MASSA CRÍTICA, a massa mínima de material cindível necessária para iniciar uma REAÇÃO EM CADEIA em uma bomba atômica ou reator atômico. Em uma bomba atômica, o material explosivo é dividido em partes, cada uma das quais é menos do que crítica... ... Dicionário enciclopédico científico e técnico
Veja MASSA CRÍTICA. Raizberg B.A., Lozovsky L.Sh., Starodubtseva E.B. Dicionário econômico moderno. 2ª edição, rev. M.: INFRA M. 479 s.. 1999... Dicionário econômico
MASSA CRÍTICA- a menor (ver) substância físsil (urânio 233 ou 235, plutônio 239, etc.), na qual uma reação em cadeia autossustentável de fissão de núcleos atômicos pode ocorrer e prosseguir. O valor da massa crítica depende do tipo de material cindível, sua ... ... Grande Enciclopédia Politécnica
Massa CRÍTICA, a massa mínima de material cindível (combustível nuclear) que garante o fluxo de uma reação em cadeia de fissão nuclear auto-sustentável. O valor da massa crítica (Mcr) depende do tipo de combustível nuclear e sua geometria ... ... Enciclopédia Moderna
A massa mínima de material cindível que garante o fluxo de uma reação em cadeia de fissão nuclear autossustentável ... Grande Dicionário Enciclopédico
A massa crítica é a menor massa de combustível na qual uma reação em cadeia autossustentável de fissão nuclear pode prosseguir com um determinado projeto e composição do núcleo (depende de muitos fatores, por exemplo: composição do combustível, moderador, forma ... .. . Termos de energia nuclear
massa crítica- A menor massa de combustível em que uma reação em cadeia autossustentável de fissão nuclear pode prosseguir com um certo design e composição do núcleo (depende de muitos fatores, por exemplo: composição do combustível, moderador, forma do núcleo e ... .. . Manual do Tradutor Técnico
Massa crítica- MASSA CRÍTICA, a massa mínima de material cindível (combustível nuclear) que garante o fluxo de uma reação em cadeia de fissão nuclear auto-sustentável. O valor da massa crítica (Mcr) depende do tipo de combustível nuclear e sua geometria ... ... Dicionário Enciclopédico Ilustrado
A quantidade mínima de combustível nuclear contendo nuclídeos físseis (233U, 235U, 239Pu, 251Cf), com cromo, uma reação em cadeia de fissão nuclear é possível (ver Fissão nuclear. Reator nuclear, explosão nuclear). K. m. depende do tamanho e forma ... ... Enciclopédia Física
A massa mínima de material cindível que garante o fluxo de uma reação em cadeia de fissão nuclear auto-sustentável. * * * MASSA CRÍTICA MASSA CRÍTICA, a massa mínima de um material cindível que garante o fluxo de um sistema auto-sustentável ... dicionário enciclopédico
Livros
- Massa crítica, Veselova N., No livro de Natalia Veselova, membro da União Inter-regional Russa de Escritores, membro pleno da Academia de Literatura Russa e Belas Artes. G. R. Derzhavin, os escolhidos entraram ... Categoria: Outras publicações
- Massa crítica, Natalia Veselova, No livro de Natalia Veselova, membro da União Inter-regional Russa de Escritores, membro pleno da Academia de Literatura Russa e Belas Artes. G.R. Derzhavin, incluiu histórias selecionadas ... Categoria:
O site descreve os fundamentos da tecnologia de galvanoplastia. Os processos de preparação e aplicação de revestimentos eletroquímicos e químicos, bem como os métodos de controle de qualidade do revestimento são considerados em detalhes. Os equipamentos principais e auxiliares da oficina de galvanoplastia são descritos. São fornecidas informações sobre a mecanização e automação da produção galvânica, bem como as precauções de higiene e segurança.
O local pode ser utilizado para formação profissional dos trabalhadores da produção.
O uso de revestimentos protetores, protetores-decorativos e especiais permite resolver muitos problemas, entre os quais um lugar importante é ocupado pela proteção dos metais contra a corrosão. A corrosão dos metais, ou seja, sua destruição pela ação eletroquímica ou química do meio ambiente, causa enormes prejuízos à economia nacional. Todos os anos, como resultado da corrosão, até 10-15% da produção anual de metal na forma de peças e estruturas valiosas, instrumentos complexos e máquinas ficam fora de uso. Em alguns casos, a corrosão leva a acidentes.
Revestimentos galvanizados são um dos métodos eficazes de proteção contra corrosão, eles também são amplamente utilizados para conferir uma série de propriedades especiais valiosas à superfície das peças: maior dureza e resistência ao desgaste, alta refletividade, propriedades antifricção aprimoradas, condutividade elétrica da superfície, soldabilidade mais fácil e, finalmente, simplesmente melhorar o tipo externo de produtos.
Cientistas russos são os criadores de muitos métodos importantes de processamento eletroquímico de metais. Assim, a criação da eletroformação é mérito do acadêmico B. S. Jacobi (1837). O trabalho mais importante no campo da galvanoplastia pertence aos cientistas russos E. Kh. Lenz e I. M. Fedorovsky. O desenvolvimento da galvanoplastia após a Revolução de Outubro está inextricavelmente ligado aos nomes dos professores científicos N. T. Kudryavtsev, V. I. Liner, N. P. Fedotiev e muitos outros.
Muito trabalho foi feito para padronizar e normalizar os processos de revestimento. O volume de trabalho cada vez maior, a mecanização e automação das oficinas de galvanoplastia exigiram uma regulamentação clara dos processos, seleção cuidadosa de eletrólitos para revestimento, seleção dos métodos mais eficazes para preparar a superfície das peças antes da deposição de revestimentos galvanizados e operações finais, bem como métodos confiáveis para controle de qualidade dos produtos. Sob essas condições, o papel de um trabalhador de galvanoplastia qualificado aumenta acentuadamente.
O principal objetivo deste site é ajudar alunos de escolas técnicas a dominar a profissão de galvanizador que conhece os modernos processos tecnológicos utilizados em oficinas avançadas de galvanoplastia.
A cromagem eletrolítica é uma maneira eficaz de aumentar a resistência ao desgaste das peças de fricção, protegê-las da corrosão, bem como um método de acabamento protetor e decorativo. Economias significativas são fornecidas pela cromagem ao restaurar peças desgastadas. O processo de cromagem é amplamente utilizado na economia nacional. Várias organizações de pesquisa, institutos, universidades e empresas de construção de máquinas estão trabalhando em sua melhoria. Eletrólitos mais eficientes e modos de cromagem estão surgindo, métodos estão sendo desenvolvidos para melhorar as propriedades mecânicas das peças cromadas, como resultado do qual o escopo da cromagem está se expandindo. O conhecimento dos fundamentos da moderna tecnologia de cromagem contribui para o cumprimento das instruções da documentação normativa e técnica e a participação criativa de uma ampla gama de profissionais no desenvolvimento da cromagem.
O site desenvolveu as questões do efeito da cromagem na resistência das peças, ampliou o uso de eletrólitos eficientes e processos tecnológicos, introduziu uma nova seção sobre métodos para melhorar a eficiência da cromagem. As seções principais foram redesenhadas levando em conta os avanços nporpecsivnyh na tecnologia de cromagem. As instruções tecnológicas e desenhos de luminárias suspensas fornecidas são exemplares, orientando o leitor em questões de escolha das condições de cromagem e nos princípios de projeto de luminárias suspensas.
O desenvolvimento contínuo de todos os ramos da engenharia mecânica e fabricação de instrumentos levou a uma expansão significativa do campo de aplicação de revestimentos eletrolíticos e químicos.
Por deposição química de metais, em combinação com revestimentos metálicos galvânicos são criados em uma ampla variedade de dielétricos: plásticos, cerâmicas, ferrites, vitrocerâmica e outros materiais. A fabricação de peças desses materiais com superfície metalizada garantiu a introdução de novas soluções de design e técnicas, melhoria na qualidade dos produtos e redução no custo de produção de equipamentos, máquinas e bens de consumo.
As peças plásticas com revestimentos metálicos são amplamente utilizadas na indústria automobilística, na indústria de engenharia de rádio e em outros setores da economia nacional. Os processos de metalização de materiais poliméricos tornaram-se especialmente importantes na produção de placas de circuito impresso, que são a base dos modernos dispositivos eletrônicos e produtos de engenharia de rádio.
A brochura fornece as informações necessárias sobre os processos de metalização químico-eletrolítica de dielétricos, são dadas as principais regularidades da deposição química de metais. As características dos revestimentos eletrolíticos durante a metalização de plásticos são indicadas. Considerável atenção é dada à tecnologia de produção de placas de circuito impresso, bem como métodos para analisar soluções usadas em processos de metalização, bem como métodos para sua preparação e correção.
De forma acessível e divertida, o site apresenta a natureza física em termos das características das radiações ionizantes e da radioatividade, o efeito de várias doses de radiação nos organismos vivos, os métodos de proteção e prevenção do perigo de radiação, as possibilidades de utilização de isótopos radioativos para reconhecer e tratar doenças humanas.
Para uma operação segura com substâncias cindíveis perigosas nucleares, os parâmetros do equipamento devem ser menos do que críticos. Como parâmetros regulatórios para a segurança nuclear, são utilizados: a quantidade, concentração e volume de material cindível perigoso nuclear; diâmetro do equipamento com forma cilíndrica; espessura de camada plana para equipamentos em forma de placa. O parâmetro normativo é definido com base no parâmetro permitido, que é menor que o crítico e não deve ser excedido durante a operação do equipamento. Ao mesmo tempo, é necessário que as características que afetam os parâmetros críticos estejam dentro de limites estritamente definidos. Os seguintes parâmetros válidos são usados: o número de M add , volume V add , diâmetro D add , espessura da camada t add .
Usando a dependência dos parâmetros críticos da concentração de um nuclídeo físsil perigoso nuclear, determina-se tal valor do parâmetro crítico, abaixo do qual, em qualquer concentração, o SCRD é impossível. Por exemplo, para soluções de sais de plutônio e urânio enriquecido, a massa crítica, volume, diâmetro de um cilindro infinito, espessura de uma camada plana infinita têm um mínimo na região de desaceleração ótima. Para misturas de urânio enriquecido metálico com água, a massa crítica, como para soluções, tem um mínimo pronunciado na região de desaceleração ótima, e o volume crítico, o diâmetro de um cilindro infinito e a espessura de uma camada plana infinita em alta enriquecimento (>35%) têm valores mínimos na ausência de um moderador (r n /r 5 =0); para enriquecimento abaixo de 35%, os parâmetros críticos da mistura têm um mínimo na desaceleração ótima. Obviamente, os parâmetros definidos com base nos parâmetros críticos mínimos garantem a segurança em toda a faixa de concentração. Esses parâmetros são chamados de seguros, pois são menores que os parâmetros críticos mínimos. São utilizados os seguintes parâmetros seguros: quantidade, concentração, volume, diâmetro, espessura da camada.
Ao garantir a segurança nuclear do sistema, a concentração do nuclídeo físsil (às vezes a quantidade de moderador) é necessariamente limitada pelo parâmetro permitido, enquanto ao mesmo tempo, ao usar o parâmetro seguro, não são impostas restrições à concentração ( ou na quantidade de moderador).
2 MASSA CRÍTICA
O desenvolvimento ou não de uma reação em cadeia depende do resultado da competição de quatro processos:
(1) Ejeção de nêutrons do urânio,
(2) captura de nêutrons pelo urânio sem fissão,
(3) captura de nêutrons por impurezas.
(4) captura de nêutrons pelo urânio com fissão.
Se a perda de nêutrons nos três primeiros processos for menor que o número de nêutrons liberados no quarto, ocorre uma reação em cadeia; caso contrário, é impossível. Obviamente, se dos três primeiros processos for muito provável, então o excesso de nêutrons liberados durante a fissão não será capaz de garantir a continuação da reação. Por exemplo, no caso em que a probabilidade do processo (2) (captura por urânio sem fissão) é muito maior do que a probabilidade de captura com fissão, uma reação em cadeia é impossível. Uma dificuldade adicional é introduzida pelo isótopo do urânio natural: consiste em três isótopos: 234U, 235U e 238U, cujas contribuições são 0,006, 0,7 e 99,3%, respectivamente. É importante que as probabilidades dos processos (2) e (4) sejam diferentes para diferentes isótopos e dependam de forma diferente da energia do nêutron.
Para avaliar a competição de vários processos do ponto de vista do desenvolvimento de um processo em cadeia de fissão nuclear em uma substância, é introduzido o conceito de "massa crítica".
Massa críticaé a massa mínima de material cindível que garante o fluxo de uma reação em cadeia de fissão nuclear auto-sustentável. A massa crítica é menor, menor a meia-vida de fissão e maior o enriquecimento do elemento de trabalho com um isótopo físsil.
Massa crítica - a quantidade mínima de material cindível necessária para iniciar uma reação em cadeia de fissão auto-sustentável. O fator de multiplicação de nêutrons em tal quantidade de matéria é igual à unidade.
Massa críticaé a massa do material cindível do reator, que está em estado crítico.
Dimensões críticas de um reator nuclear- as menores dimensões do núcleo do reator, nas quais uma reação de fissão autossustentável do combustível nuclear ainda pode ser realizada. Normalmente, sob o tamanho crítico, tome o volume crítico da zona ativa.
Volume crítico de um reator nuclear- o volume do núcleo do reator em estado crítico.
O número relativo de nêutrons que são emitidos do urânio pode ser reduzido alterando o tamanho e a forma. Em uma esfera, os efeitos de superfície são proporcionais ao quadrado e os efeitos de volume são proporcionais ao cubo do raio. A fuga de nêutrons do urânio é um efeito de superfície, dependendo do tamanho da superfície; A captura com fissão ocorre em todo o volume ocupado pelo material e, portanto, é
efeito volumétrico. Quanto maior a quantidade de urânio, menos provável é que a emissão de nêutrons do volume de urânio prevaleça sobre as capturas com fissão e impeça uma reação em cadeia. A perda de nêutrons para capturas sem fissão é um efeito de massa, semelhante à liberação de nêutrons na captura de fissão, portanto, aumentar o tamanho não altera sua importância relativa.
As dimensões críticas de um dispositivo contendo urânio podem ser definidas como as dimensões nas quais o número de nêutrons liberados durante a fissão é exatamente igual à sua perda por emissão e capturas que não são acompanhadas de fissão. Em outras palavras, se as dimensões são menos do que críticas, então, por definição, uma reação em cadeia não pode se desenvolver.
Apenas isótopos ímpares podem formar uma massa crítica. Apenas 235 U é encontrado na natureza, e 239 Pu e 233 U são artificiais, eles são formados em um reator nuclear (como resultado da captura de nêutrons por núcleos de 238 U
e 232 Th seguido por dois decaimentos β subsequentes).
NO no urânio natural, uma reação em cadeia de fissão não pode se desenvolver com qualquer quantidade de urânio, no entanto, em isótopos como O processo de cadeia de 235 U e 239 Pu é obtido com relativa facilidade. Na presença de um moderador de nêutrons, uma reação em cadeia também ocorre no urânio natural.
Uma condição necessária para a implementação de uma reação em cadeia é a presença de uma quantidade suficientemente grande de material físsil, pois em amostras de tamanhos pequenos, a maioria dos nêutrons voa através da amostra sem atingir nenhum núcleo. Uma reação em cadeia de uma explosão nuclear ocorre quando
material físsil de alguma massa crítica.
Seja um pedaço de matéria capaz de fissão, por exemplo, 235 U, no qual entra um nêutron. Esse nêutron causará fissão ou será inutilmente absorvido pela substância ou, difundido, sairá pela superfície externa. É importante o que acontecerá no próximo estágio - o número médio de nêutrons diminuirá ou diminuirá, ou seja, enfraquecer ou desenvolver uma reação em cadeia, ou seja, se o sistema estará em um estado subcrítico ou supercrítico (explosivo). Como a emissão de nêutrons é controlada pelo tamanho (para uma bola, pelo raio), surge o conceito de tamanho crítico (e massa). Para que a explosão se desenvolva, o tamanho deve ser maior que o crítico.
O tamanho crítico de um sistema físsil pode ser estimado se o comprimento do caminho do nêutron no material físsil for conhecido.
O nêutron, voando através da substância, ocasionalmente colide com o núcleo, parece ver sua seção transversal. O tamanho da seção transversal do núcleo σ=10-24 cm2 (celeiro). Se N é o número de núcleos em um centímetro cúbico, então a combinação L = 1/N σ fornece o caminho médio de nêutrons em relação à reação nuclear. O comprimento do caminho do nêutron é o único valor dimensional que pode servir como ponto de partida para avaliar o tamanho crítico. Em qualquer teoria física, são utilizados métodos de similaridade, que, por sua vez, são construídos a partir de combinações adimensionais de grandezas dimensionais, características do sistema e da matéria. Tão sem dimensão
o número é a razão entre o raio de um pedaço de material físsil e o comprimento do caminho dos nêutrons nele. Se assumirmos que o número adimensional é da ordem da unidade, e o comprimento do caminho em um valor típico de N = 1023, L = 10 cm
(para σ = 1) (geralmente σ é geralmente muito maior que 1, então a massa crítica é menor que nossa estimativa). A massa crítica depende da seção transversal da reação de fissão de um determinado nuclídeo. Assim, para criar uma bomba atômica, são necessários aproximadamente 3 kg de plutônio ou 8 kg de 235 U (com um esquema implosivo e no caso de 235 U puro). de acordo com nossa estimativa
R \u003d L \u003d 10 cm).
Vamos agora derivar uma fórmula mais rigorosa para calcular o tamanho crítico de um pedaço de material físsil.
Como se sabe, o decaimento de um núcleo de urânio produz vários nêutrons livres. Alguns deles saem da amostra e outros são absorvidos por outros núcleos, causando sua fissão. Uma reação em cadeia ocorre se o número de nêutrons em uma amostra começa a crescer como uma avalanche. A equação de difusão de nêutrons pode ser usada para determinar a massa crítica:
∂C |
D C + β C |
||
∂t |
|||
onde C é a concentração de nêutrons, β>0 é a constante de velocidade da reação de multiplicação de nêutrons (semelhante à constante de decaimento radioativo tem a dimensão 1/s, D é o coeficiente de difusão de nêutrons,
Seja a amostra esférica com raio R. Então precisamos encontrar uma solução para a equação (1) que satisfaça a condição de contorno: C (R,t )=0.
Façamos a mudança C = ν e β t , então
∂C |
∂ν |
||||||||||||||||||||||||||||||||
v = D |
+ βν e |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
∂t |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Obtivemos a equação clássica de condução de calor: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
∂ν |
Dv |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
A solução desta equação é bem conhecida |
π 2 n 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
ν(r, t)= |
pecado n re |
||||||||||||||||||||||||||||||||
π 2 n |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
β − |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
C(r, t) = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
pecado n re |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
n = 1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
A reação em cadeia ocorrerá sob a condição (ou seja, |
C(r, t) |
t →∞ → ∞ ) que para pelo menos um n o coeficiente em |
|||||||||||||||||||||||||||||||
expoente é positivo. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Se β − π 2 n 2 D > 0, |
então β > π 2 n 2 D e o raio crítico da esfera: |
R = n |
|||||||||||||||||||||||||||||||
Se π |
≥ R , então para qualquer n não haverá expoente crescente |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Se π |
< R , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Restringimo-nos ao primeiro membro da série, n = 1: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
R = π |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Massa crítica: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
M = ρ V = ρ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
O valor mínimo do raio da esfera no qual ocorre uma reação em cadeia é chamado
raio crítico , e a massa da bola correspondente é massa crítica.
Substituindo o valor de R , obtemos a fórmula para calcular a massa crítica:
M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β
O valor da massa crítica depende da forma da amostra, do fator de multiplicação de nêutrons e do coeficiente de difusão de nêutrons. A sua determinação é um problema experimental complexo, pelo que a fórmula resultante é utilizada para determinar os coeficientes indicados, e os cálculos efetuados comprovam a existência de uma massa crítica.
O papel do tamanho da amostra é óbvio: com a diminuição do tamanho, a porcentagem de nêutrons emitidos através de sua superfície aumenta, de modo que em tamanhos de amostra pequenos (abaixo do crítico!), uma reação em cadeia torna-se impossível mesmo com uma relação favorável entre os processos de absorção e produção de nêutrons.
Para urânio altamente enriquecido, a massa crítica é de cerca de 52 kg, para plutônio para armas, 11 kg. Os documentos regulamentares para a proteção de materiais nucleares contra roubo indicam massas críticas: 5 kg de 235 U ou 2 kg de plutônio (para o esquema de implosão da bomba atômica). Para o esquema de canhão, as massas críticas são muito maiores. Com base nesses valores, é construída a intensidade da proteção de substâncias cindíveis contra ataques terroristas.
Comente. A massa crítica de um sistema de urânio metálico enriquecido a 93,5% (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) é 52 kg sem um refletor e 8,9 kg quando o sistema é cercado por um refletor de nêutrons de óxido de berílio. A massa crítica de uma solução aquosa de urânio é de aproximadamente 5 kg.
O valor da massa crítica depende das propriedades da substância (como as seções transversais de fissão e captura de radiação), da densidade, da quantidade de impurezas, da forma do produto e também do ambiente. Por exemplo, a presença de refletores de nêutrons pode reduzir bastante a massa crítica. Para um material cindível específico, a quantidade de material que constitui a massa crítica pode variar em uma ampla faixa e depende da densidade, das características (tipo e espessura do material) do refletor e da natureza e porcentagem de quaisquer diluentes inertes (como oxigênio em óxido de urânio, 238 U em 235 U parcialmente enriquecido ou impurezas químicas).
Para fins de comparação, aqui estão as massas críticas de bolas sem refletor para vários tipos de materiais com alguma densidade padrão.
Para comparação, damos os seguintes exemplos de massas críticas: 10 kg 239 Pu, metal na fase alfa
(densidade 19,86 g/cm3); 52 kg 94% 235 U (6% 238 U), metal (densidade 18,72 g/cm3); 110 kg UO2 (94% 235 U)
a uma densidade na forma cristalina de 11 g/cm3; 35 kg PuO2 (94% 239 Pu) na densidade em cristalino
na forma de 11,4 g/cm3. Soluções de sais de nuclídeos físseis puros em água com um refletor de nêutrons de água têm a menor massa crítica. Para 235 U a massa crítica é 0,8 kg, para 239 Pu é 0,5 kg, para 251 Cf é
A massa crítica M está relacionada ao comprimento crítico l: M l x , onde x depende da forma da amostra e varia de 2 a 3. A dependência da forma está relacionada ao vazamento de nêutrons através da superfície: quanto maior a superfície, quanto maior a massa crítica. A amostra com a massa crítica mínima é esférica. Aba. 5. Principais características estimadas de isótopos puros capazes de fissão nuclear
Nêutrons |
||||||||
Recibo |
crítico |
Densidade |
Temperatura |
Dissipação de calor |
espontâneo |
|||
meia vida |
||||||||
(fonte) |
g/cm³ |
ponto de fusão °С |
||||||
T 1/2 |
105 (kgs) |
|||||||
231Pa |
||||||||
232U |
Reator ligado |
|||||||
nêutrons |
||||||||
233U |
||||||||
235U |
Natural |
7.038×108 anos |
||||||
236U |
2,3416×107 anos? kg |
|||||||
237Np |
2,14×107 anos |
|||||||
236 Pu |
||||||||
238 Pu |
||||||||
239 Pu |
||||||||
240 Pu |
||||||||
241 Pu |
||||||||
242 Pu |
||||||||
241h |
||||||||
242mAm |
||||||||
243mAm |
||||||||
243h |
||||||||
243 cm |
||||||||
244cm |
||||||||
245cm |
||||||||
246cm |
||||||||
247cm |
1,56×107 anos |
|||||||
248 cm |
||||||||
249Cf |
||||||||
250 Cf |
||||||||
251Cf |
||||||||
252Cf |
||||||||
Vamos nos deter com mais detalhes sobre os parâmetros críticos dos isótopos de alguns elementos. Vamos começar com urânio.
Como já foi repetidamente mencionado, 235 U (0,72% clarke) é de particular importância, pois é fissionado sob a ação de nêutrons térmicos (σ f = 583 barn), enquanto libera uma “energia térmica equivalente” de 2 × 107 kWh / k. Como, além do decaimento α, 235 U também se divide espontaneamente (T 1/2 \u003d 3,5 × 1017 anos), os nêutrons estão sempre presentes na massa de urânio, o que significa que é possível criar condições para a ocorrência de uma reação em cadeia de fissão auto-sustentável. Para urânio metálico com enriquecimento de 93,5%, a massa crítica é: 51 kg sem refletor; 8,9 kg com refletor de óxido de berílio; 21,8 kg com defletor de água cheio. Parâmetros críticos de misturas homogêneas de urânio e seus compostos são dados em
Parâmetros críticos de isótopos de plutônio: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = de 12 a 7,45 kg. De maior interesse são as misturas de isótopos: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. A alta liberação de energia específica do 238 Pu leva à oxidação do metal no ar; portanto, é mais provável que seja usado na forma de óxidos. Após o recebimento de 238 Pu, o isótopo que o acompanha é 239 Pu. A proporção desses isótopos na mistura determina tanto o valor dos parâmetros críticos quanto sua dependência da alteração do conteúdo do moderador. Várias estimativas da massa crítica para uma esfera de metal nu de 238 Pu dão valores de 12 a 7,45 kg em comparação com a massa crítica de 239 Pu de 9,6 kg. Como o núcleo de 239 Pu contém um número ímpar de nêutrons, a massa crítica diminuirá quando a água for adicionada ao sistema. A massa crítica de 238 Pu aumenta com a adição de água. Para uma mistura desses isótopos, o efeito líquido da adição de água depende da razão isotópica. Quando o teor de massa de 239 Pu é de 37% ou menos, a massa crítica da mistura de isótopos de 239 Pu e 238 Pu não diminui quando a água é adicionada ao sistema. Neste caso, a quantidade permitida de 239 dióxidos Pu-238 Pu é de 8 kg. Com outros
proporções de dióxidos de 238 Pu e 239 Pu, o valor mínimo da massa crítica varia de 500 g para 239 Pu puro a 24,6 kg para 238 Pu puro.
Aba. Fig. 6. Dependência da massa crítica e volume crítico de urânio no enriquecimento de 235 U.
Observação. I - mistura homogênea de urânio metálico e água; II - mistura homogênea de dióxido de urânio e água; III - solução de fluoreto de uranila em água; IV - solução de nitrato de uranila em água. * Dados obtidos por interpolação gráfica.
Outro isótopo com um número ímpar de nêutrons é 241 Pu. O valor mínimo da massa crítica para 241 Pu é alcançado em soluções aquosas na concentração de 30 g/le é de 232 kg. Ao receber 241 Pu de combustível irradiado, é sempre acompanhado de 240 Pu, que não o excede em conteúdo. Com uma proporção igual de nuclídeos em uma mistura de isótopos, a massa crítica mínima de 241 Pu excede a massa crítica de 239 Pu. Portanto, em relação à massa crítica mínima, o isótopo 241 Pu em
239 Pu pode ser substituído por 239 Pu se a mistura de isótopos contiver quantidades iguais
241 Pu e 240 Pu.
Aba. 7. Parâmetros críticos mínimos de urânio com 100% de enriquecimento em 233 U.
Vamos agora considerar as características críticas dos isótopos de amerício. A presença dos isótopos 241 Am e 243 Am na mistura aumenta a massa crítica de 242 m Am. Para soluções aquosas, existe uma razão isotópica na qual o sistema é sempre subcrítico. Quando o teor de massa de 242 m Am em uma mistura de 241 Am e 242 m Am é inferior a 5%, o sistema permanece subcrítico até a concentração de amerício em soluções e misturas mecânicas de dióxido com água igual a 2500 g/l. 243 Am misturado com 242m Am também aumenta
a massa crítica da mistura, mas em menor grau, uma vez que a seção de choque de captura de nêutrons térmicos para 243 Am é uma ordem de magnitude menor do que para 241 Am
Aba. 8. Parâmetros críticos de conjuntos esféricos de plutônio homogêneo (239 Pu+240 Pu).
Aba. 9. Dependência da massa crítica e volume para compostos de plutônio* na composição isotópica do plutônio
* O principal nuclídeo é 94 239 Pu.
Observação. I - mistura homogênea de plutônio metálico e água; II - mistura homogênea de dióxido de plutônio e água; III mistura homogênea de oxalato de plutônio e água; IV - solução de nitrato de plutônio em água.
Aba. Fig. 10. Dependência da massa crítica mínima de 242 m Am em seu conteúdo em uma mistura de 242 m Am e 241 Am (a massa crítica foi calculada para AmO2 + H2O em geometria esférica com um refletor de água):
Massa crítica 242 m Am, g |
|
Com uma pequena fração de massa de 245 Cm, deve-se levar em consideração que 244 Cm também possui uma massa crítica finita em sistemas sem moderadores. Outros isótopos de cúrio com um número ímpar de nêutrons têm uma massa crítica mínima várias vezes maior que 245 cm. Em uma mistura de CmO2 + H2O, o isótopo de 243 Cm tem uma massa crítica mínima de cerca de 108 g e 247 Cm - cerca de 1170 g.
massa crítica, podemos supor que 1 g de 245 cm equivale a 3 g de 243 cm ou 30 g de 247 cm. Massa crítica mínima 245 Cm, g, dependendo do conteúdo de 245 Cm em uma mistura de isótopos de 244 Cm e 245 Cm para СmО2 +
H2O é descrito muito bem pela fórmula
Mcr = 35,5 + |
||||
ξ + 0,003 |
||||
onde ξ é a fração de massa de 245 Cm em uma mistura de isótopos de cúrio.
A massa crítica depende da seção transversal da reação de fissão. Ao criar armas, todos os tipos de truques podem reduzir a massa crítica necessária para uma explosão. Assim, para criar uma bomba atômica, são necessários 8 kg de urânio-235 (com um esquema de implosão e no caso de urânio-235 puro; ao usar 90% de urânio-235 e com um esquema de haste de uma bomba atômica, pelo menos são necessários 45 kg de urânio para armas). A massa crítica pode ser significativamente reduzida cercando a amostra de material físsil com uma camada de material que reflete nêutrons, como berílio ou urânio natural. O refletor devolve uma parte significativa dos nêutrons emitidos pela superfície da amostra. Por exemplo, se você usar um refletor de 5 cm de espessura, feito de materiais como urânio, ferro, grafite, a massa crítica será a metade da massa crítica da “bola nua”. Refletores mais espessos reduzem a massa crítica. O berílio é especialmente eficaz, fornecendo uma massa crítica de 1/3 da massa crítica padrão. O sistema de nêutrons térmicos tem o maior volume crítico e a menor massa crítica.
Um papel importante é desempenhado pelo grau de enriquecimento no nuclídeo físsil. O urânio natural contendo 0,7% de 235 U não pode ser utilizado para a fabricação de armas atômicas, pois o restante do urânio (238 U) absorve intensamente nêutrons, impedindo o desenvolvimento do processo em cadeia. Portanto, isótopos de urânio devem ser separados, o que é uma tarefa complexa e demorada. A separação deve ser realizada em graus de enriquecimento em 235 U acima de 95%. Ao longo do caminho, é necessário se livrar de impurezas de elementos com alta seção transversal de captura de nêutrons.
Comente. Ao preparar urânio para armas, eles não apenas se livram de impurezas desnecessárias, mas as substituem por outras impurezas que contribuem para o processo em cadeia, por exemplo, introduzem elementos - criadores de nêutrons.
O nível de enriquecimento de urânio tem um efeito significativo no valor da massa crítica. Por exemplo, a massa crítica de urânio enriquecido com 235U 50% é 160 kg (3 vezes a massa de 94% de urânio), e a massa crítica de 20% de urânio é 800 kg (ou seja, ~15 vezes maior que a massa crítica 94% de urânio). Coeficientes semelhantes de dependência do nível de enriquecimento são aplicáveis ao óxido de urânio.
A massa crítica é inversamente proporcional ao quadrado da densidade do material, M a ~1/ρ 2 , . Assim, a massa crítica do plutônio metálico na fase delta (densidade 15,6 g/cm3) é de 16 kg. Essa circunstância é levada em consideração ao projetar uma bomba atômica compacta. Como a probabilidade de captura de nêutrons é proporcional à concentração de núcleos, um aumento na densidade da amostra, por exemplo, como resultado de sua compressão, pode levar ao aparecimento de um estado crítico na amostra. Em dispositivos explosivos nucleares, uma massa de material físsil que está em um estado subcrítico seguro é transferida para um estado supercrítico explosivo usando uma explosão direcionada que submete a carga a um alto grau de compressão.
Subsídio para cidadãos "Cuidado! Radiação"
fissão atômica
A fissão dos núcleos dos átomos é espontânea, ou sob a ação de nêutrons, dividindo o núcleo de um átomo em 2 partes aproximadamente iguais, em dois "fragmentos".
Fragmentos são dois isótopos radioativos de elementos na parte central da tabela de D. I. Mendeleev, aproximadamente do cobre até o meio dos elementos lantanídeos (samário, európio).
Durante a fissão, 2-3 nêutrons extras são emitidos e um excesso de energia é liberado na forma de gama quanta, muito mais do que durante o decaimento radioativo. Se um ato de decaimento radioativo geralmente é responsável por um gama-quanta, então para 1 ato de fissão existem 8-10 gama-quanta! Além disso, os fragmentos voadores têm uma grande energia cinética (velocidade), que se transforma em calor.
Os nêutrons emitidos podem causar a fissão de dois ou três núcleos semelhantes se estiverem próximos e se os nêutrons os atingirem.
Assim, torna-se possível implementar uma reação em cadeia ramificada e acelerada de fissão de núcleos atômicos com a liberação de uma enorme quantidade de energia.
Se a reação em cadeia é mantida sob controle, seu desenvolvimento é controlado, não é permitido acelerar e a energia liberada (calor) é constantemente removida, então essa energia ("energia atômica") pode ser usada para aquecimento ou geração de eletricidade . Isso é realizado em reatores nucleares, em usinas nucleares.
Se a reação em cadeia se desenvolver incontrolavelmente, ocorrerá uma explosão atômica (nuclear). Já é uma arma nuclear.
Na natureza, existe apenas um elemento químico - o urânio, que possui apenas um isótopo físsil - urânio-235. Isso é urânio para armas. E esse isótopo em urânio natural é 0,7%, ou seja, apenas 7 kg por tonelada! Os restantes 99,3% (993 kg por tonelada) é um isótopo não físsil - urânio-238. Existe, no entanto, outro isótopo - urânio-234, mas é apenas 0,006% (60 gramas por tonelada).
Mas em um reator nuclear de urânio comum, a partir de urânio-238 não físsil ("não-arma"), sob a ação de nêutrons (ativação de nêutrons!) Um novo isótopo de urânio é formado - urânio-239, e a partir dele ( por duplo decaimento beta-menos) - um novo, artificial, o elemento plutônio que ocorre naturalmente. Neste caso, um isótopo físsil de plutônio é imediatamente formado - plutônio-239. Isso é plutônio para armas.
A fissão dos núcleos atômicos é a essência, a base das armas atômicas e da energia atômica.
A massa crítica é a quantidade de um isótopo de arma na qual os nêutrons liberados durante a fissão espontânea de núcleos não voam, mas caem em núcleos vizinhos e causam sua fissão artificial.
A massa crítica do urânio-235 metálico é de 52 kg. Esta é uma bola com um diâmetro de 18 cm.
A massa crítica do plutônio-239 metálico é de 11 kg (e de acordo com algumas publicações - 9 ou até 6 kg). Esta é uma bola com um diâmetro de cerca de 9-10 cm.
Assim, agora a humanidade tem dois isótopos físseis para armas: urânio-235 e plutônio-239. A única diferença entre eles é que, em primeiro lugar, o urânio é mais adequado para uso em energia nuclear: permite controlar sua reação em cadeia e, em segundo lugar, é menos eficaz para uma reação em cadeia descontrolada - uma explosão atômica: tem um menor velocidade de fissão nuclear espontânea e mais massa crítica. E o plutônio para armas, pelo contrário, é mais adequado para armas nucleares: tem uma alta taxa de fissão nuclear espontânea e uma massa crítica muito menor. O plutônio-239 não permite o controle confiável de sua reação em cadeia e, portanto, ainda não encontrou ampla aplicação na engenharia de energia nuclear, em reatores nucleares.
É por isso que todos os problemas com o urânio para armas foram resolvidos em questão de anos, e as tentativas de usar plutônio na energia nuclear continuam até hoje - por mais de 60 anos.
Assim, dois anos após a descoberta da fissão de urânio, foi lançado o primeiro reator nuclear de urânio do mundo (dezembro de 1942, Enrico Fermi, EUA), e dois anos e meio depois (em 1945) os americanos detonaram a primeira bomba de urânio.
E com o plutônio... A primeira bomba de plutônio foi detonada em 1945, ou seja, aproximadamente quatro anos após sua descoberta como elemento químico e a descoberta de sua fissão. Além disso, para isso foi necessário primeiro construir um reator nuclear de urânio, produzir plutônio nesse reator a partir de urânio-238, depois separá-lo do urânio irradiado, estudar bem suas propriedades e fazer uma bomba. Desenvolvido, isolado, fabricado. Mas falar sobre a possibilidade de usar plutônio como combustível nuclear em reatores nucleares de plutônio continua sendo conversa, e assim permaneceu por mais de 60 anos.
O processo de fissão pode ser caracterizado por um "meio período".
Pela primeira vez, os períodos de meia-vida foram estimados por K. A. Petrzhak e G. I. Flerov em 1940.
Tanto para o urânio quanto para o plutônio, eles são extremamente grandes. Assim, de acordo com várias estimativas, o urânio-235 tem uma meia-vida de aproximadamente 10 ^ 17 (ou 10 ^ 18 anos (Physical Encyclopedic Dictionary); de acordo com outras fontes - 1,8 10 ^ 17 anos. E para plutônio-239 (de acordo com para o mesmo dicionário) é significativamente menor - aproximadamente 10 ^ 15,5 anos; de acordo com outras fontes - 4 10 ^ 15 anos.
Para comparação, lembre-se das meias-vidas (T 1/2). Então, para U-235 é "apenas" 7,038 10 ^ 8 anos, e para Pu-239 é ainda menos - 2,4 10 ^ 4 anos
Em geral, os núcleos de muitos átomos pesados podem se dividir, começando pelo urânio. Mas estamos falando de duas principais, que têm sido de grande importância prática por mais de 60 anos. Outros são mais de interesse puramente científico.
De onde vêm os radionuclídeos
Os radionuclídeos são obtidos de três fontes (três vias).
A primeira fonte é a natureza. Isso é radionuclídeos naturais, que sobreviveram, sobreviveram ao nosso tempo desde o momento de sua formação (talvez desde o momento da formação do sistema solar ou do Universo), pois têm meias-vidas longas, o que significa que sua vida útil é longa. Naturalmente, há muito menos deles do que era no início. Eles são extraídos de matérias-primas naturais.
A segunda e terceira fontes são artificiais.
Os radionuclídeos artificiais são formados de duas maneiras.
Primeiro - radionuclídeos de fragmentação, que são formados como resultado da fissão dos núcleos dos átomos. Estes são "fragmentos de fissão". Naturalmente, a maioria deles é formada em reatores nucleares para diversos fins, nos quais é realizada uma reação em cadeia controlada, bem como no teste de armas nucleares (reação em cadeia não controlada). Eles são encontrados em urânio irradiado extraído de reatores militares (de "reatores industriais") e em grandes quantidades em combustível nuclear irradiado (SNF) extraído de reatores de usinas nucleares.
Anteriormente, eles entravam no ambiente natural durante testes nucleares e processamento de urânio irradiado. Agora eles continuam recebendo durante o processamento (regeneração) de combustível nuclear usado, bem como durante acidentes em usinas nucleares, em reatores. Se necessário, eles foram extraídos de urânio irradiado e agora de combustível nuclear usado.
As segundas são radionuclídeos de origem de ativação. Eles são formados a partir de isótopos estáveis comuns como resultado da ativação, ou seja, quando uma partícula subatômica entra no núcleo de um átomo estável, como resultado do qual o átomo estável se torna radioativo. Na grande maioria dos casos, tal partícula de projétil é um nêutron. Portanto, para obter radionuclídeos artificiais, geralmente é utilizado o método de ativação de nêutrons. Consiste no fato de que um isótopo estável de qualquer elemento químico em qualquer forma (metal, sal, composto químico) é colocado no núcleo do reator por um certo tempo. E como um grande número de nêutrons é produzido no núcleo do reator a cada segundo, todos os elementos químicos que estão no núcleo ou perto dele gradualmente se tornam radioativos. Os elementos dissolvidos na água de resfriamento do reator também são ativados.
O método de bombardear um isótopo estável em aceleradores de partículas elementares com prótons, elétrons, etc. é menos comumente usado.
Os radionuclídeos são naturais - de origem natural e artificial - de origem de fragmentação e ativação. Uma quantidade insignificante de radionuclídeos de origem fragmentada sempre existiu no ambiente natural, pois são formados como resultado da fissão espontânea de núcleos de urânio-235. Mas são tão poucos que não é possível detectá-los com meios modernos de análise.
O número de nêutrons no núcleo de vários tipos de reatores é tal que cerca de 10^14 nêutrons voam através de qualquer seção de 1cm^2 em qualquer ponto do núcleo em 1 segundo.
Medição de radiação ionizante. Definições
Nem sempre é conveniente e conveniente caracterizar apenas as fontes de radiação ionizante (SIR) e apenas sua atividade (o número de eventos de decaimento). E a questão não é apenas que a atividade pode ser medida, via de regra, apenas em condições estacionárias em instalações muito complexas. O principal é que em um único ato de decaimento de diferentes isótopos, partículas de natureza diferente podem ser formadas, várias partículas e gama quanta podem ser formadas simultaneamente. Neste caso, a energia e, consequentemente, a capacidade de ionização de diferentes partículas serão diferentes. Portanto, o principal indicador para caracterizar o IRS é a avaliação de sua capacidade ionizante, ou seja (ao final) a energia que perdem ao passar por uma substância (meio) e que é absorvida por essa substância.
Ao medir a radiação ionizante, o conceito de dose é usado e, ao avaliar seu efeito em objetos biológicos, são usados fatores de correção. Vamos nomeá-los, dar uma série de definições.
Dose, dose absorvida (do grego - fração, porção) - a energia da radiação ionizante (II) absorvida pela substância irradiada e muitas vezes calculada por unidade de sua massa (ver "rad", "cinza"). Ou seja, a dose é medida em unidades de energia que é liberada na substância (absorvida pela substância) quando a radiação ionizante passa por ela.
Existem vários tipos de doses.
Dose de exposição(para raios-x e radiação gama) - determinado por ionização do ar. A unidade de medida no sistema SI é "coulomb por kg" (C/kg), que corresponde à formação de tal número de íons em 1 kg de ar, cuja carga total é 1 C (de cada signo) . A unidade de medida não sistêmica é "roentgen" (ver "C/kg" e "roentgen").
Para avaliar o impacto da IA em humanos, usamos fatores de correção.
Até recentemente, ao calcular a "dose equivalente" eram utilizados "fatores de qualidade de radiação "(K) - fatores de correção que levam em conta os diferentes efeitos em objetos biológicos (diferente capacidade de danificar os tecidos do corpo) de diferentes radiações na mesma dose absorvida. Eles são usados no cálculo da "dose equivalente". Agora esses coeficientes estão em os Padrões de Segurança de Radiação (NRB-99) foi chamado muito "cientificamente" - "Fatores de peso para tipos individuais de radiação ao calcular a dose equivalente (W Fator de risco de radiação
Taxa de dose- dose recebida por unidade de tempo (seg., hora).
Fundo- a taxa de dose de exposição de radiação ionizante em um determinado local.
fundo natural- taxa de dose de exposição de radiação ionizante, criada por todas as fontes naturais de IR (ver "Fundo de radiação").
