Regolazione del tasso di fissione nucleare. atomo "pacifico".

Lo schema di un reattore nucleare che utilizza neutroni termici (lenti) è mostrato in Fig. 5.1, qui 1 - barre di controllo, 2 - protezione biologica, 3 - protezione termica, 4 - moderatore, 5 - combustibile nucleare (barre di combustibile).

Quando un neutrone colpisce il nucleo dell'isotopo dell'uranio 235, si divide in due parti e vengono emessi diversi (2,5-3) nuovi neutroni secondari. Affinché una reazione a catena possa essere mantenuta in un reattore nucleare, è necessario che la massa di combustibile nucleare nel nocciolo del reattore non sia inferiore a quella critica. Il reattore deve contenere questa quantità 235U in modo che, in media, almeno uno dei neutroni risultanti in ciascun evento di fissione possa causare il successivo evento di fissione prima che lasci il nocciolo del reattore.

Figura 5.1. Schema schematico di un reattore nucleare a neutroni termici

Se il numero di neutroni viene mantenuto costante, la reazione di fissione avrà un carattere stazionario. Maggiore è il livello stazionario del numero di neutroni esistenti, maggiore è la potenza del reattore. Una potenza di 1 MW corrisponde ad una reazione a catena in cui si verificano 3 10 16 divisioni in 1 secondo.

Se il numero di neutroni aumenta si verificherà un'esplosione termica; se diminuisce la reazione si fermerà. La velocità di reazione è controllata utilizzando aste di controllo 1.

Lo stato attuale di un reattore nucleare può essere definito efficiente fattore di moltiplicazione dei neutroni o reattività, che sono interconnessi dalla relazione:

I seguenti valori sono tipici per queste quantità:

· - la reazione a catena aumenta nel tempo, il reattore è in uno stato supercritico, la sua reattività;

· , - il numero di fissioni nucleari è costante, il reattore è in uno stato critico stabile.

Un reattore nucleare può funzionare a lungo a una determinata potenza solo se dispone di una riserva di reattività all'inizio del funzionamento. Durante il funzionamento di un reattore nucleare, a causa dell'accumulo di frammenti di fissione nel combustibile, la sua composizione isotopica e chimica cambia e si formano elementi transuranici, principalmente Pu. I processi che si verificano nel reattore riducono la possibilità di una reazione a catena di fissione dei nuclei atomici.

Per mantenere e attuare una reazione a catena, è necessario limitare l'assorbimento dei neutroni da parte dei materiali che circondano il nocciolo del reattore. Ciò si ottiene utilizzando materiali (per la protezione biologica 2 e termica 3) che riflettono almeno parzialmente (idealmente il 50%) i neutroni, cioè non li ho consumati. Di particolare importanza è la scelta del refrigerante utilizzato per trasferire il calore dal nucleo alla turbina.

I neutroni prodotti a seguito della fissione possono essere veloci (alta velocità) o lenti (termici). Probabilità di cattura di un neutrone lento da parte di un nucleo 235U e la sua successiva scissione è maggiore di quella di un neutrone veloce. Pertanto, le barre di combustibile 5 sono circondate da speciali moderatori 4, che rallentano i neutroni, assorbendoli debolmente. Per ridurre la perdita di neutroni dal reattore, è dotato di un riflettore. I moderatori e i riflettori più comunemente usati sono la grafite, pesante ( D2O), acqua normale, ecc.

Il numero di neutroni stazionari esistenti determina il numero di frammenti di fissione nucleare formati, che volano via in direzioni diverse a velocità enorme. La rottura dei frammenti porta al riscaldamento del carburante e delle pareti delle barre di combustibile. Per rimuovere questo calore, il reattore viene alimentato refrigerante, il cui riscaldamento è lo scopo del reattore. Spesso la stessa sostanza, ad esempio l'acqua normale, svolge le funzioni refrigerante, moderatore e riflettore. L'acqua viene fornita al reattore utilizzando pompe di circolazione principali(MCP).

Indietro avanti

Attenzione! Le anteprime delle diapositive sono solo a scopo informativo e potrebbero non rappresentare tutte le funzionalità della presentazione. Se sei interessato a quest'opera, scarica la versione completa.

Obiettivi della lezione:

• Educativo: aggiornare le conoscenze esistenti; continuare la formazione di concetti: fissione dei nuclei di uranio, reazione a catena nucleare, condizioni per la sua occorrenza, massa critica; introdurre nuovi concetti: reattore nucleare, elementi principali di un reattore nucleare, struttura di un reattore nucleare e principio del suo funzionamento, controllo di una reazione nucleare, classificazione dei reattori nucleari e loro utilizzo;
• Educativo: continuare a sviluppare le capacità di osservare e trarre conclusioni, nonché sviluppare le capacità intellettuali e la curiosità degli studenti;
• Educativo: continuare a sviluppare un atteggiamento nei confronti della fisica come scienza sperimentale; coltivare un atteggiamento coscienzioso verso il lavoro, la disciplina e un atteggiamento positivo verso la conoscenza.

Tipo di lezione: imparare nuovo materiale.

Attrezzatura: installazione multimediale.

Durante le lezioni

1. Momento organizzativo.

Ragazzi! Oggi nella lezione ripeteremo la fissione dei nuclei di uranio, la reazione a catena nucleare, le condizioni per il suo verificarsi, la massa critica, impareremo cos'è un reattore nucleare, gli elementi principali di un reattore nucleare, la struttura di un reattore nucleare e il principio del suo funzionamento, controllo di una reazione nucleare, classificazione dei reattori nucleari e loro utilizzo.

2. Controllo del materiale studiato.

1. Il meccanismo di fissione dei nuclei di uranio.
2. Raccontaci il meccanismo di una reazione nucleare a catena.
3. Fornisci un esempio di reazione di fissione nucleare di un nucleo di uranio.
4. Cosa si chiama massa critica?
5. Come avviene una reazione a catena nell'uranio se la sua massa è inferiore a quella critica o maggiore di quella critica?
6. Qual è la massa critica dell'uranio 295? È possibile ridurre la massa critica?
7. In che modo è possibile cambiare il corso di una reazione nucleare a catena?
8. Qual è lo scopo di rallentare i neutroni veloci?
9. Quali sostanze vengono utilizzate come moderatori?
10. A causa di quali fattori è possibile aumentare il numero di neutroni liberi in un pezzo di uranio, garantendo così la possibilità che avvenga una reazione in esso?

3. Spiegazione del nuovo materiale.

Ragazzi, rispondete a questa domanda: qual è la parte principale di una centrale nucleare? ( reattore nucleare)

Ben fatto. Quindi, ragazzi, ora diamo un’occhiata a questo problema in modo più dettagliato.

Riferimento storico.

Igor Vasilyevich Kurchatov è un eccezionale fisico sovietico, accademico, fondatore e primo direttore dell'Istituto di energia atomica dal 1943 al 1960, direttore scientifico capo del problema atomico in URSS, uno dei fondatori dell'uso dell'energia nucleare per scopi pacifici . Accademico dell'Accademia delle scienze dell'URSS (1943). La prima bomba atomica sovietica fu testata nel 1949. Quattro anni dopo, la prima bomba all'idrogeno del mondo fu testata con successo. E nel 1949, Igor Vasilyevich Kurchatov iniziò a lavorare su un progetto di centrale nucleare. La centrale nucleare è l’araldo dell’uso pacifico dell’energia atomica. Il progetto fu portato a termine con successo: il 27 luglio 1954 la nostra centrale nucleare divenne la prima al mondo! Kurchatov si è rallegrato e si è divertito come un bambino!

Definizione di reattore nucleare.

Un reattore nucleare è un dispositivo in cui viene effettuata e mantenuta una reazione a catena controllata di fissione di determinati nuclei pesanti.

Il primo reattore nucleare fu costruito nel 1942 negli Stati Uniti sotto la guida di E. Fermi. Nel nostro paese, il primo reattore fu costruito nel 1946 sotto la guida di I.V.

Gli elementi principali di un reattore nucleare sono:

• combustibile nucleare (uranio 235, uranio 238, plutonio 239);
• moderatore di neutroni (acqua pesante, grafite, ecc.);
• refrigerante per rimuovere l'energia generata durante il funzionamento del reattore (acqua, sodio liquido, ecc.);
• Barre di controllo (boro, cadmio) - neutroni altamente assorbenti
• Un guscio protettivo che blocca le radiazioni (cemento con riempitivo di ferro).

Principio operativo reattore nucleare

Il combustibile nucleare si trova nel nucleo sotto forma di aste verticali chiamate elementi combustibili (elementi combustibili). Le barre di combustibile sono progettate per regolare la potenza del reattore.

La massa di ciascuna barra di combustibile è significativamente inferiore alla massa critica, quindi in una barra non può verificarsi una reazione a catena. Inizia dopo che tutte le barre di uranio sono state immerse nel nucleo.

Il nucleo è circondato da uno strato di sostanza che riflette i neutroni (riflettore) e da un guscio protettivo di cemento che intrappola i neutroni e altre particelle.

Rimozione del calore dalle celle a combustibile. Il liquido refrigerante, l'acqua, lava l'asta, riscaldata a 300°C ad alta pressione, ed entra negli scambiatori di calore.

Il ruolo dello scambiatore di calore è che l'acqua riscaldata a 300°C cede calore all'acqua normale e si trasforma in vapore.

Controllo della reazione nucleare

Il reattore è controllato utilizzando barre contenenti cadmio o boro. Quando le aste sono estese dal nocciolo del reattore, K > 1, e quando completamente retratte - K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Reattore a neutroni lenti.

La fissione più efficiente dei nuclei di uranio-235 avviene sotto l'influenza di neutroni lenti. Tali reattori sono chiamati reattori a neutroni lenti. I neutroni secondari prodotti da una reazione di fissione sono veloci. Affinché la loro successiva interazione con i nuclei di uranio-235 nella reazione a catena sia più efficace, vengono rallentati introducendo un moderatore nel nucleo, una sostanza che riduce l'energia cinetica dei neutroni.

Reattore a neutroni veloci.

I reattori a neutroni veloci non possono funzionare con l'uranio naturale. La reazione può essere mantenuta solo in una miscela arricchita contenente almeno il 15% di isotopo di uranio. Il vantaggio dei reattori a neutroni veloci è che il loro funzionamento produce una quantità significativa di plutonio, che può quindi essere utilizzata come combustibile nucleare.

Reattori omogenei ed eterogenei.

I reattori nucleari, a seconda del posizionamento relativo del combustibile e del moderatore, sono divisi in omogenei ed eterogenei. In un reattore omogeneo, il nucleo è una massa omogenea di combustibile, moderatore e refrigerante sotto forma di soluzione, miscela o massa fusa. Un reattore in cui il combustibile sotto forma di blocchi o gruppi di combustibile è posto in un moderatore, formando al suo interno un reticolo geometrico regolare, è chiamato eterogeneo.

Conversione dell'energia interna dei nuclei atomici in energia elettrica.

Un reattore nucleare è l'elemento principale di una centrale nucleare (NPP), che converte l'energia nucleare termica in energia elettrica. La conversione dell’energia avviene secondo il seguente schema:

• energia interna dei nuclei di uranio -
• energia cinetica dei neutroni e dei frammenti nucleari -
• energia interna dell'acqua -
• energia interna del vapore -
• energia cinetica del vapore -
• energia cinetica del rotore della turbina e del rotore del generatore -
• Energia elettrica.

Utilizzo dei reattori nucleari.

A seconda del loro scopo, i reattori nucleari possono essere reattori di potenza, convertitori e autofertilizzanti, di ricerca e multiuso, di trasporto e industriali.

I reattori nucleari vengono utilizzati per generare elettricità nelle centrali nucleari, nelle centrali elettriche navali, nelle centrali nucleari combinate di calore ed elettricità e nelle stazioni di fornitura di calore nucleare.

I reattori progettati per produrre combustibile nucleare secondario da uranio naturale e torio sono chiamati convertitori o autofertilizzanti. Nel reattore convertitore, il combustibile nucleare secondario produce meno di quanto inizialmente consumato.

In un reattore autofertilizzante viene effettuata la riproduzione ampliata del combustibile nucleare, ad es. risulta più di quanto è stato speso.

I reattori di ricerca vengono utilizzati per studiare i processi di interazione dei neutroni con la materia, studiare il comportamento dei materiali del reattore in campi intensi di neutroni e radiazioni gamma, ricerca radiochimica e biologica, produzione di isotopi e ricerca sperimentale sulla fisica dei reattori nucleari.

I reattori hanno diverse potenze, modalità operative stazionarie o pulsate. I reattori multiuso sono quelli che servono a diversi scopi, come generare energia e produrre combustibile nucleare.

Disastri ambientali nelle centrali nucleari

• 1957 - incidente in Gran Bretagna
• 1966 – fusione parziale del nucleo dopo un guasto al raffreddamento del reattore vicino a Detroit.
• 1971: molta acqua inquinata finisce nel fiume US
• 1979 – il più grande incidente negli Stati Uniti
• 1982 – rilascio di vapore radioattivo nell’atmosfera
• 1983 - un terribile incidente in Canada (l'acqua radioattiva fuoriesce per 20 minuti - una tonnellata al minuto)
• 1986 – incidente in Gran Bretagna
• 1986 – incidente in Germania
• 1986 – Centrale nucleare di Chernobyl
• 1988 – incendio in una centrale nucleare in Giappone

Le moderne centrali nucleari sono dotate di PC, ma in precedenza, anche dopo un incidente, i reattori continuavano a funzionare, poiché non esisteva un sistema di spegnimento automatico.

4. Fissare il materiale.

1. Come si chiama un reattore nucleare?
2. Qual è il combustibile nucleare in un reattore?
3. Quale sostanza funge da moderatore di neutroni in un reattore nucleare?
4. Qual è lo scopo di un moderatore di neutroni?
5. A cosa servono le aste di controllo? Come vengono utilizzati?
6. Cosa viene utilizzato come refrigerante nei reattori nucleari?
7. Perché è necessario che la massa di ciascuna barra di uranio sia inferiore alla massa critica?

5. Esecuzione del test.

1. Quali particelle sono coinvolte nella fissione dei nuclei di uranio?
   A. protoni;
   B. neutroni;
   B. elettroni;
   G. nuclei di elio.
2. Quale massa di uranio è critica?
   A. il massimo al quale è possibile una reazione a catena;
   B. qualsiasi massa;
   B. il minimo al quale è possibile una reazione a catena;
   D. la massa alla quale si fermerà la reazione.
3. Qual è la massa critica approssimativa dell'uranio 235?
   R.9 kg;
   B.20 kg;
   B.50 kg;
   G.90kg.
4. Quale delle seguenti sostanze può essere utilizzata nei reattori nucleari come moderatori di neutroni?
   A. grafite;
   B. cadmio;
   B. acqua pesante;
   G. boro.
5. Affinché si verifichi una reazione a catena nucleare in una centrale nucleare, il fattore di moltiplicazione dei neutroni deve essere:
   A. è uguale a 1;
   B. più di 1;
   V. meno di 1.
6. La velocità di fissione dei nuclei degli atomi pesanti nei reattori nucleari è controllata da:
   A. a causa dell'assorbimento dei neutroni quando si abbassano le aste con un assorbitore;
   B. a causa di un aumento della rimozione del calore con un aumento della velocità del liquido di raffreddamento;
   B. aumentando la fornitura di elettricità ai consumatori;
   G. riducendo la massa del combustibile nucleare nel nucleo durante la rimozione delle barre con il combustibile.
7. Quali trasformazioni energetiche avvengono in un reattore nucleare?
   A. l'energia interna dei nuclei atomici viene convertita in energia luminosa;
   B. l'energia interna dei nuclei atomici viene convertita in energia meccanica;
   B. l'energia interna dei nuclei atomici viene convertita in energia elettrica;
   D. nessuna delle risposte è corretta.
8. Nel 1946 venne costruito il primo reattore nucleare nell’Unione Sovietica. Chi era il leader di questo progetto?
   A. S. Korolev;
   B. I. Kurcatov;
   V. D. Sakharov;
   G. A. Prokhorov.
9. Quale strada ritiene più accettabile per aumentare l'affidabilità delle centrali nucleari e prevenire la contaminazione dell'ambiente esterno?
   A. sviluppo di reattori in grado di raffreddare automaticamente il nocciolo del reattore indipendentemente dalla volontà dell'operatore;
   B. aumentare l'alfabetizzazione sul funzionamento delle centrali nucleari, il livello di preparazione professionale degli operatori delle centrali nucleari;
   B. sviluppo di tecnologie altamente efficienti per lo smantellamento delle centrali nucleari e il trattamento dei rifiuti radioattivi;
   D. ubicazione dei reattori in profondità nel sottosuolo;
   D. rifiuto di costruire e gestire una centrale nucleare.
10. Quali fonti di inquinamento ambientale sono associate al funzionamento delle centrali nucleari?
    A. industria dell'uranio;
    B. reattori nucleari di vario tipo;
    B. industria radiochimica;
    D. siti di trattamento e smaltimento dei rifiuti radioattivi;
    D. utilizzo dei radionuclidi nell'economia nazionale;
    E. esplosioni nucleari.

Risposte: 1 B; 2 V; 3 V; 4A, B; 5A; 6A; 7V;. 8B; 9 BV; 10 A, B, C, D, E.

6. Riepilogo della lezione.

Cosa hai imparato di nuovo in classe oggi?

Cosa ti è piaciuto della lezione?

che domande hai?

GRAZIE PER IL TUO LAVORO NELLA LEZIONE!

La reazione nucleare di neutroni della fissione dei nuclei pesanti, come già notato, è la reazione principale e centrale nei reattori nucleari. Pertanto, ha senso fin dall'inizio conoscere i concetti fisici della reazione di fissione e quelle delle sue caratteristiche che in un modo o nell'altro lasciano il segno in tutti gli aspetti della vita e della quotidianità del complesso tecnico più complesso, che si chiama centrale nucleare.

Un'idea della fissione del nucleo di uranio-235 nelle immagini visive è data in Fig. 2.6.

Neutrone Nucleo di massa A Nucleo composto eccitato Frammenti di fissione

Neutroni di fissione

Fig.2.6. Rappresentazione schematica della fissione nucleare di 235 U.

Sulla base di questo diagramma, l'"equazione" generalizzata della reazione di fissione (che è logica piuttosto che strettamente matematica) può essere scritta come:

235 U + 1 n  (236 U) *  (F 1)* + (F 2)* +  5. 1 n + a + b + c + E

- (F 1)* e (F 2)* - designazioni simboliche eccitato frammenti di fissione (l'indice (*) di seguito indica elementi instabili, eccitati o radioattivi); il frammento (F 1)* ha massa A 1 e carica Z 1, il frammento (F 2)* ha massa A 2 e carica Z 2;

-  5 . 1 n sono designati  5 neutroni di fissione rilasciati in media in ogni evento di fissione del nucleo di uranio-235;

- ,  e  - -particelle, -particelle e -quanti, il cui numero medio per atto di fissione del nucleo di uranio-235 è pari rispettivamente ad a, b e c;

E è la quantità media di energia rilasciata nell'atto di fissione.

Sottolineiamo ancora una volta: l'espressione scritta sopra non è un'equazione nel senso stretto del termine; piuttosto, è semplicemente una forma di notazione facile da ricordare che riflette le caratteristiche principali della reazione di fissione dei neutroni:

a) formazione di frammenti di fissione;

b) la formazione di nuovi neutroni liberi durante la fissione, che d'ora in poi chiameremo brevemente neutroni di fissione;

c) la radioattività dei frammenti di fissione, che provoca la loro ulteriore trasformazione in formazioni più stabili, che si traduce in una serie di effetti collaterali - sia positivi, utili che negativi, che devono essere presi in considerazione durante la progettazione, la costruzione e il funzionamento dei reattori nucleari;

d) il rilascio di energia durante la fissione è la proprietà principale della reazione di fissione, che rende possibile la creazione energico reattore nucleare.

Ciascuno dei processi fisici sopra elencati che accompagnano la reazione di fissione gioca un certo ruolo nel reattore e ha una sua pratica Senso. Andiamo quindi a conoscerli più nel dettaglio.

2.2.1. Formazione di frammenti di fissione. In una certa misura, un singolo atto di fissione nucleare può essere definito un fenomeno casuale, tenendo presente che il nucleo pesante dell'uranio, formato da 92 protoni e 143 neutroni, è fondamentalmente capace di scindersi in un numero diverso di frammenti con masse atomiche diverse. In questo caso, la valutazione della possibilità di dividere un nucleo in 2, 3 o più frammenti può essere affrontata con misure probabilistiche. Secondo i dati forniti, la probabilità che un nucleo si divida in due frammenti è superiore al 98%, quindi la stragrande maggioranza delle fissioni termina con la formazione di esattamente due frammenti.

Studi spettroscopici sui prodotti di fissione hanno identificato più di 600 frammenti di fissione qualitativamente diversi con diverse masse atomiche. E qui, in un apparente incidente, con tante divisioni, ne è subito emersa una modello generale che può essere brevemente espresso come segue:

La probabilità della comparsa di un frammento di una certa massa atomica durante la fissione di massa di un particolare nuclide è un valore strettamente definito caratteristico di questo nuclide fissile.

Questa quantità viene solitamente chiamata resa del frammento specifico , indicato con una piccola lettera greca  io(gamma) con un pedice - un simbolo dell'elemento chimico di cui questo frammento è il nucleo, o un simbolo di un isotopo.

Ad esempio, negli esperimenti fisici è stato registrato che un frammento di xeno-135 (135 Xe) appare in media in tre casi ogni mille fissioni di nuclei di 235 U. Ciò significa che la resa specifica di 135 frammenti Xe è

 Xe= 3/1000 = 0,003 di tutte le divisioni,

e in relazione ad un singolo evento di fissione del nucleo di 235 U, il valore  Xe = 0,003 = 0,3% - è la probabilità che la fissione provochi la formazione di un frammento 135 Eh.

Una chiara valutazione del modello di formazione dei frammenti di fissione di diverse masse atomiche è data dalle curve della resa specifica dei frammenti (Fig. 2.7).

10

70 80 90 100 110 120 130 140 150 A, u.m.

Riso. 2.7. Rese specifiche di frammenti di fissione di varie masse atomiche

durante la fissione dei nuclei 235 U (linea continua) e 239 Pu (linea tratteggiata).

La natura di queste curve ci permette di concludere quanto segue:

a) Le masse atomiche dei frammenti formati durante la fissione, nella stragrande maggioranza dei casi, sono comprese tra 70  165 amu. La resa specifica dei frammenti più leggeri e più pesanti è molto piccola (non supera il 10-4%).

b) La fissione simmetrica dei nuclei (cioè la fissione in due frammenti di uguale massa) è estremamente rara: la loro resa specifica non supera lo 0,01% per i nuclei di uranio-235 e lo 0,04% per i nuclei di plutonio-239.

c) Molto spesso formato polmoni frammenti con numero di massa compreso tra 83 104 amu. E pesante frammenti con A = 128  149 a.m.u. (il loro rendimento specifico è pari o superiore all'1%).

d) La fissione di 239 Pu sotto l'influenza di neutroni termici porta alla formazione di diversi più severo frammenti rispetto ai frammenti di fissione di 235 U.

*) In futuro, studiando la cinetica del reattore e i processi di avvelenamento e scoria, dovremo più di una volta fare riferimento ai valori delle rese specifiche di molti frammenti di fissione quando elaboreremo equazioni differenziali che descrivono i processi fisici nel nocciolo del reattore.

La comodità di questo valore è che, conoscendo la velocità della reazione di fissione (il numero di fissioni per unità di volume della composizione del combustibile per unità di tempo), è facile calcolare la velocità di formazione di eventuali frammenti di fissione, il cui accumulo nel reattore in un modo o nell'altro ne influenza il funzionamento:

Tasso di generazione dell'i-esimo frammento =  io  (velocità di reazione di fissione)

E ancora una nota relativa alla formazione di frammenti di fissione. I frammenti di fissione generati durante la fissione hanno elevate energie cinetiche. Trasferendo la loro energia cinetica durante le collisioni con gli atomi del mezzo di composizione del carburante, la fissione si frammenta aumentare il livello medio di energia cinetica di atomi e molecole, che, secondo le idee della teoria cinetica, è percepito da noi come aumento della temperatura composizione del carburante o come generazione di calore in esso.

La maggior parte del calore nel reattore viene generata in questo modo.

Questo è un certo ruolo positivo della formazione di frammenti nel processo operativo di un reattore nucleare.

2.2.2. Produzione di neutroni di fissione. Il fenomeno fisico chiave che accompagna il processo di fissione dei nuclei pesanti è emissione di neutroni veloci secondari da parte di frammenti di fissione eccitati, Altrimenti chiamato neutroni immediati O neutroni di fissione.

Il significato di questo fenomeno (scoperto da F. Joliot-Curie e dai suoi colleghi - Albano e Kowarski - nel 1939) è innegabile: è grazie ad essa che durante la fissione dei nuclei pesanti compaiono nuovi neutroni liberi che sostituiscono quelli che hanno causato la fissione; questi nuovi neutroni possono interagire con altri nuclei fissili nel combustibile e provocarne la fissione, seguita dall'emissione di nuovi neutroni di fissione, ecc. Cioè, a causa della formazione di neutroni di fissione, diventa possibile organizzare un processo di fissioni che si susseguono uniformemente nel tempo senza la fornitura di neutroni liberi al mezzo contenente combustibile da una fonte esterna. In una tale consegna, in poche parole, non necessario, purché si trovino gli “strumenti” con l'aiuto dei quali viene effettuata la fissione nucleare qui, proprio in questo ambiente, in uno stato legato nei nuclei fissili; per “mettere in azione” i neutroni legati è sufficiente liberarli, cioè dividere il nucleo in frammenti, e poi i frammenti stessi completeranno il tutto: a causa del loro stato eccitato emetteranno “extra ” neutroni dalla loro composizione, interferendo con la loro stabilità, e ciò avverrà in un tempo dell'ordine di 10 -15 - 10 -13 s, coincidente in ordine di grandezza con il tempo in cui il nucleo del composto rimane in uno stato eccitato. Questa coincidenza ha dato origine all'idea della comparsa dei neutroni di fissione non da frammenti di fissione eccitati sovrasaturati di neutroni dopo la fine della fissione, ma direttamente in quel breve periodo di tempo durante il quale avviene la fissione nucleare. Quello non è Dopo atto di divisione, e durante questo atto, come se contemporaneamente alla distruzione del nucleo. Per lo stesso motivo, questi neutroni vengono spesso chiamati neutroni immediati.

L'analisi delle possibili combinazioni di protoni e neutroni in nuclei stabili di varie masse atomiche (ricordate il diagramma dei nuclei stabili) e il loro confronto con la composizione qualitativa dei prodotti di fissione lo hanno dimostrato probabilità di formazionesostenibile Ci sono pochissimi frammenti durante la fissione. Ciò significa che nasce la stragrande maggioranza dei frammenti instabile e possono emettere uno, due, tre o anche più neutroni di fissione “extra” per la loro stabilità, ed è chiaro che ogni specifico frammento eccitato deve emettere il tuo, rigorosamente definito, il numero di neutroni di fissione “extra” per la sua stabilità.

Ma poiché ogni frammento con un gran numero di fissioni ha una resa specifica rigorosamente definita, allora con un certo numero elevato di fissioni sarà certo anche il numero di frammenti di fissione di ciascun tipo formati e, di conseguenza, il numero di neutroni di fissione emessi da saranno certi anche i frammenti di ciascun tipo, e ciò significa che sarà certo anche il loro numero totale. Dividendo il numero totale di neutroni prodotti nelle fissioni per il numero di fissioni in cui sono stati prodotti, dovremmo ottenere numero medio di neutroni di fissione emessi in un evento di fissione, che, sulla base del ragionamento sopra esposto, dovrebbe anche essere rigorosamente definito e costante per ciascun tipo di nuclide fissile. Questa costante fisica di un nuclide fissile è designata  .

Secondo i dati del 1998 (il valore di questa costante viene periodicamente aggiornato in base ai risultati di un'analisi di esperimenti fisici in tutto il mondo) durante la fissione sotto l'influenza di neutroni termici

Per l'uranio-235  5 = 2.416,

Per il plutonio-239  9 = 2.862,

Per il plutonio-241  1 = 2.938, ecc.

È utile l'ultima osservazione: il valore della costante  dipende in modo significativo dall'entità dell'energia cinetica dei neutroni che provocano la fissione e, al crescere di quest'ultima, aumenta approssimativamente in modo direttamente proporzionale a E.

Per i due nuclidi fissili più importanti, le dipendenze approssimative (E) sono descritte da espressioni empiriche:

Per l'uranio-235  5 (E) = 2.416 + 0.1337 E;

Per il plutonio-239  9 (E) = 2.862 + 0.1357 E.

*) L'energia del neutrone E è sostituita in [MeV].

Pertanto, il valore della costante , calcolato utilizzando queste formule empiriche, a diverse energie dei neutroni può raggiungere i seguenti valori:

Quindi, la prima caratteristica dei neutroni di fissione emessi durante la fissione di specifici nuclidi fissili è l'intrinseca numero medio di neutroni di fissione prodotti in un evento di fissione .

È un dato di fatto che vale per tutti i nuclidi fissili  > 1, crea un prerequisito per la fattibilità catena Reazione di fissione dei neutroni. È chiaro che da implementare Reazione a catena di fissione autosufficienteè necessario creare le condizioni affinché ciò accada uno da  neutroni ottenuti nell'atto di fissione sicuramente chiamato la successiva divisione di un altro nucleo, e riposo ( - 1) neutroni in qualche modo esclusi dal processo di fissione nucleare. Altrimenti l’intensità delle divisioni aumenterà nel tempo come una valanga (che è ciò che accade in bomba atomica).

Poiché è ormai noto che il valore della costante  aumenta con l'aumentare dell'energia dei neutroni che causano la fissione, sorge una domanda logica: con quale energia cinetica nato neutroni di fissione?

La risposta a questa domanda è data dalla seconda caratteristica dei neutroni di fissione, chiamata spettro energetico dei neutroni di fissione e rappresentare la funzione di distribuzione dei neutroni di fissione sulle loro energie cinetiche.

Se in un'unità (1 cm3) appare il volume del mezzo in un determinato momento nel tempo N neutroni di fissione di tutte le energie possibili, quindi spettro energetico normalizzatoè una funzione della quantità di energia E, il cui valore ad ogni particolare valore di E mostra quale parte (proporzione) di tutti questi neutroni sono neutroni con energie dell'intervallo elementare dE vicine all'energia E. In altre parole, stiamo parlando dell'espressione

La distribuzione energetica dei neutroni di fissione è descritta in modo abbastanza accurato Funzione spettrale di Watt(Watt):

N(E) = 0.4839
, (2.2.2)

una cui illustrazione grafica è la Fig. 2.8. nella pagina successiva.

Lo spettro di Watt mostra che sebbene i neutroni di fissione siano prodotti con energie molto diverse, comprese in un intervallo molto ampio, la maggior parte dei neutroni ha energia iniziale,uguale a E nv = 0,7104 MeV, corrispondente al massimo della funzione spettrale di Watt. Nel significato, questo valore è l'energia più probabile dei neutroni di fissione.

Un'altra quantità che caratterizza lo spettro energetico dei neutroni di fissione è energia media dei neutroni di fissione , cioè la quantità di energia che ogni neutrone di fissione avrebbe se l'energia reale totale di tutti i neutroni di fissione fosse equamente divisa tra loro:

E av =  E n(E) dE /  n(E) dE (2.2.3)

Sostituendo l'espressione (2.2.2) nella (2.2.3) si ottiene l'energia media dei neutroni di fissione

E Mercoledì = 2,0 MeV

E questo significa questo quasi tutto nascono i neutroni di fissione veloce(cioè con le energie E > 0.1 MeV). Ma vengono prodotti pochi neutroni veloci con energie cinetiche relativamente elevate (meno dell'1%), sebbene un numero notevole di neutroni di fissione appaia con energie fino a 18 - 20 MeV.

0 1 2 3 4 5 E, MeV

Fig.2.8. Lo spettro energetico dei neutroni di fissione è lo spettro di Watt.

Gli spettri di neutroni di fissione per diversi nuclidi fissili differiscono l'uno dall'altro leggermente. Diciamo, per i nuclidi 235 U e 239 Pu che ci interessano principalmente, i valori delle energie medie dei neutroni di fissione (corretti in base ai risultati di esperimenti fisici):

E av = 1.935 MeV - per 235 U ed E av = 2.00 MeV - per 239 Pu

Il valore dell'energia media dello spettro dei neutroni di fissione aumenta con l'aumentare dell'energia dei neutroni che causano la fissione, ma questo aumento è insignificante(almeno nell'intervallo 10 - 12 MeV). Questo ci permette di ignorarlo e di calcolare approssimativamente lo spettro energetico dei neutroni di fissione uniforme per vari combustibili nucleari e per reattori a spettro diverso (veloci, intermedi e termici).

Per l'uranio-238, nonostante la natura soglia della sua fissione, anche lo spettro dei neutroni di fissione coincide praticamente con l'espressione(2.2.2), e la dipendenza del numero medio di neutroni di fissione  8 dall'energia dei neutroni che causano la fissione - anch'esso praticamente lineare a energie superiori alla soglia ( E P = 1.1 MeV):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Radioattività dei frammenti di fissione. Si è già detto che sono stati identificati circa 600 tipi di frammenti di fissione, diversi per massa e carica protonica, e che praticamente Tutto sono natimolto eccitato .

La questione è ulteriormente complicata dal fatto che portano con sé un'eccitazione significativa e Dopo emissione di neutroni di fissione. Pertanto, in un naturale desiderio di stabilità, continuano a “scaricare” l’energia in eccesso al di sopra del livello dello stato fondamentale finché questo livello non viene raggiunto.

Questa scarica viene effettuata mediante l'emissione sequenziale di frammenti di tutti i tipi di radiazioni radioattive (radiazioni alfa, beta e gamma) e per diversi frammenti si verificano diversi tipi di decadimento radioattivo in sequenze diverse e (a causa delle differenze nei valori delle costanti di decadimento ) sono allungati a vari livelli nel tempo.

Pertanto, in un reattore nucleare in funzione, non solo il processo risparmio frammenti radioattivi, ma anche il processo di continuo trasformazione: se ne conosce un gran numero Catene trasformazioni successive, che alla fine portano alla formazione di nuclei stabili, ma tutti questi processi richiedono tempi diversi, per alcune catene - molto brevi, e per altre - piuttosto lunghi.

Pertanto, la radiazione radioattiva non solo accompagna la reazione di fissione lavorando reattore, ma vengono emessi anche dal combustibile per un lungo periodo dopo lo spegnimento.

Questo fattore, in primo luogo, dà origine a un tipo speciale di pericolo fisico: il pericolo esposizione del personale, manutenzione dell'installazione del reattore, brevemente denominata pericolo di radiazioni. Ciò costringe i progettisti dell’impianto del reattore a provvedere al suo ambiente. protezione biologica, posizionarlo in stanze isolate dall'ambiente e adottare una serie di altre misure per eliminare la possibilità di esposizione pericolosa delle persone e contaminazione radioattiva dell'ambiente.

In secondo luogo, dopo lo spegnimento del reattore, tutti i tipi di radiazione radioattiva, sebbene diminuendo di intensità, continuano a interagire con i materiali del nocciolo e, come gli stessi frammenti di fissione nel periodo iniziale della loro esistenza libera, trasferiscono la loro energia cinetica al reattore. gli atomi del mezzo centrale, aumentando la loro energia cinetica media. Questo è nel reattore dopo il suo spegnimento calore di decadimento .

È facile capire che la potenza del rilascio di calore residuo nel reattore al momento dello spegnimento è direttamente proporzionale al numero di frammenti accumulati durante il funzionamento del reattore in quel momento, e la velocità del suo declino è successivamente determinata dalla emivite di questi frammenti. Da quanto detto ne segue un'altra negativo fattore dovuto alla radioattività dei frammenti di fissione - necessitàlungo termineraffreddamento nocciolo del reattore dopo lo spegnimento per rimuovere il calore residuo, e questo è associato ad un notevole consumo di energia elettrica e alla durata del motore degli apparecchi di circolazione.

Pertanto, la formazione di frammenti radioattivi durante la fissione in un reattore è principalmente un fenomeno negativo, ma... ogni nuvola ha un lato positivo!

Nelle trasformazioni radioattive dei frammenti di fissione si possono vedere anche positivo aspetto che i reattori nucleari letteralmente devono la loro esistenza . Il fatto è che della grande varietà di frammenti di fissione, esistono circa 60 tipi che, dopo il primo decadimento , diventano neutronattivo , in grado di emettere i cosiddetti in ritardo neutroni. Nel reattore vengono emessi relativamente pochi neutroni ritardati (circa lo 0,6% del numero totale di neutroni generati), ma è grazie alla loro esistenza che è possibile gestione sicura reattore nucleare; Ne saremo convinti studiando la cinetica di un reattore nucleare.

2.2.4. Rilascio di energia durante la fissione. La reazione di fissione nucleare in fisica è una delle chiare conferme dell'ipotesi di A. Einstein sulla relazione tra massa ed energia, che in relazione alla fissione nucleare è formulata come segue:

La quantità di energia rilasciata durante la fissione nucleare è direttamente proporzionale alla dimensione del difetto di massa e il coefficiente di proporzionalità in questa relazione è il quadrato della velocità della luce:

E=  mс 2

Durante la fissione nucleare, l'eccesso (difetto) di massa è definito come la differenza nella somma delle masse rimanenti dei prodotti iniziali della reazione di fissione (cioè nucleo e neutrone) e dei prodotti risultanti della fissione nucleare (frammenti di fissione, frammenti di fissione neutroni e altre microparticelle emesse sia durante il processo di fissione che dopo di esso).

L'analisi spettroscopica ha permesso di determinare la maggior parte dei prodotti di fissione e le loro rese specifiche. Su questa base si è rivelato non così difficile da calcolare privato l'entità dei difetti di massa per vari risultati della fissione dei nuclei di uranio-235 e da essi - calcolare la quantità media di energia rilasciata in una singola fissione, che si è rivelata vicina

mc 2 = 200 MeV

Basta confrontare questo valore con l'energia sprigionata nell'atto di uno dei più endotermici chimico reazioni - reazioni di ossidazione del carburante per missili (valore inferiore a 10 eV) - per comprendere che a livello degli oggetti del micromondo (atomi, nuclei) 200 MeV - energia molto elevata: è almeno otto ordini di grandezza (100 milioni di volte) maggiore dell'energia ottenuta dalle reazioni chimiche.

L'energia di fissione viene dissipata dal volume in cui è avvenuta la fissione nucleare attraverso vari materiali portatori: frammenti di fissione, neutroni di fissione, particelle  e , quanti  e perfino neutrini e antineutrini.

La distribuzione dell'energia di fissione tra i portatori di materiale durante la fissione dei nuclei 235 U e 239 Pu è riportata nella Tabella 2.1.

Tabella 2.1. Distribuzione dell'energia di fissione dei nuclei di uranio-235 e plutonio-239 tra i prodotti di fissione.

Vari componenti dell'energia di fissione vengono trasformati in calore non allo stesso tempo.

I primi tre componenti si trasformano in calore in un tempo inferiore a 0,1 s (contando dal momento della divisione), e quindi sono chiamati fonti istantanee di rilascio di calore.

Le radiazioni  e  provenienti dai prodotti di fissione sono emesse da frammenti eccitati con le più diverse emivite(da poche frazioni di secondo a diverse decine di giorni, se si prendono in considerazione solo i frammenti con rendimento specifico notevole), e quindi il processo sopra menzionato calore di decadimento, causato proprio dalle emissioni radioattive dei prodotti di fissione, può durare decine di giorni dopo lo spegnimento del reattore.

*) Secondo stime molto approssimative, la potenza di rilascio del calore residuo nel reattore dopo lo spegnimento diminuisce nel primo minuto - del 30-35% dopo la prima ora di spegnimento del reattore, è circa il 30% della potenza; al quale il reattore ha funzionato prima dello spegnimento e dopo il primo giorno di parcheggio - circa il 25%. È chiaro che fermare il raffreddamento forzato del reattore in tali condizioni è fuori discussione, perché Anche una cessazione a breve termine della circolazione del liquido di raffreddamento nel nucleo è irta del pericolo di distruzione termica degli elementi di combustibile. Solo dopo diversi giorni di raffreddamento forzato del reattore, quando la potenza di rilascio del calore residuo è ridotta al livello del liquido refrigerante rimosso per convezione naturale, è possibile arrestare i mezzi di circolazione del circuito primario.

La seconda domanda pratica per un ingegnere: dove e quale parte dell'energia di fissione viene trasformata in calore nel reattore? - poiché ciò è dovuto alla necessità di organizzare un'equilibrata rimozione del calore dalle sue varie parti interne, progettate in diverse esecuzioni tecnologiche.

Composizione del carburante, che contiene nuclidi fissili, è contenuto in gusci sigillati che impediscono il rilascio di frammenti formati dalla composizione del combustibile degli elementi combustibili (elementi combustibili) nel liquido di raffreddamento che li raffredda. E, se i frammenti di fissione in un reattore funzionante non lasciano gli elementi combustibili, è chiaro che le energie cinetiche dei frammenti e delle particelle  debolmente penetranti vengono convertite in calore all'interno delle barre di combustibile.

Le energie dei neutroni di fissione e della radiazione  vengono trasformate in calore solo all'interno degli elementi combustibili parzialmente: genera la capacità di penetrazione dei neutroni e delle radiazioni  intrattenimento gran parte della loro energia cinetica iniziale dai loro luoghi di nascita.

Conoscere il valore esatto dell'energia di fissione e la sua quota di calore risultante all'interno degli elementi combustibili è di grande importanza pratica, poiché consente di calcolare un'altra caratteristica praticamente importante chiamata rilascio di calore volumetrico specifico nel combustibile in barre di combustibile (Q v).

Ad esempio, se è noto che in 1 cm 3 della composizione del combustibile di un elemento combustibile, in 1 s R F fissioni dei nuclei di uranio-235, allora è ovvio: la quantità di energia termica generata ogni secondo in questa unità di volume (= potenza termica di 1 cm 3 di combustibile) è il rilascio di calore volumetrico specifico (o intensità energetica) carburante, e questo valore sarà pari a:

Q v = 0.9 .  E . R F (2.2.5)

La quota di energia di fissione ricevuta sotto forma di calore all'esterno degli elementi di combustibile nel nocciolo del reattore dipende dal tipo e dalla struttura del reattore e rientra (6  9)% dell'energia di fissione totale. (Ad esempio, per VVER-1000 questo valore è circa 8,3% e per RBMK-1000 è circa 7%).

Pertanto, la quota del rilascio di calore totale nel volume del nucleo dell’energia di fissione totale è 0,96  0,99, cioè con precisione tecnica coincide con l'energia totale di fissione.

Da qui un'altra caratteristica tecnica del nocciolo del reattore:

- intensità energetica media del nucleo(q v) az - potenza termica ricevuta per unità di volume del nucleo:

(qv)az = (0,96-0,99)  E . R F   E . R F (2.2.6)

Poiché l'energia è 1 MeV nel sistema SI corrisponde a 1.602. 10-13 J, quindi il valore dell'intensità energetica del nocciolo del reattore:

(qv)az 3.204 . 10-11 R F .

Pertanto, se è noto il valore dell'intensità energetica media sul volume del nucleo, allora potenza termica del reattore sarà ovviamente:

Q P= (qv)az. V az 3.204. 10-11 . R F . V az [W] (2.2.7)

La potenza termica del reattore è direttamente proporzionale velocità media

reazioni di fissione nel suo nucleo.

Conseguenza pratica : Vuoi che il reattore funzionilivello di potenza costante? - Crea condizioni tali che si verifichi la reazione di fissione nella sua zona attiva con velocità media costante nel tempo. Hai bisogno di aumentare (diminuire) la potenza del reattore? - Trova modi per aumentare (o diminuire) la velocità di reazione di conseguenza de lenia. Questo è il significato principale del controllo della potenza di un reattore nucleare.

Le relazioni e le conclusioni considerate sembrano ovvie solo nel caso più semplice, quando il componente del combustibile nel reattore è l'uranio-235. Tuttavia, ripetendo il ragionamento per un reattore con multicomponente composizione del combustibile, è facile verificare la proporzionalità tra la velocità media di reazione di fissione e la potenza termica del reattore nel caso più generale.

Pertanto, la potenza termica del reattore e distribuzione del calore nel suo nucleo sono direttamente proporzionali alla distribuzione della velocità di reazione di fissione sul volume della composizione del combustibile del nocciolo del reattore.

Ma da quanto detto risulta chiaro anche che la velocità della reazione di fissione deve essere correlato al numero di neutroni liberi nell'ambiente centrale, poiché sono loro (neutroni liberi) che provocano reazioni di fissione, cattura radiativa, diffusione e altre reazioni neutroniche. In altre parole, la velocità della reazione di fissione, l’energia rilasciata nel nocciolo e la potenza termica del reattore devono essere chiaramente correlate a Caratteristiche del campo neutronico nel suo volume.