„mírový“ atom. Princip činnosti jaderného reaktoru Vysvětlení nového materiálu

Zpět dopředu

Pozornost! Náhled snímku slouží pouze pro informační účely a nemusí představovat celý rozsah prezentace. Pokud vás tato práce zaujala, stáhněte si prosím plnou verzi.

Cíle lekce:

• Vzdělávací: aktualizace stávajících znalostí; pokračovat ve vytváření pojmů: štěpení jader uranu, jaderná řetězová reakce, podmínky jejího vzniku, kritické množství; zavést nové pojmy: jaderný reaktor, hlavní prvky jaderného reaktoru, konstrukce jaderného reaktoru a princip jeho činnosti, řízení jaderné reakce, klasifikace jaderných reaktorů a jejich použití;
• Rozvíjející se: pokračovat ve formování schopnosti pozorovat a vyvozovat závěry, stejně jako rozvíjet intelektuální schopnosti a zvídavost studentů;
• Vzdělávací: pokračovat ve výchově postoje k fyzice jako experimentální vědě; pěstovat svědomitý vztah k práci, disciplínu, kladný vztah k vědomostem.

Typ lekce: učení nového materiálu.

Zařízení: multimediální instalace.

Během vyučování

1. Organizační moment.

Chlapi! Dnes si v lekci zopakujeme štěpení jader uranu, jadernou řetězovou reakci, podmínky jejího vzniku, kritické množství, dozvíme se, co je jaderný reaktor, hlavní prvky jaderného reaktoru, konstrukci jaderného reaktoru reaktor a princip jeho činnosti, řízení jaderné reakce, klasifikace jaderných reaktorů a jejich použití.

2. Kontrola nastudovaného materiálu.

1. Mechanismus štěpení jader uranu.
2. Popište mechanismus jaderné řetězové reakce.
3. Uveďte příklad jaderné štěpné reakce jádra uranu.
4. Co se nazývá kritické množství?
5. Jak probíhá řetězová reakce v uranu, pokud je jeho hmotnost menší než kritická, více než kritická?
6. Jaké je kritické množství uranu 295, je možné kritické množství snížit?
7. Jak můžete změnit průběh jaderné řetězové reakce?
8. Jaký je účel zpomalování rychlých neutronů?
9. Jaké látky se používají jako moderátory?
10. Jakými faktory lze zvýšit počet volných neutronů v kousku uranu, a tím zajistit možnost, že v něm dojde k reakci?

3. Vysvětlení nového materiálu.

Kluci, odpovězte na tuto otázku: Jaká je hlavní část jakékoli jaderné elektrárny? ( nukleární reaktor)

Výborně. Takže, chlapi, nyní se u této problematiky zastavíme podrobněji.

Historický odkaz.

Igor Vasiljevič Kurčatov je vynikající sovětský fyzik, akademik, zakladatel a první ředitel Ústavu pro atomovou energii v letech 1943 až 1960, hlavní vědecký vůdce atomového problému v SSSR, jeden ze zakladatelů využití jaderné energie pro mírové účely. . Akademik Akademie věd SSSR (1943). První sovětská atomová bomba byla testována v roce 1949. O čtyři roky později byla úspěšně otestována první vodíková bomba na světě. A v roce 1949 Igor Vasilievich Kurchatov začal pracovat na projektu jaderné elektrárny. Jaderná elektrárna je poslem mírového využití atomové energie. Projekt byl úspěšně dokončen: 27. července 1954 se naše jaderná elektrárna stala první na světě! Kurčatov se radoval a bavil jako dítě!

Definice jaderného reaktoru.

Jaderný reaktor je zařízení, ve kterém se provádí a udržuje řízená řetězová reakce štěpení některých těžkých jader.

První jaderný reaktor byl postaven v roce 1942 v USA pod vedením E. Fermiho. U nás byl první reaktor postaven v roce 1946 pod vedením IV. Kurčatova.

Hlavní prvky jaderného reaktoru jsou:

• jaderné palivo (uran 235, uran 238, plutonium 239);
• moderátor neutronů (těžká voda, grafit atd.);
• chladivo pro výstup energie vznikající při provozu reaktoru (voda, kapalný sodík atd.);
• Řídicí tyče (bór, kadmium) - silně pohlcující neutrony
• Ochranný plášť, který zpomaluje záření (beton s železným plnivem).

Princip fungování nukleární reaktor

Jaderné palivo se nachází v aktivní zóně ve formě vertikálních tyčí nazývaných palivové články (TVEL). Palivové tyče jsou určeny k řízení výkonu reaktoru.

Hmotnost každé palivové tyče je mnohem menší než kritická hmotnost, takže řetězová reakce nemůže nastat v jedné tyči. Začíná po ponoření do aktivní zóny všech uranových tyčí.

Aktivní zóna je obklopena vrstvou látky, která odráží neutrony (reflektor) a ochranným pláštěm z betonu, který zachycuje neutrony a další částice.

Odvod tepla z palivových článků. Chladicí kapalina - voda omývá tyč, zahřátou na 300 ° C při vysokém tlaku, vstupuje do výměníků tepla.

Úloha výměníku tepla - voda ohřátá na 300 ° C, předává teplo běžné vodě, přeměňuje se v páru.

Řízení jaderné reakce

Reaktor je řízen tyčemi obsahujícími kadmium nebo bor. S tyčemi vysunutými z aktivní zóny reaktoru, K > 1, a s tyčemi zcela zataženými, K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Reaktor na pomalých neutronech.

K nejúčinnějšímu štěpení jader uranu-235 dochází působením pomalých neutronů. Takové reaktory se nazývají reaktory s pomalými neutrony. Sekundární neutrony vznikající při štěpné reakci jsou rychlé. Aby jejich následná interakce s jádry uranu-235 v řetězové reakci byla co nejúčinnější, zpomalují se zavedením moderátoru do jádra – látky snižující kinetickou energii neutronů.

Rychlý neutronový reaktor.

Rychlé neutronové reaktory nemohou pracovat s přírodním uranem. Reakci lze udržovat pouze v obohacené směsi obsahující alespoň 15 % izotopu uranu. Výhodou rychlých neutronových reaktorů je, že při jejich provozu vzniká značné množství plutonia, které lze následně využít jako jaderné palivo.

Homogenní a heterogenní reaktory.

Jaderné reaktory se v závislosti na vzájemném uspořádání paliva a moderátoru dělí na homogenní a heterogenní. V homogenním reaktoru je aktivní zóna homogenní hmota paliva, moderátoru a chladiva ve formě roztoku, směsi nebo taveniny. Reaktor se nazývá heterogenní, ve kterém je v moderátoru umístěno palivo ve formě bloků nebo palivových souborů, které v něm tvoří pravidelnou geometrickou mřížku.

Přeměna vnitřní energie atomových jader na elektrickou energii.

Jaderný reaktor je hlavním prvkem jaderné elektrárny (JE), který přeměňuje tepelnou jadernou energii na elektrickou energii. Přeměna energie probíhá podle následujícího schématu:

• vnitřní energie jader uranu -
• kinetická energie neutronů a fragmentů jader -
• vnitřní energie vody -
• vnitřní energie páry -
• kinetická energie páry -
• kinetická energie rotoru turbíny a rotoru generátoru -
• Elektrická energie.

Využití jaderných reaktorů.

V závislosti na účelu jsou jaderné reaktory energetické, konvertory a množivé reaktory, výzkumné a víceúčelové, dopravní a průmyslové.

Jaderné reaktory se používají k výrobě elektřiny v jaderných elektrárnách, v lodních elektrárnách, jaderných elektrárnách na kombinovanou výrobu tepla a elektřiny a také v jaderných teplárnách.

Reaktory určené k výrobě sekundárního jaderného paliva z přírodního uranu a thoria se nazývají konvertory nebo množivé reaktory. V reaktoru-konvertoru vzniká sekundární jaderné palivo méně, než bylo původně spotřebováno.

V množivém reaktoru se provádí rozšířená reprodukce jaderného paliva, tzn. ukazuje se více, než bylo vynaloženo.

Výzkumné reaktory slouží ke studiu procesů interakce neutronů s hmotou, studiu chování reaktorových materiálů v intenzivních polích neutronového a gama záření, radiochemickému a biologickému výzkumu, výrobě izotopů, experimentálnímu výzkumu ve fyzice jaderných reaktorů.

Reaktory mají různý výkon, stacionární nebo pulzní režim provozu. Víceúčelové reaktory jsou reaktory, které slouží více účelům, jako je výroba energie a výroba jaderného paliva.

Ekologické katastrofy v jaderných elektrárnách

• 1957 - nehoda ve Velké Británii
• 1966 - Částečné roztavení aktivní zóny po selhání chlazení reaktoru poblíž Detroitu.
• 1971 - Do řeky USA se dostalo hodně znečištěné vody
• 1979 - největší nehoda v USA
• 1982 - únik radioaktivní páry do atmosféry
• 1983 - hrozná nehoda v Kanadě (radioaktivní voda vytékala 20 minut - tuna za minutu)
• 1986 - nehoda ve Velké Británii
• 1986 - nehoda v Německu
• 1986 – Černobylská jaderná elektrárna
• 1988 - požár v jaderné elektrárně v Japonsku

Moderní jaderné elektrárny jsou vybaveny PC a dříve, i po havárii, reaktory pokračovaly v provozu, protože neexistoval systém automatického odstavení.

4. Fixace materiálu.

1. Co je jaderný reaktor?
2. Co je jaderné palivo v reaktoru?
3. Jaká látka slouží jako moderátor neutronů v jaderném reaktoru?
4. K čemu slouží moderátor neutronů?
5. K čemu jsou ovládací tyče? Jak se používají?
6. Co se používá jako chladivo v jaderných reaktorech?
7. Proč je nutné, aby hmotnost každé uranové tyče byla menší než kritická hmotnost?

5. Provedení testu.

1. Jaké částice se podílejí na štěpení jader uranu?
   A. protony;
   B. neutrony;
   B. elektrony;
   G. jádra helia.
2. Jaké množství uranu je kritické?
   A. největší, při kterém je možná řetězová reakce;
   B. jakákoliv hmota;
   V. nejmenší, při které je možná řetězová reakce;
   D. hmotnost, při které se reakce zastaví.
3. Jaká je přibližná kritická hmotnost uranu 235?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   B. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Které z následujících látek lze použít v jaderných reaktorech jako moderátory neutronů?
   A. grafit;
   B. kadmium;
   B. těžká voda;
   G. bor.
5. Aby v jaderné elektrárně proběhla řetězová jaderná reakce, je nutné, aby multiplikační faktor neutronů byl:
   A. se rovná 1;
   B. více než 1;
   V. méně než 1.
6. Regulace rychlosti štěpení jader těžkých atomů v jaderných reaktorech se provádí:
   A. v důsledku absorpce neutronů při spouštění tyčí absorbérem;
   B. v důsledku zvýšení odvodu tepla se zvýšením rychlosti chladicí kapaliny;
   B. zvýšením dodávek elektřiny spotřebitelům;
   G. snížením hmoty jaderného paliva v aktivní zóně při odstraňování palivových tyčí.
7. Jaké energetické přeměny probíhají v jaderném reaktoru?
   A. vnitřní energie atomových jader se přemění na světelnou energii;
   B. vnitřní energie atomových jader se přemění na mechanickou energii;
   B. vnitřní energie atomových jader se přeměňuje na elektrickou energii;
   G. mezi odpověďmi není správná odpověď.
8. V roce 1946 byl v Sovětském svazu postaven první jaderný reaktor. Kdo byl vedoucím tohoto projektu?
   A. S. Korolev;
   B. I. Kurčatov;
   V. D. Sacharov;
   G. A. Prochorov.
9. Jaký způsob považujete za nejvhodnější pro zvýšení spolehlivosti jaderných elektráren a zabránění kontaminaci vnějšího prostředí?
   A. vývoj reaktorů schopných automaticky chladit AZ bez ohledu na vůli provozovatele;
   B. zvyšování gramotnosti provozu JE, úrovně odborné přípravy provozovatelů JE;
   B. vývoj vysoce účinných technologií pro demontáž jaderných elektráren a zpracování radioaktivního odpadu;
   D. umístění reaktorů hluboko pod zemí;
   E. odmítnutí výstavby a provozu jaderných elektráren.
10. Jaké zdroje znečištění životního prostředí jsou spojeny s provozem jaderných elektráren?
    A. uranový průmysl;
    B. jaderné reaktory různých typů;
    B. radiochemický průmysl;
    D. místa zpracování a ukládání radioaktivních odpadů;
    E. využití radionuklidů v národním hospodářství;
    E. jaderné výbuchy.

Odpovědi: 1 B; 2 V; 3 V; 4 A, B; 5A; 6A; 7 V;. 8 B; 9 B. V; 10 A, B, C, D, F.

6. Výsledky lekce.

Co nového jste se dnes na lekci naučili?

Co se vám na lekci líbilo?

jaké jsou otázky?

DĚKUJI ZA PRÁCI NA LEKCI!

Reakce jaderného štěpení neutronů těžkých jader, jak již bylo uvedeno, je hlavní a ústřední reakcí v jaderných reaktorech. Proto má hned od začátku smysl seznámit se s fyzikálními pojmy štěpné reakce a těmi jejími rysy, které tak či onak zanechávají stopy ve všech aspektech života a života nejsložitějšího technického komplexu, kterým je s názvem Jaderná elektrárna.

Obr. 2.6 poskytuje představu o štěpení jádra uranu-235 na vizuálních snímcích.

Neutronové jádro o hmotnosti A Excitované složené jádro Fragmenty štěpení

štěpné neutrony

Obr.2.6. Schematické znázornění jaderného štěpení 235 U.

Na základě tohoto diagramu lze zobecněnou „rovnici“ pro štěpnou reakci (která je spíše logická než přísně matematická) zapsat jako:

235 U + 1 n  (236 U) *  (F 1)* + (F 2)* +  5. 1 n + a + b + c + E

- (F 1)* a (F 2)* - symboly vzrušenýštěpné fragmenty (dále index (*) označuje nestabilní, excitované nebo radioaktivní prvky); fragment (F 1)* má hmotnost A 1 a náboj Z 1, fragment (F 2)* má hmotnost A 2 a náboj Z 2;

- 5. 1 n značí  5 štěpných neutronů uvolněných v průměru při každém aktu štěpení jádra uranu-235;

- ,  a  - -částice, -částice a -kvanta, jejichž průměrné počty na štěpení jádra uranu-235 jsou a, b a c;

E je průměrné množství energie uvolněné při štěpení.

Znovu zdůrazňujeme: výše napsaný výraz není rovnicí v pravém slova smyslu; je to spíše jen forma zápisu, která je snadno zapamatovatelná a odráží hlavní rysy neutronové štěpné reakce:

a) tvorba štěpných fragmentů;

b) vznik nových volných neutronů při štěpení, které budeme dále stručně nazývat štěpné neutrony;

c) radioaktivita štěpných úlomků, která způsobuje jejich další přeměnu na stabilnější útvary, díky čemuž vzniká řada vedlejších efektů - pozitivních, užitečných i negativních, se kterými je třeba počítat při projektování, stavbě a provozu jaderných reaktorů ;

d) uvolňování energie při štěpení – hlavní vlastnost štěpné reakce, která umožňuje tvořit energie nukleární reaktor.

Každý z výše uvedených fyzikálních procesů, který doprovází štěpnou reakci, hraje v reaktoru určitou roli a má své vlastní praktické význam. Pojďme se s nimi tedy blíže seznámit.

2.2.1. Vznik štěpných úlomků. O jediném aktu jaderného štěpení lze do určité míry hovořit jako o jevu náhodný s ohledem na to, že těžké jádro uranu, sestávající z 92 protonů a 143 neutronů, je v zásadě schopno se rozdělit na různý počet fragmentů s různou atomovou hmotností. V tomto případě lze k posouzení možnosti jaderného štěpení na 2, 3 nebo více fragmentů přistoupit pomocí pravděpodobnostních opatření. Podle údajů uvedených v je pravděpodobnost jaderného štěpení na dva fragmenty více než 98 %, proto naprostá většina štěpení končí vytvořením právě dvou fragmentů.

Spektroskopické studie štěpných produktů prokázaly více než 600 kvalitativně odlišných štěpných fragmentů s různou atomovou hmotností. A zde, ve zdánlivé náhodě, s velkým počtem divizí, jeden obecné pravidlo, což lze stručně vyjádřit takto:

Pravděpodobnost výskytu fragmentu určité atomové hmotnosti při štěpení hmoty konkrétního nuklidu je přesně definovaná hodnota, charakteristická pro tento štěpný nuklid.

Tato veličina se nazývá výtěžek fragmentů , označený malým řeckým písmenem  i(gama) s dolním indexem - symbolem chemického prvku, jehož jádrem je tento fragment, nebo symbolem izotopu.

Například při fyzikálních experimentech bylo zaznamenáno, že fragment xenonu-135 (135 Xe) se během každého tisíce štěpení jader 235 U objeví v průměru ve třech případech. To znamená, že specifický výtěžek fragmentu 135 Xe je

 Xe= 3/1000 = 0,003 všech dělení,

a ve vztahu k jedinému aktu jaderného štěpení 235 U je hodnota  Xe = 0,003 = 0,3 % - je pravděpodobnost, že štěpení skončí vytvořením fragmentu 135 Heh.

Jasné posouzení zákonitostí vzniku štěpných fragmentů různých atomových hmotností je dáno křivkami specifického výtěžku fragmentů (obr. 2.7).

10

70 80 90 100 110 120 130 140 150 A, amu

Rýže. 2.7. Specifické výtěžky štěpných fragmentů různých atomových hmotností

při štěpení 235 U (plná čára) a 239 Pu (přerušovaná čára).

Povaha těchto křivek nám umožňuje dospět k následujícímu:

a) Atomové hmotnosti úlomků vzniklých při štěpení se v naprosté většině případů pohybují v rozmezí 70  165 a.m.u. Specifický výtěžek lehčích a těžších úlomků je velmi malý (nepřesahuje 10 -4 %).

b) Symetrické jaderné štěpení (tj. štěpení na dva fragmenty stejné hmotnosti) je extrémně vzácné: jejich specifický výtěžek nepřesahuje 0,01 % u jader uranu-235 a 0,04 % u jader plutonia-239.

c) Nejčastěji tvořené plíce fragmenty s hmotnostními čísly do 83 104 am.u. A těžký fragmenty s A = 128  149 am.u. (jejich specifický výtěžek je 1 % a více).

d) Štěpení 239 Pu působením tepelných neutronů vede ke vzniku několika těžší fragmentů ve srovnání s 235 U štěpnými fragmenty.

*) V budoucnu se při studiu kinetiky reaktoru a procesů jeho otravy a struskování budeme muset více než jednou při sestavování diferenciálních rovnic popisujících fyzikální procesy v aktivní zóně reaktoru.

Výhodou této hodnoty je, že při znalosti rychlosti štěpné reakce (počet štěpení na jednotku objemu složení paliva za jednotku času) je snadné vypočítat rychlost tvorby jakýchkoli štěpných fragmentů, jejichž akumulace v reaktor nějak ovlivňuje jeho provoz:

Rychlost generování i-tého fragmentu =  i  (rychlost štěpné reakce)

A ještě jedna poznámka související s tvorbou štěpných úlomků. Fragmenty štěpení vzniklé při štěpení mají vysoké kinetické energie. Přenosem své kinetické energie při srážkách s atomy média složení paliva se štěpné fragmenty štěpí zvýšit průměrnou úroveň kinetické energie atomů a molekul, kterou v souladu s myšlenkami kinetické teorie vnímáme jako zvýšení teploty složení paliva nebo obojí odvod tepla v něm.

Většina tepla v reaktoru vzniká tímto způsobem.

To je jistá pozitivní role tvorby úlomků v pracovním procesu jaderného reaktoru.

2.2.2. Vznik štěpných neutronů. Klíčovým fyzikálním jevem, který doprovází proces štěpení těžkých jader, je emise sekundárních rychlých neutronů excitovanými štěpnými fragmenty, v opačném případě volal rychlé neutrony nebo štěpné neutrony.

Význam tohoto fenoménu (objevený F. Joliot-Curie se spolupracovníky - Albanem a Kovarsky - v roce 1939) je nesporné: právě díky němu se při štěpení těžkých jader objevují nové volné neutrony, které nahrazují ty, které štěpení způsobily; tyto nové neutrony mohou interagovat s jinými štěpnými jádry v palivu a způsobit jejich štěpení doprovázené emisí nových štěpných neutronů a tak dále. To znamená, že díky tvorbě štěpných neutronů je to možné organizovat proces štěpení rovnoměrně navazujících za sebou v čase bez dodávání volných neutronů do média obsahujícího palivo z vnějšího zdroje. V takové dodávce, jednoduše řečeno, není nezbytné, jakmile se najdou „nástroje“, kterými se jaderné štěpení provádí tady, v tomto prostředí, ve vázaném stavu ve štěpných jádrech; aby se vázané neutrony „využily“, stačí je uvolnit, to znamená, že jádro se rozdělí na fragmenty a fragmenty samy vše dokončí: díky svému excitovanému stavu budou emitovat neutrony „navíc“ od jejich složení, narušujícího jejich stabilitu, navíc k tomu dojde v době řádově 10 -15 - 10 -13 s, která se řádově shoduje s dobou strávenou složeným jádrem v excitovaném stavu. Tato náhoda dala vzniknout představě, že se objevují štěpné neutrony nikoli z excitovaných štěpných fragmentů přesycených neutrony po skončení štěpení, ale přímo v tom krátkém časovém období, během kterého dochází k jadernému štěpení. To není po akt rozdělení a během tento akt, jakoby současně s destrukcí jádra. Ze stejného důvodu jsou tyto neutrony často označovány jako rychlé neutrony.

Analýza možných kombinací protonů a neutronů ve stabilních jádrech různých atomových hmotností (vzpomeňte si na diagram stabilních jader) a jejich srovnání s kvalitativním složením štěpných produktů ukázaly, že pravděpodobnost vznikuudržitelného úlomků při štěpení je velmi malá. A to znamená, že se rodí drtivá většina fragmentů nestabilní a může emitovat jeden, dva, tři nebo i více štěpných neutronů „zbytečných“ pro svou stabilitu, navíc je jasné, že každý konkrétní excitovaný fragment musí emitovat vlastní, přísně definované množství štěpných neutronů „zbytečných“ pro jeho stabilitu.

Ale protože každý fragment s velkým počtem štěpení má přesně definovaný specifický výtěžek, pak při určitém velkém počtu štěpení bude jistý také počet vytvořených štěpných fragmentů každého typu a v důsledku toho počet emitovaných štěpných neutronů. podle fragmentů každého typu bude také jistý, ale, To znamená, že jejich celkový počet bude také jistý. Vydělením celkového počtu neutronů přijatých při štěpení počtem štěpení, ve kterých jsou přijaty, musíme získat průměrný počet štěpných neutronů emitovaných při jedné štěpné události, který na základě výše uvedené úvahy musí být rovněž striktně vymezen a konstantní pro každý druh štěpných nuklidů. Tato fyzikální konstanta štěpného nuklidu je označena  .

Podle údajů z roku 1998 (hodnota této konstanty je pravidelně aktualizována na základě výsledků analýzy fyzikálních experimentů po celém světě) při štěpení působením tepelných neutronů

Pro uran-235  5 = 2.416,

Pro plutonium-239  9 = 2.862,

Pro plutonium-241  1 = 2,938 atd.

Užitečná je poslední poznámka: hodnota konstanty  v podstatě závisí na hodnotě kinetické energie neutronů, které způsobují štěpení, a s jejich růstem se zvyšuje přibližně přímo úměrně k E.

Pro dva nejdůležitější štěpné nuklidy jsou přibližné závislosti (E) popsány empirickými výrazy:

Pro uran-235  5 (E) = 2.416 + 0.1337 E;

Pro plutonium-239  9 (E) = 2.862 + 0.1357 E.

*) Energie neutronu E je nahrazena v [MeV].

Hodnota konstanty , vypočtená podle těchto empirických vzorců, tedy může při různých energiích neutronů dosahovat následujících hodnot:

Takže první charakteristikou štěpných neutronů emitovaných během štěpení specifických štěpných nuklidů je charakteristika těchto nuklidů průměrný počet štěpných neutronů produkovaných při štěpné události .

Faktem je, že pro všechny štěpné nuklidy  > 1, vytváří předpoklad pro proveditelnost řetěz neutronová štěpná reakce. Je jasné, že za účelem realizace samoudržující štěpná řetězová reakce je nutné vytvořit podmínky pro jeden z  neutronů získaných při štěpení určitě zavolal další dělení dalšího jádra a odpočinek ( - 1) nějak neutrony vyloučeno z jaderného štěpení. Jinak intenzita rozdělení v čase poroste jako lavina (což se děje v atomová bomba).

Protože je nyní známo, že hodnota konstanty  roste s rostoucí energií neutronů způsobujících štěpení, vyvstává logická otázka: s jakou kinetickou energií narozenýštěpné neutrony?

Odpověď na tuto otázku dává druhá charakteristika štěpných neutronů, tzv energetické spektrum štěpných neutronů a představující distribuční funkci štěpných neutronů nad jejich kinetickými energiemi.

Pokud je v určitém časovém okamžiku v jednotce (1 cm 3) objemu média, nštěpné neutrony všech možných energií, tedy normalizované energetické spektrum je funkcí energetické hodnoty E, jejíž hodnota pro jakoukoli konkrétní hodnotu E ukazuje jakou část (zlomek) všech těchto neutronů tvoří neutrony s energiemi elementárního intervalu dE blízko energie E. Jinými slovy, mluvíme o výrazu

Rozložení energie štěpných neutronů je popsáno poměrně přesně Wattova spektrální funkce(watt):

n(E) = 0.4839
, (2.2.2)

jehož grafické znázornění je obr.2.8. na další stránce.

Wattovo spektrum ukazuje, že ačkoli jsou štěpné neutrony produkovány s širokou škálou energií, ležících ve velmi širokém rozmezí, většina neutronů má počáteční energii,rovná E nv = 0,7104 MeV, odpovídající maximu Wattovy spektrální funkce. Význam této hodnoty je nejpravděpodobnější štěpná neutronová energie.

Další veličinou charakterizující energetické spektrum štěpných neutronů je průměrná energie štěpných neutronů , tedy množství energie, kterou by měl každý štěpný neutron, kdyby celková skutečná energie všech štěpných neutronů byla rovnoměrně rozdělena mezi ně:

E av =  E n(E) dE /  n(E) dE (2.2.3)

Substituce v (2.2.3) výrazu (2.2.2) udává hodnotu průměrné energie štěpných neutronů

E St = 2,0 MeV

A to znamená, že téměř všechny vznikají štěpné neutrony rychle(tedy s energiemi E > 0.1 MeV). Existuje však jen málo rychlých neutronů s relativně vysokou kinetickou energií (méně než 1 %), i když se objevuje značné množství štěpných neutronů s energiemi do 18 - 20 MeV.

0 1 2 3 4 5 Е, MeV

Obr.2.8. Energetické spektrum štěpných neutronů je Wattovo spektrum.

Spektra štěpných neutronů pro různé štěpné nuklidy se navzájem liší mírně. Řekněme, že pro nuklidy 235U a 239Pu, které nás primárně zajímají, průměrné energie štěpných neutronů (upravené podle výsledků fyzikálních experimentů):

Eav = 1,935 MeV - pro 235 U a Eav = 2,00 MeV - pro 239 Pu

Hodnota průměrné energie spektra štěpných neutronů roste s energií neutronů, které způsobují štěpení, ale tento nárůst je zanedbatelný(nejméně v rozmezí 10 - 12 MeV). To umožňuje nebrat v úvahu a přibližně vypočítat energetické spektrum štěpných neutronů společné pro různá jaderná paliva a pro různé spektrum (rychlé, střední a tepelné) reaktory.

U uranu-238, navzdory prahové povaze jeho štěpení, se spektrum štěpných neutronů také prakticky shoduje s výrazem(2.2.2) a závislost průměrného počtu štěpných neutronů  8 z energie neutronů způsobujících štěpení - také téměř lineární při energiích nad prahem ( E P = 1.1 MeV):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Radioaktivita štěpných fragmentů. Již bylo řečeno, že bylo založeno asi 600 typů štěpných fragmentů, lišících se hmotností a nábojem protonů, a že prakticky Všechno rodí sevelmi vzrušený .

Věc je dále komplikována skutečností, že nesou značné vzrušení a po emise štěpných neutronů. Proto ve své přirozené snaze o stabilitu pokračují ve „vybíjení“ přebytečné energie nad úrovní základního stavu, dokud této úrovně nedosáhnou.

Toto uvolňování se provádí postupnou emisí fragmentů všech typů radioaktivního záření (alfa, beta a gama záření) a v různých fragmentech se vyskytují různé typy radioaktivního rozpadu v různých sekvencích a (kvůli rozdílům v hodnotách rozpadové konstanty ) jsou v různé míře nataženy v čase.

Tedy ve fungujícím jaderném reaktoru nejen proces nashromáždění radioaktivních úlomků, ale i proces jejich spojitosti proměna: je známo velké množství řetězy postupné transformace, které nakonec vedou ke vzniku stabilních jader, ale všechny tyto procesy vyžadují různé doby, pro některé řetězce - velmi malé a pro jiné - docela dlouhé.

Radioaktivní záření tedy nejen doprovází štěpnou reakci v pracovní reaktoru, ale také emitované palivem ještě dlouhou dobu po jeho odstavení.

Tento faktor za prvé vyvolává zvláštní druh fyzického nebezpečí - nebezpečí expozice personálu, servis reaktorové elektrárny, zkr radiační nebezpečí. To nutí konstruktéry reaktorové elektrárny starat se o její prostředí. biologická obrana, umístit jej do místností izolovaných od okolí a učinit řadu dalších opatření k vyloučení možnosti nebezpečné expozice osob a radioaktivní kontaminace prostředí.

Za druhé, po odstavení reaktoru všechny druhy radioaktivního záření, i když jejich intenzita klesá, nadále interagují s materiály aktivní zóny a stejně jako samotné štěpné fragmenty v počátečním období své volné existence předávají svou kinetickou energii atomy jádra média, zvýšení jejich průměrné kinetické energie. To znamená v reaktoru po jeho odstavení rozpadové teplo .

Je snadné pochopit, že výkon uvolněného zbytkového tepla v reaktoru v okamžiku odstavení je přímo úměrný počtu fragmentů nashromážděných během provozu reaktoru do tohoto okamžiku a určuje se rychlost jeho poklesu v budoucnu podle poločasů rozpadu těchto fragmentů. Z toho, co bylo řečeno, vyplývá další negativní faktor v důsledku radioaktivity štěpných fragmentů - nutnostdlouhotlumení aktivní zóny reaktoru po odstavení za účelem odvodu zbytkového tepla a s tím je spojena značná spotřeba elektrické energie a motorických zdrojů oběhového zařízení.

Vznik radioaktivních úlomků během štěpení v reaktoru je tedy hlavně fenomén negativní, ale ... není tam žádný stříbrný okraj!

V radioaktivních přeměnách štěpných fragmentů lze také vidět pozitivní aspekt, kterým jaderné reaktory doslova jsou vděčí za svou existenci . Faktem je, že z velkého množství štěpných fragmentů existuje asi 60 typů takových, které se po prvním -rozpadu stávají neutron aktivní schopné vyzařovat tzv zaostávající neutrony. V reaktoru je emitováno poměrně málo zpožděných neutronů (cca 0,6 % z celkového počtu generovaných neutronů), ale právě díky jejich existenci je možné bezpečné řízení nukleární reaktor; To si ověříme při studiu kinetiky jaderného reaktoru.

2.2.4. Uvolňování energie při štěpení. Reakce jaderného štěpení ve fyzice je jedním z jasných potvrzení hypotézy A. Einsteina o vztahu hmoty a energie, která je ve vztahu k jadernému štěpení formulována následovně:

Množství energie uvolněné během jaderného štěpení je přímo úměrné hmotnostnímu defektu a faktor úměrnosti v tomto vztahu je druhá mocnina rychlosti světla:

E=  mc 2

Při jaderném štěpení je přebytek (defekt) hmotností definován jako rozdíl mezi součty klidových hmotností produktů počáteční štěpné reakce (tj. jádra a neutronu) a výsledných produktů jaderného štěpení (štěpné fragmenty, štěpné neutrony a další mikročástice emitované jak v procesu štěpení, tak po něm).

Spektroskopická analýza umožnila stanovit většinu štěpných produktů a jejich specifické výtěžky. Na tomto základě to nebylo tak těžké spočítat soukromé velikost hmotnostních defektů pro různé výsledky štěpení jader uranu-235 a z nich - vypočítat průměrná hodnota energie uvolněné při jediném štěpení, která se ukázala jako blízká

mc 2 = 200 MeV

Stačí porovnat tuto hodnotu s energií uvolněnou při aktu jedné z nejvíce endotermických chemikálie reakce - oxidační reakce raketového paliva (méně než 10 eV) - pochopit, že na úrovni objektů mikrosvěta (atomů, jader) 200 MeV - velmi velká energie: je nejméně o osm řádů (100 milionkrát) větší než energie produkovaná chemickými reakcemi.

Energie štěpení je rozptýlena z objemu, kde došlo ke štěpení jádra, prostřednictvím různých materiálů dopravci: štěpné fragmenty, štěpné neutrony, - a -částice, -kvanta a dokonce neutrina a antineutrina.

Rozložení štěpné energie mezi hmotnými nosiči při štěpení jader 235 U a 239 Pu je uvedeno v tabulce 2.1.

Tabulka 2.1. Rozdělení energie štěpení jader uranu-235 a plutonia-239 mezi produkty štěpení.

Nosiče štěpné energie		Plutonium-239
1. Kinetická energie štěpných fragmentů
2. Kinetická energie štěpných neutronů
3. Energie rychlých gama kvant
4. Energie -kvant ze štěpných produktů
5. Kinetická energie -záření fragmentů
6. Antineutrinová energie

Různé složky štěpné energie se přeměňují na teplo ne ve stejnou dobu.

První tři složky se promění v teplo za méně než 0,1 s (počítáno od okamžiku štěpení), a proto se nazývají okamžité zdroje tepla.

- a -záření štěpných produktů jsou emitovány excitovanými fragmenty s s různými poločasy rozpadu(od několika zlomků sekundy až po několik desítek dní, vezmeme-li v úvahu pouze fragmenty s znatelný specifický výstup), a tedy proces uvedený výše zbytkové teplo, která je právě kvůli radioaktivním emisím štěpných produktů, může trvat i desítky dní po odstavení reaktoru.

*) Výkon zbytkového tepla v reaktoru po jeho odstavení klesá podle velmi hrubých odhadů v první minutě - o 30-35%, po první hodině odstavení reaktoru je to přibližně 30% výkonu, při kterém reaktor fungoval před odstavením a po prvním dni parkování - asi 25 procent. Je jasné, že zastavení nuceného chlazení reaktoru za takových podmínek nepřipadá v úvahu, protože i krátkodobé přerušení cirkulace chladicí kapaliny v aktivní zóně je zatíženo nebezpečím tepelné destrukce palivových článků. Teprve po několika dnech nuceného ochlazování reaktoru, kdy se rychlost uvolňování zbytkového tepla sníží na úroveň odstraněnou přirozenou konvekcí chladiva, lze zastavit cirkulační prostředky primárního okruhu.

Druhá praktická otázka pro inženýra: kde a jaká část štěpné energie se v reaktoru přemění na teplo? - protože je to kvůli potřebě zorganizovat vyvážený odvod tepla z jeho různých vnitřních částí, navržených v různých technologických provedeních.

složení paliva, který obsahuje štěpné nuklidy, je obsažen v utěsněných obalech, které zabraňují výstupu vzniklých úlomků z palivového složení palivových článků (palivových tyčí) do chladicí kapaliny, která je ochlazuje. A pokud štěpné úlomky v fungujícím reaktoru neopustí palivové tyče, je jasné, že kinetická energie úlomků a slabě pronikající -částice se přemění na teplo. uvnitř palivových tyčí.

Energie štěpných neutronů a  záření se přeměňují na teplo pouze uvnitř palivových článků částečně: generuje pronikavost neutronů a  záření přenos většina jejich počáteční kinetické energie z jejich rodišť.

Znalost přesné hodnoty štěpné energie a jejího podílu na výsledném teplu uvnitř palivových článků má velký praktický význam, umožňuje vypočítat další prakticky důležitou charakteristiku, tzv. měrné objemové uvolňování tepla v palivových tyčích (q proti).

Například, pokud je známo, že v 1 cm3 složení paliva palivového prvku se za 1 s R F štěpení jader uranu-235, je zřejmé: množství tepelné energie generované každou sekundu v tomto jednotkovém objemu (= tepelný výkon 1 cm 3 paliva) je měrné objemové uvolnění tepla (resp. energetická náročnost) palivo a tato hodnota se bude rovnat:

q proti = 0.9 .  E . R F (2.2.5)

Podíl štěpné energie získané jako teplo mimo palivové články v aktivní zóně reaktoru závisí na jeho typu a konstrukci a leží v rozmezí (6  9) % celkové štěpné energie. (Například pro VVER-1000 je tato hodnota přibližně rovna 8,3% a pro RBMK-1000 - asi 7%).

Podíl celkového uvolněného tepla v objemu jádra z celkové energie štěpení je tedy 0,96  0,99, tzn. s technickou přesností se shoduje s celkovou energií štěpení.

Proto - další technická charakteristika aktivní zóny reaktoru:

- průměrná výkonová náročnost jádra(q v) az - tepelný výkon přijatý na jednotku objemu aktivní zóny:

(q v) az = (0,96-0,99)  E . R F   E . R F (2.2.6)

Vzhledem k tomu, že energie v 1 MeV v soustavě SI odpovídá 1,602. 10-13 J, pak hodnota energetické náročnosti aktivní zóny reaktoru:

(q v) az  3,204. 10-11 R F .

Pokud je tedy známa hodnota hustoty energie zprůměrovaná na objem aktivní zóny, pak tepelný výkon reaktoru bude evidentně:

Q p= (q v) az. PROTI az 3,204. 10–11 . R F . PROTI az [út] (2.2.7)

Tepelný výkon reaktoru je přímo úměrný průměrná rychlost

štěpné reakce v jeho aktivní zóně.

Praktický důsledek : Chcete, aby reaktor fungoval?konstantní úroveň výkonu? - Vytvořte v něm podmínky, aby štěpná reakce v jeho aktivní zóně probíhala s konstantní průměrnou rychlostí v průběhu času. Potřebujete zvýšit (snížit) výkon reaktoru? - Najděte způsoby, jak zvýšit (nebo snížit) rychlost reakce odpovídajícím způsobem de leniya. To je primární význam řízení výkonu jaderného reaktoru.

Uvažované poměry a závěry se zdají zřejmé pouze v nejjednodušším případě, kdy palivovou složkou v reaktoru je jeden uran-235. Nicméně opakování zdůvodnění pro reaktor s vícesložkový složení paliva je snadné ověřit úměrnost průměrné rychlosti štěpné reakce a tepelného výkonu reaktoru v nejobecnějším případě.

Tedy tepelný výkon reaktoru a distribuce uvolňování tepla v jeho jádru jsou přímo úměrné rozložení rychlosti štěpné reakce přes objem složení paliva v aktivní zóně reaktoru.

Ale z toho, co bylo řečeno, je také jasné, že rychlost štěpné reakce by měla souviset s počtem volných neutronů v médiu jádra, protože právě ony (volné neutrony) způsobují štěpné reakce, radiační záchyt, rozptyl a další neutronové reakce. Jinými slovy, rychlost štěpné reakce, uvolnění energie v aktivní zóně a tepelný výkon reaktoru musí jasně souviset s charakteristiky neutronového pole ve svém rozsahu.

Poté, co byla provedena neřízená řetězová reakce, která umožnila získat gigantické množství energie, si vědci dali za úkol provést řízenou řetězovou reakci. Podstatou řízené řetězové reakce je schopnost řídit neutrony. Tento princip byl úspěšně aplikován v jaderných elektrárnách (JE).

Energie štěpení jader uranu se využívá v jaderných elektrárnách (JE). Proces štěpení uranu je velmi nebezpečný. Proto jsou jaderné reaktory obklopeny hustými ochrannými plášti. Běžný typ tlakovodního reaktoru.

Nosičem tepla je voda. Studená voda vstupuje do reaktoru pod velmi vysokým tlakem, který brání jejímu varu.

Studená voda, procházející aktivní zónou reaktoru, funguje také jako moderátor – zpomaluje rychlé neutrony tak, že narazí na jádra uranu a způsobí řetězovou reakci.

Jaderné palivo (uran) je v aktivní zóně ve formě palivových článků. Palivové tyče v sestavě se střídají s regulačními tyčemi, které regulují rychlost jaderného štěpení pohlcováním rychlých neutronů.

Při štěpení se uvolňuje velké množství tepla. Ohřátá voda opouští AZ pod tlakem o teplotě 300°C a vstupuje do elektrárny, kde jsou umístěny generátory a turbíny.

Horká voda z reaktoru ohřívá vodu sekundárního okruhu k varu. Pára je posílána na lopatky turbíny a roztáčí ji. Rotující hřídel přenáší energii do generátoru. V generátoru se mechanická energie rotace přeměňuje na elektrickou energii. Pára se ochladí a voda se vrátí zpět do reaktoru.

V důsledku těchto složitých procesů vyrábí jaderná elektrárna elektřinu.

Jak můžete vidět, štěpný izotop se nachází v palivových tyčích umístěných v aktivní zóně reaktoru a tvoří kritickou hmotu. Jaderná reakce je řízena regulačními tyčemi vyrobenými z boru nebo kadmia. Řídicí tyče, stejně jako palivové tyče, jsou umístěny v aktivní zóně reaktoru a jako houba, která absorbuje vodu, působí na neutrony a pohlcují je. Provozovatel JE úpravou počtu regulačních tyčí v aktivní zóně reaktoru řídí rychlost jaderného procesu: zpomaluje jej spouštěním regulačních tyčí do aktivní zóny reaktoru; nebo zrychluje - zvedání tyčí.

Zdálo by se, že je vše v pořádku – jaderná energie je nevyčerpatelný high-tech zdroj elektřiny a patří jí budoucnost. Tak si lidé před 26. srpnem 1986 mysleli. Nehoda ve čtvrtém bloku jaderné elektrárny v Černobylu obrátila všechno vzhůru nohama - ukázalo se, že „mírumilovný“ atom není tak mírumilovný, pokud se k němu přistupuje s pohrdáním.

Bylo o tom napsáno mnoho materiálů. Zde bude uvedena kvintesence (stlačená esence) katastrofy.

Hlavní příčiny havárie 4. energetického bloku jaderné elektrárny Černobyl:

1. Nedostatečně promyšlený program technologického experimentu na doběhu turbogenerátoru;
2. Špatné výpočty vývojářů jaderného reaktoru RBMK, kde významnou roli sehrál nedostatek provozních informací o rezervě reaktivity v aktivní zóně v řídicím systému;
3. „Svobody“ personálu JE, který experiment prováděl a umožňoval odchylky od předpisů prováděných prací.

To vše dohromady vedlo ke katastrofě. Mezi specialisty vyšetřujícími události v Černobylu bylo něco jako tento vzorec: "Operátorům se podařilo vyhodit blok do povětří a reaktor jim to umožnil". Část viny v Černobylu leží téměř na každém – a na fyzicích, kteří provádějí výpočty pomocí zjednodušených modelů, a na montážních firmách, kteří nedbale svařují švy, a na operátorech, kteří si dovolují nerespektovat pracovní harmonogram.

Anatomie havárie v Černobylu v kostce

1. Bylo povoleno snížit výkon reaktoru na velmi malou hodnotu (cca 1 % nominální hodnoty). To je pro reaktor „špatné“, protože spadne do „jódové jámy“ a začne otrava reaktoru xenonem. Podle "normálu" - bylo nutné odstavit reaktor, ale v tomto případě by se neprovedl experiment na doběhu turbíny se všemi administrativními důsledky, které z toho plynou. V důsledku toho se pracovníci Černobylu rozhodli zvýšit výkon reaktoru a pokračovat v experimentu.

2. Z výše uvedeného materiálu je vidět, že operátor JE může řídit rychlost jaderné reakce (výkon reaktoru) pohybem regulačních tyčí do aktivní zóny reaktoru. Pro zvýšení výkonu reaktoru (pro dokončení experimentu) byly z aktivní zóny reaktoru odstraněny téměř všechny regulační tyče.

Aby to bylo pro čtenáře, který není obeznámen s „jadernými jemnostmi“, srozumitelnější, lze s břemenem zavěšeným na pružině udělat následující analogii:

• Zátěž (nebo spíše její poloha) je výkonem reaktoru;
• Pružina je prostředek pro řízení zátěže (výkonu reaktoru).
• V normální poloze jsou závaží a pružina v rovnováze - závaží je v určité výšce a pružina je o určitou hodnotu natažena.
• Při výpadku výkonu reaktoru ("jódová jáma") - náklad šel k zemi (a šel velmi silně).
• K „vytažení“ reaktoru obsluha „vytáhla pružinu“ (vytáhla regulační tyče; bylo však nutné právě naopak – zasunout všechny tyče a vypnout reaktor, tj. uvolnit pružinu, aby zátěž spadne na zem). Ale systém zátěžových pružin má určitou setrvačnost a nějakou dobu poté, co operátor začal pružinu vytahovat nahoru, se zátěž stále pohybuje dolů. A operátor pokračuje v tahu nahoru.
• Konečně se zátěž dostane do nejnižšího bodu a pod vlivem (už slušných) sil pružiny se začne pohybovat nahoru – výkon reaktoru začne prudce narůstat. Břemeno letí vzhůru stále rychleji (nekontrolovaná řetězová reakce s uvolněním obrovského množství tepla) a obsluha již nemůže nic udělat, aby uhasila setrvačnost pohybu břemene vzhůru. Následkem toho břemeno zasáhne obsluhu do čela.

Ano, provozovatelé černobylské jaderné elektrárny, kteří umožnili výbuch energetického bloku, zaplatili za svou chybu nejvyšší cenu – životy.

Proč personál černobylské jaderné elektrárny takto jednal? Jedním z důvodů byla skutečnost, že řídicí systém jaderného reaktoru neposkytoval provozovateli provozní informace o nebezpečných procesech probíhajících v reaktoru.

Tak začíná A.S. Dyatlov svou knihu "Černobyl. Jak to bylo":

26. dubna 1986, v jednu hodinu dvacet tři minut čtyřicet sekund, nařídil Alexander Akimov, dozorčí směny 4. bloku Černobylu, aby byl reaktor odstaven po ukončení prací prováděných před odstavením energetického bloku na plánované opravy. Příkaz byl dán v klidném pracovním prostředí, systém centralizovaného řízení nezaznamená ani jeden nouzový nebo varovný signál o odchylce parametrů reaktoru nebo obslužných systémů. Operátor reaktoru Leonid Toptunov sundal uzávěr z tlačítka AZ, který zabraňuje náhodnému chybnému stisknutí, a stiskl tlačítko. Na tento signál se 187 řídicích tyčí reaktoru začalo pohybovat dolů do aktivní zóny. Kontrolky podsvícení na mnemotechnickém panelu se rozsvítily a šipky ukazatelů polohy tyče se začaly pohybovat. Alexander Akimov, stojící napůl otočený k ovládacímu panelu reaktoru, to sledoval a také viděl, že „králíčci“ indikátorů nerovnováhy AR „odletěli doleva“ (jeho výraz), jak má být, což znamenalo pokles výkon reaktoru, otočený k bezpečnostnímu panelu, za kterým byl v experimentu pozorován.
Pak se ale stalo něco, co nedokázala předvídat ani ta nejbezuzdnější fantazie. Po mírném poklesu se výkon reaktoru náhle začal zvyšovat stále větším tempem, objevily se alarmy. L. Toptunov křičel o nouzovém zvýšení výkonu. Ale nemohl nic dělat. Dělal vše, co mohl - držel tlačítko AZ, tyče CPS šly do jádra. Nemá k dispozici žádné jiné zdroje. Ano, a všichni ostatní také. A. Akimov ostře zakřičel: "Vypněte reaktor!" Skočil ke konzole a deaktivoval elektromagnetické spojky pohonů tyčí CPS. Akce je správná, ale zbytečná. Ostatně logika CPS, tedy všechny její prvky logických obvodů, fungovaly správně, tyče šly do zóny. Nyní je to jasné - po stisknutí tlačítka AZ nedošlo k žádným správným akcím, nebyly žádné prostředky ke spáse. Jiná logika selhala!
S krátkým odstupem následovaly dva silné výbuchy. Tyče AZ se zastavily, než se dostaly do poloviny. Neměli kam jinam jít.
Za hodinu, dvacet tři minut, čtyřicet sedm sekund byl reaktor zničen zvýšením výkonu na rychlé neutrony. Toto je kolaps, konečná katastrofa, která se může stát v energetickém reaktoru. Nerozuměli tomu, nepřipravili se na to, nejsou zajištěna žádná technická opatření pro lokalizaci na bloku a nádraží ...

To znamená, že pár sekund před katastrofou personál o blížícím se nebezpečí ani netušil! Koncem celé této absurdní situace bylo stisknutí nouzového tlačítka, po kterém došlo k explozi – řítíte se v autě a před překážkou sešlápnete brzdu, ale auto ještě více zrychlí a narazí do překážky. Poctivě by se mělo říci, že stisknutí nouzového tlačítka již nemohlo situaci ovlivnit – pouze na pár okamžiků urychlilo nevyhnutelný výbuch reaktoru, ale faktem zůstává – nouzová ochrana vyhodila do povětří reaktor !

Vliv záření na člověka

Proč jsou jaderné katastrofy způsobené člověkem (nemluvě o jaderných zbraních) tak nebezpečné?

Kromě uvolnění obrovského množství energie, které vede k velké destrukci, jsou jaderné reakce doprovázeny radiací a v důsledku toho radiační kontaminací oblasti.

Proč je záření pro živý organismus tak škodlivé? Pokud by to nezpůsobilo takové škody všem živým věcem, pak by všichni dávno zapomněli na černobylskou havárii a atomové bomby by byly házeny vlevo a vpravo.

Záření ničí buňky živého organismu dvěma způsoby:

1. v důsledku zahřívání (spálení zářením);
2. v důsledku ionizace buněk (nemoc z ozáření).

Radioaktivní částice a samotné záření mají vysokou kinetickou energii. Záření vytváří teplo. Toto teplo, analogicky s úpalem, způsobuje radiační popáleniny, které ničí tkáně těla.

Schéma tepelného (pomalého) neutronového jaderného reaktoru je na obr. 5.1, zde 1 - regulační tyče, 2 - biologická ochrana, 3 - tepelná ochrana, 4 - moderátor, 5 - jaderné palivo (TVELs).

Když neutron narazí na jádro izotopu uranu 235, rozdělí se na dvě části a vyletí několik (2,5-3) nových sekundárních neutronů.. Aby mohla být v jaderném reaktoru zachována řetězová reakce, je nutné, aby množství jaderného paliva v aktivní zóně reaktoru nebylo méně kritické. Takové množství musí reaktor obsahovat 235 U takže v průměru alespoň jeden z počtu neutronů produkovaných při každé štěpné události by mohl způsobit další štěpnou událost předtím, než opustí aktivní zóny reaktoru.

Obrázek 5.1. Schéma jaderného reaktoru s tepelnými neutrony

Pokud je počet neutronů udržován konstantní, pak bude štěpná reakce stacionární.. Čím vyšší je stacionární úroveň počtu existujících neutronů, tím větší je výkon reaktoru. Výkon 1 MW odpovídá řetězové reakci, při které proběhne 3 10 16 dělení za 1 sekundu.

Pokud se počet neutronů zvýší, dojde k tepelné explozi, pokud se sníží, reakce se zastaví. Rychlost reakce je řízena s ovládacími tyčemi 1.

Současný stav jaderného reaktoru lze charakterizovat jako efektivní neutronový multiplikační faktor nebo reaktivita , které souvisí vztahem:

Tyto hodnoty jsou charakterizovány následujícími hodnotami:

· - řetězová reakce se v čase zvyšuje, reaktor je v superkritickém stavu, jeho reaktivita;

· , - počet jaderných štěpení je konstantní, reaktor je ve stabilním kritickém stavu.

Jaderný reaktor může pracovat na daném výkonu po dlouhou dobu pouze v případě, že má na začátku provozu rezervu reaktivity. Při provozu jaderného reaktoru dochází vlivem hromadění štěpných úlomků v palivu ke změnám jeho izotopového a chemického složení a vznikají transuranové prvky, hlavně Pu. Procesy probíhající v reaktoru snižují možnost řetězové reakce štěpení atomových jader.

Pro udržení a realizaci řetězové reakce je nutné omezit absorpci neutronů materiály obklopujícími aktivní zóny reaktoru. Toho je dosaženo použitím takových materiálů (pro biologickou 2 a tepelnou 3 ochranu), které alespoň částečně (ideálně 50 %) odrážejí neutrony, tzn. nekonzumoval je. Zvláště důležitý je výběr chladiva, které slouží k přenosu tepla z aktivní zóny do turbíny.

Neutrony produkované v důsledku štěpení mohou být rychlé (mají vysokou rychlost) a pomalé (tepelné). Pravděpodobnost záchytu pomalého neutronu jádrem 235 U a jeho následné štěpení je větší než u rychlého neutronu. Palivové tyče 5 jsou proto obklopeny speciálními moderátory 4, které neutrony zpomalují a slabě je pohlcují. Pro snížení úniku neutronů z reaktoru je opatřen reflektorem. Grafit, těžký ( D2O), obyčejná voda atd.

Počet stacionárních neutronů určuje počet vytvořených fragmentů jaderného štěpení, které se velkou rychlostí rozptylují různými směry. Zpomalení úlomků vede k ohřevu paliva a stěn palivových tyčí. K odstranění tohoto tepla se reaktor přivádí chladicí kapalina, jehož ohřev je účelem provozu reaktoru. Funkce často plní stejná látka, jako je obyčejná voda chladicí kapalina, moderátor a reflektor. Voda se do reaktoru dodává pomocí hlavní oběhová čerpadla(MCP).