Принцип роботи ядерного реактора (стр. 1 из 3)

Тема: "Принцип роботи ядерного реактора"

ЗМІСТ

ЯДЕРНИЙ РЕАКТОР

РЕАКТОР РОЗМНОЖУВАЧ

ТЕПЛОВИЙ РЕАКТОР

СХЕМА РЕАКТОРА

ЯДЕРНА ЕНЕРГІЯ

МЕХАНІЗМИ ЯДЕРНИХ РЕАКЦІЙ

ЛАНЦЮГОВА РЕАКЦІЯ

СХЕМА ЛАНЦЮГОВОЇ РЕАКЦІЇ

ГРАФІК

ТЕРМО ЯДЕРНА РЕАКЦІЯ

КЕРОВАНИЙ ТЕРМОЯДЕРНИЙ СИНТЕЗ

СХЕМА ТЕРМОЯДЕНОГО РЕАКТОРА

УРАН

ПЛУТОНІЙ

ЯДЕРНИЙ РЕАКТОР (атомний реактор), пристрій для здійснення керованої ядерної ланцюгової реакції розподілу. Перший ядерний реактор пущений у 1942 у США (у СРСР у 1946). Розподіл ядер відбувається в активній зоні реактора, у якій зосереджене ядерне паливо, і супроводжується вивільненням значної кількості енергії. Ядерні реактори розрізняють: по енергії нейтронів, що викликають розподіл ядер (ядерні реактори на теплових, швидких і проміжних нейтронах); по характері розподілу ядерного палива (гомогенному і гетерогенні); по використовуваному сповільнювачі (графітові, водо-водяні й ін.); по призначенню (енергетичного, дослідницькі) і т.д. Використовують для вироблення електричної енергії на атомних електростанціях і в ядерних силових установках атомних судів, для наукових досліджень, відтворення ядерного палива і т.д.

РЕАКТОР-РОЗМНОЖУВАЧ, ядерний реактор, у якому "спалювання" ядерного палива супроводжується розширеним відтворенням вторинного палива. У реакторі-розмножувачі нейтрони, що звільняються в процесі розподілу ядерного палива (напр., 239Pu), взаємодіють з ядрами поміщеного в реактор сировинного матеріалу (напр., 238U), у результаті утвориться вторинне ядерне паливо ( 239Pu). У реакторі-розмножувачі типу бридер відтворене і палива, що спалюється, являють собою ізотопи того самого хімічного елемента (напр., спалюється 235U, відтворюється 233U), у реакторі-розмножувачі типу реактор-конвертер — ізотопи різних хімічних елементів (напр., спалюється 235U, відтворюється 239Pu).

ТЕПЛОВИЙ РЕАКТОР, ядерний реактор, у якому гнітюче число розподілів ядер речовини, що поділяється, відбувається при взаємодії їхній з тепловими нейтронами. Ядерним паливом у тепловому реакторі служить 233U, 235U, 239Pu, 241Pu. Тепловий реактор використовують для виробництва електроенергії, опріснення води, штучного одержання радіоактивних речовин, при технічних іспитах матеріалів і конструкцій і т.д.

ЯДЕРНА ЕНЕРГІЯ (атомна енергія), внутрішня енергія атомних ядер, що виділяється при деяких ядерних перетвореннях. Використання ядерної енергії засновано на здійсненні ланцюгових реакцій розподілу важких ядер і реакцій термоядерного синтезу легких ядер.

МЕХАНІЗМ РОЗПОДІЛУ ЯДЕР У важких ядрах, поряд з великими силами електричного відштовхування, що прагнуть розірвати ядро на частині, діють ще значні ядерні сили, що утримують ядро від розпаду.

Під впливом поглиненого нейтрона ядро збуджується і починає деформуватися, здобуваючи витягнуту форму. Воно розтягується доти, поки сили відштовхування половинок ядра не починають переважати над силами притягання, що діють у перешийку. У результаті ядро розривається на двох частин (так називані осколки). Під дією кулоновського відштовхування осколки розлітаються зі швидкістю, рівної 1/30 швидкості світла; одночасно випускається випромінювання високої частоти. Велика частина виділюваної енергії приходиться на кінетичну енергію осколків.

ЯДЕРНА ЛАНЦЮГОВА РЕАКЦІЯ Не всі ядра здатні до розподілу. Найбільше легко поділяється ізотоп урану 23592U, що складає 1/140 від більш розповсюдженого ізотопу 23892U. Цей розподіл викликається як повільними(ПОВІЛЬНІ НЕЙТРОНИ; нейтрони з енергіями менше 100 кэВ.), так і швидкими нейтронами(ШВИДКІ НЕЙТРОНИ, нейтрони з енергіями більше 100 кэВ), що потрапили в ядро. При кожнім акті розподілу ядра випускається 2-3 нейтрона, що у свою чергу можуть викликати розподіл інших ядер. У результаті виникає ядерна ланцюгова реакція. Вона супроводжується виділенням величезної енергії. При розподілі одного ядра виділяється близько 200 Мэв. При повному ж розподілі ядер, що знаходяться в 1 м урану, виділяється енергія 2,3*104 квт·ч. Це еквівалентно енергії, одержуваної при згорянні 3 т вугілля або 2,5 т нафти.

Керована реакція розподілу ядер використовується в ядерних реакторах. Імовірність захоплення ядрами урану повільних нейтронів з наступним розподілом ядер у сотні разів більше, ніж швидких. Тому в ядерних реакторах, що працюють на природному урані, використовуються сповільнювачі нейтронів. Кращим сповільнювачем нейтронів є важка вода. Гарним сповільнювачем вважається також графіт, ядра якого не поглинають нейтронів. Ланцюгова реакція починає йти, як тільки маса речовини, що поділяється, перевищує якусь критичну масу. Керування реактором здійснюєтьсяза допомогою стрижнів, що містять кадмій або бор, що є гарними поглиначами нейтронів.

Некерована ланцюгова реакція здійснюється в атомній бомбі. Для того, щоб відбувалося практично миттєве виділення енергії (ядерний вибух), реакція повинна йти на швидких нейтронах (без сповільнювачів). Вибуховою речовиною служить чистий уран 23592U або плутоній 23994Pu.

Здатність до поділу залежно від маси осколка

ТЕРМОЯДЕРНА РЕАКЦІЇ Виділення енергії при злитті ядер легких атомів дейтерію, тритію або літію з утворенням гелію відбувається в ході термоядерних реакцій. Ці реакції називаються термоядерними, тому що можуть протікати лише при дуже високих температурах. У противному випадку, сили електричного відштовхування не дозволяють ядрам зблизитися настільки, щоб почали діяти ядерні сили притягання. Реакції ядерного синтезу є джерелом зоряної енергії. Цієї ж реакції протікають при вибуху водневої бомби.

Здійснення керованого термоядерного синтезу на Землі обіцяє людству новий, практично невичерпне джерело енергії. Найбільш перспективна в цьому відношенні реакція злиття дейтерію і тритію. Економічно вигідна реакція може йти тільки при нагріванні реагуючих речовин до температури порядку 108 До при великій густині речовини (1014-1015 часток у 1 див3). Такі температури можуть бути досягнуті шляхом створення в плазмі могутніх електричних розрядів. Основні труднощі полягають у тім, щоб удержати плазму настільки високої температури усередині установки протягом 0,1-1,0 с. Через нестійкість високотемпературної плазми ця задача поки залишається невирішеної, і як промислове джерело ядерної енергії в даний час використовуються тільки реакції розподілу ядер.

КЕРОВАНИЙ ТЕРМОЯДЕРНИЙ СИНТЕЗ (УТС), наукова проблема здійснення синтезу легких ядер з метою виробництва енергії. Рішення проблеми буде досягнуто в плазмі при температурі Т > 108К и виконанні Лоусона критерію (nt > 1014 див-3·с, де n — щільність високотемпературної плазми; t — час утримання її в системі). Дослідження проводяться в квазістаціонарних системах (t > 1 з, n +> 1014 див-3) і імпульсних системах (t ~ 10-8 з, n > 1022 див-3). У перших (токамаки, стеллараторы, дзеркальні пастки і т.д.) утримання і термоізоляція плазми здійснюються в магнітних полях різної конфігурації. В імпульсних системах плазма створюється при опроміненні твердої мішені (крупинки суміші дейтерію і тритію) сфальцьованим випромінюванням могутнього лазера або електронних пучків: при влученні у фокус пучка малих твердотельных мішеней відбувається послідовність термоядерних мікровибухів. Рішення проблеми УТС забезпечить людство енергією практично на необмежений термін.

Принципова схема термоядерного реактора в якому нагрів здійснюється за допомогою лазера.

УРАН (лат. Uranium), U (читається "уран"), радіоактивний хімічний елемент з атомним номером 92, атомна маса 238,0289. Актиноид. Природний уран складається із суміші трьох ізотопів: 238U, 99,2739%, з періодом напіврозпаду Т1/2 = 4,51·109 років, 235U, 0,7024%, з періодом напіврозпаду Т1/2 = 7,13·108 років, 234U, 0,0057%, з періодом напіврозпаду Т1/2 = 2,45·105 років. 238U (уран-I, UI) і 235U (актиноуран, Ас) є родоначальниками радіоактивних рядів. З 11 штучно отриманих радіонуклідів з масовими числами 227-240 долгоживущий 233U ( Т1/2 = 1,62·105років), він виходить при нейтронному опроміненні тория.

Конфігурація трьох зовнішніх електронних шарів 5 s2p6d 10f3 6 s2p 6d17 s2, уран відноситься до f-елементів. Розташований у IIIB групі в 7 періоді періодичної системи елементів. У сполуках виявляє ступеня окислювання +2, +3, +4, +5 і +6, валентності II, III, IV, V і VI.

Радіус нейтрального атома урану 0,156 нм, радіус іонів: U3+ — 0,1024 нм, U4+ — 0,089 нм, U5+ — 0,088 нм і U6+— 0,083 нм. Енергії послідовної іонізації атома 6,19, 11,6, 19,8, 36,7 ев. Электроотрицательность по Полингу 1,22.

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ Уран був відкритий у 1789 німецьким хіміком М. Г. Клапротом при дослідженні мінералу "смоляної обманки". Названий їм на честь планети Уран, відкритої У. Гершелем у 1781. У металевому стані уран отриманий у 1841 французьким хіміком Э. Пелиго при відновленні UCl4металевим калієм. Радіоактивні властивості урану знайшов у 1896 француз А. Беккерель.

Спочатку уранові приписували атомну масу 116, але в 1871 Д. И. Менделєєв прийшов до висновку, що її треба подвоїти. Після відкриття елементів з атомними номерами від 90 до 103 американський хімік Г. Сиборг прийшов до висновку, що ці елементи (актиноиды) вірніше розташовувати в періодичній системі в одній клітці з елементом №89 актинієм. Таке розташування зв'язане з тим, що в актиноидов відбувається добудування 5 f-электоронного подуровня.

ЗНАХОДЖЕННЯ В ПРИРОДІ Уран — характерний елемент для гранітного шару й осадової оболонки земної кори. Зміст у земній корі 2,5·10-4% по масі. У морській воді концентрація урану менш 10-9 г/л, усього в морській воді утримується від 109 до 1010 тонн урану. У вільному виді уран у земній корі не зустрічається. Відомо близько 100 мінералів урану, найважливіші з них настуран U3O8, уранініт (U,Th)O2, уранова смоляна руда (містить оксиди урану перемінної сполуки) і тюямунит Ca[(UO2)2(VO4)2]·8H2O.