Физика ядерных реакторов

Конспект

Физика ядерных реакторов

Раздел ОГЭ по физике: 4.4. Ядерные реакции. Ядерный реактор. Термоядерный синтез

Превращение ядер одного элемента в ядра другого элемента происходит не только в процессе радиоактивного распада.

Такое превращение может происходить при взаимодействии ядер элементов друг с другом или с такими частицами, как альфа-частицы, электроны, протоны, нейтроны.

Превращение исходного атомного ядра при взаимодействии с какой-либо частицей в другое ядро, отличное от исходного, называют ядерной реакцией.

Силы притяжения, связывающие протоны и нейтроны в ядре, называются ядерными силами. Свойства ядерных сил:

  1. зарядовая независимость – ядерное (сильное) взаимодействие между двумя протонами, двумя нейтронами или между протоном и нейтроном одинаково;
  2. короткодействующий характер – ядерные силы быстро убывают с расстоянием; радиус их действия порядка 10–15 м;
  3. насыщаемость – ядерные силы могут удерживать друг возле друга в ядре ограниченное количество нуклонов; с ростом числа нуклонов ядра становятся менее стабильными.

Энергия, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны, называется энергией связи.

Измерения показали, что масса покоя ядра М всегда меньше суммы масс покоя нуклонов (протонов и нейтронов), входящих в состав, на величину Δm, называемую дефектом массы: Δm = (Zmp + Nmn) – М.

Энергия связи атомного ядра Есв равна произведению дефекта масс на квадрат скорости света: Есв = Δmс2.

Массу ядер удобно выражать в атомных единицах массы: 1 а.е.м. = 1,67 • 10–27 кг.

Ядерными реакциями называются превращения атомных ядер, вызванные их взаимодействиями с различными частицами или друг с другом. При записи ядерных реакций используются законы сохранения заряда и массового числа (числа нуклонов).

Например, осуществлена ядерная реакция , в результате которой получен изотоп натрия и некоторая частица, которую нужно определить. Находим сумму массовых чисел в левой части уравнения. Она равна 26. Вычитаем из этого числа массовое число изотопа натрия: 26 – 22 = 4.

Следовательно, массовое число неизвестной частицы равно 4. Определяем зарядовое число: сумма зарядовых чисел в левой части равенства равна 13, следовательно, зарядовое число неизвестной частицы 13 – 11 = 2. Таким образом, массовое число образовавшейся в результате реакции частицы 4, а зарядовое число 2.

Это — альфа-частица. Уравнение имеет вид: 

Термоядерный синтез

Термоядерный синтез — это разновидность ядерной реакции.

В ходе ядерной реакции ядро атома взаимодействует либо с элементарной частицей, либо с ядром другого атома, за счет чего состав и строение ядра изменяются.

Тяжелое атомное ядро может распасться на два-три более легких —  это реакция деления. Существует также реакция синтеза: это когда два легких атомных ядра сливаются в одно тяжелое.

В отличие от ядерного деления, которое может проходить как самопроизвольно, так и вынужденно, ядерный синтез невозможен без подвода внешней энергии. Как известно, притягиваются противоположности, но вот атомные ядра заряжены положительно —  поэтому они отталкиваются друг от друга.

Эта ситуация называется кулоновским барьером. Чтобы преодолеть отталкивание, необходимо разогнать эти частицы до сумасшедших скоростей. Это можно осуществить при очень высокой температуре — порядка нескольких миллионов кельвинов.

Именно такие реакции и называются термоядерными.

Естественным термоядерным реактором является звезда. В ней плазма удерживается под действием гравитации, а излучение поглощается — таким образом, ядро не остывает. На Земле же термоядерные реакции можно провести лишь в специальных установках (импульсные системы, квазистационарные системы, токамак, торсатрон).

В ходе ядерных и термоядерных реакций выделяется  огромное количество энергии, которую можно использовать в различных целях — можно создать мощнейшее оружие, а можно преобразовать ядерную энергию в электричество и снабдить им весь мир. Энергия распада ядра давно используется на атомных электростанциях.

Но термоядерная энергетика выглядит перспективнее. При термоядерной реакции на каждый нуклон (так называются составляющие ядра, протоны и нейтроны) выделяется намного больше энергии, чем при ядерной реакции.

К примеру, при делении ядра урана на один нуклон приходится 0,9 МэВ (мегаэлектронвольт), а при синтезе ядра гелия из ядер водорода выделяется энергия, равная 6 МэВ.

В основных ядерных реакциях, которые планируется использовать в целях осуществления управляемого термоядерного синтеза, будут применяться дейтерий (тяжёлый водород, обозначается символами D и 2H — стабильный изотоп водорода с атомной массой, равной 2) и тритий (сверхтяжёлый водород, обозначается символами T и 3H — радиоактивный изотоп водорода), а в более отдалённой перспективе гелий-3  и бор-11.

Курчатовский институт работает над реактором IGNITOR. Германия запустила термоядерный реактор-стелларатор Wendelstein 7-X. Наиболее известен международный проект токамака ИТЭР (ITER, Международный экспериментальный термоядерный реактор) в исследовательском центре Кадараш (Франция).

Конспект урока «Ядерные реакции. Ядерный реактор».

Источник: https://uchitel.pro/%D1%8F%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B5-%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%86%D0%B8%D0%B8-%D1%8F%D0%B4%D0%B5%D1%80%D0%BD%D1%8B%D0%B9-%D1%80%D0%B5%D0%B0%D0%BA%D1%82%D0%BE%D1%80/

Доклад на тему “Ядерный реактор”

Физика ядерных реакторов

Первый ядерный реактор построен и запущен в декабре 1942 года в США под руководством Э. Ферми.

Первым реактором, построенным за пределами США, стал ZEEP, запущенный в Канаде 5 сентября 1945 года[1].

В Европе первым ядерным реактором стала установка Ф-1, заработавшая 25 декабря 1946 года в Москве под руководством И. В. Курчатова[2]. К 1978 году в мире работало уже около сотни ядерных реакторов различных типов.

Любой ядерный реактор состоит из следующих частей:Активная зона с ядерным топливом и замедлителем;Отражатель нейтронов, окружающий активную зону;Теплоноситель;Система регулирования цепной реакции, в том числе аварийная защита;Радиационная защита;Система дистанционного управления.

Иодная яма — состояние ядерного реактора после его остановки, характеризующееся накоплением короткоживущего изотопа ксенона 135Xe, который является продуктом распада изотопа иода-135 (из-за чего этот процесс и получил своё название).

Высокое сечение захвата тепловых нейтронов ксеноном-135 приводит к временному появлению значительной отрицательной реактивности, что, в свою очередь, делает затруднительным вывод реактора на проектную мощность в течение определённого периода (около 1-2 суток).

По характеру использования ядерные реакторы делятся на:

Энергетические реакторы, предназначенные для получения электрической и тепловой энергии, используемой в энергетике, а также для опреснения морской воды (реакторы для опреснения также относят к промышленным). Основное применение такие реакторы получили на атомных электростанциях. Тепловая мощность современных энергетических реакторов достигает 5 ГВт. В отдельную группу выделяют:

Транспортные реакторы, предназначенные для снабжения энергией двигателей транспортных средств. Наиболее широкие группы применения — морские транспортные реакторы, применяющиеся на подводных лодках и различных надводных судах, а также реакторы, применяющиеся в космической технике.

Экспериментальные реакторы, предназначенные для изучения различных физических величин, значение которых необходимо для проектирования и эксплуатации ядерных реакторов; мощность таких реакторов не превышает нескольких кВт.

Исследовательские реакторы, в которых потоки нейтронов и гамма-квантов, создаваемые в активной зоне, используются для исследований в области ядерной физики, физики твёрдого тела, радиационной химии, биологии, для испытания материалов, предназначенных для работы в интенсивных нейтронных потоках (в том числе деталей ядерных реакторов), для производства изотопов. Мощность исследовательских реакторов не превосходит 100 МВт. Выделяющаяся энергия, как правило, не используется.

Промышленные (оружейные, изотопные) реакторы, используемые для наработки изотопов, применяющихся в различных областях. Наиболее широко используются для производства ядерных оружейных материалов, например 239Pu. Также к промышленным относят реакторы, использующиеся для опреснения морской воды.

Еще они различаются по: виду теплонисителя;роду замедлителя;виду топлива;конструкции и генерации пара.

Выгорание и воспроизводство ядерного топлива: В процессе работы ядерного реактора из-за накопления в топливе осколков деления изменяется его изотопный и химический состав, происходит образование трансурановых элементов, главным образом изотопов Pu(Плутоний).Влияние осколков деления на реактивность ядерного реактора называется отравлением (для радиоактивных осколков) и зашлаковыванием (для стабильных изотопов).

Управление ядерным реактором: правление ядерным реактором возможно только благодаря тому, что часть нейтронов при делении вылетает из осколков с запаздыванием, которое может составить от нескольких миллисекунд до нескольких минут.

Для управления реактором используют поглощающие стержни, вводимые в активную зону, изготовленные из материалов, сильно поглощающих нейтроны (в основном В, Cd и некоторые др.) и/или раствор борной кислоты, в определённой концентрации добавляемый в теплоноситель (борное регулирование).

Движение стержней управляется специальными механизмами, приводами, работающими по сигналам от оператора или аппаратуры автоматического регулирования нейтронного потока.

Ядерные реакторы проектируются так, чтобы в любой момент времени процесс деления находился в устойчивом равновесии относительно малых изменений параметров, влияющих на реактивность.

Таким образом, случайное изменение скорости ядерной реакции гасится, а вызванное перемещением управляющих стержней или медленным изменением других параметров — приводит к квазистационарному изменению мощности реактора.На случай различных аварийных ситуаций в каждом реакторе предусмотрено экстренное прекращение цепной реакции, осуществляемое сбрасыванием в активную зону всех поглощающих стержней — система аварийной защиты.

Остаточное тепловыделение: Важной проблемой, непосредственно связанной с ядерной безопасностью, является остаточное тепловыделение.

Это специфическая особенность ядерного топлива, заключающаяся в том, что, после прекращения цепной реакции деления и обычной для любого энергоисточника тепловой инерции, выделение тепла в реакторе продолжается ещё долгое время, что создаёт ряд технически сложных проблем.

Остаточное тепловыделение является следствием β- и γ- распада продуктов деления, которые накопились в топливе за время работы реактора. Ядра продуктов деления вследствие распада переходят в более стабильное или полностью стабильное состояние с выделением значительной энергии.

Хотя мощность остаточного тепловыделения быстро спадает до величин, малых по сравнению со стационарными значениями, в мощных энергетических реакторах она значительна в абсолютных величинах. По этой причине остаточное тепловыделение влечёт необходимость длительное время обеспечивать теплоотвод от активной зоны реактора после его остановки.

Эта задача требует наличия в конструкции реакторной установки систем расхолаживания с надёжным электроснабжением, а также обуславливает необходимость длительного (в течение 3-4 лет) хранения отработавшего ядерного топлива в хранилищах со специальным температурным режимом — бассейнах выдержки, которые обычно располагаются в непосредственной близости от реактора.

Источник: https://NauchnieStati.ru/bank/primery/doklad-na-temu-jadernyj-reaktor/

Как работает ядерный (атомный) реактор

Физика ядерных реакторов

Ядерный реактор работает слаженно и четко. Иначе, как известно, будет беда. Но что там творится внутри? Попытаемся сформулировать принцип работы ядерного (атомного) реактора кратко, четко, с остановками.

По сути, там творится тот же процесс, что и при ядерном взрыве. Только вот взрыв происходит очень быстро, а в реакторе все это растягивается на длительное время. В итоге все остается целым и невредимым, а мы получаем энергию. Не столько, чтобы все вокруг сразу разнесло, но вполне достаточную для того, чтобы обеспечить электричеством город.

Градирни АЭС

Прежде чем понять, как идет управляемая ядерная реакция, нужно узнать, что такое ядерная реакция вообще.

Ядерная реакция – это процесс превращения (деления) атомных ядер при взаимодействии их с элементарными частицами и гамма-квантами.

Ядерные реакции могут проходить как с поглощением, так и с выделением энергии. В реакторе используются вторые реакции.

Ядерный реактор – это устройство, назначением которого является поддержание контролируемой ядерной реакции с выделением энергии.

Часто ядерный реактор называют еще и атомным. Отметим, что принципиальной разницы тут нет, но с точки зрения науки правильнее использовать слово «ядерный». Сейчас существует множество типов ядерных реакторов.

Это огромные промышленные реакторы, предназначенные для выработки энергии на электростанциях, атомные реакторы подводных лодок, малые экспериментальные реакторы, используемые в научных опытах.

Существуют даже реакторы, применяемые для опреснения морской воды.

Реактор

История создания атомного реактора

Первый ядерный реактор был запущен в не таком уж и далеком 1942 году. Произошло это в США под руководством Ферми. Этот реактор назвали «Чикагской поленницей».

В 1946 году заработал первый советский реактор, запущенный под руководством Курчатова. Корпус этого реактора представлял собой шар семи метров в диаметре. Первые реакторы не имели системы охлаждения, и мощность их была минимальной.

К слову, советский реактор имел среднюю мощность 20 Ватт, а американский – всего 1 Ватт. Для сравнения: средняя мощность современных энергетических реакторов составляет 5 Гигаватт.

Менее чем через десять лет после запуска первого реактора была открыта первая в мире промышленная атомная электростанция в городе Обнинске.

Первый в мире ядерный реактор

Принцип работы ядерного (атомного) реактора

У любого ядерного реактора есть несколько частей: активная зона с топливом и замедлителем, отражатель нейтронов, теплоноситель, система управления и защиты.

В качестве топлива в реакторах чаще всего используются изотопы урана (235, 238, 233), плутония (239) и тория (232).  Активная зона представляет собой котел, через который протекает обычная вода (теплоноситель).

Среди других теплоносителей реже используется «тяжелая вода» и жидкий графит. Если говорить про работу АЭС, то ядерный реактор используется для получения тепла.

Само электричество вырабатывается тем же методом, что и на других типах электростанций — пар вращает турбину, а энергия движения преобразуется в электрическую энергию.

Приведем ниже схему работы ядерного реактора.

Схема ядерного реактора на АЭС

Как мы уже говорили, при распаде тяжелого ядра урана образуются более легкие элементы и несколько нейтронов. Образовавшиеся нейтроны сталкиваются с другими ядрами, также вызывая их деление. При этом количество нейтронов растет лавинообразно.

Здесь нужно упомянуть коэффициент размножения нейтронов. Так, если этот коэффициент превышает значение, равное единице, происходит ядерный взрыв. Если значение меньше единицы, нейтронов слишком мало и реакция угасает. А вот если поддерживать значение коэффициента равным единице, реакция будет протекать долго и стабильно.

Цепная реакция

Вопрос в том, как это сделать? В реакторе топливо находится в так называемых тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах). Это стержни, в которых в виде небольших таблеток находится ядерное топливо.

ТВЭЛы соединены в кассеты шестигранной формы, которых в реакторе могут быть сотни. Кассеты с ТВЭЛами располагаются вертикально, при этом каждый ТВЭЛ имеет систему, позволяющую регулировать глубину его погружения в активную зону.

Помимо самих кассет среди них располагаются управляющие стержни и стержни аварийной защиты. Стержни изготовлены из материала, хорошо поглощающего нейтроны.

Так, управляющие стержни могут быть опущены на различную глубину в активной зоне, тем самым регулируя коэффициент размножения нейтронов. Аварийные стержни призваны заглушить реактор в случае чрезвычайной ситуации.

ТВЭЛы, помещенные в топливную кассету

Как запускают ядерный реактор?

С самим принципом работы мы разобрались, но как запустить и заставить реактор функционировать? Грубо говоря, вот он — кусок урана, но ведь цепная реакция не начинается в нем сама по себе. Дело в том, что в ядерной физике существует понятие критической массы.

Ядерное топливо

Критическая масса – это необходимая для начала цепной ядерной реакции масса делящегося вещества.

При помощи ТВЭЛов и управляющих стержней в ректоре сначала создается критическая масса ядерного топлива, а потом реактор в несколько этапов выводится на оптимальный уровень мощности.

В данной статье мы постарались дать Вам общее представление об устройстве и принципе работы ядерного (атомного) реактора.

Если у Вас остались вопросы по теме или в университете задали задачу по ядерной физике – обращайтесь к специалистам нашей компании.

Мы, как обычно, готовы помочь Вам решить любой насущный вопрос по учебе. А пока мы этим занимаемся, Вашему вниманию очередное образовательное видео!

Источник: https://Zaochnik-com.ru/blog/kak-rabotaet-yadernyj-reaktor/

Ядерный реактор — Класс!ная физика

Физика ядерных реакторов

«Физика — 11 класс»

Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.

Ядра урана, особенно ядра изотопа , наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны.

Процессы в ядерном реакторе схематически изображены на рисунке:

Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых.
Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используются замедлители нейтронов для повышения коэффициента размножения нейтронов.

Основные элементы ядерного реактора

На рисунке приведена схема энергетической установки с ядерным реактором.

Основными элементами ядерного реактора являются: ядерное горючее (, и др.), замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.), теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.

), и устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор — вещества, которые хорошо поглощают нейтроны). Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей γ- лучение и нейтроны.

Оболочку делают из бетона с железным заполнителем.

Лучшим замедлителем является тяжелая вода. Обычная вода сама захватывает нейтроны и превращается в тяжелую воду.

Хорошим замедлителем считается также графит, ядра которого не поглощают нейтроны.

Критическая масса

Коэффициент размножения k может стать равным единице лишь при условии, что размеры реактора и соответственно масса урана превышают некоторые критические значения.

Критической массой называют наименьшую массу делящегося вещества, при которой еще может протекать цепная ядерная реакция.

При малых размерах слишком велика утечка нейтронов через поверхность активной зоны реактора (объем, в котором располагаются стержни с ураном).

С увеличением размеров системы число ядер, участвующих в делении, растет пропорционально объему, а число нейтронов, теряемых вследствие утечки, увеличивается пропорционально площади поверхности.
Поэтому, увеличивая размеры системы, можно достичь значения коэффициента размножения k ≈ 1.

Система будет иметь критические размеры, если число нейтронов, потерянных вследствие захвата и утечки, равно числу нейтронов, полученных в процессе деления.

Критические размеры и соответственно критическая масса определяются типом ядерного горючего, замедлителем и конструктивными особенностями реактора.

Для чистого (без замедлителя) урана , имеющего форму шара, критическая масса примерно равна 50 кг. При этом радиус шара равен примерно 9 см (уран очень тяжелое вещество).

Применяя замедлители нейтронов и отражающую нейтроны оболочку из бериллия, удалось снизить критическую массу до 250 г.

Управление реактором осуществляется при помощи стержней, содержащих кадмий или бор.

При выдвинутых из активной зоны реактора стержнях k > 1, а при полностью вдвинутых стержнях k < 1.

Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции.

Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Реакторы на быстрых нейтронах

Построены реакторы, работающие без замедлителя на быстрых нейтронах.
Так как вероятность деления, вызванного быстрыми нейтронами, мала, то такие реакторы не могут работать на естественном уране.

Реакцию можно поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15% изотопа .
Преимущество реакторов на быстрых нейтронах в том, что при их работе образуется значительное количество плутония, который затем можно использовать в качестве ядерного топлива.

Эти реакторы называются реакторами-размножителями, так как они воспроизводят делящийся материал.
Строятся реакторы с коэффициентом воспроизводства до 1,5.
Это значит, что в реакторе при делении 1 кг изотопа получается до 1,5 кг плутония.
В обычных реакторах коэффициент воспроизводства 0,6—0,7.

Первые ядерные реакторы

Впервые цепная ядерная реакция деления урана была осуществлена в США коллективом ученых под руководством Энрико Ферми в декабре 1942 г.

В нашей стране первый ядерный реактор был запущен 25 декабря 1946 г. коллективом физиков, который возглавлял наш замечательный ученый Игорь Васильевич Курчатов.
В настоящее время созданы различные типы реакторов, отличающихся друг от друга как по мощности, так и по своему назначению.

В ядерных реакторах, кроме ядерного горючего, имеются замедлитель нейтронов и управляющие стержни.
Выделяемая энергия отводится теплоносителем.

Источник: «Физика — 11 класс», учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин

Следующая страница «Термоядерные реакции. Применение ядерной энергии»
Назад в раздел «Физика — 11 класс, учебник Мякишев, Буховцев, Чаругин»

Физика атомного ядра. Физика, учебник для 11 класса — Класс!ная физика

Методы наблюдения и регистрации элементарных частиц — Открытие радиоактивности. Альфа-, бета- и гамма-излучения — Радиоактивные превращения — Закон радиоактивного распада. Период полураспада — Открытие нейтрона — Строение атомного ядра. Ядерные силы.

Изотопы — Энергия связи атомных ядер — Ядерные реакции — Деление ядер урана — Цепные ядерные реакции — Ядерный реактор — Термоядерные реакции.

Применение ядерной энергии — Получение радиоактивных изотопов и их применение — Биологическое действие радиоактивных излучений — Краткие итоги главы — Три этапа в развитии физики элементарных частиц — Открытие позитрона. Античастицы

Источник: http://class-fizika.ru/11_82.html

Физика ядерных реакторов

Физика ядерных реакторов

Определение 1

Ядерные реакторы — особый вид устройств, необходимый для проведения цепного ядерного деления, в ходе которого происходит распад ядер тяжёлых элементов и выделяется ядерное тепло. Ядерные реакторы обеспечивают возможность наблюдать за процессом протекания цепной реакции во время деления атомных ядер в строго контролируемых условиях.

Рисунок 1. Ядерный реактор. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ

Топливо, используемое для реакций ядерного деления, делится на несколько основных видов:

  • Природное урановое, оно может представлять собой металлические сплавы, ранее использовавшиеся как урановые стержни, а также оксиды, карбиды или нитриды;
  • Вторичное топливо неприродного происхождения, его получают из природного, а в его составе может быть не только уран в различных изотопных формах, но и плутоний или торий.

Физика переработки ядерного топлива достаточно многогранна и сложна, поэтому более детально получится рассмотреть только несколько основных процессов, систематически протекающих в атомном реакторе, при его стабильной и полноценной эксплуатации.

Ничего непонятно?

Попробуй обратиться за помощью к преподавателям

В ядерных установках всегда используется энергия класса $AE$, которые ученые получают путем деления более тяжелых ядер. Например: $238U + n = 2 \ осколка \ деления + vn + AE$. Известно, что в физике атомного реактора участвует единица общего измерения энергии — мега электрон-вольт.

Все происходящие в ядерном устройстве процессы взаимосвязаны и делятся в зависимости от энергии на такие нейтронные группы:

  • Тепловые — энергия движения соизмерима c мощностью теплового движения среды $E$ < $0.5$ эВ;
  • Замедляющиеся — сила которых находится в диапазоне от $0.5$ эВ до $2000$ эВ;
  • Быстрые — энергия для быстрых нейтронов составляет $E$ > $2000$ эВ.

Стоит отметить, что цепная ядерная реакция с использованием чистого урана 238U невозможна, так как этим способом внедрения реакции деления в уране процесс будет постепенно замедляться или же вообще стоять на «месте».

Замечание 1

Если нейтроны после своего возрождения сталкиваются с ядрами водорода, то они не смогут использовать все свою энергию, а после нескольких столкновений мощность нейтрона автоматически упадет до уровня тепловой, а там граница деления составляет максимум 235U.

В «медленных» ядерных реакторах постоянно происходит деление под воздействием нейтронов, которые при 293К автоматически подчиняются распределению Максвелла с наиболее вероятной скоростью до $2200$ м/с.

Все процессы деления в атомном реакторе можно характеризовать следующими критериями:

  • коэффициент размножения — одна из важнейших характеристик общей цепной реакции деления, которая демонстрирует соотношение количества нейтронов нового поколения к числу нейтронных элементов предыдущего поколения в бесконечной массе;
  • критическая масса — представляет собой минимальный показатель делящегося вещества, предполагающая свободное протекание взаимодополняющей ядерной реакции деления: чем меньше основной период распада атомов, тем больше будет критическая масса деления;
  • критический размер — делит системы посредством длины пробега нейтронов в материале, который распадается;
  • критическая масса — минимальное значение радиуса деления, при котором возникает цепная реакция.

Действие радиации на человека и окружающую среду

Система, работающая на мощных тепловых нейтронах, оснащена практически всеми необходимыми критериями в виде критического объема, минимальными критическими массами и размерами. Необходимым и важным условием для внедрения цепной реакции деления на практике является обязательное наличие критической сферы делящегося материала.

Однако это не единственное условие, так как, получив этот показатель, возможно разработать атомную бомбу вместо ядерной станции (АЭС), возникнет невозможность управления реакцией цепного деления, а это, в свою очередь, может повлечь за собой ядерный взрыв.

Определение 2

Поглощающий элемент — это небольшая зона атомного реактора, содержащая соответствующие материалы-поглотители нейтронов и предназначенная для строгого управления реактивностью опасной для жизни установки и предотвращения распространения радиоактивных элементов.

Правила ядерной безопасности достаточно жестко ограничивают прогрессирующую величину вносимой реактивности.

Другой вид станций, который функционирует по всему миру, с источником тепла на базе принципов стронций-90 «РИТ-90» является закрытым источником негативного излучения, в котором вся топливная композиция представлена в виде керамического плотного титаната стронция-90 ($SrTiO_3$), использование которого возможно только после процедуры двойной герметизации.

Эффекты реактивности ядерных реакторов

Коэффициент размножения будет обязательно менять свою структуру, если в постоянно делящейся среде происходят изменения ядерного элемента, плотности и температуры.

Мощностной эффект помогает более точно определить смену реактивности на уровень энергии реактора. При систематическом изменении силы деления цепной реакции можно наблюдать трансформацию теплового постоянного потока от топлива к теплоносителю, в результате чего происходит изменение общей температуры атомной установки.

Замечание 2

При таком процессе автоматически возникает доплеровский эффект, согласно которому сила ядерного реактора абсолютно пропорциональна концентрации делений ядер в активной сфере.

Реактор функционирует в стационарном режиме, если в данной зоне делится одно и тоже количество ядер каждую секунду. Если массивность делений реакции изменяется во времени, то реактор работает в нестабильном порядке.

Основные моменты физики ядерных реакторов

Ядерный реактор представляет собой уникальный и достаточно опасный аппарат, в котором на постоянной основе происходят атомные реакции — градация и трансформация одних химических элементов в другие. Для таких процессов необходимо, чтобы в реакторе всегда было делящееся вещество, которое при своем распаде оставляет элементарные частицы, которые уже и вызывают ядерный распад других частиц.

Определение 3

Для переработки ядерного топлива служит активная зона. Активная зона — это зона, в которой непосредственно происходит контролируемая ядерная цепная реакция, также к ней относятся замедлитель и теплоноситель.

Частицы обыкновенной воды нейтронные элементы замедляет достаточно быстро и хорошо, но практически полностью их поглощают. Поэтому для полноценного протекания цепной реакции деления нужно использовать уран с максимальной долей делящегося изотопа, который будет выступать в роли замедлителя.

Анализ теорем радиоактивности в плане их вероятного использования в области энергетики показывает, что дополнительную ядерную энергию можно легко конвертировать в тепловую в процессах общего радиоактивного распада, или использовать в атомных реакциях синтеза простых ядер.

В настоящее время в энергетике был внедрен только один класс ядерных систем – деление ядер тяжелых частиц под воздействием нейтронов.

Типы атомных реакторов

Главный промышленный метод обязательной утилизации атомной энергии в мирных целях базируется на принципе цепной взаимодополняющей реакции нейтронного деления некоторых изотопов плутония или урана.

На практике трансформация ядерной мощности в тепло осуществляют посредством атомных реакторов, например, с помощью так называемых тепловыделяющих элементов, чаще можно услышать, как их называют ТВЭЛы.

На сегодняшний день ученые выделяют три основные группы ядерных установок:

  • ядерные реакторы, которые применяются для получения тепловой энергии (энергетические);
  • ядерные устройства, использующиеся для выработки разных видов излучения;
  • ядерные реакторы-наработчики уникальных радионуклидов.

Атомные установки для конструктивных целей подразделяются на канальные и корпусные. Корпус реактора не должен быть нагружен давлением основного теплоносителя, так как эту функцию должен выполнять каждый отдельный канал.

В ядерных реакторах топливо находится в поле достаточно высоких температур и в среде максимальных давлений, что накладывает определенные требования при применении конструкционных материалов.

Для длительной деятельности на огромной мощности эти системы должны иметь некоторый запас реактивности, которому реактор способен устойчиво работать.

Вероятность взаимодополняющей цепной реакции деления в атомном реакторе напрямую зависит от того, какая была проведена утечка нейтронов, возникающая автоматически в процессе поглощения.

Увеличить эксплуатационные свойства возможно только посредством повышения надежности топлива и снижения уровня повреждаемости топливных элементов.

Источник: https://spravochnick.ru/fizika/fizika_yadernyh_reaktorov/

Принцип действия и устройство ядерного (атомного) реактора

Физика ядерных реакторов
Чтобы понять принцип работы и устройство ядерного реактора, нужно совершить небольшой экскурс в прошлое. Атомный реактор – это многовековая воплощенная, пусть и не до конца, мечта человечества о неисчерпаемом источнике энергии.

Его древний «прародитель» — костер из сухих веток, однажды озаривший и согревший своды пещеры, где находили спасение от холода наши далекие предки. Позже люди освоили углеводороды – уголь, сланцы, нефть и природный газ.

Наступила бурная, но недолгая эпоха пара, которую сменила еще более фантастическая эпоха электричества.

Города наполнялись светом, а цеха – гулом невиданных доселе машин, приводимых в движение электродвигателями. Тогда казалось, что прогресс достиг своего апогея.

Все изменилось в конце XIX века, когда французский химик Антуан Анри Беккерель совершенно случайно обнаружил, что соли урана обладают радиоактивностью. Спустя 2 года, его соотечественники Пьер Кюри и его супруга Мария Склодовская-Кюри получили из них радий и полоний, причем уровень их радиоактивности в миллионы раз превосходил показатели тория и урана.

Эстафету подхватил Эрнест Резерфорд, детально изучивший природу радиоактивных лучей. Так начинался век атома, явивший на свет свое любимое дитя – атомный реактор.

Первый ядерный реактор

«Первенец» родом из США. В декабре 1942 года дал первый ток реактор, которому досталось имя его создателя — одного из величайших физиков столетия Э. Ферми.

Три года спустя в Канаде обрела жизнь ядерная установка ZEEP. «Бронза» досталась первому советскому реактору Ф-1, запущенному в конце 1946 года. Руководителем отечественного ядерного проекта стал И. В. Курчатов.

Сегодня в мире успешно трудятся более 400 ядерных энергоблоков.

Типы ядерных реакторов

Их основное назначение – поддерживать контролируемую ядерную реакцию, производящую электроэнергию. На некоторых реакторах производятся изотопы.

Если кратко, то они представляют собой устройства, в недрах которых одни вещества превращаются в другие с выделением большого количества тепловой энергии.

Это своеобразная «печь», где вместо традиционных видов топлива «сгорают» изотопы урана – U-235, U-238 и плутоний (Pu).

В отличии, к примеру, от автомобиля, рассчитанного на несколько видов бензина, каждому виду радиоактивного топлива соответствует свой тип реактора. Их два – на медленных (с U-235) и быстрых (c U-238 и Pu) нейтронах. На большинстве АЭС установлены реакторы на медленных нейтронах. Помимо АЭС, установки «трудятся» в исследовательских центрах, на атомных субмаринах и опреснителях морской воды.

Как устроен реактор

У всех реакторов примерна одна схема. Его «сердце» — активная зона. Ее можно условно сравнить с топкой обычной печки.

Только вместо дров там находится ядерное топливо в виде тепловыделяющих элементов с замедлителем – ТВЭЛов. Активная зона находится внутри своеобразной капсулы — отражателе нейтронов. ТВЭЛы «омываются» теплоносителем – водой.

Поскольку в «сердце» очень высокий уровень радиоактивности, его окружает надежная радиационная защита.

Операторы контролируют работу установки с помощью двух важнейших систем – регулирования цепной реакции и дистанционной системы управления. Если возникает нештатная ситуация, мгновенно срабатывает аварийная защита.

Как работает реактор

Атомное «пламя» невидимо, так как процессы происходят на уровне деления ядер.

В ходе цепной реакции тяжелые ядра распадаются на более мелкие фрагменты, которые, будучи в возбужденном состоянии, становятся источниками нейтронов и прочих субатомных частиц. Но на этом процесс не заканчивается.

Нейтроны продолжают «дробиться», в результате чего высвобождается большая энергия, то есть, происходит то, ради чего и строятся АЭС.

Основная задача персонала – поддержание цепной реакции с помощью управляющих стержней на постоянном, регулируемом уровне. В этом его главное отличие от атомной бомбы, где процесс ядерного распада неуправляем и протекает стремительно, в виде мощнейшего взрыва.

Что произошло на Чернобыльской АЭС

Одна из основных причин катастрофы на Чернобыльской АЭС в апреле 1986 года – грубейшее нарушение эксплуатационных правил безопасности в процессе проведения регламентных работ на 4-м энергоблоке.

Тогда из активной зоны было одновременно выведено 203 графитовых стержня вместо 15, разрешенных регламентом.

В итоге, начавшаяся неуправляемая цепная реакция завершилась тепловым взрывом и полным разрушением энергоблока.

Реакторы нового поколения

За последнее десятилетие Россия стала одним из лидеров мировой ядерной энергетики. На данный момент госкорпорация «Росатом» ведет строительство АЭС в 12 странах, где возводятся 34 энергоблока. Столь высокий спрос – свидетельство высокого уровня современной российской ядерной техники. На очереди — реакторы нового 4-го поколения.

«Брест»

Один из них – «Брест», разработка которого ведется в рамках проекта «Прорыв». Ныне действующие системы разомкнутого цикла работают на низкообогащенном уране, после чего остается большое количество отработанного топлива, подлежащего захоронению, что требует огромных затрат. «Брест» — реактор на быстрых нейтронах уникален замкнутым циклом.

В нем отработанное топливо после соответствующей обработки в реакторе на быстрых нейтронах опять становится полноценным топливом, которое можно загружать обратно в ту же установку.

«Брест» отличает высокий уровень безопасности. Он никогда не «рванет» даже при самой серьезной аварии, очень экономичен и экологически безопасен, поскольку повторно пользуется своим «обновленным» ураном. Его также невозможно использовать для наработки оружейного плутония, что открывает широчайшие перспективы по его экспорту.

ВВЭР-1200

ВВЭР-1200 – инновационный реактор поколения «3+» мощностью 1150 МВт. Благодаря своим уникальным техническим возможностям, он обладает практически абсолютной эксплуатационной безопасностью. Реактор в изобилии оснащен системами пассивной безопасности, которые сработают даже в отсутствии электроснабжения в автоматическом режиме.

Одна из них – система пассивного отведения тепла, которая автоматически активируется при полном обесточивании реактора. На этот случай предусмотрены аварийные гидроемкости. При аномальном падении давления в первом контуре в реактор начинается подача большого количества воды, содержащей бор, которая гасит ядерную реакцию и поглощает нейтроны.

Еще одно ноу-хау находится в нижней части защитной оболочки – «ловушка» расплава. Если все же в результате аварии активная зона «потечет», «ловушка» не позволит разрушиться защитной оболочке и предотвратит попадание радиоактивных продуктов в грунт.

Источник: https://www.techcult.ru/technics/5040-princip-raboty-i-ustrojstvo-yadernogo-reaktora

Ядерный реактор :: Класс!ная физика

Физика ядерных реакторов

ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР

— это устройство на атомной электростанции для получения атомной энергии.

Назначение ядерного реактора: преобразование внутренней энергии атомного ядра в электрическую энергию.

В ядерном реакторе осуществляется управляемая цепная реакция деления ядер (при k = 1). Ядерными реакторами оснащены все АЭС (атомные электростанции).

Основные элементы ядерного реактора:

— топливо (уран-235, уран-238, плутоний-239) в виде стержней — замедлитель нейтронов (тяжелая вода, графит) — теплоноситель (вода, жидкий натрий) — устройство для регулирования реакции (кадмий, бор) — защита (оболочка из бетона и железа).

Работа реактора:

Реактор работает на медленных нейтронах (более эффективно идет деление ядер урана-235).

Активная зона реактора, содержит ядерное топливо — урановые стержни и замедлитель — воду.

  Вода вокруг урановых стержней является не только замедлителем нейтронов, но и служит для отвода тепла, т.к. внутренняя энергия разлетающихся осколков переходит во внутреннюю энергию окружающей среды — воды.

Активная зона окружена отражателем для возвращения  нейтронов и защитным слоем бетона.

Достижение критической массы топлива осуществляется введением регулирующих стержней (до достижения массы урана = критической массе). Активная зона посредством труб соединена в кольцо (1-ый контур). Вода прокачивается по трубам контура насосом и отдает свою энергию змеевику в теплообменнике, нагревая воду в змеевике (во 2-м контуре). Вода в змеевике превращается в пар, температура которого может достигать 540 градусов. Пар вращает турбину, энергия пара превращается в механическую энергию.

Ось  турбины вращает  ротор электрогенератора, превращая механическую энергию в электрическую.

Отработанный (охлажденный ) пар поступает в конденсатор, где превращается в воду, возвращающуюся в 1-ый контур. Первая АЭС была построена в г. Обнинске (СССР).

Преимущества АЭС:

— ядерные реакторы не потребляют кислород и органическое топливо — не загрязняют окружающую среду золой и вредными для человека продуктами органического топлива — биосфера надежно защищена от радиоактивного воздействия при нормальном режиме эксплуатации АЭС.

Недостатки АЭС:

— необходимость захоронения радиоактивных отходов и демонтаж отслуживших свой срок реакторов — опасность радиоактивного заражения местности при аварийных выбросах — опасность экологических катастроф ((1986 г. — Чернобыльская АЭС).

Существуют ядерные реакторы на быстрых нейтронах — размножители.

Вспомни тему «Атомная физика» за 9 класс:

Радиоактивность.
Радиоактивные превращения.
Состав атомного ядра. Ядерные силы.
Энергия связи. Дефект масс.
Деление ядер урана.
Ядерная цепная реакция.
Ядерный реактор.
Термоядерная реакция.

Другие страницы по теме «Атомная физика» за 10-11 класс:

Строение атома

Квантовые постулаты Бора
Методы регистрации частиц
Естественная радиоактивность
Радиоактивный распад
Закон радиоактаивного распада
Ядерные силы
Открытие электрона
Открытие протона
Открытие нейтрона
Строение ядра атома
Изотопы
Энергия связи ядра
Ядерные реакции
Деление ядер урана. Цепная реакция
Ядерный реактор. Атомная бомба
Термоядерная реакция
Водородная бомба
Топливные ресурсы. Ядерная энергетика

АТОМНАЯ БОМБА

— один из видов ядерного оружия, в котором используется неуправляемый процесс деления атомных ядер, т.е. цепная реакция. Принцип работы атомной бомбы, заключается в расщеплении ядер тяжёлых элементов ( уран-235 или плутоний-239). В результате реакции распада избыточная масса излучается в виде лишних нуклонов (нейтронов или протонов) с выделение большого количества энергии.

Атомная бомба на основе урана -235  стала первым ядерным оружием и была  сброшена   США  на  японский  город Хиросима в 1945 г. Эта бомба весила 2722 кг и  имела ядерный заряд из  обогащенного  урана-235  массой 20 кг.

Детонирование  ядерного заряда  в такой бомбе происходит, когда  соединяются  две части  уранового заряда, обладающие   докритической  массой.

Для  взрыва  ядерной бомбы содержание урана-235 в ядерном заряде  не должно быть ниже 80 %, поэтому природный уран  приходится обогащать. Критическая масса урана-235,  превышение которой необходимо для проведения неуправляемой ядерной реакции,  достаточно велика. Поэтому урановые бомбы на данный момент не распространены.

Современные более совершенные атомные бомбы производятся на основе, например, плутония, обладающего  более низкой критической массой.

Первая  атомная плутониевая бомба на основе плутония-239, сброшенная США на Нагасаки в 1945 г., была с зарядом из плутония-239 (массой 5 кг), 3.5 м в длину и 1.5 м в диаметре,  мощностью более 20 кт  и весила  3175 кг.

Плутониевая атомная бомба представляет собой подобие нескольких сфер, вложенных друг в друга:

— внутри корпус бомбы  окружен оболочкой из  обычного взрывчатого вещества, создающего при ударе  и взрыве ударную волну к центру; — далее идет оболочка из алюминия, разделяющая взрывчатое вещество и ядерный заряд; — затем ближе к центру  — оболочка из урана, служащая отражателем  для нейтронов; — следующий слой  — сам ядерный заряд из плутония-239. Критическая масса плутония  составляет  9,65 кг, хотя эту массу  можно   и уменьшить,  предварительно сжав  плутоний   в результате взрыва  обычной взрывчатки.

— в центре находится шар радиусом порядка 2 см из бериллия, покрытый слоем полония  или плутония-238, который  после  действия взрывчатки   смешивается  с бериллием и  дает мощный выброс нейтронов, необходимых  для резкого снижения критической массы плутония  и ускорения начала реакции.

Интересно, что в результате взрыва ядерный заряд не успевает «израсходоваться» полностью.  Над Хиросимой и Нагасаки «сгорело»  всего 0,7 кг урана и 1,2 кг плутония соответственно.

Источник: http://class-fizika.narod.ru/at14.htm

Booksm
Добавить комментарий