Eine Kernkettenreaktion kommt vor, wenn eine Kernreaktion einen Durchschnitt von einer oder mehr Kernreaktionen verursacht, so zu einer selbst fortpflanzenden Reihe dieser Reaktionen führend. Die spezifische Kernreaktion kann die Spaltung von schweren Isotopen sein (z.B. U) oder die Fusion von leichten Isotopen (z.B. H und H). Die Kernkettenreaktion veröffentlicht mehrere Millionen Male mehr Energie pro Reaktion als jede chemische Reaktion.

Geschichte

Chemische Kettenreaktionen wurden zuerst von deutschem chemistt Max Bodenstein 1913 vorgeschlagen, und haben vernünftig gut verstanden, bevor Kernkettenreaktionen vorgeschlagen wurden. Es wurde verstanden, dass chemische Kettenreaktionen dafür verantwortlich waren, Raten in Reaktionen wie erzeugte chemische Explosionen exponential zu vergrößern.

Das Konzept einer Kernkettenreaktion wurde zuerst vom ungarischen Wissenschaftler Leó Szilárd am 12. August 1933 Hypothese aufgestellt. Das Neutron war 1932 kurz vorher entdeckt worden. Szilard hat begriffen, dass, wenn eine Kernreaktion Neutronen erzeugt hat, die dann weitere Kernreaktionen verursacht haben, der Prozess selbstfortsetzen könnte. Szilárd hat jedoch Spaltung als der Mechanismus für seine Kettenreaktion nicht vorgeschlagen, seitdem die Spaltungsreaktion noch nicht entdeckt oder sogar verdächtigt wurde. Statt dessen hat Szilard vorgehabt, Mischungen leichter bekannter Isotope zu verwenden, die Neutronen in reichlichen Beträgen erzeugt haben. Er hat ein Patent für seine Idee von einem einfachen Kernreaktoren im nächsten Jahr abgelegt.

1936 hat Szilárd versucht, eine Kettenreaktion mit Beryllium und Indium zu schaffen, aber war erfolglos. Nachdem Atomspaltung durch andere 1938, Szilárd und Enrico Fermi 1939 gesucht entdeckt wurde, und, Neutronmultiplikation in Uran entdeckt hat, beweisend, dass eine Kernkettenreaktion durch diesen Mechanismus tatsächlich möglich war. Diese Entdeckung hat den Brief von Albert Einstein zur Warnung von Präsidenten Franklin D. Roosevelt vor der Möglichkeit veranlasst, dass das nazistische Deutschland versuchen könnte, eine Atombombe zu bauen.

Enrico Fermi hat die erste künstliche selbststützende Kernkettenreaktion, genannt Chikagoer Stapel 1 (BEDIENUNGSFELD 1) in einem Schläger-Gericht unter den Bleichern des Stagg Feldes an der Universität Chicagos am 2. Dezember 1942 geschaffen. Die Experimente von Fermi an der Universität Chicagos waren ein Teil der Metallurgischen Labormöglichkeit von Arthur H. Compton, die ein Teil des Projektes von Manhattan war.

1956 hat Paul Kuroda von der Universität Arkansas verlangt, dass ein natürlicher Spaltungsreaktor einmal bestanden haben kann. Da Kernkettenreaktionen nur natürliche Materialien verlangen (wie Wasser und Uran), ist es möglich, diese Kettenreaktionen zu haben, kommen vor, wo es die richtige Kombination von Materialien innerhalb der Kruste der Erde gibt. Die Vorhersage von Kuroda wurde mit der Entdeckung von Beweisen von natürlichen selbststützenden Kernkettenreaktionen in der Vergangenheit an Oklo in Gabon, Afrika im September 1972 nachgeprüft.

Spaltungskettenreaktion

Spaltungskettenreaktionen kommen wegen Wechselwirkungen zwischen Neutronen und spaltbaren Isotopen (wie U) vor. Die Kettenreaktion verlangt sowohl die Ausgabe von Neutronen von spaltbaren Isotopen, die Atomspaltung als auch die nachfolgende Absorption von einigen dieser Neutronen in spaltbaren Isotopen erleben. Wenn ein Atom Atomspaltung erlebt, einige Neutronen (hängt die genaue Zahl von mehreren Faktoren ab) werden aus der Reaktion vertrieben. Diese freien Neutronen werden dann mit dem Umgebungsmedium aufeinander wirken, und wenn mehr spaltbarer Brennstoff da ist, können einige absorbiert werden und mehr Spaltungen verursachen. So wiederholt sich der Zyklus, um eine Reaktion zu geben, die selbststützt.

Kernkraftwerke funktionieren durch das genaue Steuern der Rate, an der Kernreaktionen vorkommen, und diese Kontrolle durch den Gebrauch von mehreren überflüssigen Schichten von Sicherheitsmaßnahmen aufrechterhalten wird. Außerdem machen die Materialien in einem Kernreaktor-Kern und dem Uran-Bereicherungsniveau eine Kernexplosion unmöglich, selbst wenn alle Sicherheitsmaßnahmen gescheitert haben. Andererseits werden Kernwaffen spezifisch konstruiert, um eine Reaktion zu erzeugen, die so schnell und intensiv ist, kann sie nicht kontrolliert werden, nachdem sie angefangen hat. Wenn richtig entworfen, kann diese nicht kontrollierte Reaktion zu einer explosiven Energieausgabe führen.

Atomspaltungsbrennstoff

Atomspaltungswaffen müssen eine äußerst hohe Qualität, hoch bereicherter Brennstoff verwenden, der die kritische Größe und Geometrie überschreitet (kritische Masse), um eine explosive Kettenreaktion zu erhalten. Der Brennstoff für einen Atomspaltungsreaktor ist sehr verschieden, gewöhnlich aus einem niedrig bereicherten Oxydmaterial bestehend (z.B. UO).

Spaltungsreaktionsprodukte

Wenn ein schweres Atom Atomspaltung erlebt, bricht es in zwei oder mehr Spaltungsbruchstücke ein. Außerdem werden mehrere freie Neutronen, Gammastrahlung und neutrinos ausgestrahlt, und ein großer Betrag der Energie wird veröffentlicht. Die Summe der Rest-Massen der Spaltungsbruchstücke und vertriebenen Neutronen ist weniger als die Summe der Rest-Massen des ursprünglichen Atoms und Ereignis-Neutrons (natürlich die Spaltungsbruchstücke sind nicht beruhigt). Der Massenunterschied wird in der Ausgabe der Energie gemäß der Gleichung E =Δmc ² verantwortlich gewesen:

Masse der veröffentlichten Energie =

Wegen des äußerst großen Werts der Geschwindigkeit des Lichtes, c, wird eine kleine Abnahme in der Masse mit einer enormen Ausgabe der aktiven Energie (zum Beispiel, der kinetischen Energie der Spaltungsbruchstücke) vereinigt. Diese Energie (in der Form der Radiation und Hitze) trägt die fehlende Masse, wenn es das Reaktionssystem verlässt (Gesamtmasse, wie Gesamtenergie, wird immer erhalten). Während typische chemische Reaktionen Energien auf der Ordnung von einigen eVs veröffentlichen (z.B, ist die Bindungsenergie des Elektrons zu Wasserstoff 13.6 eV), Atomspaltungsreaktionen veröffentlichen normalerweise Energien auf der Ordnung von Hunderten von Millionen von eVs.

Zwei typische Spaltungsreaktionen werden unten mit durchschnittlichen Werten der Energie veröffentlicht und Zahl von vertriebenen Neutronen gezeigt:

:

Bemerken Sie, dass diese Gleichungen für durch schleppende (thermische) Neutronen verursachte Spaltungen sind. Die durchschnittliche Energie veröffentlicht und Zahl von vertriebenen Neutronen ist eine Funktion der Ereignis-Neutrongeschwindigkeit. Bemerken Sie außerdem, dass diese Gleichungen Energie von neutrinos ausschließen, da diese subatomaren Partikeln äußerst phasenfrei sind und deshalb selten ihre Energie im System ablegen.

Zeitskalen von Kernkettenreaktionen

Veranlassen Sie Neutronlebenszeit

Die schnelle Neutronlebenszeit, l, ist die durchschnittliche Zeit zwischen der Emission von Neutronen und entweder ihre Absorption im System oder ihre Flucht aus dem System. Der Begriff Lebenszeit wird gebraucht, weil die Emission eines Neutrons häufig als seine "Geburt" betrachtet wird, und die nachfolgende Absorption als sein "Tod" betrachtet wird. Für thermische (langsam-Neutron)-Spaltungsreaktoren ist die typische schnelle Neutronlebenszeit auf der Ordnung von 10 Sekunden, und für schnelle Spaltungsreaktoren, die schnelle Neutronlebenszeit ist auf der Ordnung von 10 Sekunden. Diese äußerst kurzen Lebenszeiten bedeuten, dass in 1 Sekunde 10,000 bis 10,000,000 Neutronlebenszeiten gehen können. Der Durchschnitt (auch gekennzeichnet als das adjoint unbelastete) veranlasst Neutronlebenszeit zieht alle schnellen Neutronen unabhängig von ihrer Wichtigkeit im Reaktorkern in Betracht; die wirksame schnelle Neutronlebenszeit (gekennzeichnet als der adjoint, der über den Raum, die Energie und den Winkel beschwert ist), bezieht sich auf ein Neutron mit der durchschnittlichen Wichtigkeit.

Mittelgenerationszeit

Die Mittelgenerationszeit, Λ, ist die durchschnittliche Zeit von einer Neutronemission bis eine Festnahme, die auf Spaltung hinausläuft. Die Mittelgenerationszeit ist von der schnellen Neutronlebenszeit verschieden, weil die Mittelgenerationszeit nur Neutronabsorptionen einschließt, die zu Spaltungsreaktionen (nicht andere Absorptionsreaktionen) führen. Die zweimal sind durch die folgende Formel verbunden:

In dieser Formel ist k der wirksame Neutronmultiplikationsfaktor, der unten beschrieben ist.

Wirksamer Neutronmultiplikationsfaktor

Der wirksame Neutronmultiplikationsfaktor, k, ist die durchschnittliche Zahl von Neutronen von einer Spaltung, die eine andere Spaltung verursachen. Die restlichen Neutronen entweder sind in Nichtspaltungsreaktionen vertieft oder verlassen das System ohne, absorbiert zu werden. Der Wert von k bestimmt, wie eine Kernkettenreaktion weitergeht:

• k

Wenn das Beschreiben der Kinetik und Dynamik von Kernreaktoren und auch in der Praxis der Reaktoroperation das Konzept (der Kern-) Reaktionsfähigkeit verwendet wird, der die Ablenkung des Reaktors vom kritischen Staat charakterisiert. ρ = (k-1)/k. InHour ist eine Einheit der Reaktionsfähigkeit eines Kernreaktoren.

In einem Kernreaktoren wird k wirklich von ein bisschen weniger als 1 zu ein bisschen mehr als 1, in erster Linie dank Thermaleffekten schwingen (weil mehr Macht, die warmen Kraftstoffstangen erzeugt wird und breiten Sie sich so aus, ihr Festnahme-Verhältnis senkend, und so k tiefer fahrend). Das verlässt den durchschnittlichen Wert von k an genau 1. Verzögerte Neutronen spielen eine wichtige Rolle im Timing dieser Schwingungen.

In einem unendlichen Medium kann der Multiplikationsfaktor durch die vier Faktor-Formel beschrieben werden; in einem nichtunendlichen Medium kann der Multiplikationsfaktor durch die sechs Faktor-Formel beschrieben werden.

Schneller und verzögerter supercriticality

Nicht alle Neutronen werden als ein direktes Produkt der Spaltung ausgestrahlt; einige sind stattdessen wegen des radioaktiven Zerfalls von einigen der Spaltungsbruchstücke. Die Neutronen, die direkt von der Spaltung vorkommen, werden "schnelle Neutronen," und diejenigen genannt, die ein Ergebnis des radioaktiven Zerfalls von Spaltungsbruchstücken sind, werden "verzögerte Neutronen genannt." Der Bruchteil von Neutronen, die verzögert werden, wird β genannt, und dieser Bruchteil ist normalerweise weniger als 1 % aller Neutronen in der Kettenreaktion.

Die verzögerten Neutronen erlauben einem Kernreaktoren, mehrere Größenordnungen langsamer zu antworten, als gerade schnelle Neutronen allein würden. Ohne verzögerte Neutronen würden Änderungen in Reaktionsraten in Kernreaktoren mit Geschwindigkeiten vorkommen, die für Menschen zu schnell sind, um zu kontrollieren.

Das Gebiet von supercriticality zwischen k = 1 und k = 1 / (1-β), ist wie verzögert, supercriticality bekannt (oder criticality verzögert). Es ist in diesem Gebiet, das alle Kernkraft-Reaktoren bedienen. Das Gebiet von supercriticality für k> 1 / (1-β) ist als schneller supercriticality bekannt (oder schneller criticality), der das Gebiet ist, in dem Kernwaffen funktionieren.

Die Änderung in k musste vom kritischen gehen, um kritisch zu veranlassen, wird als ein Dollar definiert

Neutronmultiplikation in Kernwaffen

Atomspaltungswaffen verlangen eine Masse des spaltbaren Brennstoffs, der superkritisch schnell ist.

Für eine gegebene Masse des spaltbaren Materials kann der Wert von k durch die Erhöhung der Dichte vergrößert werden. Da die Wahrscheinlichkeit pro für ein Neutron gereiste Entfernung, um mit einem Kern zu kollidieren, zur materiellen Dichte proportional ist, kann das Vergrößern der Dichte eines spaltbaren Materials k vergrößern. Dieses Konzept wird in der Implosionsmethode für Kernwaffen verwertet. In diesen Geräten beginnt die Kernkettenreaktion nach der Erhöhung der Dichte des spaltbaren Materials mit einem herkömmlichen Explosivstoff.

In der Spaltungswaffe des Pistole-Typs werden zwei unterkritische Stücke des Brennstoffs schnell zusammengebracht. Der Wert von k für eine Kombination von zwei Massen ist immer größer als dieser seiner Bestandteile. Der Umfang des Unterschieds hängt von Entfernung, sowie der physischen Orientierung ab.

Der Wert von k kann auch durch das Verwenden eines Neutronreflektors vergrößert werden, der das spaltbare Material umgibt

Sobald die Masse des Brennstoffs superkritisch schnell ist, nimmt die Macht exponential zu. Jedoch kann die Exponentialmacht-Zunahme nicht lange weitergehen seitdem k Abnahmen wenn der Betrag des Spaltungsmaterials, dem Abnahmen verlassen werden (d. h. wird es durch Spaltungen verbraucht). Außerdem, wie man erwartet, ändern sich die Geometrie und Dichte während der Detonation, da das restliche Spaltungsmaterial abgesondert von der Explosion gerissen wird.

Vordetonation

Die Detonation einer Kernwaffe schließt das Holen spaltbaren Materials in seinen optimalen superkritischen Staat sehr schnell ein. Während eines Teils dieses Prozesses ist der Zusammenbau, aber noch nicht in einem optimalen Staat für eine Kettenreaktion superkritisch. Freie Neutronen, insbesondere von spontanen Spaltungen, können das Gerät veranlassen, eine einleitende Kettenreaktion zu erleben, die das spaltbare Material zerstört, bevor es bereit ist, eine große Explosion zu erzeugen, die als Vordetonation bekannt ist. Um die Wahrscheinlichkeit der Vordetonation niedrig zu behalten, wird die Dauer der nichtoptimalen Zusammenbau-Periode minimiert, und spaltbare und andere Materialien werden verwendet, die niedrige spontane Spaltungsraten haben. Tatsächlich muss die Kombination von Materialien solch sein, dass es unwahrscheinlich ist, dass es sogar eine einzelne spontane Spaltung während der Periode des superkritischen Zusammenbaues gibt. Insbesondere die Pistole-Methode kann mit Plutonium nicht verwendet werden (sieh Kernwaffendesign).

Nicht kontrollierte Kettenreaktionen und Explosionen in Kernkraftwerken

Es ist für ein Kernkraftwerk unmöglich, eine Kernkettenreaktion zu erleben, die auf eine Explosion der mit einer Kernwaffe vergleichbaren Macht hinausläuft, aber sogar Niedrigenergieexplosionen wegen nicht kontrollierter Kettenreaktionen, die als "Zischen" in einer Bombe betrachtet würden, können noch beträchtlichen Schaden und Schmelzen in einem Reaktor verursachen. Zum Beispiel hat die Katastrophe von Tschernobyl eine runnaway Kettenreaktion eingeschlossen, aber das Ergebnis war eine Niedrigenergiedampfexplosion von der relativ kleinen Ausgabe der Hitze im Vergleich zu einer Bombe. Jedoch wurde der Reaktorkomplex durch die Hitze zerstört, sowie durch das gewöhnliche Brennen des Grafits hat ausgestellt zu lüften. Solche Dampfexplosionen würden für den sehr weitschweifigen Zusammenbau von Materialien in einem Kernreaktoren sogar unter den schlechtesten Bedingungen typisch sein.

Außerdem können andere Schritte für die Sicherheit gemacht werden. Zum Beispiel verlangen in den Vereinigten Staaten lizenzierte Kraftwerke einen negativen leeren Koeffizienten der Reaktionsfähigkeit (das bedeutet, dass, wenn Wasser vom Reaktorkern entfernt wird, die Kernreaktion dazu neigen wird, zuzumachen, nicht zuzunehmen). Das beseitigt die Möglichkeit des Typs des Unfalls, der an Tschernobyl vorgekommen ist (der wegen eines positiven leeren Koeffizienten war). Jedoch sind Kernreaktoren noch dazu fähig, kleinere Explosionen sogar nach der ganzen Stilllegung, solcher zu verursachen, die Fukushima Daiichi Kernkatastrophe der Fall gewesen ist. In solchen Fällen kann die restliche Zerfall-Hitze vom Kern hohe Temperaturen verursachen, wenn es Verlust des Kühlmittel-Flusses sogar einen Tag gibt, nachdem die Kettenreaktion geschlossen worden ist (sieh hauen AB). Das kann eine chemische Reaktion zwischen Wasser und Brennstoff verursachen, der Wasserstoffbenzin erzeugt, das nach dem Mischen mit Luft mit strengen Verunreinigungsfolgen explodieren kann, da Kraftstoffstange-Material noch zur Atmosphäre von diesem Prozess ausgestellt werden kann. Jedoch geschehen solche Explosionen während einer Kettenreaktion, aber eher infolge der Energie vom radioaktiven Beta-Zerfall nicht, nachdem die Spaltungskettenreaktion angehalten worden ist.

Fusionskettenreaktion

In einem mehr verallgemeinerten Sinn kann eine Kernfusionsreaktion als eine Kernkettenreaktion betrachtet werden: Es kommt unter dem äußersten Druck und den Temperaturbedingungen vor, die durch die im Fusionsprozess veröffentlichte Energie aufrechterhalten werden.

Siehe auch

• Kettenreaktion
• Kritische Masse
• Unfall von Criticality
• Vier Faktor-Formel
• Criticality Kernsicherheit
• Kernphysik
• Kernreaktion
• Kernreaktor-Physik
• Kernwaffendesign

Außenverbindungen

• Kernkettenreaktionszeichentrickfilm
• Kommentierte Bibliografie auf Kernkettenreaktionen von der Alsos Digitalbibliothek
• Stochastische javanische Simulation der Kernkettenreaktion durch Wolfgang Bauer