafiittihilalla rakennettiin vuonna 1941 E. Fermin johdolla. Se oli grafiittikuutio, jossa oli 2,5 m pitkä ripa ja joka sisälsi noin 7 tonnia uraanioksidia, suljettuna rautaastioihin, jotka asetettiin kuutioon yhtä etäisyydelle toisistaan. RaBe-neutronilähde sijoitettiin uraani-grafiittihilan pohjalle. Kertokerroin tällaisessa järjestelmässä oli ≈0,7. Uraanioksidi sisälsi 2-5 % epäpuhtauksia. Jatkotoimia suunnattiin puhtaampien materiaalien saamiseen, ja toukokuuhun 1942 mennessä saatiin uraanioksidia, jonka epäpuhtaudet olivat alle 1 %. Fissioketjureaktion varmistamiseksi oli tarpeen käyttää suuri määrä grafiittia ja uraania - useiden tonnin luokkaa. Epäpuhtauksien oli määrä olla alle muutaman miljoonasosan. Reaktori, jonka Fermi kokosi vuoden 1942 loppuun mennessä Chicagon yliopistossa, oli ylhäältä leikatun epätäydellisen pallon muotoinen. Se sisälsi 40 tonnia uraania ja 385 tonnia grafiittia. Illalla 2. joulukuuta 1942, sen jälkeen kun neutronin absorboijan sauvat oli poistettu, havaittiin, että reaktorin sisällä oli meneillään ydinketjureaktio. Mitattu kerroin oli 1,0006. Aluksi reaktori toimi 0,5 W tehotasolla. Joulukuun 12. päivään mennessä sen teho nostettiin 200 wattiin. Tämän jälkeen reaktori siirrettiin turvallisempaan paikkaan ja sen teho nostettiin useisiin kW:iin. Tässä tapauksessa reaktori kulutti 0,002 g uraani-235:tä päivässä.

Ensimmäinen ydinreaktori Neuvostoliitossa

Neuvostoliiton ensimmäisen F-1-tutkimusydinreaktorin rakennus oli valmis kesäkuuhun 1946 mennessä.
Kun kaikki tarvittavat kokeet oli suoritettu, reaktorin ohjaus- ja suojajärjestelmä kehitettiin, reaktorin mitat määritettiin, kaikki tarvittavat kokeet suoritettiin reaktorimalleilla, neutronien tiheys määritettiin useissa malleissa, saatiin grafiittilohkoja. (ns. ydinpuhtaus) ja (neutronifysikaalisten tarkastusten jälkeen) uraanilohkot aloittivat marraskuussa 1946 F-1-reaktorin rakentamisen.
Reaktorin kokonaissäde oli 3,8 m. Se vaati 400 tonnia grafiittia ja 45 tonnia uraania. Reaktori koottiin kerroksittain, ja 25. joulukuuta 1946 kello 15.00 koottiin viimeinen, 62. kerros. Ns. hätäsauvojen poistamisen jälkeen säätösauva nostettiin, neutronitiheys alkoi laskea ja 25. joulukuuta 1946 kello 18.00 Neuvostoliiton ensimmäinen reaktori heräsi henkiin ja aloitti toimintansa. Se oli jännittävä voitto tutkijoille - ydinreaktorin luojille ja koko Neuvostoliiton kansalle. Puolitoista vuotta myöhemmin, 10. kesäkuuta 1948, teollisuusreaktori, jossa oli vettä kanavissa, saavutti kriittisen tilan ja aloitti pian uudentyyppisen ydinpolttoaineen - plutoniumin - teollisen tuotannon.

Energian vapautuminen ydinfission aikana. Kuten muissakin ydinreaktioissa, fissiossa vapautuva energia vastaa vuorovaikutuksessa olevien hiukkasten ja lopputuotteiden massojen eroa. Koska uraanissa olevan nukleonin sitoutumisenergia ja fragmenttien yhden nukleonin sitoutumisenergia, uraanin fission aikana energiaa on vapautettava

Siten ytimen fission aikana vapautuu valtavaa energiaa, jonka ylivoimainen osa vapautuu fissiofragmenttien kineettisen energian muodossa.

Fissiotuotteiden massajakelu. Uraaniydin on useimmissa tapauksissa jaettu epäsymmetrisesti. Kahdella ydinfragmentilla on vastaavasti eri nopeus ja eri massat.

Fragmentit jakautuvat kahteen ryhmään niiden massojen mukaan; toinen lähellä kryptonia ja toinen lähellä ksenonia. Fragmenttien massat ovat suhteessa toisiinsa keskimäärin kuten Energian ja liikemäärän säilymisen laeista voidaan päätellä, että fragmenttien kineettisten energioiden tulee olla kääntäen verrannollisia niiden massaan :

Fissiotuotteen tuottokäyrä on symmetrinen pisteen läpi kulkevan pystysuoran linjan suhteen.Maksimien merkitsevä leveys kertoo fissioreittien monimuotoisuudesta.

Riisi. 82. Uraanin fissiotuotteiden massajakauma

Luetteloidut ominaisuudet viittaavat pääasiassa fissioon termisten neutronien vaikutuksesta; fissiossa neutronien vaikutuksesta, joiden energia on useita tai enemmän, ydin hajoaa kahdeksi massaltaan symmetrisemmäksi fragmentiksi.

Fissiotuotteiden ominaisuudet. Uraaniatomin fissiossa irtoaa hyvin paljon kuorielektroneja ja fissiofragmentit ovat noin -kertaisesti ionisoituneita positiivisia ioneja, jotka kulkiessaan aineen läpi ionisoivat atomit voimakkaasti. Siksi sirpaleiden reitit ilmassa ovat pieniä ja lähes 2 cm.

On helppo todeta, että fission aikana muodostuneiden fragmenttien on oltava radioaktiivisia, alttiita emittoimaan neutroneja. Itse asiassa stabiilien ytimien tapauksessa neutronien ja protonien lukumäärän suhde vaihtelee A:sta riippuen seuraavasti:

(katso skannaus)

Fission tuottamat ytimet sijaitsevat taulukon keskellä ja sisältävät siksi enemmän neutroneja kuin niiden stabiilisuuden kannalta on hyväksyttävää. Ne voidaan vapauttaa ylimääräisistä neutroneista sekä hajoamalla että suoraan emittoimalla neutroneja.

viivästyneitä neutroneja. Yhdessä mahdollisista fission muunnelmista muodostuu radioaktiivista bromia. Kuvassa Kuvassa 83 on kaavio sen hajoamisesta, jonka lopussa on stabiileja isotooppeja

Tämän ketjun mielenkiintoinen piirre on, että kryptoni voi vapautua ylimääräisestä neutronista joko -hajoamisen seurauksena tai jos se on muodostunut virittyneessä tilassa neutronin suoran emission vuoksi. Nämä neutronit ilmestyvät 56 sekuntia fission jälkeen (elinikä on suhteessa siirtymiseen virittyneeseen tilaan, vaikka se itse emittoi neutroneja lähes välittömästi.

Riisi. 83. Kaavio virittyneessä tilassa syntyneen radioaktiivisen bromin hajoamisesta uraanin fission aikana

Niitä kutsutaan viivästyneiksi neutroneiksi. Ajan myötä viivästyneiden neutronien intensiteetti pienenee eksponentiaalisesti, kuten normaalissa radioaktiivisessa hajoamisessa.

Näiden neutronien energia on yhtä suuri kuin ytimen viritysenergia. Vaikka ne muodostavat vain 0,75 % kaikista fissiossa vapautuvista neutroneista, viivästetyillä neutroneilla on tärkeä rooli ketjureaktion toteuttamisessa.

Pikaneutronit. Yli 99 % neutroneista vapautuu erittäin lyhyessä ajassa; niitä kutsutaan pikaneutroneiksi.

Fissioprosessia tutkittaessa herää perustavanlaatuinen kysymys, kuinka monta neutronia syntyy yhdessä fissiotapahtumassa; tämä kysymys on tärkeä, koska jos niiden lukumäärä on keskimäärin suuri, niitä voidaan käyttää myöhempien ytimien jakamiseen, eli on mahdollista luoda ketjureaktio. Tämän asian ratkaisusta vuosina 1939-1940. työskenteli lähes kaikissa maailman suurimmissa ydinlaboratorioissa.

Riisi. 84. Uraani-235:n fissiosta saatujen neutronien energiaspektri

Fissioenergian jakautuminen. Fragmenttien energian ja muiden fissiotuotteiden kuljettaman energian suora mittaus antoi seuraavan likimääräisen energiajakauman

Uraaniytimien fissio tapahtuu seuraavalla tavalla: Ensin neutroni osuu ytimeen, kuten luoti omenassa. Omenan tapauksessa luoti olisi tehnyt siihen reiän tai lennättänyt sen palasiksi. Kun neutroni tulee ytimeen, ydinvoimat vangitsevat sen. Neutronin tiedetään olevan neutraali, joten sähköstaattiset voimat eivät hylkää sitä.

Miten uraanin fissio tapahtuu?

Joten päästyään ytimen koostumukseen neutroni rikkoo tasapainon ja ydin kiihtyy. Se ulottuu sivuille kuin käsipaino tai ääretön merkki: ∞ . Ydinvoimat, kuten tiedetään, vaikuttavat etäisyydellä, joka on verrannollinen hiukkasten kokoon. Kun ydintä venytetään, ydinvoimien vaikutuksesta tulee merkityksetön "käsipainon" äärimmäisille hiukkasille, kun taas sähkövoimat toimivat erittäin voimakkaasti sellaisella etäisyydellä, ja ydin yksinkertaisesti hajoaa kahteen osaan. Tässä tapauksessa emittoidaan myös kaksi tai kolme neutronia.

Ytimen fragmentit ja vapautuneet neutronit siroavat suurella nopeudella eri suuntiin. Fragmentit hidastuvat melko nopeasti ympäristön vaikutuksesta, mutta niiden liike-energia on valtava. Se muunnetaan väliaineen sisäiseksi energiaksi, joka lämpenee. Tässä tapauksessa vapautuvan energian määrä on valtava. Yhden uraanigramman täydellisestä fissiosta saatu energia on suunnilleen yhtä suuri kuin energia, joka saadaan poltettaessa 2,5 tonnia öljyä.

Useiden ytimien fission ketjureaktio

Olemme pohtineet yhden uraaniytimen fissiota. Fission aikana vapautui useita (useimmiten kaksi tai kolme) neutronia. Ne leviävät sivuille suurella nopeudella ja voivat helposti pudota muiden atomien ytimiin aiheuttaen niissä fissioreaktion. Tämä on ketjureaktio.

Toisin sanoen ydinfission tuloksena saadut neutronit kiihottavat ja pakottavat fissioon muut ytimet, jotka puolestaan ​​itse emittoivat neutroneja, jotka jatkavat edelleen fissiota. Ja niin edelleen, kunnes kaikki välittömässä läheisyydessä olevat uraaniytimet halkeavat.

Tässä tapauksessa voi tapahtua ketjureaktio kuin lumivyöry esimerkiksi atomipommin räjähdyksen sattuessa. Ydinfission määrä kasvaa eksponentiaalisesti lyhyessä ajassa. Ketjureaktio voi kuitenkin tapahtua vaimennuksen kanssa.

Tosiasia on, että kaikki neutronit eivät tapaa matkallaan ytimiä, jotka ne aiheuttavat fissiota. Kuten muistamme, aineen sisällä päätilavuuden miehittää hiukkasten välinen tyhjyys. Siksi jotkut neutronit lentävät kaiken aineen läpi törmäämättä mihinkään matkan varrella. Ja jos ydinfission määrä vähenee ajan myötä, reaktio hiipuu vähitellen.

Ydinreaktiot ja uraanin kriittinen massa

Mikä määrittää reaktion tyypin? Uraanin massasta. Mitä suurempi massa, sitä enemmän hiukkasia lentävä neutroni kohtaa matkallaan ja sillä on enemmän mahdollisuuksia päästä ytimeen. Siksi uraanin "kriittinen massa" erotetaan - tämä on sellainen vähimmäismassa, jolla ketjureaktio on mahdollista.

Muodostuneiden neutronien määrä on yhtä suuri kuin ulos lentäneiden neutronien määrä. Ja reaktio etenee suunnilleen samalla nopeudella, kunnes koko aineen tilavuus on tuotettu. Tätä käytetään käytännössä ydinvoimalaitoksissa ja sitä kutsutaan kontrolloiduksi ydinreaktioksi.

Artikkelin sisältö

Ydinfissio, ydinreaktio, jossa atomiydin hajoaa neutronien pommitettuna kahdeksi tai useammaksi fragmentiksi. Fragmenttien kokonaismassa on yleensä pienempi kuin alkuperäisen ytimen ja pommittavan neutronin massojen summa. "kadonnut messu" m muuttuu energiaksi E Einsteinin kaavan mukaan E = mc 2, missä c on valon nopeus. Koska valon nopeus on erittäin suuri (299 792 458 m/s), pieni massa vastaa valtavaa määrää energiaa. Tämä energia voidaan muuntaa sähköksi.

Ydinfission aikana vapautuva energia muuttuu lämmöksi, kun fissiopalaset hidastuvat. Lämmön vapautumisnopeus riippuu halkeavien ytimien määrästä aikayksikköä kohti. Kun suuren määrän ytimiä fissio tapahtuu pienessä tilavuudessa lyhyessä ajassa, reaktio on luonteeltaan räjähdys. Tämä on atomipommin periaate. Jos toisaalta suhteellisen pieni määrä ytimiä fissioi suuressa tilavuudessa pidemmäksi ajaksi, niin tuloksena vapautuu lämpöä, jota voidaan käyttää. Tähän ydinvoimalat perustuvat. Ydinvoimalaitoksilla ydinreaktoreissa ydinfission seurauksena vapautuva lämpö hyödynnetään höyryn tuottamiseen, joka syötetään sähkögeneraattoreita pyörittäviin turbiineihin.

Fissioprosessien käytännön käyttöön soveltuvat parhaiten uraani ja plutonium. Niissä on isotooppeja (tietyn alkuaineen atomeja, joilla on eri massaluvut), jotka halkeavat, kun ne absorboivat neutroneja, jopa erittäin alhaisilla energioilla.

Avain fissioenergian käytännön käyttöön oli se, että jotkin alkuaineet emittoivat fissioprosessissa neutroneja. Vaikka yksi neutroni absorboituu ydinfission aikana, tämä menetys korvataan uusien neutronien syntymisellä fission aikana. Jos laitteessa, jossa fissio tapahtuu, on riittävän suuri ("kriittinen") massa, niin "ketjureaktio" voidaan ylläpitää uusien neutronien ansiosta. Ketjureaktiota voidaan hallita säätämällä neutronien määrää, jotka voivat aiheuttaa fissiota. Jos se on suurempi kuin yksi, jakointensiteetti kasvaa, ja jos se on pienempi kuin yksi, se pienenee.

HISTORIAN VIITE

Ydinfission löytämisen historia juontaa juurensa A. Becquerelin (1852–1908) töistä. Tutkiessaan vuonna 1896 eri materiaalien fosforesenssia hän havaitsi, että uraania sisältävät mineraalit säteilevät spontaanisti säteilyä, joka aiheuttaa valokuvalevyn mustumista, vaikka mineraalin ja levyn väliin olisi asetettu läpinäkymätöntä kiinteää ainetta. Useat kokeet ovat osoittaneet, että tämä säteily koostuu alfahiukkasista (heliumytimistä), beetahiukkasista (elektroneista) ja gamma-kvanteista (kova sähkömagneettinen säteily).

Ensimmäisen ihmisen keinotekoisesti aiheuttaman ytimien muutoksen suoritti vuonna 1919 E. Rutherford, joka muutti typen hapeksi säteilyttämällä typpeä uraanialfa-hiukkasilla. Tähän reaktioon liittyi energian imeytyminen, koska sen tuotteiden - hapen ja vedyn - massa ylittää reaktioon joutuvien hiukkasten - typen ja alfa-hiukkasten - massan. Ydinenergian vapautumisen saavuttivat ensimmäisen kerran vuonna 1932 J. Cockcroft ja E. Walton, jotka pommittivat litiumia protoneilla. Tässä reaktiossa reaktioon joutuneiden ytimien massa oli jonkin verran suurempi kuin tuotteiden massa, minkä seurauksena vapautui energiaa.

Vuonna 1932 J. Chadwick löysi neutronin - neutraalin hiukkasen, jonka massa on suunnilleen yhtä suuri kuin vetyatomin ytimen massa. Fyysikot ympäri maailmaa alkoivat tutkia tämän hiukkasen ominaisuuksia. Oletettiin, että neutroni, jossa ei ole sähkövarausta ja jota ei hylkinyt positiivisesti varautunut ydin, aiheuttaisi todennäköisemmin ydinreaktioita. Uudemmat tulokset ovat vahvistaneet tämän oletuksen. Roomassa E. Fermi ja hänen työtoverinsa altistivat lähes kaikki jaksollisen järjestelmän elementit neutronisäteilylle ja havainnoivat ydinreaktioita uusien isotooppien muodostumisen myötä. Todiste uusien isotooppien muodostumisesta oli "keinotekoinen" radioaktiivisuus gamma- ja beetasäteilyn muodossa.

Ensimmäiset merkit ydinfission mahdollisuudesta.

Fermin ansioksi luetaan monien nykyään tunnettujen neutronireaktioiden löytäminen. Erityisesti hän yritti saada alkuaineen atominumerolla 93 (neptunium) pommittamalla uraania (alkuaine, jonka atominumero on 92) neutroneilla. Samaan aikaan hän rekisteröi ehdotetussa reaktiossa neutronien sieppaamisen seurauksena emittoidut elektronit

238 U + 1 n ® 239 Np + b–,

jossa 238 U on uraani-238 isotooppi, 1 n on neutroni, 239 Np on neptunium ja b-- elektroni. Tulokset olivat kuitenkin ristiriitaisia. Sen mahdollisuuden poissulkemiseksi, että rekisteröity radioaktiivisuus liittyy uraanin isotoopeihin tai muihin alkuaineisiin, jotka sijaitsevat jaksollisessa järjestelmässä ennen uraania, jouduttiin suorittamaan radioaktiivisten alkuaineiden kemiallinen analyysi.

Analyysin tulokset osoittivat, että tuntemattomat alkuaineet vastaavat sarjanumeroita 93, 94, 95 ja 96. Tästä syystä Fermi päätteli, että hän oli hankkinut transuraanialkuaineita. Kuitenkin O. Hahn ja F. Strassman Saksassa, suorittaneet perusteellisen kemiallisen analyysin, havaitsivat, että radioaktiivista bariumia esiintyy uraanin neutroneilla säteilytyksestä syntyvien alkuaineiden joukossa. Tämä tarkoitti, että luultavasti osa uraanin ytimistä on jaettu kahteen suureen fragmenttiin.

Jaoston vahvistus.

Sen jälkeen Fermi, J. Dunning ja J. Pegram Columbian yliopistosta suorittivat kokeita, jotka osoittivat, että ydinfissiota tapahtuu. Uraanin fissio neutronien toimesta vahvistettiin suhteellisten laskurien, pilvikammion ja fissiokappaleiden kerääntymisen menetelmillä. Ensimmäinen menetelmä osoitti, että korkeaenergisiä pulsseja lähetetään, kun neutronilähde lähestyy uraaninäytettä. Pilvikammiossa nähtiin, että neutronien pommittama uraaniydin jakautuu kahteen osaan. Jälkimmäinen menetelmä mahdollisti sen toteamisen, että teorian ennusteen mukaan fragmentit ovat radioaktiivisia. Kaikki tämä yhdessä osoitti vakuuttavasti, että fissio todella tapahtuu, ja mahdollisti fission aikana vapautuneen energian luotettavuuden arvioinnin.

Koska stabiilien ytimien neutronien ja protonien lukumäärän sallittu suhde pienenee ytimen koon pienentyessä, tulee fragmenttien neutronien osuuden olla pienempi kuin alkuperäisessä uraaniytimessä. Näin ollen oli täysi syy uskoa, että fissioprosessiin liittyy neutronipäästöjä. F. Joliot-Curie ja hänen työtoverinsa vahvistivat tämän pian kokeellisesti: fissioprosessissa säteilevien neutronien määrä oli suurempi kuin absorboituneiden neutronien määrä. Kävi ilmi, että yhtä absorboitunutta neutronia kohti on noin kaksi ja puoli uutta neutronia. Ketjureaktion mahdollisuus ja mahdollisuudet luoda poikkeuksellisen voimakas energialähde ja käyttää sitä sotilaallisiin tarkoituksiin tulivat heti ilmeisiksi. Sen jälkeen useissa maissa (erityisesti Saksassa ja Yhdysvalloissa) aloitettiin työ atomipommin luomiseksi syvän salassapidon olosuhteissa.

Kehitys toisen maailmansodan aikana.

Vuodesta 1940 vuoteen 1945 kehityssuunnan määrittivät sotilaalliset näkökohdat. Vuonna 1941 saatiin pieniä määriä plutoniumia ja määritettiin useita uraanin ja plutoniumin ydinparametreja. Yhdysvalloissa tärkeimmät tähän tarvittavat tuotanto- ja tutkimusyritykset olivat "Manhattan Military Engineering Districtin" lainkäyttövallan alaisia, jolle "Uranium Project" siirrettiin 13.8.1942. Columbia Universityssä (New York) E. Fermin ja V. Zinnin johtama työntekijäryhmä suoritti ensimmäiset kokeet, joissa tutkittiin neutronien lisääntymistä uraanidioksidin ja grafiitin lohkojen hilassa - atomi "kattilassa". Tammikuussa 1942 tämä työ siirrettiin Chicagon yliopistoon, jossa heinäkuussa 1942 saatiin tuloksia, jotka osoittivat itseään ylläpitävän ketjureaktion mahdollisuuden. Aluksi reaktori toimi 0,5 W teholla, mutta 10 päivän kuluttua teho nostettiin 200 W:iin. Mahdollisuus saada suuria määriä ydinenergiaa osoitettiin ensimmäisen kerran 16. heinäkuuta 1945, kun ensimmäinen atomipommi räjäytettiin Alamogordon (New Mexico) testipaikalla.

YDINREAKTORI

Ydinreaktori on laitos, jossa on mahdollista suorittaa hallittu itseään ylläpitävä ydinfission ketjureaktio. Reaktorit voidaan luokitella käytetyn polttoaineen (fissio- ja raaka-isotoopit), hidastimen tyypin, polttoaine-elementtien ja jäähdytysnesteen tyypin mukaan.

halkeavia isotooppeja.

Halkeavaa isotooppia on kolme - uraani-235, plutonium-239 ja uraani-233. Uraani-235 valmistetaan isotooppierottelulla; plutonium-239 - reaktoreissa, joissa uraani-238 muutetaan plutoniumiksi, 238 U® 239 U® 239 Np® 239 Pu; uraani-233 - reaktoreissa, joissa torium-232 jalostetaan uraaniksi. Voimareaktorin ydinpolttoaine valitaan sen ydin- ja kemiallisten ominaisuuksien sekä kustannusten perusteella.

Alla oleva taulukko näyttää halkeavien isotooppien pääparametrit. Kokonaispoikkileikkaus kuvaa minkä tahansa tyyppisen vuorovaikutuksen todennäköisyyttä neutronin ja tietyn ytimen välillä. Fission poikkileikkaus kuvaa neutronin aiheuttaman ydinfission todennäköisyyttä. Energian saanto absorboitua neutronia kohti riippuu siitä, mikä osa ytimistä ei osallistu fissioprosessiin. Yhdessä fissiotapahtumassa vapautuvien neutronien määrä on tärkeä ketjureaktion ylläpitämisen kannalta. Uusien neutronien määrä absorboitunutta neutronia kohti on tärkeä, koska se kuvaa fission intensiteettiä. Fission jälkeen emittoituneiden viivästettyjen neutronien osuus liittyy materiaaliin varastoituun energiaan.

Halkeavien ISOTOOPPIEN OMINAISUUDET

Taulukon tiedot osoittavat, että jokaisella halkeavalla isotoopilla on omat etunsa. Esimerkiksi lämpöneutronien suurimman poikkileikkauksen omaavan isotoopin tapauksessa (energia 0,025 eV) tarvitaan vähemmän polttoainetta kriittisen massan saavuttamiseksi käytettäessä neutronien hidastajaa. Koska suurin määrä neutroneja per absorboitunut neutroni esiintyy nopeassa plutoniumreaktorissa (1 MeV), jalostustilassa on parempi käyttää plutoniumia nopeassa reaktorissa tai uraani-233:a lämpöreaktorissa kuin uraani-235:tä termisessä reaktorissa. Uraani-235 on hallittavuuden kannalta edullisempi, koska siinä on suurempi osuus viivästyneistä neutroneista.

Raakoja isotooppeja.

Raaka-isotooppeja on kaksi: torium-232 ja uraani-238, joista saadaan halkeavia isotooppeja uraani-233 ja plutonium-239. Raaka-isotooppien käyttötekniikka riippuu useista tekijöistä, kuten rikastustarpeesta. Uraanimalmi sisältää 0,7 % uraani-235:tä, kun taas toriummalmi ei sisällä halkeavia isotooppeja. Siksi toriumiin on lisättävä rikastettu halkeamiskelpoinen isotooppi. Uusien neutronien määrä absorboitunutta neutronia kohti on myös tärkeä. Kun tämä tekijä otetaan huomioon, on välttämätöntä antaa etusija uraani-233:lle termisten neutronien tapauksessa (moderoituna 0,025 eV:n energiaan), koska tällaisissa olosuhteissa emittoituneiden neutronien määrä on suurempi ja siten myös konversio. tekijä on uusien halkeavien ytimien määrä yhtä "käytettyä" halkeamiskykyistä ydintä kohti.

Hidastimet.

Hidastimen tehtävänä on vähentää fissioprosessissa emittoivien neutronien energiaa noin 1 MeV:sta noin 0,025 eV lämpöenergiaan. Koska hidastuminen tapahtuu pääasiassa ei-fissioituvien atomien ytimien elastisen sironnan seurauksena, hidastinatomien massan tulee olla mahdollisimman pieni, jotta neutroni pystyy siirtämään niihin mahdollisimman paljon energiaa. Lisäksi moderaattoriatomeilla tulee olla pieni (sirontapoikkileikkaukseen verrattuna) sieppauspoikkileikkaus, koska neutronin täytyy toistuvasti törmätä moderaattoriatomien kanssa ennen kuin se hidastuu lämpöenergiaksi.

Paras hidastin on vety, koska sen massa on lähes yhtä suuri kuin neutronin massa ja siksi neutroni menettää eniten energiaa törmäessään vedyn kanssa. Mutta tavallinen (kevyt) vety absorboi neutroneja liian voimakkaasti, ja siksi deuterium (raskas vety) ja raskas vesi osoittautuvat sopivammiksi hidastajiksi, huolimatta niiden hieman suuremmasta massasta, koska ne absorboivat neutroneja vähemmän. Berylliumia voidaan pitää hyvänä moderaattorina. Hiilellä on niin pieni neutronien absorptiopoikkileikkaus, että se hillitsee tehokkaasti neutroneja, vaikka se vaatii paljon enemmän törmäyksiä hidastaakseen kuin vedyllä.

Keskimääräinen luku N Elastiset törmäykset, joita tarvitaan neutronin hidastamiseen 1 MeV:sta 0,025 eV:iin käyttämällä vetyä, deuteriumia, berylliumia ja hiiltä, ​​ovat vastaavasti noin 18, 27, 36 ja 135. Näiden arvojen likimääräinen luonne johtuu siitä, että kemiallisen energian läsnäolon vuoksi törmäysvaimentimen sidokset alle 0,3 eV:n energioissa voivat tuskin olla elastisia. Pienillä energioilla atomihila voi siirtää energiaa neutroneille tai muuttaa tehollista massaa törmäyksessä, mikä rikkoo hidastusprosessia.

Lämmön kantajat.

Ydinreaktoreissa käytettävät jäähdytysaineet ovat vesi, raskas vesi, nestemäinen natrium, nestemäinen natrium-kaliumlejeerinki (NaK), helium, hiilidioksidi ja orgaaniset nesteet, kuten terfenyyli. Nämä aineet ovat hyviä lämmönsiirtoaineita ja niillä on alhainen neutroniabsorptiopoikkileikkaus.

Vesi on erinomainen hidastin ja jäähdytysneste, mutta imee neutroneja liian voimakkaasti ja sillä on liian korkea höyrynpaine (14 MPa) 336 °C:n käyttölämpötilassa. Tunnetuin hidastin on raskas vesi. Sen ominaisuudet ovat lähellä tavallisen veden ominaisuuksia ja neutronien absorption poikkileikkaus on pienempi. Natrium on erinomainen jäähdytysneste, mutta se ei ole tehokas neutronien hidastajana. Siksi sitä käytetään nopeissa neutronireaktoreissa, joissa fission aikana vapautuu enemmän neutroneja. Totta, natriumilla on useita haittoja: se indusoi radioaktiivisuutta, sen lämpökapasiteetti on alhainen, se on kemiallisesti aktiivista ja jähmettyy huoneenlämpötilassa. Natriumin ja kaliumin seos on ominaisuuksiltaan samanlainen kuin natrium, mutta pysyy nestemäisenä huoneenlämpötilassa. Helium on erinomainen jäähdytysneste, mutta sillä on alhainen ominaislämpökapasiteetti. Hiilidioksidi on hyvä jäähdytysaine, ja sitä on käytetty laajalti grafiittihidastetuissa reaktoreissa. Terfenyylin etuna veteen verrattuna on, että sen höyrynpaine on alhainen käyttölämpötilassa, mutta se hajoaa ja polymeroituu reaktoreille tyypillisten korkeiden lämpötilojen ja säteilyvirtojen vaikutuksesta.

Lämpöä tuottavat elementit.

Polttoaineelementti (FE) on polttoainesydän, jossa on ilmatiivis vaippa. Verhous estää fissiotuotteiden vuotamisen ja polttoaineen vuorovaikutuksen jäähdytysnesteen kanssa. Kuorimateriaalin tulee absorboida heikosti neutroneja ja sillä on oltava hyväksyttävät mekaaniset, hydrauliset ja lämpöä johtavat ominaisuudet. Polttoaine-elementit ovat yleensä sintratun uraanioksidin pellettejä alumiini-, zirkonium- tai ruostumattomassa teräsputkissa; zirkoniumia, molybdeeniä ja alumiinia sisältävien uraaniseosten pelletit, jotka on päällystetty zirkoniumilla tai alumiinilla (jos kyseessä on alumiiniseos); grafiittitabletit, joissa on dispergoitua uraanikarbidia, joka on päällystetty läpäisemättömällä grafiitilla.

Kaikkia näitä polttoaine-elementtejä käytetään, mutta painevesireaktoreissa ruostumattomissa teräsputkissa olevat uraanioksidipelletit ovat edullisimpia. Uraanidioksidi ei reagoi veden kanssa, sillä on korkea säteilynkestävyys ja sille on ominaista korkea sulamispiste.

Grafiittipolttokennot näyttävät soveltuvan erittäin hyvin korkean lämpötilan kaasujäähdytteisiin reaktoreihin, mutta niissä on vakava haittapuoli - kaasumaiset fissiotuotteet voivat tunkeutua niiden kuoren läpi diffuusion tai grafiitin vikojen takia.

Orgaaniset jäähdytysnesteet eivät ole yhteensopivia zirkoniumpolttoainesauvojen kanssa ja edellyttävät siksi alumiiniseosten käyttöä. Orgaanisia jäähdytysaineita sisältävien reaktorien näkymät riippuvat siitä, syntyykö alumiiniseoksia tai jauhemetallurgian tuotteita, joilla olisi lujuus (käyttölämpötiloissa) ja lämmönjohtavuus, joka tarvitaan lämmönsiirtoa jäähdytysnesteeseen lisäävien ripojen käyttöön. Koska lämmön johtumisesta johtuva lämmönsiirto polttoaineen ja orgaanisen jäähdytysaineen välillä on pieni, on toivottavaa käyttää pintakiehumista lämmönsiirron lisäämiseksi. Pintakeittoon liittyy uusia ongelmia, mutta ne on ratkaistava, jos orgaanisten lämmönsiirtonesteiden käyttö osoittautuu hyödylliseksi.

REAKTORITYYPIT

Teoriassa on mahdollista yli 100 erityyppistä reaktoria, jotka eroavat toisistaan ​​polttoaineen, hidastimen ja jäähdytysnesteiden osalta. Useimmat tavanomaiset reaktorit käyttävät vettä jäähdytysaineena joko paineen alaisena tai kiehuvana.

Painevesireaktori.

Tällaisissa reaktoreissa vesi toimii hidastimena ja jäähdytysaineena. Kuumennettu vesi pumpataan paineen alaisena lämmönvaihtimeen, jossa lämpö siirtyy toisiopiirin veteen, jossa syntyy höyryä, joka pyörittää turbiinia.

Kiehuva reaktori.

Tällaisessa reaktorissa vesi kiehuu suoraan reaktorin sydämessä ja syntyvä höyry tulee turbiiniin. Useimmat kiehuvavesireaktorit käyttävät myös vettä hidastimena, mutta joskus käytetään grafiittihidastajaa.

Reaktori nestemäisellä metallijäähdytyksellä.

Tällaisessa reaktorissa putkien kautta kiertävää nestemäistä metallia käytetään siirtämään fission aikana vapautuvaa lämpöä reaktorissa. Lähes kaikki tämän tyyppiset reaktorit käyttävät natriumia jäähdytysaineena. Primääripiirin putkien toisella puolella syntyvä höyry syötetään tavanomaiseen turbiiniin. Nestemetallijäähdytteisessä reaktorissa voidaan käyttää suhteellisen korkean energian neutroneja (nopea neutronireaktori) tai grafiitilla tai berylliumoksidilla moderoituja neutroneja. Jakoreaktoreina nestemäisellä metallilla jäähdytetyt nopeat neutronireaktorit ovat edullisempia, koska tässä tapauksessa hillitsemiseen ei liity neutronihäviöitä.

kaasujäähdytteinen reaktori.

Tällaisessa reaktorissa fissioprosessin aikana vapautuva lämpö siirretään höyrynkehittimeen kaasulla - hiilidioksidilla tai heliumilla. Neutronimoderaattori on yleensä grafiitti. Kaasujäähdytteinen reaktori voi toimia paljon korkeammissa lämpötiloissa kuin nestejäähdytteinen reaktori, joten se soveltuu teollisuuden lämmitysjärjestelmiin ja tehokkaisiin voimalaitoksiin. Pienille kaasujäähdytteisille reaktoreille on ominaista lisääntynyt käyttöturvallisuus, erityisesti reaktorin sulamisvaaran puuttuminen.

homogeeniset reaktorit.

Homogeenisten reaktorien sydämessä käytetään homogeenista nestettä, joka sisältää uraanin halkeamiskykyisen isotoopin. Neste on yleensä sulaa uraaniyhdistettä. Se pumpataan suureen pallomaiseen paineastiaan, jossa fissioketjureaktio tapahtuu kriittisessä massassa. Neste syötetään sitten höyrygeneraattoriin. Homogeeniset reaktorit eivät ole saavuttaneet suosiota suunnittelun ja teknisten vaikeuksien vuoksi.

REAKTIIVISUUS JA HALLINTA

Itseään ylläpitävän ketjureaktion mahdollisuus ydinreaktorissa riippuu siitä, kuinka paljon neutroneja vuotaa reaktorista. Fission aikana syntyvät neutronit katoavat absorption seurauksena. Lisäksi neutronivuoto on mahdollista diffuusion vuoksi aineen läpi, samalla tavalla kuin yhden kaasun diffuusio toisen läpi.

Ydinreaktorin ohjaamiseksi sinun on kyettävä hallitsemaan neutronien kerroin k, joka määritellään yhden sukupolven neutronien lukumäärän suhteeksi edellisen sukupolven neutronien lukumäärään. klo k= 1 (kriittinen reaktori) on paikallaan pysyvä ketjureaktio, jonka intensiteetti on vakio. klo k> 1 (ylikriittinen reaktori), prosessin intensiteetti kasvaa ja klo k r = 1 – (1/ k) kutsutaan reaktiivisuudeksi.)

Viivästyneiden neutronien ilmiöstä johtuen neutronien "syntymisaika" kasvaa 0,001 sekunnista 0,1 sekuntiin. Tämä tunnusomainen reaktioaika mahdollistaa sen ohjaamisen mekaanisten toimilaitteiden avulla - säätösauvoja, jotka on valmistettu materiaalista, joka absorboi neutroneja (B, Cd, Hf, In, Eu, Gd jne.). Ohjausaikavakion tulee olla luokkaa 0,1 s tai enemmän. Turvallisuuden takaamiseksi valitaan sellainen reaktorin toimintatapa, jossa jokaisessa sukupolvessa tarvitaan viivästettyjä neutroneja ylläpitämään paikallaan pysyvää ketjureaktiota.

Tietyn tehotason varmistamiseksi käytetään säätösauvoja ja neutroniheijastimia, mutta ohjausongelmaa voidaan yksinkertaistaa huomattavasti laskemalla reaktori oikein. Esimerkiksi jos reaktori on suunniteltu niin, että tehon tai lämpötilan kasvaessa reaktiivisuus laskee, se on vakaampi. Esimerkiksi jos hidastus on riittämätön, reaktorissa oleva vesi laajenee lämpötilan nousun seurauksena, ts. moderaattorin tiheys pienenee. Tämän seurauksena neutronien absorptio uraani-238:ssa paranee, koska niillä ei ole aikaa tehokkaasti hidastua. Joissakin reaktoreissa käytetään tekijää lisäämään neutronien vuotoa reaktorista veden tiheyden pienenemisen vuoksi. Toinen tapa stabiloida reaktoria on lämmittää "resonoivaa neutroniabsorberia", kuten uraani-238:aa, joka sitten absorboi neutroneja voimakkaammin.

Turvajärjestelmät.

Reaktorin turvallisuus varmistetaan yhdellä tai toisella mekanismilla sen sammuttamiseksi, jos teho nousee jyrkästi. Tämä voi olla fyysisen prosessin mekanismi tai ohjaus- ja suojajärjestelmän toiminta tai molemmat. Painevesireaktoreita suunniteltaessa varaudutaan hätätilanteisiin, kun reaktoriin pääsee kylmää vettä, jäähdytysaineen virtausnopeuden laskua ja liian suurta reaktiivisuutta käynnistyksen aikana. Koska reaktion intensiteetti kasvaa lämpötilan laskiessa, kylmän veden jyrkän sisäänvirtauksen myötä reaktoriin, reaktiivisuus ja teho kasvavat. Suojajärjestelmässä on yleensä automaattinen lukitus, joka estää kylmän veden pääsyn sisään. Jäähdytysnesteen virtauksen pienentyessä reaktori ylikuumenee, vaikka sen teho ei kasvaisi. Tällaisissa tapauksissa automaattinen pysäytys on välttämätön. Lisäksi jäähdytyspumput on mitoitettava toimittamaan reaktorin sammuttamiseen tarvittavaa jäähdytysainetta. Hätätilanne voi syntyä käynnistettäessä liian korkealla reaktiivisella reaktorilla. Pienen tehotason vuoksi reaktori ei ehdi lämmetä tarpeeksi, jotta lämpötilasuoja toimisi ennen kuin on liian myöhäistä. Ainoa luotettava toimenpide tällaisissa tapauksissa on reaktorin huolellinen käynnistys.

Näiden hätätilanteiden välttäminen on melko yksinkertaista, jos noudatat seuraavaa sääntöä: kaikki toimet, jotka voivat lisätä järjestelmän reaktiivisuutta, on suoritettava huolellisesti ja hitaasti. Reaktorin turvallisuuskysymyksessä tärkeintä on ehdoton tarve reaktorisydämen pitkäkestoiseen jäähdytykseen sen fissioreaktion päätyttyä. Tosiasia on, että polttoainepatruunoihin jäävät radioaktiiviset fissiotuotteet vapauttavat lämpöä. Se on paljon vähemmän kuin täydessä tehotilassa vapautuva lämpö, ​​mutta se riittää sulattamaan polttoaine-elementit ilman tarvittavaa jäähdytystä. Lyhyt katkos jäähdytysveden syötössä johti merkittäviin ydinvaurioihin ja reaktorin onnettomuuteen Three Mile Islandilla (USA). Reaktorin sydämen tuhoutuminen on pienin vahinko tällaisen onnettomuuden sattuessa. Pahempaa, jos vaarallisia radioaktiivisia isotooppeja vuotaa. Suurin osa teollisuusreaktoreista on varustettu hermeettisesti suljetuilla turvakuorilla, joiden pitäisi estää isotooppien pääsy ympäristöön onnettomuuden sattuessa.

Lopuksi toteamme, että reaktorin tuhoutumismahdollisuus riippuu suurelta osin sen järjestelmästä ja suunnittelusta. Reaktorit voidaan suunnitella siten, että jäähdytysnesteen virtausnopeuden vähentäminen ei johda suuriin ongelmiin. Nämä ovat erilaisia ​​kaasujäähdytteisiä reaktoreita.