MASĂ CRITICĂ, masa minimă de material fisionabil necesară pentru a începe o REACȚIE ÎN LAN într-o bombă atomică sau un reactor atomic. Într-o bombă atomică, materialul care explodează este împărțit în părți, fiecare dintre acestea fiind mai puțin decât critică ... ... Dicționar enciclopedic științific și tehnic
Vezi MASS CRITICAL. Raizberg B.A., Lozovsky L.Sh., Starodubtseva E.B. Dicționar economic modern. Ed. a II-a, rev. M .: INFRA M. 479 s .. 1999 ... Dicționar economic
MASA CRITICA- cea mai mică (vezi) substanță fisionabilă (uraniu 233 sau 235, plutoniu 239 etc.), în care poate să apară și să se desfășoare o reacție în lanț autosusținută de fisiune a nucleelor atomice. Valoarea masei critice depinde de tipul de material fisionabil, ... ... Marea Enciclopedie Politehnică
Masa CRITICĂ, masa minimă de material fisionabil (combustibil nuclear) care asigură fluxul unei reacții în lanț de fisiune nucleară autosusținută. Valoarea masei critice (Mcr) depinde de tipul de combustibil nuclear și de geometria acestuia ... ... Enciclopedia modernă
Masa minimă de material fisionabil care asigură fluxul unei reacții în lanț de fisiune nucleară auto-susținută... Dicţionar enciclopedic mare
Masa critică este cea mai mică masă de combustibil în care o reacție în lanț auto-susținută de fisiune nucleară poate continua cu un anumit design și compoziție a miezului (depinde de mulți factori, de exemplu: compoziția combustibilului, moderator, formă ... .. . Termenii energiei nucleare
masa critica- Cea mai mică masă de combustibil în care o reacție în lanț auto-susținută de fisiune nucleară poate continua cu un anumit design și compoziție a miezului (depinde de mulți factori, de exemplu: compoziția combustibilului, moderator, forma miezului și ... .. . Manualul Traducătorului Tehnic
Masa critica- MASĂ CRITICĂ, masa minimă de material fisionabil (combustibil nuclear), care asigură fluxul unei reacții în lanț de fisiune nucleară autosusținută. Valoarea masei critice (Mcr) depinde de tipul de combustibil nuclear și de geometria acestuia ... ... Dicţionar Enciclopedic Ilustrat
Cantitatea minimă de combustibil nuclear care conține nuclizi fisionali (233U, 235U, 239Pu, 251Cf), cu crom, este posibilă o reacție în lanț de fisiune nucleară (vezi Fisiunea nucleară. Reactorul nuclear, Explozia nucleară). K. m. depinde de mărime și formă ...... Enciclopedia fizică
Masa minimă de material fisionabil care asigură fluxul unei reacții în lanț de fisiune nucleară autosusținută. * * * MASĂ CRITICĂ MASĂ CRITICĂ, masa minimă a unui material fisionabil care asigură curgerea unui... Dicţionar enciclopedic
Cărți
- Masa critică, Veselova N., În cartea Nataliei Veselova, membră a Uniunii Interregionale a Scriitorilor din Rusia, membru cu drepturi depline al Academiei de Literatură și Arte Plastice Ruse. G. R. Derzhavin, aleșii au intrat... Categorie: Alte publicații
- Masa critică, Natalia Veselova, În cartea Nataliei Veselova, membră a Uniunii Interregionale a Scriitorilor din Rusia, membru cu drepturi depline al Academiei de Literatură și Arte Plastice Ruse. G.R. Derzhavin, a inclus povestiri selectate... Categorie:
Site-ul prezintă elementele de bază ale tehnologiei de galvanizare. Procesele de pregătire și aplicare a acoperirilor electrochimice și chimice, precum și metodele de control al calității acoperirilor sunt luate în considerare în detaliu. Este descris echipamentul principal și auxiliar al atelierului de galvanizare. Se oferă informații despre mecanizarea și automatizarea producției galvanice, precum și măsurile de salubritate și siguranță.
Site-ul poate fi folosit pentru formarea profesională a lucrătorilor din producție.
Utilizarea acoperirilor de protecție, protector-decorative și speciale face posibilă rezolvarea multor probleme, printre care un loc important îl ocupă protecția metalelor împotriva coroziunii. Coroziunea metalelor, adică distrugerea lor din cauza acțiunii electrochimice sau chimice a mediului, provoacă pagube enorme economiei naționale. În fiecare an, ca urmare a coroziunii, până la 10-15% din producția anuală de metal sub formă de piese și structuri valoroase, instrumente și mașini complexe iese din uz. În unele cazuri, coroziunea duce la accidente.
Acoperirile galvanizate sunt una dintre metodele eficiente de protecție împotriva coroziunii, ele sunt, de asemenea, utilizate pe scară largă pentru a conferi suprafeței pieselor o serie de proprietăți speciale valoroase: duritate crescută și rezistență la uzură, reflectivitate ridicată, proprietăți anti-frecare îmbunătățite, conductivitate electrică de suprafață, lipire mai ușoară și, în sfârșit, pur și simplu pentru a îmbunătăți tipul extern de produse.
Oamenii de știință ruși sunt creatorii multor metode importante de prelucrare electrochimică a metalelor. Astfel, crearea electroformării este meritul academicianului B. S. Jacobi (1837). Cea mai importantă lucrare în domeniul galvanizării aparține oamenilor de știință ruși E. Kh. Lenz și I. M. Fedorovsky. Dezvoltarea galvanizării după Revoluția din octombrie este indisolubil legată de numele profesorilor științifici N. T. Kudryavtsev, V. I. Liner, N. P. Fedotiev și mulți alții.
S-a făcut multă muncă pentru standardizarea și normalizarea proceselor de acoperire. Volumul de lucru în creștere bruscă, mecanizarea și automatizarea atelierelor de galvanizare au necesitat o reglementare clară a proceselor, selecția atentă a electroliților pentru acoperire, selectarea celor mai eficiente metode de pregătire a suprafeței pieselor înainte de depunerea acoperirilor galvanizate și a operațiunilor finale, precum și metode fiabile de control al calității produselor. În aceste condiții, rolul unui muncitor calificat în galvanizare crește brusc.
Obiectivul principal al acestui site este de a ajuta elevii școlilor tehnice să însuşească profesia de muncitor galvanoplastic care cunoaşte procesele tehnologice moderne utilizate în atelierele avansate de galvanizare.
Cromarea electrolitică este o modalitate eficientă de a crește rezistența la uzură a pieselor de frecare, de a le proteja de coroziune, precum și o metodă de finisare protectoare și decorativă. Economii semnificative sunt asigurate de cromarea la restaurarea pieselor uzate. Procesul de cromare este utilizat pe scară largă în economia națională. O serie de organizații de cercetare, institute, universități și întreprinderi de construcție de mașini lucrează la îmbunătățirea acestuia. Apar electroliți mai eficienți și moduri de cromare, sunt dezvoltate metode pentru a îmbunătăți proprietățile mecanice ale pieselor cromate, ca urmare a extinderii domeniului de aplicare a cromării. Cunoașterea elementelor de bază ale tehnologiei moderne de cromare contribuie la îndeplinirea instrucțiunilor documentației normative și tehnice și la participarea creativă a unei game largi de practicieni la dezvoltarea ulterioară a cromării.
Site-ul a dezvoltat problemele efectului cromării asupra rezistenței pieselor, a extins utilizarea electroliților eficienți și a proceselor tehnologice, a introdus o nouă secțiune privind metodele de îmbunătățire a eficienței cromării. Secțiunile principale au fost reproiectate ținând cont de progresele nporpecsivnyh în tehnologia de cromare. Instrucțiunile tehnologice date și modelele de corpuri suspendate sunt exemplare, ghidând cititorul în chestiunile de alegere a condițiilor de cromare și în principiile proiectării corpurilor de suspendare.
Dezvoltarea continuă a tuturor ramurilor ingineriei mecanice și fabricarea instrumentelor a condus la o extindere semnificativă a domeniului de aplicare a acoperirilor electrolitice și chimice.
Prin depunerea chimică a metalelor, în combinație cu acoperiri metalice galvanice sunt create pe o mare varietate de dielectrici: materiale plastice, ceramică, ferite, vitro-ceramice și alte materiale. Fabricarea pieselor din aceste materiale cu suprafata metalizata a asigurat introducerea de noi solutii de design si tehnice, o imbunatatire a calitatii produselor si o reducere a costurilor de productie a echipamentelor, masinilor si bunurilor de larg consum.
Piesele din materiale plastice cu acoperiri metalice sunt utilizate pe scară largă în industria auto, industria ingineriei radio și în alte sectoare ale economiei naționale. Procesele de metalizare a materialelor polimerice au devenit deosebit de importante în producția de plăci de circuite imprimate, care stau la baza dispozitivelor electronice moderne și a produselor de inginerie radio.
Broșura oferă informațiile necesare despre procesele de metalizare chimico-electrolitică a dielectricilor, sunt date principalele regularități ale depunerii chimice a metalelor. Sunt indicate caracteristicile acoperirilor electrolitice în timpul metalizării materialelor plastice. Se acordă o atenție considerabilă tehnologiei de producție a plăcilor cu circuite imprimate, precum și metodelor de analiză a soluțiilor utilizate în procesele de metalizare, precum și metodelor de pregătire și corectare a acestora.
Intr-un mod accesibil si distractiv, site-ul introduce natura fizica in ceea ce priveste caracteristicile radiatiilor ionizante si radioactivitatii, efectul diferitelor doze de radiatii asupra organismelor vii, metode de protectie si prevenire a pericolului de radiatii, posibilitatile de utilizare a izotopilor radioactivi pentru recunoaște și tratează bolile umane.
Pentru funcționarea în siguranță cu substanțe nucleare periculoase fisionabile, parametrii echipamentului trebuie să fie mai puțin critici. Ca parametri de reglementare ai securității nucleare se folosesc: cantitatea, concentrația și volumul materialului fisionabil nuclear periculos; diametrul echipamentului având o formă cilindrică; grosimea stratului plat pentru echipamente în formă de placă. Parametrul normativ este stabilit pe baza parametrului admis, care este mai mic decât cel critic și nu trebuie depășit în timpul funcționării echipamentului. În același timp, este necesar ca caracteristicile care afectează parametrii critici să fie în limite strict definite. Sunt utilizați următorii parametri validi: numărul M add, volumul V add, diametrul D add, grosimea stratului t add.
Folosind dependența parametrilor critici de concentrația unui nuclid fisionabil nuclear periculos, se determină valoarea parametrului critic sub care, la orice concentrație, SCRD este imposibil. De exemplu, pentru soluțiile de săruri de plutoniu și uraniu îmbogățit, masa critică, volumul, diametrul unui cilindru infinit, grosimea unui strat plat infinit au un minim în regiunea decelerației optime. Pentru amestecurile de uraniu îmbogățit metalic cu apă, masa critică, ca și pentru soluții, are un minim pronunțat în regiunea decelerației optime, iar volumul critic, diametrul unui cilindru infinit și grosimea unui strat plat infinit la mare. îmbogățirea (>35%) au valori minime în absența unui moderator (r n /r 5 =0); pentru îmbogățirea sub 35%, parametrii critici ai amestecului au un minim la decelerare optimă. Evident, parametrii stabiliți pe baza parametrilor critici minimi asigură siguranță pe întregul interval de concentrație. Acești parametri sunt numiți siguri, sunt mai puțini decât parametrii critici minimi. Se folosesc următorii parametri de siguranță: cantitate, concentrație, volum, diametru, grosime strat.
La asigurarea securității nucleare a sistemului, concentrația nuclidului fisionabil (uneori cantitatea de moderator) este neapărat limitată de parametrul admisibil, în timp ce, în același timp, la utilizarea parametrului de siguranță, nu se impun restricții asupra concentrației ( sau pe cantitatea de moderator).
2 MASĂ CRITICĂ
Dacă se va dezvolta sau nu o reacție în lanț, depinde de rezultatul competiției a patru procese:
(1) Ejectia neutronilor din uraniu,
(2) captarea neutronilor de către uraniu fără fisiune,
(3) captarea neutronilor de către impurități.
(4) captarea neutronilor de către uraniu cu fisiune.
Dacă pierderea de neutroni în primele trei procese este mai mică decât numărul de neutroni eliberați în al patrulea, atunci are loc o reacție în lanț; altfel este imposibil. Evident, dacă din primele trei procese este foarte probabil, atunci excesul de neutroni eliberați în timpul fisiunii nu va putea asigura continuarea reacției. De exemplu, în cazul în care probabilitatea procesului (2) (captare de uraniu fără fisiune) este mult mai mare decât probabilitatea de captare cu fisiune, o reacție în lanț este imposibilă. O dificultate suplimentară este introdusă de izotopul uraniului natural: este format din trei izotopi: 234U, 235U și 238U, ale căror contribuții sunt de 0,006, 0,7 și, respectiv, 99,3%. Este important ca probabilitățile proceselor (2) și (4) să fie diferite pentru diferiți izotopi și să depindă diferit de energia neutronilor.
Pentru a evalua concurența diferitelor procese din punctul de vedere al dezvoltării unui proces în lanț de fisiune nucleară într-o substanță, se introduce conceptul de „masă critică”.
Masa critica este masa minimă de material fisionabil care asigură fluxul unei reacții în lanț de fisiune nucleară autosusținută. Masa critică este cu atât mai mică, cu atât timpul de înjumătățire prin fisiune este mai scurt și cu atât este mai mare îmbogățirea elementului de lucru cu un izotop fisionabil.
Masa critica - cantitatea minimă de material fisionabil necesară pentru a începe o reacție în lanț de fisiune auto-susținută. Factorul de multiplicare a neutronilor într-o astfel de cantitate de materie este egal cu unitatea.
Masa critica este masa materialului fisionabil al reactorului, care se află într-o stare critică.
Dimensiunile critice ale unui reactor nuclear- cele mai mici dimensiuni ale miezului reactorului, la care se poate desfășura în continuare o reacție de fisiune a combustibilului nuclear autosusținut. De obicei, sub dimensiunea critică ia volumul critic al zonei active.
Volumul critic al unui reactor nuclear- volumul miezului reactorului în stare critică.
Numărul relativ de neutroni care sunt emiși din uraniu poate fi redus prin modificarea dimensiunii și formei. Într-o sferă, efectele de suprafață sunt proporționale cu pătratul, iar efectele de volum sunt proporționale cu cubul razei. Evadarea neutronilor din uraniu este un efect de suprafata, in functie de marimea suprafetei; captarea cu fisiune are loc în întregul volum ocupat de material și deci este
efect volumetric. Cu cât cantitatea de uraniu este mai mare, cu atât este mai puțin probabil ca emisia de neutroni din volumul de uraniu să prevaleze asupra captărilor cu fisiune și să prevină o reacție în lanț. Pierderea de neutroni la capturile non-fisiune este un efect de vrac, similar cu eliberarea de neutroni în captarea prin fisiune, astfel încât mărirea dimensiunii nu modifică importanța lor relativă.
Dimensiunile critice ale unui dispozitiv care contine uraniu pot fi definite ca fiind dimensiunile la care numarul de neutroni eliberati in timpul fisiunii este exact egal cu pierderile lor datorate emisiilor si capturilor care nu sunt insotite de fisiune. Cu alte cuvinte, dacă dimensiunile sunt mai puțin critice, atunci, prin definiție, nu se poate dezvolta o reacție în lanț.
Doar izotopii ciudați pot forma o masă critică. Doar 235 U se găsesc în natură, iar 239 Pu și 233 U sunt artificiali, se formează într-un reactor nuclear (ca urmare a captării neutronilor de către nuclee de 238 U
și 232 Th urmate de două dezintegrari β ulterioare).
LA în uraniul natural, o reacție în lanț de fisiune nu se poate dezvolta cu nicio cantitate de uraniu, totuși, în izotopi precum Procesul de lanț 235 U și 239 Pu se realizează relativ ușor. În prezența unui moderator de neutroni, are loc și o reacție în lanț în uraniul natural.
O condiție necesară pentru implementarea unei reacții în lanț este prezența unei cantități suficient de mare de material fisionabil, deoarece în eșantioanele de dimensiuni mici, majoritatea neutronilor zboară prin eșantion fără să lovească niciun nucleu. O reacție în lanț a unei explozii nucleare are loc atunci când
material fisionabil cu o anumită masă critică.
Să existe o bucată de materie capabilă de fisiune, de exemplu, 235 U, în care intră un neutron. Acest neutron fie va provoca fisiunea, fie va fi absorbit inutil de substanță sau, după ce a difuzat, va ieși prin suprafața exterioară. Este important ce se va întâmpla în următoarea etapă - va scădea sau va scădea numărul mediu de neutroni, de exemplu? slăbiți sau dezvoltați o reacție în lanț, de ex. dacă sistemul va fi într-o stare subcritică sau supercritică (explozivă). Deoarece emisia de neutroni este controlată de dimensiune (pentru o minge, de rază), apare conceptul de dimensiune critică (și masă). Pentru ca explozia să se dezvolte, dimensiunea trebuie să fie mai mare decât cea critică.
Mărimea critică a unui sistem fisionabil poate fi estimată dacă este cunoscută lungimea căii neutronilor în materialul fisionabil.
Neutronul, care zboară prin substanță, se ciocnește ocazional cu nucleul, pare să-și vadă secțiunea transversală. Dimensiunea secțiunii transversale a miezului σ=10-24 cm2 (hambar). Dacă N este numărul de nuclee într-un centimetru cub, atunci combinația L =1/N σ dă calea medie a neutronilor în raport cu reacția nucleară. Lungimea căii neutronilor este singura valoare dimensională care poate servi ca punct de plecare pentru evaluarea dimensiunii critice. În orice teorie fizică, se folosesc metode de similaritate care, la rândul lor, sunt construite din combinații adimensionale de mărimi dimensionale, caracteristici ale sistemului și materie. Deci fără dimensiuni
numărul este raportul dintre raza unei bucăți de material fisionabil și lungimea traseului neutronilor în ea. Dacă presupunem că numărul adimensional este de ordinul unității, iar lungimea drumului la o valoare tipică de N = 1023, L = 10 cm
(pentru σ = 1) (de obicei σ este de obicei mult mai mare decât 1, deci masa critică este mai mică decât estimarea noastră). Masa critică depinde de secțiunea transversală a reacției de fisiune a unui anumit nuclid. Deci, pentru a crea o bombă atomică, sunt necesare aproximativ 3 kg de plutoniu sau 8 kg de 235 U (cu o schemă implozivă și în cazul 235 U pur) dintr-o astfel de masă este de aproximativ 8,5 cm, ceea ce este surprinzător de bine în conform estimării noastre
R \u003d L \u003d 10 cm).
Să derivăm acum o formulă mai riguroasă pentru calcularea dimensiunii critice a unei bucăți de material fisionabil.
După cum se știe, dezintegrarea unui nucleu de uraniu produce mai mulți neutroni liberi. Unele dintre ele părăsesc proba, iar altele sunt absorbite de alte nuclee, provocând fisiunea acestora. O reacție în lanț are loc dacă numărul de neutroni dintr-o probă începe să crească ca o avalanșă. Ecuația difuziei neutronilor poate fi utilizată pentru a determina masa critică:
∂C |
D C + β C |
||
∂t |
|||
unde C este concentrația de neutroni, β>0 este constanta vitezei de reacție de multiplicare a neutronilor (similar cu constanta dezintegrarii radioactive are dimensiunea 1/sec, D este coeficientul de difuzie a neutronilor,
Fie proba să fie sferică cu raza R. Atunci trebuie să găsim o soluție a ecuației (1) care să satisfacă condiția la limită: C (R,t )=0.
Să facem schimbarea C = ν e β t , atunci
∂C |
∂ν |
||||||||||||||||||||||||||||||||
v = D |
+ βν e |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
∂t |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Am obținut ecuația clasică a conducerii căldurii: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
∂ν |
Dv |
||||||||||||||||||||||||||||||||
∂t |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Soluția acestei ecuații este bine cunoscută |
π 2 n 2 |
||||||||||||||||||||||||||||||||
ν(r, t)= |
sin n re |
||||||||||||||||||||||||||||||||
π 2 n |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
β − |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
C(r, t) = |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
sin n re |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
r n = 1 |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Reacția în lanț va merge în condiția (adică |
C(r, t) |
t →∞ → ∞ ) că pentru cel puţin un n coeficientul în |
|||||||||||||||||||||||||||||||
exponentul este pozitiv. |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Dacă β − π 2 n 2 D > 0, |
atunci β > π 2 n 2 D și raza critică a sferei: |
R = n |
|||||||||||||||||||||||||||||||
Dacă π |
≥ R , atunci pentru orice n nu va exista exponent în creștere |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Dacă π |
< R , то хотя бы при одном n мы получим растущую экспоненту. |
||||||||||||||||||||||||||||||||
Ne restrângem la primul membru al seriei, n = 1: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
R = π |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Masa critica: |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
M = ρ V = ρ |
|||||||||||||||||||||||||||||||||
Se numește valoarea minimă a razei bilei la care are loc o reacție în lanț
raza critică , iar masa bilei corespunzătoare este masa critica.
Înlocuind valoarea pentru R , obținem formula de calcul a masei critice:
M cr = ρπ 4 4 D 2 (9) 3 β
Valoarea masei critice depinde de forma probei, de factorul de multiplicare a neutronilor si de coeficientul de difuzie a neutronilor. Determinarea lor este o problemă experimentală complexă, prin urmare formula rezultată este utilizată pentru determinarea coeficienților indicați, iar calculele efectuate sunt dovada existenței unei mase critice.
Rolul dimensiunii eșantionului este evident: odată cu scăderea dimensiunii, procentul de neutroni emiși prin suprafața sa crește, astfel încât la dimensiuni mici (sub critice!) eșantionului, o reacție în lanț devine imposibilă chiar și cu un raport favorabil între procesele de absorbție și producerea de neutroni.
Pentru uraniul foarte îmbogățit, masa critică este de aproximativ 52 kg, pentru plutoniul pentru arme, 11 kg. Documentele de reglementare privind protecția materialelor nucleare împotriva furtului indică mase critice: 5 kg de 235 U sau 2 kg de plutoniu (pentru schema de implozie a bombei atomice). Pentru schema tunului, masele critice sunt mult mai mari. Pe baza acestor valori se construiește intensitatea protecției substanțelor fisionabile împotriva atacurilor teroriste.
Cometariu. Masa critică a unui sistem de uraniu metalic îmbogățit cu 93,5% (93,5% 235 U; 6,5% 238 U) este de 52 kg fără reflector și de 8,9 kg când sistemul este înconjurat de un reflector de neutroni de oxid de beriliu. Masa critică a unei soluții apoase de uraniu este de aproximativ 5 kg.
Valoarea masei critice depinde de proprietățile substanței (cum ar fi secțiunile transversale de fisiune și captare a radiațiilor), de densitate, cantitatea de impurități, forma produsului și, de asemenea, de mediu. De exemplu, prezența reflectoarelor de neutroni poate reduce foarte mult masa critică. Pentru un anumit material fisionabil, cantitatea de material care constituie masa critică poate varia într-un interval larg și depinde de densitatea, caracteristicile (tipul materialului și grosimea) reflectorului și natura și procentul oricăror diluanți inerți (cum ar fi oxigen în oxid de uraniu, 238 U în 235 U parțial îmbogățit sau impurități chimice).
Pentru comparație, iată masele critice de bile fără reflector pentru mai multe tipuri de materiale cu o anumită densitate standard.
Pentru comparație, dăm următoarele exemple de mase critice: 10 kg 239 Pu, metal în faza alfa
(densitate 19,86 g/cm3); 52 kg 94% 235 U (6% 238 U), metal (densitate 18,72 g/cm3); 110 kg UO2 (94% 235 U)
la o densitate în formă cristalină de 11 g/cm3; 35 kg PuO2 (94% 239 Pu) la densitate în cristalin
sub formă de 11,4 g/cm3. Soluțiile de săruri ale nuclizilor puri fisionali în apă cu un reflector de neutroni de apă au cea mai mică masă critică. Pentru 235 U masa critică este de 0,8 kg, pentru 239 Pu este de 0,5 kg, pentru 251 Cf este
Masa critică M este legată de lungimea critică l: M l x , unde x depinde de forma probei și variază de la 2 la 3. Dependența de formă este legată de scurgerea neutronilor prin suprafață: cu cât suprafața este mai mare, cu atât masa critică este mai mare. Proba cu masa critică minimă este sferică. Tab. 5. Principalele caracteristici estimate ale izotopilor puri capabili de fisiune nucleară
Neutroni |
||||||||
chitanta |
critic |
Densitate |
Temperatura |
Disiparea căldurii |
spontan |
|||
jumătate de viață |
||||||||
(sursă) |
g/cm³ |
punctul de topire °C |
||||||
T 1/2 |
105 (kg s) |
|||||||
231 Pa |
||||||||
232U |
Reactor pornit |
|||||||
neutroni |
||||||||
233U |
||||||||
235U |
Natural |
7.038×108 ani |
||||||
236U |
2,3416×107 ani? kg |
|||||||
237Np |
2,14×107 ani |
|||||||
236Pu |
||||||||
238Pu |
||||||||
239Pu |
||||||||
240Pu |
||||||||
241Pu |
||||||||
242Pu |
||||||||
241 Am |
||||||||
242 mAm |
||||||||
243mAm |
||||||||
243 Am |
||||||||
243 cm |
||||||||
244 cm |
||||||||
245 cm |
||||||||
246 cm |
||||||||
247 cm |
1,56×107 ani |
|||||||
248 cm |
||||||||
249Cf |
||||||||
250Cf |
||||||||
251Cf |
||||||||
252Cf |
||||||||
Să ne oprim mai în detaliu asupra parametrilor critici ai izotopilor unor elemente. Să începem cu uraniu.
După cum s-a menționat în repetate rânduri, 235 U (0,72% clarke) are o importanță deosebită, deoarece este fisionat sub acțiunea neutronilor termici (σ f = 583 barn), eliberând în același timp un „echivalent de energie termică” de 2 × 107 kWh / k. Deoarece, pe lângă dezintegrarea α, 235 U se împarte spontan (T 1/2 \u003d 3,5 × 1017 ani), neutronii sunt întotdeauna prezenți în masa de uraniu, ceea ce înseamnă că este posibil să se creeze condiții pentru apariția o reacție în lanț de fisiune auto-susținută. Pentru uraniul metalic cu o îmbogățire de 93,5%, masa critică este: 51 kg fără reflector; 8,9 kg cu reflector de oxid de beriliu; 21,8 kg cu deflector de apă plin. Parametrii critici ai amestecurilor omogene de uraniu și compușii săi sunt indicați în
Parametrii critici ai izotopilor de plutoniu: 239 Pu: M cr = 9,6 kg, 241 Pu: M cr = 6,2 kg, 238 Pu: M cr = de la 12 la 7,45 kg. De cel mai mare interes sunt amestecurile de izotopi: 238 Pu, 239 Pu, 240 Pu, 241 Pu. Eliberarea de energie specifică ridicată a 238 Pu duce la oxidarea metalului în aer; prin urmare, este cel mai probabil să fie utilizat sub formă de oxizi. La primirea 238 Pu, izotopul însoțitor este 239 Pu. Raportul acestor izotopi din amestec determină atât valoarea parametrilor critici, cât și dependența acestora de modificarea conținutului moderatorului. Diverse estimări ale masei critice pentru o sferă metalică goală de 238 Pu dau valori de la 12 la 7,45 kg față de masa critică pentru 239 Pu de 9,6 kg. Deoarece nucleul de 239 Pu conține un număr impar de neutroni, masa critică va scădea atunci când se adaugă apă în sistem. Masa critică de 238 Pu crește odată cu adăugarea de apă. Pentru un amestec al acestor izotopi, efectul net al adăugării de apă depinde de raportul izotopilor. Când conținutul de masă de 239 Pu este de 37% sau mai puțin, masa critică a amestecului de izotopi de 239 Pu și 238 Pu nu scade atunci când se adaugă apă în sistem. În acest caz, cantitatea permisă de 239 Pu-238 dioxizi Pu este de 8 kg. Cu alții
raporturi de 238 Pu și 239 dioxizi de Pu, valoarea minimă a masei critice variază de la 500 g pentru 239 Pu pur la 24,6 kg pentru 238 Pu pur.
Tab. Fig. 6. Dependența masei critice și a volumului critic de uraniu de îmbogățirea cu 235 U.
Notă. I - amestec omogen de uraniu metalic și apă; II - amestec omogen de dioxid de uraniu și apă; III - soluție de fluorură de uranil în apă; IV - soluție de nitrat de uranil în apă. * Date obţinute prin interpolare grafică.
Un alt izotop cu un număr impar de neutroni este 241 Pu. Valoarea minimă a masei critice pentru 241 Pu se realizează în soluții apoase la o concentrație de 30 g/l și este de 232 kg. La primirea a 241 Pu din combustibil iradiat, acesta este întotdeauna însoțit de 240 Pu, care nu îl depășește în conținut. Cu un raport egal de nuclizi într-un amestec de izotopi, masa critică minimă de 241 Pu depășește masa critică de 239 Pu. Prin urmare, în ceea ce privește masa critică minimă, izotopul 241 Pu at
239 Pu poate fi înlocuit cu 239 Pu dacă amestecul de izotopi conține cantități egale
241 Pu și 240 Pu.
Tab. 7. Parametrii critici minimi ai uraniului cu îmbogățire de 100% în 233 U.
Să luăm acum în considerare caracteristicile critice ale izotopilor de americiu. Prezența izotopilor 241 Am și 243 Am în amestec crește masa critică de 242 m Am. Pentru soluțiile apoase, există un raport izotop la care sistemul este întotdeauna subcritic. Când conținutul de masă de 242 m Am într-un amestec de 241 Am și 242 m Am este mai mic de 5%, sistemul rămâne subcritic până la concentrația de americiu în soluții și amestecuri mecanice de dioxid cu apă egală cu 2500 g/l. 243 Am amestecat cu 242m Am crește, de asemenea
masa critică a amestecului, dar într-o măsură mai mică, deoarece secțiunea transversală a captării neutronilor termici pentru 243 Am este cu un ordin de mărime mai mică decât cea pentru 241 Am
Tab. 8. Parametrii critici ai ansamblurilor sferice de plutoniu omogene (239 Pu+240 Pu).
Tab. 9. Dependența masei și volumului critic pentru compușii plutoniului* de compoziția izotopică a plutoniului
* Nuclidul principal este 94 239 Pu.
Notă. I - amestec omogen de plutoniu metalic și apă; II - amestec omogen de dioxid de plutoniu și apă; III amestec omogen de oxalat de plutoniu și apă; IV - soluție de azotat de plutoniu în apă.
Tab. Fig. 10. Dependența masei critice minime de 242 m Am de conținutul acesteia într-un amestec de 242 m Am și 241 Am (masa critică a fost calculată pentru AmO2 + H2 O în geometrie sferică cu un reflector de apă):
Masa critica 242 m Am, g |
|
Cu o fracție de masă mică de 245 Cm, ar trebui să se țină cont de faptul că 244 Cm are și o masă critică finită în sistemele fără moderatori. Alți izotopi de curiu cu un număr impar de neutroni au o masă critică minimă de câteva ori mai mare de 245 Cm. Într-un amestec de CmO2 + H2O, izotopul de 243 Cm are o masă critică minimă de aproximativ 108 g, iar 247 Cm - aproximativ 1170 g. În ceea ce privește
masa critică, putem presupune că 1 g de 245 Cm este echivalent cu 3 g de 243 Cm sau 30 g de 247 Cm. Masa critică minimă 245 Cm, g, în funcție de conținutul de 245 Cm într-un amestec de izotopi de 244 Cm și 245 Cm pentru СmО2 +
H2O este descris destul de bine prin formula
M cr = 35,5 + |
||||
ξ + 0,003 |
||||
unde ξ este fracția de masă de 245 Cm într-un amestec de izotopi de curiu.
Masa critică depinde de secțiunea transversală a reacției de fisiune. Atunci când se creează arme, tot felul de trucuri pot reduce masa critică necesară pentru o explozie. Deci, pentru a crea o bombă atomică, este nevoie de 8 kg de uraniu-235 (cu o schemă de implozie și în cazul uraniului-235 pur; când se utilizează 90% uraniu-235 și cu o schemă stem a unei bombe atomice, cel puțin sunt necesare 45 kg de uraniu pentru arme). Masa critică poate fi redusă semnificativ prin înconjurarea probei de material fisionabil cu un strat de material care reflectă neutronii, cum ar fi beriliul sau uraniul natural. Reflectorul returnează o parte semnificativă a neutronilor emiși prin suprafața probei. De exemplu, dacă folosești un reflector de 5 cm grosime, din materiale precum uraniu, fier, grafit, masa critică va fi jumătate din masa critică a „mingii goale”. Reflectoarele mai groase reduc masa critică. Beriliul este deosebit de eficient, oferind o masă critică de 1/3 din masa critică standard. Sistemul de neutroni termici are cel mai mare volum critic și cea mai mică masă critică.
Un rol important îl joacă gradul de îmbogățire în nuclidul fisionabil. Uraniul natural care conține 0,7% 235 U nu poate fi utilizat pentru fabricarea armelor atomice, deoarece restul uraniului (238 U) absoarbe intens neutronii, împiedicând dezvoltarea procesului în lanț. Prin urmare, izotopii de uraniu trebuie separați, ceea ce este o sarcină complexă și consumatoare de timp. Separarea trebuie efectuată la grade de îmbogățire în 235 U peste 95%. Pe parcurs, este necesar să scăpați de impuritățile elementelor cu o secțiune transversală mare de captare a neutronilor.
Cometariu. În prepararea uraniului de calitate pentru arme, nu numai că scapă de impuritățile inutile, ci le înlocuiesc cu alte impurități care contribuie la procesul în lanț, de exemplu, introduc elemente - amplificatori de neutroni.
Nivelul de îmbogățire cu uraniu are un efect semnificativ asupra valorii masei critice. De exemplu, masa critică a uraniului îmbogățit cu 235 U 50% este de 160 kg (de 3 ori masa a 94% uraniu), iar masa critică a 20% uraniu este de 800 kg (adică de ~15 ori mai mare decât masa critică). masa 94% uraniu). Coeficienți similari de dependență de nivelul de îmbogățire sunt aplicabili oxidului de uraniu.
Masa critică este invers proporțională cu pătratul densității materialului, M la ~1/ρ 2 , . Astfel, masa critică a plutoniului metalic în faza deltă (densitate 15,6 g/cm3) este de 16 kg. Această circumstanță este luată în considerare la proiectarea unei bombe atomice compacte. Deoarece probabilitatea captării neutronilor este proporțională cu concentrația nucleelor, o creștere a densității probei, de exemplu, ca urmare a comprimării acesteia, poate duce la apariția unei stări critice în probă. În dispozitivele explozive nucleare, o masă de material fisionabil care se află într-o stare subcritică sigură este transferată într-o stare supercritică explozivă folosind o explozie direcționată care supune încărcătura la un grad ridicat de compresie.
Alocație pentru cetățeni „Atenție! Radiații”
fisiune atomică
Fisiunea nucleelor atomilor este spontană, sau sub acțiunea neutronilor, împărțirea nucleului unui atom în 2 părți aproximativ egale, în două „fragmente”.
Fragmentele sunt doi izotopi radioactivi ai elementelor din partea centrală a mesei lui D. I. Mendeleev, aproximativ de la cupru până la mijlocul elementelor lantanide (samarium, europium).
În timpul fisiunii, sunt emiși 2-3 neutroni în plus și un exces de energie este eliberat sub formă de cuante gamma, mult mai mult decât în timpul dezintegrarii radioactive. Dacă un act de dezintegrare radioactivă reprezintă de obicei un gamma-cuantic, atunci pentru 1 act de fisiune există 8-10 gamma-quante! În plus, fragmentele zburătoare au o energie cinetică mare (viteză), care se transformă în căldură.
Neutronii emiși pot provoca fisiunea a două sau trei nuclee similare dacă sunt în apropiere și dacă neutronii îi lovesc.
Astfel, devine posibilă implementarea unei reacții în lanț de ramificare și accelerare a fisiunii nucleelor atomice cu eliberarea unei cantități uriașe de energie.
Dacă reacția în lanț este ținută sub control, dezvoltarea ei este controlată, nu este lăsată să accelereze și energia eliberată (căldura) este în mod constant îndepărtată, atunci această energie („energie atomică”) poate fi folosită fie pentru încălzire, fie pentru generarea de energie electrică. . Aceasta se realizează în reactoare nucleare, la centralele nucleare.
Dacă reacția în lanț este lăsată să se dezvolte necontrolat, atunci va avea loc o explozie atomică (nucleară). Este deja o armă nucleară.
În natură, există un singur element chimic - uraniul, care are un singur izotop fisionabil - uraniu-235. Aceasta este uraniu de calitate pentru arme. Și acest izotop din uraniul natural este de 0,7%, adică doar 7 kg pe tonă! Restul de 99,3% (993 kg pe tonă) este un izotop nefisil - uraniu-238. Există, totuși, un alt izotop - uraniu-234, dar este de doar 0,006% (60 de grame pe tonă).
Dar într-un reactor nuclear obișnuit cu uraniu, din uraniu-238 nefisil ("non-weapon-grade"), sub acțiunea neutronilor (activarea neutronilor!) elementul natural plutoniu. În acest caz, se formează imediat un izotop fisionabil de plutoniu - plutoniu-239. Aceasta este plutoniu de calitate pentru arme.
Fisiunea nucleelor atomice este esența, baza armelor atomice și a energiei atomice.
Masa critică este cantitatea de izotop al unei arme la care neutronii eliberați în timpul fisiunii spontane a nucleelor nu zboară, ci cad în nucleele învecinate și provoacă fisiunea lor artificială.
Masa critică a uraniului metalic-235 este de 52 kg. Aceasta este o minge cu un diametru de 18 cm.
Masa critică a plutoniului metalic-239 este de 11 kg (și conform unor publicații - 9 sau chiar 6 kg). Aceasta este o minge cu un diametru de aproximativ 9-10 cm.
Astfel, acum omenirea are doi izotopi fisionali, de calitate pentru arme: uraniu-235 și plutoniu-239. Singura diferență dintre ele este că, în primul rând, uraniul este mai potrivit pentru utilizarea în energia nucleară: vă permite să-și controlați reacția în lanț și, în al doilea rând, este mai puțin eficient pentru o reacție în lanț necontrolată - o explozie atomică: are o reacție mai mică. viteză fisiunea nucleară spontană și mai multă masă critică. Iar plutoniul de calitate pentru arme, dimpotrivă, este mai potrivit pentru armele nucleare: are o rată mare de fisiune nucleară spontană și o masă critică mult mai mică. Plutoniul-239 nu permite controlul fiabil al reacției sale în lanț și, prin urmare, nu și-a găsit încă o aplicație largă în ingineria energiei nucleare, în reactoarele nucleare.
De aceea, toate problemele cu uraniul de calitate pentru arme au fost rezolvate în câțiva ani, iar încercările de a folosi plutoniul în energia nucleară continuă până în prezent - de mai bine de 60 de ani.
Așadar, la doi ani de la descoperirea fisiunii uraniului, a fost lansat primul reactor nuclear cu uraniu din lume (decembrie 1942, Enrico Fermi, SUA), iar doi ani și jumătate mai târziu (în 1945) americanii au detonat prima bombă cu uraniu.
Și cu plutoniu... Prima bombă cu plutoniu a fost detonată în 1945, adică la aproximativ patru ani de la descoperirea sa ca element chimic și descoperirea fisiunii sale. Mai mult, pentru aceasta a fost necesar să se construiască mai întâi un reactor nuclear cu uraniu, să se producă plutoniu în acest reactor din uraniu-238, apoi să-l separă de uraniul iradiat, să-i studieze bine proprietățile și să se facă o bombă. Dezvoltat, izolat, fabricat. Dar discuțiile despre posibilitatea utilizării plutoniului ca combustibil nuclear în reactoarele nucleare cu plutoniu au rămas în discuție și au rămas așa de mai bine de 60 de ani.
Procesul de fisiune poate fi caracterizat printr-o „jumătate de perioadă”.
Pentru prima dată, perioadele de înjumătățire au fost estimate de K. A. Petrzhak și G. I. Flerov în 1940.
Atât pentru uraniu, cât și pentru plutoniu, acestea sunt extrem de mari. Deci, conform diverselor estimări, uraniul-235 are un timp de înjumătățire de aproximativ 10 ^ 17 (sau 10 ^ 18 ani (Dicționar enciclopedic fizic); conform altor surse - 1,8 10 ^ 17 ani. Și pentru plutoniu-239 (conform la același dicționar) este semnificativ mai mică - aproximativ 10 ^ 15,5 ani; conform altor surse - 4 10 ^ 15 ani.
Pentru comparație, amintiți-vă timpii de înjumătățire (T 1/2). Deci pentru U-235 este „doar” 7.038 10 ^ 8 ani, iar pentru Pu-239 este și mai puțin - 2.4 10 ^ 4 ani
În general, nucleele multor atomi grei se pot diviza, începând cu uraniu. Dar vorbim despre două principale, care au o mare importanță practică de mai bine de 60 de ani. Altele sunt mai mult de interes pur științific.
De unde provin radionuclizii
Radionuclizii sunt obținuți din trei surse (trei căi).
Prima sursă este natura. Aceasta este radionuclizi naturali, care au supraviețuit, au supraviețuit până în vremea noastră din momentul formării lor (poate, din momentul formării sistemului solar sau a Universului), întrucât au timpi de înjumătățire mare, ceea ce înseamnă că durata lor de viață este lungă. Desigur, sunt mult mai puțini decât era la început. Sunt extrase din materii prime naturale.
A doua și a treia sursă sunt artificiale.
Radionuclizii artificiali se formează în două moduri.
În primul rând - radionuclizi de fragmentare, care se formează ca urmare a fisiunii nucleelor atomilor. Acestea sunt „fragmente de fisiune”. Desigur, cele mai multe dintre ele sunt formate în reactoare nucleare pentru diverse scopuri, în care se realizează o reacție în lanț controlată, precum și în testarea armelor nucleare (reacție în lanț necontrolată). Se găsesc în uraniul iradiat extras din reactoarele militare (din „reactoarele industriale”) și în cantități uriașe în combustibilul nuclear uzat (SNF) extras din reactoarele de putere ale centralelor nucleare.
Anterior, au intrat în mediul natural în timpul testelor nucleare și al procesării uraniului iradiat. Acum ei continuă să obțină în timpul procesării (regenerarii) combustibilului nuclear uzat, precum și în timpul accidentelor la centralele nucleare, la reactoare. Dacă era necesar, au fost extrase din uraniu iradiat, iar acum din combustibil nuclear uzat.
Al doilea sunt radionuclizi de origine activare. Ele sunt formate din izotopi stabili obișnuiți ca urmare a activării, adică atunci când o particulă subatomică intră în nucleul unui atom stabil, în urma căruia atomul stabil devine radioactiv. În marea majoritate a cazurilor, o astfel de particulă proiectil este un neutron. Prin urmare, pentru a obține radionuclizi artificiali, se folosește de obicei metoda de activare a neutronilor. Constă în faptul că un izotop stabil al oricărui element chimic sub orice formă (metal, sare, compus chimic) este plasat în miezul reactorului pentru un anumit timp. Și deoarece un număr mare de neutroni sunt produși în miezul reactorului în fiecare secundă, prin urmare, toate elementele chimice care se află în miez sau în apropierea acestuia devin treptat radioactive. Sunt activate și acele elemente care sunt dizolvate în apa de răcire a reactorului.
Metoda de bombardare a unui izotop stabil în acceleratoarele de particule elementare cu protoni, electroni etc. este mai rar utilizată.
Radionuclizii sunt naturali - de origine naturală și artificiali - de origine fragmentare și activare. O cantitate nesemnificativă de radionuclizi de origine fragmentară a existat întotdeauna în mediul natural, deoarece aceștia se formează ca urmare a fisiunii spontane a nucleelor de uraniu-235. Dar sunt atât de puține, încât nu este posibil să le detectăm cu mijloace moderne de analiză.
Numărul de neutroni din miezul diferitelor tipuri de reactoare este astfel încât aproximativ 10^14 neutroni zboară prin orice secțiune de 1cm^2 în orice punct al miezului într-o secundă.
Măsurarea radiațiilor ionizante. Definiții
Nu este întotdeauna convenabil și oportun să se caracterizeze doar sursele de radiații ionizante (SIR) și doar activitatea acestora (numărul de evenimente de dezintegrare). Și ideea nu este doar că activitatea poate fi măsurată, de regulă, doar în condiții staționare la instalații foarte complexe. Principalul lucru este că într-un singur act de descompunere a diferiților izotopi se pot forma particule de natură diferită, se pot forma simultan mai multe particule și cuante gamma. În acest caz, energia și, în consecință, capacitatea de ionizare a diferitelor particule vor fi diferite. Prin urmare, principalul indicator pentru caracterizarea IRS este evaluarea capacității lor ionizante, adică (în final) energia pe care o pierd la trecerea printr-o substanță (mediu) și care este absorbită de această substanță.
La măsurarea radiațiilor ionizante se utilizează conceptul de doză, iar la evaluarea efectului acestora asupra obiectelor biologice se folosesc factori de corecție. Să le numim, să dăm o serie de definiții.
Doza, doză absorbită (din greacă - fracțiune, porție) - energia radiațiilor ionizante (II) absorbită de substanța iradiată și adesea calculată pe unitatea de masă a acesteia (vezi „rad”, „Gray”). Adică, doza se măsoară în unități de energie care este eliberată în substanță (absorbită de substanță) atunci când radiația ionizantă trece prin aceasta.
Există mai multe tipuri de doze.
Doza de expunere(pentru raze X și radiații gamma) - determinată de ionizarea aerului. Unitatea de măsură în sistemul SI este „coulomb pe kg” (C/kg), care corespunde formării unui astfel de număr de ioni în 1 kg de aer, a căror sarcină totală este de 1 C (din fiecare semn) . Unitatea de măsură non-sistemică este „roentgen” (vezi „C/kg” și „roentgen”).
Pentru a evalua impactul AI asupra oamenilor, folosim factori de corecție.
Până de curând, la calcularea „dozei echivalente” se foloseau „factori de calitate a radiațiilor "(K) - factori de corecție care iau în considerare efectele diferite asupra obiectelor biologice (capacitate diferită de a deteriora țesuturile corpului) ale diferitelor radiații la aceeași doză absorbită. Aceștia sunt utilizați la calcularea "dozei echivalente". Acum acești coeficienți sunt în Standardele de siguranță împotriva radiațiilor (NRB-99) au fost numite foarte „științific” - „Factori de cântărire pentru tipurile individuale de radiații la calcularea dozei echivalente (W Coeficientul de risc de iradiere
Rata dozei- doza primită pe unitatea de timp (sec., oră).
fundal- rata dozei de expunere a radiațiilor ionizante într-un loc dat.
fundal natural- rata dozei de expunere a radiațiilor ionizante, creată de toate sursele naturale de IR (vezi „Fondul de radiații”).
