KRITISCHE MASSE, die Mindestmasse an spaltbarem Material, die erforderlich ist, um eine KETTENREAKTION in einer Atombombe oder einem Atomreaktor zu starten. In einer Atombombe wird das explodierende Material in Teile zerlegt, von denen jedes weniger als kritisch ist ... ... Wissenschaftliches und technisches Lexikon

Siehe MASSE KRITISCH. Raizberg B.A., Lozovsky L.Sh., Starodubtseva E.B. Modernes Wirtschaftswörterbuch. 2. Aufl., rev. M.: INFRA M. 479 s.. 1999 ... Wirtschaftslexikon

KRITISCHE MASSE- die kleinste (siehe) spaltbare Substanz (Uran 233 oder 235, Plutonium 239 usw.), in der eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion der Spaltung von Atomkernen auftreten und ablaufen kann. Der Wert der kritischen Masse hängt von der Art des spaltbaren Materials, seiner ... ... Große polytechnische Enzyklopädie

KRITISCHE Masse, die Mindestmasse an spaltbarem Material (Kernbrennstoff), die den Ablauf einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion der Kernspaltung sicherstellt. Der Wert der kritischen Masse (Mcr) hängt von der Art des Kernbrennstoffs und seiner Geometrie ab ... ... Moderne Enzyklopädie

Die minimale Masse an spaltbarem Material, die den Fluss einer sich selbst erhaltenden Kernspaltungskettenreaktion gewährleistet ... Großes enzyklopädisches Wörterbuch

Kritische Masse ist die kleinste Brennstoffmasse, in der bei einer bestimmten Auslegung und Zusammensetzung des Kerns eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion der Kernspaltung ablaufen kann (hängt von vielen Faktoren ab, z. B.: Brennstoffzusammensetzung, Moderator, Form ... .. . Begriffe aus der Kernenergie

kritische Masse- Die kleinste Brennstoffmasse, in der eine sich selbst erhaltende Kettenreaktion der Kernspaltung ablaufen kann, bei einer bestimmten Auslegung und Zusammensetzung des Kerns (hängt von vielen Faktoren ab, z. B.: Brennstoffzusammensetzung, Moderator, Kernform und … .. . Handbuch für technische Übersetzer

Kritische Masse- KRITISCHE MASSE, die minimale Masse an spaltbarem Material (Kernbrennstoff), die den Ablauf einer sich selbst erhaltenden Kettenreaktion der Kernspaltung sicherstellt. Der Wert der kritischen Masse (Mcr) hängt von der Art des Kernbrennstoffs und seiner Geometrie ab ... ... Illustriertes enzyklopädisches Wörterbuch

Die Mindestmenge an Kernbrennstoff enthält spaltbare Nuklide (233U, 235U, 239Pu, 251Cf), mit Chrom ist eine Kettenreaktion der Kernspaltung möglich (siehe Kernspaltung. Kernreaktor, Kernexplosion). K. m. hängt von der Größe und Form ab ... ... Physikalische Enzyklopädie

Die minimale Masse an spaltbarem Material, die den Ablauf einer selbsterhaltenden Kettenreaktion der Kernspaltung sicherstellt. * * * KRITISCHE MASSE KRITISCHE MASSE, die Mindestmasse eines spaltbaren Materials, die den Fluss eines sich selbst erhaltenden ... Enzyklopädisches Wörterbuch

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• Kritische Masse, Veselova N., Im Buch von Natalia Veselova, Mitglied des Russischen Interregionalen Schriftstellerverbandes, Vollmitglied der Akademie für Russische Literatur und Bildende Kunst. G. R. Derzhavin, die Auserwählten traten ein ... Kategorie: Sonstige Veröffentlichungen
• Kritische Masse, Natalia Veselova, Im Buch von Natalia Veselova, Mitglied des Russischen Interregionalen Schriftstellerverbandes, Vollmitglied der Akademie für Russische Literatur und Bildende Kunst. G. R. Derzhavin, enthalten ausgewählte Geschichten ... Kategorie:

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Für einen sicheren Betrieb mit nuklear gefährlichen spaltbaren Stoffen müssen die Parameter der Ausrüstung weniger als kritisch sein. Als regulatorische Parameter für die nukleare Sicherheit werden verwendet: Menge, Konzentration und Volumen des nuklear gefährlichen spaltbaren Materials; Durchmesser der Ausrüstung mit zylindrischer Form; flache Schichtdicke für plattenförmige Geräte. Der normative Parameter wird basierend auf dem zulässigen Parameter festgelegt, der kleiner als der kritische Parameter ist und während des Betriebs des Geräts nicht überschritten werden sollte. Gleichzeitig ist es erforderlich, dass die Eigenschaften, die die kritischen Parameter beeinflussen, innerhalb streng definierter Grenzen liegen. Es werden die folgenden gültigen Parameter verwendet: Anzahl M zus , Volumen V zus , Durchmesser D zus , Schichtdicke t zus .

Unter Verwendung der Abhängigkeit der kritischen Parameter von der Konzentration eines nuklear gefährlichen spaltbaren Nuklids bestimmt man einen solchen Wert des kritischen Parameters, unterhalb dessen bei jeder Konzentration SCRD unmöglich ist. Beispielsweise haben für Lösungen von Plutoniumsalzen und angereichertem Uran die kritische Masse, das Volumen, der Durchmesser eines unendlichen Zylinders und die Dicke einer unendlichen flachen Schicht ein Minimum im Bereich der optimalen Verzögerung. Bei Mischungen von metallisch angereichertem Uran mit Wasser hat die kritische Masse wie bei Lösungen ein ausgeprägtes Minimum im Bereich der optimalen Verzögerung und das kritische Volumen den Durchmesser eines unendlichen Zylinders und die Dicke einer unendlichen flachen Schicht im oberen Bereich Anreicherung (>35%) haben in Abwesenheit eines Moderators minimale Werte (r n /r 5 =0); für eine Anreicherung unter 35 % haben die kritischen Parameter der Mischung bei optimaler Verzögerung ein Minimum. Offensichtlich gewährleisten die auf Basis der minimal kritischen Parameter eingestellten Parameter Sicherheit über den gesamten Konzentrationsbereich. Diese Parameter werden als sicher bezeichnet, sie sind kleiner als die minimalen kritischen Parameter. Dabei werden folgende sichere Parameter verwendet: Menge, Konzentration, Volumen, Durchmesser, Schichtdicke.

Bei der Gewährleistung der nuklearen Sicherheit des Systems wird die Konzentration des spaltbaren Nuklids (manchmal die Moderatormenge) zwangsläufig durch den zulässigen Parameter begrenzt, während gleichzeitig bei Verwendung des sicheren Parameters keine Beschränkungen der Konzentration auferlegt werden ( oder auf die Menge des Moderators).

2 KRITISCHE MASSE

Ob eine Kettenreaktion zustande kommt oder nicht, hängt vom Ausgang der Konkurrenz vierer Prozesse ab:

(1) Ausstoß von Neutronen aus Uran,

(2) Einfang von Neutronen durch Uran ohne Spaltung,

(3) Einfang von Neutronen durch Verunreinigungen.

(4) Einfang von Neutronen durch Uran mit Spaltung.

Wenn der Verlust an Neutronen bei den ersten drei Prozessen geringer ist als die Anzahl der Neutronen, die beim vierten freigesetzt werden, tritt eine Kettenreaktion auf; sonst ist es unmöglich. Wenn einer der ersten drei Prozesse sehr wahrscheinlich ist, wird der Überschuss an Neutronen, die während der Spaltung freigesetzt werden, offensichtlich nicht in der Lage sein, die Fortsetzung der Reaktion sicherzustellen. Wenn beispielsweise die Wahrscheinlichkeit des Prozesses (2) (Einfangen durch Uran ohne Spaltung) viel größer ist als die Wahrscheinlichkeit des Einfangens durch Spaltung, ist eine Kettenreaktion unmöglich. Eine zusätzliche Schwierigkeit wird durch das Isotop des natürlichen Urans eingeführt: Es besteht aus drei Isotopen: 234U, 235U und 238U, deren Beiträge 0,006, 0,7 bzw. 99,3 % betragen. Wichtig ist, dass die Wahrscheinlichkeiten der Prozesse (2) und (4) für verschiedene Isotope unterschiedlich sind und unterschiedlich von der Neutronenenergie abhängen.

Um die Konkurrenz verschiedener Prozesse unter dem Gesichtspunkt der Entwicklung eines Kettenprozesses der Kernspaltung in einem Stoff zu bewerten, wird der Begriff der "kritischen Masse" eingeführt.

Kritische Masse ist die Mindestmasse an spaltbarem Material, die den Ablauf einer selbsterhaltenden Kernspaltungskettenreaktion sicherstellt. Die kritische Masse ist umso kleiner, je kürzer die Spalthalbwertszeit und je höher die Anreicherung des Arbeitselements mit einem spaltbaren Isotop ist.

Kritische Masse - die Mindestmenge an spaltbarem Material, die erforderlich ist, um eine sich selbst erhaltende Spaltkettenreaktion zu starten. Der Neutronenmultiplikationsfaktor in einer solchen Materiemenge ist gleich Eins.

Kritische Masse ist die Masse des spaltbaren Materials des Reaktors, das sich in einem kritischen Zustand befindet.

Kritische Dimensionen eines Kernreaktors- die kleinsten Abmessungen des Reaktorkerns, bei denen noch eine sich selbst erhaltende Kernbrennstoffspaltungsreaktion durchgeführt werden kann. Nehmen Sie normalerweise unter der kritischen Größe das kritische Volumen der aktiven Zone.

Kritisches Volumen eines Kernreaktors- das Volumen des Reaktorkerns in einem kritischen Zustand.

Die relative Anzahl der Neutronen, die von Uran emittiert werden, kann durch Veränderung der Größe und Form reduziert werden. In einer Kugel sind Oberflächeneffekte proportional zum Quadrat und Volumeneffekte sind proportional zur dritten Potenz des Radius. Der Austritt von Neutronen aus Uran ist ein Oberflächeneffekt, abhängig von der Größe der Oberfläche; Einfangen mit Spaltung erfolgt im gesamten Volumen, das von dem Material eingenommen wird, und ist daher

volumetrischer Effekt. Je größer die Uranmenge ist, desto unwahrscheinlicher ist es, dass die Emission von Neutronen aus dem Uranvolumen den Einfang durch Spaltung überwiegt und eine Kettenreaktion verhindert. Der Verlust von Neutronen durch Nichtspaltungseinfang ist ein Masseneffekt, ähnlich der Freisetzung von Neutronen beim Spaltungseinfang, sodass eine zunehmende Größe ihre relative Bedeutung nicht ändert.

Die kritischen Abmessungen einer Uran enthaltenden Vorrichtung können als die Abmessungen definiert werden, bei denen die Anzahl der während der Spaltung freigesetzten Neutronen genau gleich ihrem Verlust durch Emission und Einfang ist, der nicht von einer Spaltung begleitet wird. Mit anderen Worten, wenn die Dimensionen unterkritisch sind, kann per Definition keine Kettenreaktion entstehen.

Nur ungerade Isotope können eine kritische Masse bilden. In der Natur kommt nur 235 U vor, und 239 Pu und 233 U sind künstlich, sie werden in einem Kernreaktor gebildet (als Ergebnis des Neutroneneinfangs durch 238 U-Kerne

und 232 Th, gefolgt von zwei aufeinanderfolgenden β-Zerfällen).

BEIM bei natürlichem uran kann sich bei keiner menge an uran eine spaltkettenreaktion entwickeln, bei isotopen wie z Der 235 U- und 239 Pu-Kettenprozess wird relativ einfach erreicht. In Anwesenheit eines Neutronenmoderators tritt auch in natürlichem Uran eine Kettenreaktion auf.

Eine notwendige Bedingung für die Durchführung einer Kettenreaktion ist das Vorhandensein einer ausreichend großen Menge an spaltbarem Material, da in Proben kleiner Größe die meisten Neutronen durch die Probe fliegen, ohne auf einen Kern zu treffen. Eine Kettenreaktion einer nuklearen Explosion tritt auf, wenn

spaltbares Material mit einer kritischen Masse.

Es gebe ein spaltbares Stück Materie, z. B. 235 U, in das ein Neutron eintritt. Dieses Neutron verursacht entweder eine Spaltung oder es wird nutzlos von der Substanz absorbiert oder tritt nach Diffusion durch die äußere Oberfläche aus. Es ist wichtig, was in der nächsten Phase passieren wird - wird die durchschnittliche Anzahl von Neutronen abnehmen oder abnehmen, d.h. schwächen oder eine Kettenreaktion entwickeln, d.h. ob sich das System in einem unterkritischen oder überkritischen (explosiven) Zustand befinden wird. Da die Emission von Neutronen durch die Größe (bei einer Kugel durch den Radius) gesteuert wird, ergibt sich das Konzept der kritischen Größe (und Masse). Damit sich die Explosion entwickeln kann, muss die Größe größer als die kritische sein.

Die kritische Größe eines spaltbaren Systems kann abgeschätzt werden, wenn die Neutronenweglänge im spaltbaren Material bekannt ist.

Das Neutron, das durch die Substanz fliegt, kollidiert gelegentlich mit dem Kern, es scheint seinen Querschnitt zu sehen. Die Größe des Querschnitts des Kerns σ=10-24 cm2 (Scheune). Wenn N die Anzahl der Kerne in einem Kubikzentimeter ist, dann ergibt die Kombination L = 1/N σ die mittlere Neutronenbahn bezüglich der Kernreaktion. Die Neutronenweglänge ist die einzige Dimensionsgröße, die als Ausgangspunkt für die Bewertung der kritischen Größe dienen kann. In jeder physikalischen Theorie werden Ähnlichkeitsmethoden verwendet, die wiederum aus dimensionslosen Kombinationen von dimensionalen Größen, Eigenschaften des Systems und Materie aufgebaut sind. Also dimensionslos

Die Zahl ist das Verhältnis des Radius eines Stücks spaltbaren Materials zur Länge des Weges der Neutronen darin. Wenn wir davon ausgehen, dass die dimensionslose Zahl in der Größenordnung von Eins liegt und die Weglänge bei einem typischen Wert von N = 1023, L = 10 cm

(für σ = 1) (normalerweise ist σ normalerweise viel höher als 1, daher ist die kritische Masse kleiner als unsere Schätzung). Die kritische Masse hängt vom Wirkungsquerschnitt der Spaltreaktion eines bestimmten Nuklids ab. Um eine Atombombe herzustellen, sind also ungefähr 3 kg Plutonium oder 8 kg 235 U (mit einem implosiven Schema und im Fall von reinem 235 U) erforderlich. Eine solche Masse beträgt ungefähr 8,5 cm, was überraschend gut ist mit unserer Schätzung übereinstimmen

R \u003d L \u003d 10 cm).

Lassen Sie uns nun eine strengere Formel zur Berechnung der kritischen Größe eines Stücks spaltbaren Materials herleiten.

Bekanntlich entstehen beim Zerfall eines Urankerns mehrere freie Neutronen. Einige von ihnen verlassen die Probe, andere werden von anderen Kernen absorbiert, was zu ihrer Spaltung führt. Eine Kettenreaktion tritt auf, wenn die Anzahl der Neutronen in einer Probe wie eine Lawine zu wachsen beginnt. Zur Bestimmung der kritischen Masse kann die Neutronendiffusionsgleichung verwendet werden:

	∂C	D C + β C
	∂t

wobei C die Neutronenkonzentration ist, β>0 die Neutronenmultiplikationsreist (ähnlich der radioaktiven Zerfallskonstante hat die Dimension 1/sec, D der Neutronendiffusionskoeffizient ist,

Die Probe sei kugelförmig mit dem Radius R. Dann müssen wir eine Lösung für Gleichung (1) finden, die die Randbedingung erfüllt: C (R,t )=0.

Nehmen wir also die Änderung C = ν e β t vor

∂C

∂ν

v = D

+ βν e

∂t

∂t

Wir haben die klassische Wärmeleitungsgleichung erhalten:

∂ν

D v

∂t

Die Lösung dieser Gleichung ist bekannt

π 2 n 2

ν(r, t)=

Sünde n re

π 2 n

β −

C(r,t) =

Sünde n re

rn = 1

Die Kettenreaktion wird unter der Bedingung ablaufen (das heißt,

C(r,t)

t →∞ → ∞ ) dass für mindestens ein n der Koeffizient in

Exponent ist positiv.

Wenn β − π 2 n 2 D > 0,

dann β > π 2 n 2 D und der kritische Radius der Kugel:

R = n

Wenn π

≥ R , dann gibt es für jedes n keinen wachsenden Exponenten

Wenn π

< R , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту.

Wir beschränken uns auf das erste Glied der Reihe, n = 1:

R = π

Kritische Masse:

M = ρV = ρ

Der kleinste Wert des Kugelradius, bei dem eine Kettenreaktion auftritt, wird genannt

kritischer Radius , und die Masse der entsprechenden Kugel ist kritische Masse.

Wenn wir den Wert für R einsetzen, erhalten wir die Formel zur Berechnung der kritischen Masse:

M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β

Der Wert der kritischen Masse hängt von der Form der Probe, dem Neutronenmultiplikationsfaktor und dem Neutronendiffusionskoeffizienten ab. Ihre Bestimmung ist ein komplexes experimentelles Problem, daher wird die resultierende Formel verwendet, um die angegebenen Koeffizienten zu bestimmen, und die durchgeführten Berechnungen sind ein Beweis für das Vorhandensein einer kritischen Masse.

Die Rolle der Probengröße ist offensichtlich: Mit abnehmender Größe nimmt der Anteil der durch ihre Oberfläche emittierten Neutronen zu, so dass bei kleinen (unterkritischen!) Probengrößen selbst bei einem günstigen Verhältnis zwischen den Absorptionsprozessen und eine Kettenreaktion unmöglich wird Produktion von Neutronen.

Für hochangereichertes Uran beträgt die kritische Masse etwa 52 kg, für waffenfähiges Plutonium 11 kg. Die behördlichen Dokumente zum Schutz von Kernmaterial vor Diebstahl geben kritische Massen an: 5 kg 235 U oder 2 kg Plutonium (für das Implosionsschema der Atombombe). Für das Kanonenschema sind die kritischen Massen viel größer. Auf der Grundlage dieser Werte wird die Intensität des Schutzes spaltbarer Stoffe vor Terroranschlägen aufgebaut.

Kommentar. Die kritische Masse eines zu 93,5 % angereicherten Uranmetallsystems (93,5 % 235 U; 6,5 % 238 U) beträgt 52 kg ohne Reflektor und 8,9 kg, wenn das System von einem Berylliumoxid-Neutronenreflektor umgeben ist. Die kritische Masse einer wässrigen Uranlösung beträgt etwa 5 kg.

Der Wert der kritischen Masse hängt von den Eigenschaften des Stoffes (z. B. Spalt- und Strahlungseinfangquerschnitte), von der Dichte, der Menge an Verunreinigungen, der Form des Produkts und auch von der Umgebung ab. Beispielsweise kann das Vorhandensein von Neutronenreflektoren die kritische Masse stark reduzieren. Für ein bestimmtes spaltbares Material kann die Materialmenge, die die kritische Masse bildet, über einen weiten Bereich variieren und hängt von der Dichte, den Eigenschaften (Materialart und -dicke) des Reflektors sowie der Art und dem Prozentsatz von inerten Verdünnungsmitteln (wie z Sauerstoff in Uranoxid, 238 U in teilweise angereichertem 235 U oder chemische Verunreinigungen).

Zu Vergleichszwecken sind hier die kritischen Massen von Kugeln ohne Reflektor für verschiedene Materialtypen mit einer gewissen Standarddichte aufgeführt.

Zum Vergleich geben wir folgende Beispiele für kritische Massen: 10 kg 239 Pu, Metall in der Alpha-Phase

(Dichte 19,86 g/cm3); 52 kg 94 % 235 U (6 % 238 U), Metall (Dichte 18,72 g/cm3); 110 kg UO2 (94 % 235 U)

bei einer Dichte in kristalliner Form von 11 g/cm3; 35 kg PuO2 (94 % 239 Pu) bei Dichte in kristallin

in Form von 11,4 g/cm3. Lösungen von Salzen reiner spaltbarer Nuklide in Wasser mit einem Wasserneutronenreflektor haben die niedrigste kritische Masse. Für 235 U beträgt die kritische Masse 0,8 kg, für 239 Pu 0,5 kg, für 251 Cf schon

Die kritische Masse M hängt mit der kritischen Länge l zusammen: M l x , wobei x von der Form der Probe abhängt und im Bereich von 2 bis 3 liegt. Die Formabhängigkeit hängt mit dem Austritt von Neutronen durch die Oberfläche zusammen: je größer die Oberfläche, desto größer die kritische Masse. Die Probe mit der minimalen kritischen Masse ist kugelförmig. Tab. 5. Geschätzte Hauptmerkmale reiner Isotope, die zur Kernspaltung befähigt sind

								Neutronen
		Erhalt		kritisch	Dichte	Temperatur	Wärmeableitung	spontan
			Halbwertzeit
		(Quelle)			g/cm³	Schmelzpunkt °С
			T 1/2					105 (kgs)
	231 Pa
	232U	Reaktor an
		Neutronen
	233U
	235U	Natürlich	7.038×108 Jahre
	236U		2,3416×107 Jahre? kg
	237Np		2,14×107 Jahre
	236Pu
	238Pu
	239 Pu
	240Pu
	241Pu
	242Pu
	241Am
	242mAm
	243mAm
	243Am
	243cm
	244cm
	245cm
	246cm
	247cm		1,56×107 Jahre
	248cm
	249Vgl
	250Cf
	251Vgl
	252Vgl

Lassen Sie uns näher auf die kritischen Parameter der Isotope einiger Elemente eingehen. Beginnen wir mit Uran.

235 U (0,72 % Clarke) kommt, wie mehrfach erwähnt, eine besondere Bedeutung zu, da es unter Einwirkung thermischer Neutronen (σ f = 583 barn) gespalten wird und dabei ein „thermisches Energieäquivalent“ von 2 × 107 kWh / freisetzt. k. Da sich 235 U neben dem α-Zerfall auch spontan teilt (T 1/2 \u003d 3,5 × 1017 Jahre), sind in der Uranmasse immer Neutronen vorhanden, wodurch Bedingungen für das Auftreten von geschaffen werden können eine sich selbst erhaltende Spaltkettenreaktion. Für metallisches Uran mit einer Anreicherung von 93,5 % beträgt die kritische Masse: 51 kg ohne Reflektor; 8,9 kg mit Berylliumoxid-Reflektor; 21,8 kg mit vollem Wasserleitblech. Kritische Parameter homogener Mischungen von Uran und seinen Verbindungen sind in angegeben

Kritische Parameter von Plutoniumisotopen: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = von 12 bis 7,45 kg. Von größtem Interesse sind Isotopengemische: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. Die hohe spezifische Energiefreisetzung von 238 Pu führt zur Oxidation des Metalls an Luft, daher wird es am ehesten in Form von Oxiden eingesetzt. Nach Erhalt von 238 Pu ist das begleitende Isotop 239 Pu. Das Verhältnis dieser Isotope in der Mischung bestimmt sowohl den Wert der kritischen Parameter als auch ihre Abhängigkeit von der Änderung des Moderatorgehalts. Verschiedene Schätzungen der kritischen Masse für eine blanke Metallkugel aus 238 Pu ergeben Werte von 12 bis 7,45 kg im Vergleich zur kritischen Masse für 239 Pu von 9,6 kg. Da der 239 Pu-Kern eine ungerade Anzahl von Neutronen enthält, nimmt die kritische Masse ab, wenn dem System Wasser hinzugefügt wird. Die kritische Masse von 238 Pu erhöht sich mit der Zugabe von Wasser. Bei einer Mischung dieser Isotope hängt der Nettoeffekt der Zugabe von Wasser vom Isotopenverhältnis ab. Wenn der Massengehalt von 239 Pu 37 % oder weniger beträgt, nimmt die kritische Masse der Mischung aus 239 Pu- und 238 Pu-Isotopen nicht ab, wenn dem System Wasser hinzugefügt wird. In diesem Fall beträgt die zulässige Menge an 239 Pu-238 Pu-Dioxiden 8 kg. Mit anderen

Verhältnissen von 238 Pu und 239 Pu-Dioxiden variiert der Mindestwert der kritischen Masse von 500 g für reines 239 Pu bis 24,6 kg für reines 238 Pu.

Tab. Abb. 6. Abhängigkeit der kritischen Masse und des kritischen Volumens von Uran von der 235 U-Anreicherung.

Notiz. I - homogene Mischung aus metallischem Uran und Wasser; II - homogene Mischung aus Urandioxid und Wasser; III - Lösung von Uranylfluorid in Wasser; IV - Lösung von Uranylnitrat in Wasser. * Daten erhalten durch grafische Interpolation.

Ein weiteres Isotop mit einer ungeraden Neutronenzahl ist 241 Pu. Der Mindestwert der kritischen Masse für 241 Pu wird in wässrigen Lösungen bei einer Konzentration von 30 g/l erreicht und beträgt 232 kg. Bei Erhalt von 241 Pu aus bestrahltem Brennstoff wird es immer von 240 Pu begleitet, das es im Gehalt nicht überschreitet. Bei einem gleichen Verhältnis von Nukliden in einem Isotopengemisch übersteigt die minimale kritische Masse von 241 Pu die kritische Masse von 239 Pu. Daher liegt in Bezug auf die minimale kritische Masse das 241 Pu-Isotop bei

239 Pu kann durch 239 Pu ersetzt werden, wenn das Isotopengemisch gleiche Mengen enthält

241 Pu und 240 Pu.

Tab. 7. Minimale kritische Parameter von Uran mit 100% Anreicherung in 233 U.

Betrachten wir nun die kritischen Eigenschaften von Americium-Isotopen. Das Vorhandensein von 241 Am- und 243 Am-Isotopen in der Mischung erhöht die kritische Masse von 242 m Am. Für wässrige Lösungen gibt es ein Isotopenverhältnis, bei dem das System immer unterkritisch ist. Wenn der Massengehalt von 242 m Am in einer Mischung aus 241 Am und 242 m Am weniger als 5 % beträgt, bleibt das System bis zu einer Konzentration von Americium in Lösungen und mechanischen Mischungen von Dioxid mit Wasser von 2500 g/L unterkritisch. 243 Am gemischt mit 242m Am erhöht sich ebenfalls

die kritische Masse der Mischung, jedoch in geringerem Maße, da der Einfangquerschnitt für thermische Neutronen für 243 Am um eine Größenordnung niedriger ist als der für 241 Am

Tab. 8. Kritische Parameter homogener kugelförmiger Anordnungen aus Plutonium (239 Pu+240 Pu).

Tab. 9. Abhängigkeit der kritischen Masse und des Volumens für Plutoniumverbindungen* von der Isotopenzusammensetzung von Plutonium

* Das Hauptnuklid ist 94 239 Pu.

Notiz. I - homogene Mischung aus metallischem Plutonium und Wasser; II - homogene Mischung aus Plutoniumdioxid und Wasser; III homogene Mischung aus Plutoniumoxalat und Wasser; IV - Lösung von Plutoniumnitrat in Wasser.

Tab. Abb. 10. Abhängigkeit der minimalen kritischen Masse von 242 m Am von seinem Gehalt in einer Mischung aus 242 m Am und 241 Am (die kritische Masse wurde für AmO2 + H2 O in Kugelgeometrie mit einem Wasserreflektor berechnet):

	Kritische Masse 242 m Am, g

Bei einem geringen Massenanteil von 245 Cm ist zu berücksichtigen, dass 244 Cm auch in Systemen ohne Moderatoren eine endliche kritische Masse hat. Andere Curiumisotope mit einer ungeraden Anzahl von Neutronen haben eine minimale kritische Masse, die um ein Vielfaches größer als 245 Cm ist. In einer Mischung aus CmO2 + H2O hat das Isotop 243 Cm eine minimale kritische Masse von etwa 108 g und 247 Cm - etwa 1170 g

kritischer Masse können wir davon ausgehen, dass 1 g 245 Cm 3 g 243 Cm oder 30 g 247 Cm entspricht. Minimale kritische Masse 245 Cm, ​​​​g, abhängig vom Gehalt von 245 Cm in einer Mischung aus 244 Cm und 245 Cm Isotopen für СmО2 +

H2O wird durch die Formel recht gut beschrieben

	M cr = 35,5 +
		ξ + 0,003

wobei ξ der Massenanteil von 245 Cm in einer Mischung von Curiumisotopen ist.

Die kritische Masse hängt vom Wirkungsquerschnitt der Spaltreaktion ab. Bei der Herstellung von Waffen kann durch allerlei Tricks die für eine Explosion erforderliche kritische Masse reduziert werden. Um eine Atombombe herzustellen, werden also mindestens 8 kg Uran-235 benötigt (mit einem Implosionsschema und im Fall von reinem Uran-235; bei Verwendung von 90% Uran-235 und mit einem Stammschema einer Atombombe). 45 kg waffenfähiges Uran erforderlich). Die kritische Masse kann erheblich reduziert werden, indem die Probe aus spaltbarem Material mit einer Materialschicht umgeben wird, die Neutronen reflektiert, wie beispielsweise Beryllium oder natürliches Uran. Der Reflektor wirft einen erheblichen Teil der durch die Oberfläche der Probe emittierten Neutronen zurück. Wenn Sie beispielsweise einen 5 cm dicken Reflektor aus Materialien wie Uran, Eisen, Graphit verwenden, ist die kritische Masse die Hälfte der kritischen Masse der "nackten Kugel". Dickere Reflektoren reduzieren die kritische Masse. Beryllium ist besonders effektiv und bietet eine kritische Masse von 1/3 der kritischen Standardmasse. Das thermische Neutronensystem hat das größte kritische Volumen und die kleinste kritische Masse.

Eine wichtige Rolle spielt dabei der Anreicherungsgrad des spaltbaren Nuklids. Natürliches Uran mit 0,7 % 235 U kann nicht für die Herstellung von Atomwaffen verwendet werden, da der Rest des Urans (238 U) Neutronen intensiv absorbiert und den Kettenprozess verhindert. Daher müssen Uranisotope getrennt werden, was eine komplexe und zeitaufwändige Aufgabe ist. Bis zu Anreicherungsgraden an 235 U über 95 % muss eine Trennung durchgeführt werden. Dabei gilt es, Verunreinigungen von Elementen mit hohem Neutroneneinfangsquerschnitt zu beseitigen.

Kommentar. Bei der Herstellung von waffenfähigem Uran entfernen sie nicht nur unnötige Verunreinigungen, sondern ersetzen sie durch andere Verunreinigungen, die zum Kettenprozess beitragen, indem sie beispielsweise Elemente einführen - Neutronenbrüter.

Der Grad der Urananreicherung hat einen erheblichen Einfluss auf den Wert der kritischen Masse. Zum Beispiel beträgt die kritische Masse von mit 235 U 50 % angereichertem Uran 160 kg (dreimal die Masse von 94 % Uran), und die kritische Masse von 20 % Uran beträgt 800 kg (d. h. ~ 15-mal größer als die kritische Masse). Masse 94 % Uran). Ähnliche Abhängigkeitskoeffizienten vom Anreicherungsgrad gelten für Uranoxid.

Die kritische Masse ist umgekehrt proportional zum Quadrat der Dichte des Materials, M zu ~1/ρ 2 , . Somit beträgt die kritische Masse von metallischem Plutonium in der Delta-Phase (Dichte 15,6 g/cm3) 16 kg. Dieser Umstand wird beim Entwurf einer kompakten Atombombe berücksichtigt. Da die Wahrscheinlichkeit des Neutroneneinfangs proportional zur Konzentration der Kerne ist, kann eine Erhöhung der Probendichte, beispielsweise infolge ihrer Kompression, zum Auftreten eines kritischen Zustands in der Probe führen. In Kernsprengkörpern wird eine Masse spaltbaren Materials, die sich in einem sicheren unterkritischen Zustand befindet, durch eine gerichtete Explosion, die die Ladung einem hohen Grad an Kompression aussetzt, in einen explosiven überkritischen Zustand überführt.

Bürgergeld "Vorsicht! Strahlung"

Atomspaltung

Die Spaltung der Atomkerne ist eine spontane oder unter Einwirkung von Neutronen erfolgende Aufspaltung des Atomkerns in 2 ungefähr gleiche Teile, in zwei "Fragmente".

Fragmente sind zwei radioaktive Isotope von Elementen im zentralen Teil von D. I. Mendeleevs Tabelle, ungefähr von Kupfer bis zur Mitte der Lanthanidenelemente (Samarium, Europium).

Bei der Spaltung werden 2-3 zusätzliche Neutronen emittiert und ein Energieüberschuss in Form von Gammaquanten freigesetzt, viel mehr als beim radioaktiven Zerfall. Wenn ein Akt des radioaktiven Zerfalls normalerweise ein Gamma-Quant ausmacht, dann gibt es für 1 Akt der Spaltung 8-10 Gamma-Quanten! Darüber hinaus haben fliegende Fragmente eine große kinetische Energie (Geschwindigkeit), die sich in Wärme umwandelt.

Die emittierten Neutronen können die Spaltung von zwei oder drei ähnlichen Kernen verursachen, wenn sie in der Nähe sind und von den Neutronen getroffen werden.

So wird es möglich, eine sich verzweigende, beschleunigende Kettenreaktion der Spaltung von Atomkernen unter Freisetzung enormer Energiemengen durchzuführen.

Wenn die Kettenreaktion unter Kontrolle gehalten wird, ihr Verlauf kontrolliert wird, sie nicht beschleunigt werden darf und die freigesetzte Energie (Wärme) ständig abgeführt wird, dann kann diese Energie („Atomenergie“) entweder zum Heizen oder zur Stromerzeugung genutzt werden . Dies wird in Kernreaktoren, in Kernkraftwerken durchgeführt.

Wenn sich die Kettenreaktion unkontrolliert entwickeln kann, kommt es zu einer atomaren (nuklearen) Explosion. Es ist bereits eine Atomwaffe.

In der Natur gibt es nur ein chemisches Element - Uran, das nur ein spaltbares Isotop hat - Uran-235. Das waffenfähiges Uran. Und dieses Isotop in natürlichem Uran beträgt 0,7%, also nur 7 kg pro Tonne! Die restlichen 99,3 % (993 kg pro Tonne) sind ein nicht spaltbares Isotop – Uran-238. Es gibt jedoch ein anderes Isotop - Uran-234, aber es macht nur 0,006 % (60 Gramm pro Tonne) aus.

Aber in einem gewöhnlichen Uran-Kernreaktor wird aus nicht spaltbarem ("nicht waffenfähigem") Uran-238 unter Einwirkung von Neutronen (Neutronenaktivierung!) das natürlich vorkommende Element Plutonium. In diesem Fall wird sofort ein spaltbares Isotop von Plutonium gebildet - Plutonium-239. Das waffenfähiges Plutonium.

Die Spaltung von Atomkernen ist die Essenz, die Basis von Atomwaffen und Atomenergie.

Die kritische Masse ist die Menge eines Waffenisotops, bei der Neutronen, die bei der spontanen Spaltung von Kernen freigesetzt werden, nicht herausfliegen, sondern in benachbarte Kerne fallen und deren künstliche Spaltung verursachen.

Die kritische Masse von metallischem Uran-235 beträgt 52 kg. Dies ist eine Kugel mit einem Durchmesser von 18 cm.

Die kritische Masse von metallischem Plutonium-239 beträgt 11 kg (und nach einigen Veröffentlichungen - 9 oder sogar 6 kg). Dies ist eine Kugel mit einem Durchmesser von etwa 9-10 cm.

Somit verfügt die Menschheit jetzt über zwei spaltbare, waffenfähige Isotope: Uran-235 und Plutonium-239. Der einzige Unterschied zwischen ihnen besteht darin, dass Uran erstens besser für den Einsatz in der Kernenergie geeignet ist: Es ermöglicht die Kontrolle seiner Kettenreaktion, und zweitens ist es weniger effektiv für eine unkontrollierte Kettenreaktion - eine Atomexplosion: Es hat einen niedrigeren Beschleunigung der spontanen Kernspaltung und mehr kritische Masse. Und waffenfähiges Plutonium ist im Gegensatz dazu besser für Atomwaffen geeignet: Es hat eine hohe Rate an spontaner Kernspaltung und eine viel geringere kritische Masse. Plutonium-239 erlaubt keine zuverlässige Kontrolle seiner Kettenreaktion und hat daher in der Kernenergietechnik, in Kernreaktoren, noch keine breite Anwendung gefunden.

Aus diesem Grund wurden alle Probleme mit waffenfähigem Uran innerhalb weniger Jahre gelöst, und die Versuche, Plutonium in der Kernkraft zu verwenden, dauern bis heute an – seit mehr als 60 Jahren.

So wurde zwei Jahre nach der Entdeckung der Uranspaltung der weltweit erste Urankernreaktor in Betrieb genommen (Dezember 1942, Enrico Fermi, USA), und zweieinhalb Jahre später (1945) zündeten die Amerikaner die erste Uranbombe.

Und mit Plutonium... Die erste Plutoniumbombe wurde 1945 gezündet, also ungefähr vier Jahre nach ihrer Entdeckung als chemisches Element und der Entdeckung seiner Spaltung. Außerdem war es dazu notwendig, zuerst einen Uran-Kernreaktor zu bauen, in diesem Reaktor Plutonium aus Uran-238 herzustellen, es dann von bestrahltem Uran zu trennen, seine Eigenschaften gut zu studieren und eine Bombe zu bauen. Entwickelt, isoliert, hergestellt. Aber das Gerede über die Möglichkeit, Plutonium als Kernbrennstoff in Plutonium-Kernreaktoren zu verwenden, ist Gerede geblieben, und das seit mehr als 60 Jahren.

Der Spaltungsprozess lässt sich durch eine „Halbperiode“ charakterisieren.

Zum ersten Mal wurden Halbwertszeiten von K. A. Petrzhak und G. I. Flerov im Jahr 1940 geschätzt.

Sowohl für Uran als auch für Plutonium sind sie extrem groß. Nach verschiedenen Schätzungen hat Uran-235 also eine Halbwertszeit von ungefähr 10 ^ 17 (oder 10 ^ 18 Jahren (Physical Encyclopedic Dictionary); nach anderen Quellen - 1,8 10 ^ 17 Jahre. Und für Plutonium-239 (laut nach demselben Wörterbuch) ist deutlich weniger - ungefähr 10 ^ 15,5 Jahre; nach anderen Quellen - 4 10 ^ 15 Jahre.

Erinnern Sie sich zum Vergleich an die Halbwertszeiten (T 1/2). Für U-235 sind es also "nur" 7,038 10 ^ 8 Jahre und für Pu-239 noch weniger - 2,4 10 ^ 4 Jahre

Im Allgemeinen können sich die Kerne vieler schwerer Atome teilen, beginnend mit Uran. Aber wir sprechen von zwei Hauptthemen, die seit mehr als 60 Jahren von großer praktischer Bedeutung sind. Andere sind eher von rein wissenschaftlichem Interesse.

Woher kommen Radionuklide

Radionuklide werden aus drei Quellen (drei Wege) gewonnen.

Die erste Quelle ist die Natur. Das natürliche Radionuklide, die überlebt haben, haben vom Moment ihrer Entstehung (vielleicht seit der Entstehung des Sonnensystems oder des Universums) bis in unsere Zeit überlebt, da sie lange Halbwertszeiten haben, was bedeutet, dass ihre Lebensdauer lang ist. Natürlich sind es viel weniger als am Anfang. Sie werden aus natürlichen Rohstoffen gewonnen.

Die zweite und dritte Quelle sind künstlich.

Künstliche Radionuklide entstehen auf zwei Wegen.

Zuerst - Fragmentierungsradionuklide, die durch die Spaltung von Atomkernen entstehen. Dies sind "Spaltfragmente". Die meisten von ihnen entstehen natürlich in Kernreaktoren für verschiedene Zwecke, in denen eine kontrollierte Kettenreaktion durchgeführt wird, sowie bei der Erprobung von Atomwaffen (unkontrollierte Kettenreaktion). Sie finden sich in bestrahltem Uran, das aus Militärreaktoren (aus „Industriereaktoren“) gewonnen wird, und in großen Mengen in verbrauchtem Kernbrennstoff (SNF), der aus Leistungsreaktoren von Kernkraftwerken gewonnen wird.

Zuvor gelangten sie bei Atomtests und der Verarbeitung von bestrahltem Uran in die Natur. Jetzt gelangen sie weiterhin während der Verarbeitung (Regeneration) abgebrannter Kernbrennstoffe sowie bei Unfällen in Kernkraftwerken in Reaktoren. Bei Bedarf wurden sie aus bestrahltem Uran und jetzt aus abgebranntem Kernbrennstoff gewonnen.

Die zweiten sind Radionuklide des Aktivierungsursprungs. Sie werden aus gewöhnlichen stabilen Isotopen durch Aktivierung gebildet, dh wenn ein subatomares Teilchen in den Kern eines stabilen Atoms eintritt, wodurch das stabile Atom radioaktiv wird. In den allermeisten Fällen ist ein solches Projektilteilchen ein Neutron. Um künstliche Radionuklide zu erhalten, wird daher üblicherweise das Neutronenaktivierungsverfahren verwendet. Es besteht darin, dass ein stabiles Isotop eines beliebigen chemischen Elements in beliebiger Form (Metall, Salz, chemische Verbindung) für eine bestimmte Zeit in den Reaktorkern eingebracht wird. Und da jede Sekunde eine große Anzahl von Neutronen im Reaktorkern erzeugt wird, werden alle chemischen Elemente, die sich im Kern oder in seiner Nähe befinden, nach und nach radioaktiv. Auch die im Reaktorkühlwasser gelösten Elemente werden aktiviert.

Weniger verbreitet ist die Methode, ein stabiles Isotop in Elementarteilchenbeschleunigern mit Protonen, Elektronen etc. zu beschießen.

Radionuklide sind natürlich – natürlichen Ursprungs und künstlich – Fragmentierungs- und Aktivierungsursprungs. Eine unbedeutende Menge an Radionukliden mit Fragmentierungsursprung hat in der natürlichen Umgebung schon immer existiert, da sie durch spontane Spaltung von Uran-235-Kernen gebildet werden. Aber es gibt so wenige von ihnen, dass sie mit modernen Analysemitteln nicht nachgewiesen werden können.

Die Anzahl der Neutronen im Kern verschiedener Reaktortypen ist so groß, dass etwa 10 ^ 14 Neutronen in 1 Sekunde durch jeden Abschnitt von 1 cm ^ 2 an jedem Punkt im Kern fliegen.

Messung ionisierender Strahlung. Definitionen

Es ist nicht immer bequem und zweckmäßig, nur die Quellen ionisierender Strahlung (SIR) und nur ihre Aktivität (die Anzahl der Zerfallsereignisse) zu charakterisieren. Und der Punkt ist nicht nur, dass Aktivität in der Regel nur unter stationären Bedingungen an sehr komplexen Anlagen gemessen werden kann. Die Hauptsache ist, dass in einem einzigen Akt des Zerfalls verschiedener Isotope Teilchen unterschiedlicher Natur, mehrere Teilchen und Gamma-Quanten gleichzeitig gebildet werden können. In diesem Fall ist die Energie und folglich die Ionisierungsfähigkeit verschiedener Teilchen unterschiedlich. Der Hauptindikator zur Charakterisierung von IRS ist daher die Beurteilung ihrer Ionisierungsfähigkeit, also (letztendlich) der Energie, die sie beim Durchgang durch einen Stoff (Medium) verlieren und die von diesem Stoff absorbiert wird.

Bei der Messung ionisierender Strahlung wird das Konzept der Dosis verwendet, und bei der Bewertung ihrer Wirkung auf biologische Objekte werden Korrekturfaktoren verwendet. Nennen wir sie, geben wir eine Reihe von Definitionen.

Dosis, absorbierte Dosis (aus dem Griechischen - Bruchteil, Teil) - die Energie der ionisierenden Strahlung (II), die von der bestrahlten Substanz absorbiert und oft pro Masseneinheit berechnet wird (siehe "rad", "Gray"). Das heißt, die Dosis wird in Energieeinheiten gemessen, die in der Substanz freigesetzt (von der Substanz absorbiert) werden, wenn ionisierende Strahlung sie durchdringt.

Es gibt mehrere Arten von Dosen.

Belichtungsdosis(für Röntgen- und Gammastrahlung) - bestimmt durch Luftionisation. Die Maßeinheit im SI-System ist "Coulomb pro kg" (C/kg), was der Bildung einer solchen Anzahl von Ionen in 1 kg Luft entspricht, deren Gesamtladung 1 C (jedes Zeichens) beträgt. . Die nicht-systemische Maßeinheit ist „Röntgen“ (siehe „C/kg“ und „Röntgen“).

Um die Auswirkungen von KI auf den Menschen zu beurteilen, verwenden wir Korrekturfaktoren.

Bis vor kurzem wurden bei der Berechnung der "Äquivalentdosis" verwendet "Strahlungsqualitätsfaktoren "(K) - Korrekturfaktoren, die die unterschiedlichen Wirkungen verschiedener Strahlungen auf biologische Objekte (unterschiedliche Fähigkeit, Körpergewebe zu schädigen) bei gleicher absorbierter Dosis berücksichtigen. Sie werden bei der Berechnung der "Äquivalentdosis" verwendet. Jetzt sind diese Koeffizienten in Die Radiation Safety Standards (NRB-99) wurde als sehr „wissenschaftlich“ bezeichnet – „Wichtungsfaktoren für einzelne Strahlenarten bei der Berechnung der Äquivalentdosis (W Risikofaktor Strahlung

Dosisleistung- empfangene Dosis pro Zeiteinheit (Sek., Stunde).

Hintergrund- die Expositionsdosisleistung ionisierender Strahlung an einem bestimmten Ort.

natürlichen Hintergrund- Expositionsdosisleistung ionisierender Strahlung, die von allen natürlichen IR-Quellen erzeugt wird (siehe "Hintergrundstrahlung").