„friedliches“ Atom. Das Funktionsprinzip eines Kernreaktors Erläuterung des neuen Materials

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Lernziele:

• Lehrreich: Aktualisierung vorhandener Kenntnisse; Fortsetzung der Konzeptbildung: Spaltung von Urankernen, nukleare Kettenreaktion, Bedingungen für ihr Auftreten, kritische Masse; Einführung neuer Konzepte: Kernreaktor, Hauptelemente eines Kernreaktors, Aufbau eines Kernreaktors und Funktionsprinzip, Steuerung einer Kernreaktion, Klassifizierung von Kernreaktoren und deren Verwendung;
• Lehrreich: die Fähigkeiten zum Beobachten und Ziehen von Schlussfolgerungen weiterzuentwickeln sowie die intellektuellen Fähigkeiten und die Neugier der Schüler zu entwickeln;
• Lehrreich: eine Haltung gegenüber der Physik als experimenteller Wissenschaft weiter entwickeln; eine gewissenhafte Einstellung zur Arbeit, Disziplin und eine positive Einstellung zum Wissen pflegen.

Unterrichtsart: neues Material lernen.

Ausrüstung: Multimedia-Installation.

Während des Unterrichts

1. Organisatorischer Moment.

Jungs! Heute werden wir in der Lektion die Spaltung von Urankernen, die nukleare Kettenreaktion, die Bedingungen für ihr Auftreten, die kritische Masse wiederholen, wir werden lernen, was ein Kernreaktor ist, die Hauptelemente eines Kernreaktors, die Struktur eines Kernreaktors und das Funktionsprinzip, die Kontrolle einer Kernreaktion, die Klassifizierung von Kernreaktoren und ihre Verwendung.

2. Überprüfung des untersuchten Materials.

1. Der Mechanismus der Spaltung von Urankernen.
2. Erzählen Sie uns etwas über den Mechanismus einer nuklearen Kettenreaktion.
3. Geben Sie ein Beispiel für eine Kernspaltungsreaktion eines Urankerns.
4. Was nennt man kritische Masse?
5. Wie kommt es zu einer Kettenreaktion in Uran, wenn seine Masse kleiner oder größer als kritisch ist?
6. Was ist die kritische Masse von Uran 295? Ist es möglich, die kritische Masse zu reduzieren?
7. Wie kann man den Verlauf einer nuklearen Kettenreaktion ändern?
8. Welchen Zweck hat die Verlangsamung schneller Neutronen?
9. Welche Substanzen werden als Moderatoren eingesetzt?
10. Durch welche Faktoren kann die Zahl der freien Neutronen in einem Stück Uran erhöht werden und dadurch die Möglichkeit einer Reaktion darin gewährleistet werden?

3. Erläuterung des neuen Materials.

Leute, beantwortet diese Frage: Was ist der Hauptteil eines Kernkraftwerks? ( Kernreaktor)

Gut gemacht. Also, Leute, schauen wir uns dieses Problem nun genauer an.

Historische Referenz.

Igor Wassiljewitsch Kurtschatow ist ein herausragender sowjetischer Physiker, Akademiker, Gründer und erster Direktor des Instituts für Atomenergie von 1943 bis 1960, wissenschaftlicher Chefdirektor für das Atomproblem in der UdSSR, einer der Begründer der Nutzung der Kernenergie für friedliche Zwecke . Akademiker der Akademie der Wissenschaften der UdSSR (1943). Die erste sowjetische Atombombe wurde 1949 getestet. Vier Jahre später wurde die erste Wasserstoffbombe der Welt erfolgreich getestet. Und 1949 begann Igor Wassiljewitsch Kurtschatow mit der Arbeit an einem Kernkraftwerksprojekt. Das Kernkraftwerk ist der Vorbote der friedlichen Nutzung der Atomenergie. Das Projekt wurde erfolgreich abgeschlossen: Am 27. Juli 1954 wurde unser Kernkraftwerk das erste der Welt! Kurchatov freute sich und hatte Spaß wie ein Kind!

Definition eines Kernreaktors.

Ein Kernreaktor ist ein Gerät, in dem eine kontrollierte Kettenreaktion der Spaltung bestimmter schwerer Kerne durchgeführt und aufrechterhalten wird.

Der erste Kernreaktor wurde 1942 in den USA unter der Leitung von E. Fermi gebaut. In unserem Land wurde der erste Reaktor 1946 unter der Leitung von I.V. Kurchatov gebaut.

Die Hauptelemente eines Kernreaktors sind:

• Kernbrennstoff (Uran 235, Uran 238, Plutonium 239);
• Neutronenmoderator (schweres Wasser, Graphit usw.);
• Kühlmittel zur Abfuhr der beim Reaktorbetrieb entstehenden Energie (Wasser, flüssiges Natrium usw.);
• Steuerstäbe (Bor, Cadmium) – stark absorbierende Neutronen
• Eine schützende Hülle, die Strahlung blockiert (Beton mit Eisenfüller).

Funktionsprinzip Kernreaktor

Kernbrennstoff befindet sich im Kern in Form von vertikalen Stäben, sogenannten Brennelementen (Brennelementen). Brennstäbe sollen die Reaktorleistung regulieren.

Die Masse jedes Brennstabs liegt deutlich unter der kritischen Masse, sodass es nicht zu einer Kettenreaktion in einem Stab kommen kann. Es beginnt, nachdem alle Uranstäbe in den Kern eingetaucht sind.

Der Kern ist von einer Substanzschicht umgeben, die Neutronen reflektiert (Reflektor) und einer Schutzhülle aus Beton, die Neutronen und andere Teilchen einfängt.

Wärmeabfuhr aus Brennstoffzellen. Das Kühlmittel Wasser wäscht den Stab, wird unter hohem Druck auf 300 °C erhitzt und gelangt in die Wärmetauscher.

Die Aufgabe des Wärmetauschers besteht darin, dass auf 300 °C erhitztes Wasser Wärme an normales Wasser abgibt und in Dampf umgewandelt wird.

Kernreaktionskontrolle

Die Steuerung des Reaktors erfolgt über Stäbe, die Cadmium oder Bor enthalten. Wenn die Stäbe aus dem Reaktorkern ausgefahren sind, ist K > 1, und wenn sie vollständig eingefahren sind – K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Langsamer Neutronenreaktor.

Die effizienteste Spaltung von Uran-235-Kernen erfolgt unter dem Einfluss langsamer Neutronen. Solche Reaktoren werden langsame Neutronenreaktoren genannt. Durch eine Spaltreaktion erzeugte Sekundärneutronen sind schnell. Damit ihre anschließende Wechselwirkung mit Uran-235-Kernen in der Kettenreaktion möglichst effektiv ist, werden sie durch die Einführung eines Moderators in den Kern verlangsamt – einer Substanz, die die kinetische Energie von Neutronen reduziert.

Reaktor für schnelle Neutronen.

Schnelle Neutronenreaktoren können nicht mit natürlichem Uran betrieben werden. Die Reaktion kann nur in einer angereicherten Mischung aufrechterhalten werden, die mindestens 15 % Uranisotope enthält. Der Vorteil schneller Neutronenreaktoren besteht darin, dass bei ihrem Betrieb eine erhebliche Menge Plutonium entsteht, das dann als Kernbrennstoff verwendet werden kann.

Homogene und heterogene Reaktoren.

Kernreaktoren werden je nach relativer Anordnung von Brennstoff und Moderator in homogene und heterogene Reaktoren unterteilt. In einem homogenen Reaktor ist der Kern eine homogene Masse aus Brennstoff, Moderator und Kühlmittel in Form einer Lösung, Mischung oder Schmelze. Ein Reaktor, in dem Brennstoff in Form von Blöcken oder Brennelementen in einem Moderator angeordnet ist und darin ein regelmäßiges geometrisches Gitter bildet, wird als heterogen bezeichnet.

Umwandlung der inneren Energie von Atomkernen in elektrische Energie.

Ein Kernreaktor ist das Hauptelement eines Kernkraftwerks (KKW), das thermische Kernenergie in elektrische Energie umwandelt. Die Energieumwandlung erfolgt nach folgendem Schema:

• innere Energie von Urankernen -
• kinetische Energie von Neutronen und Kernfragmenten -
• innere Energie des Wassers -
• innere Energie von Dampf -
• kinetische Energie von Dampf -
• kinetische Energie des Turbinenrotors und des Generatorrotors -
• Elektrische Energie.

Einsatz von Kernreaktoren.

Je nach Zweck können Kernreaktoren Leistungsreaktoren, Konverter und Brüter, Forschungs- und Mehrzweckreaktoren, Transport- und Industriereaktoren sein.

Kernreaktoren werden zur Stromerzeugung in Kernkraftwerken, Schiffskraftwerken, Kernkraftwerken und Kernwärmeversorgungswerken eingesetzt.

Reaktoren zur Erzeugung sekundären Kernbrennstoffs aus natürlichem Uran und Thorium werden als Konverter oder Brüter bezeichnet. Im Konverterreaktor entsteht weniger sekundärer Kernbrennstoff als ursprünglich verbraucht wurde.

In einem Brutreaktor erfolgt die erweiterte Reproduktion von Kernbrennstoffen, d. h. es stellt sich mehr heraus, als ausgegeben wurde.

Forschungsreaktoren werden zur Untersuchung der Wechselwirkungsprozesse von Neutronen mit Materie, zur Untersuchung des Verhaltens von Reaktormaterialien in intensiven Feldern von Neutronen- und Gammastrahlung, zur radiochemischen und biologischen Forschung, zur Herstellung von Isotopen und zur experimentellen Erforschung der Physik von Kernreaktoren eingesetzt.

Reaktoren haben unterschiedliche Leistungen, stationäre oder gepulste Betriebsarten. Mehrzweckreaktoren dienen mehreren Zwecken, beispielsweise der Energieerzeugung und der Produktion von Kernbrennstoff.

Umweltkatastrophen in Kernkraftwerken

• 1957 – Unfall in Großbritannien
• 1966 – Teilschmelze des Kerns nach einem Ausfall der Reaktorkühlung in der Nähe von Detroit.
• 1971 – viel verschmutztes Wasser floss in den US River
• 1979 – der größte Unfall in den USA
• 1982 – Freisetzung radioaktiver Dämpfe in die Atmosphäre
• 1983 – ein schrecklicher Unfall in Kanada (20 Minuten lang floss radioaktives Wasser aus – eine Tonne pro Minute)
• 1986 – Unfall in Großbritannien
• 1986 – Unfall in Deutschland
• 1986 – Kernkraftwerk Tschernobyl
• 1988 – Brand in einem Atomkraftwerk in Japan

Moderne Kernkraftwerke sind mit PCs ausgestattet, doch früher liefen die Reaktoren auch nach einem Unfall weiter, da es kein automatisches Abschaltsystem gab.

4. Fixieren des Materials.

1. Wie heißt ein Kernreaktor?
2. Was ist der Kernbrennstoff in einem Reaktor?
3. Welcher Stoff dient als Neutronenmoderator in einem Kernreaktor?
4. Was ist der Zweck eines Neutronenmoderators?
5. Wofür werden Steuerstäbe verwendet? Wie werden sie verwendet?
6. Was wird in Kernreaktoren als Kühlmittel verwendet?
7. Warum ist es notwendig, dass die Masse jedes Uranstabs kleiner als die kritische Masse ist?

5. Testdurchführung.

1. Welche Teilchen sind an der Spaltung von Urankernen beteiligt?
   A. Protonen;
   B. Neutronen;
   B. Elektronen;
   G. Heliumkerne.
2. Welche Uranmasse ist kritisch?
   A. der größte Wert, bei dem eine Kettenreaktion möglich ist;
   B. jede Masse;
   B. der kleinste, bei dem eine Kettenreaktion möglich ist;
   D. die Masse, bei der die Reaktion stoppt.
3. Was ist die ungefähre kritische Masse von Uran 235?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   B. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Welche der folgenden Stoffe können in Kernreaktoren als Neutronenmoderatoren eingesetzt werden?
   A. Graphit;
   B. Cadmium;
   B. schweres Wasser;
   G. Bor.
5. Damit in einem Kernkraftwerk eine nukleare Kettenreaktion stattfinden kann, muss der Neutronenmultiplikationsfaktor sein:
   A. ist gleich 1;
   B. mehr als 1;
   V. kleiner als 1.
6. Die Spaltungsgeschwindigkeit schwerer Atomkerne in Kernreaktoren wird gesteuert durch:
   A. aufgrund der Absorption von Neutronen beim Absenken von Stäben mit einem Absorber;
   B. aufgrund einer Zunahme der Wärmeabfuhr mit zunehmender Kühlmittelgeschwindigkeit;
   B. durch eine Erhöhung der Stromversorgung der Verbraucher;
   G. durch Reduzierung der Kernbrennstoffmasse im Kern beim Entfernen von Brennstäben.
7. Welche Energieumwandlungen finden in einem Kernreaktor statt?
   A. die innere Energie von Atomkernen wird in Lichtenergie umgewandelt;
   B. die innere Energie von Atomkernen in mechanische Energie umgewandelt wird;
   B. die innere Energie von Atomkernen in elektrische Energie umgewandelt wird;
   D. Keine der Antworten ist richtig.
8. 1946 wurde der erste Kernreaktor in der Sowjetunion gebaut. Wer war der Leiter dieses Projekts?
   A. S. Korolev;
   B. I. Kurtschatow;
   V. D. Sacharow;
   G. A. Prochorow.
9. Welcher Weg ist Ihrer Meinung nach der akzeptabelste, um die Zuverlässigkeit von Kernkraftwerken zu erhöhen und eine Kontamination der äußeren Umgebung zu verhindern?
   A. Entwicklung von Reaktoren, die den Reaktorkern unabhängig vom Willen des Betreibers automatisch kühlen können;
   B. Erhöhung der Kenntnisse über den Betrieb von Kernkraftwerken und des Niveaus der beruflichen Vorbereitung der Betreiber von Kernkraftwerken;
   B. Entwicklung hocheffizienter Technologien für den Rückbau von Kernkraftwerken und die Verarbeitung radioaktiver Abfälle;
   D. Lage der Reaktoren tief unter der Erde;
   D. Weigerung, ein Kernkraftwerk zu bauen und zu betreiben.
10. Welche Umweltverschmutzungsquellen sind mit dem Betrieb von Kernkraftwerken verbunden?
    A. Uranindustrie;
    B. Kernreaktoren verschiedener Typen;
    B. radiochemische Industrie;
    D. Standorte zur Verarbeitung und Entsorgung radioaktiver Abfälle;
    D. Verwendung von Radionukliden in der Volkswirtschaft;
    E. nukleare Explosionen.

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

6. Zusammenfassung der Lektion.

Was hast du heute im Unterricht Neues gelernt?

Was hat Ihnen an der Lektion gefallen?

Welche Fragen haben Sie?

VIELEN DANK FÜR IHRE ARBEIT IN DER LEKTION!

Die Neutronenkernreaktion der Spaltung schwerer Kerne ist, wie bereits erwähnt, die wichtigste und zentrale Reaktion in Kernreaktoren. Daher ist es von Anfang an sinnvoll, sich mit den physikalischen Konzepten der Spaltungsreaktion und ihren Merkmalen vertraut zu machen, die auf die eine oder andere Weise alle Aspekte des Lebens und des Alltags des komplexesten technischen Komplexes prägen wird als Kernkraftwerk bezeichnet.

Eine Vorstellung von der Spaltung des Uran-235-Kerns in visuellen Bildern ist in Abb. 2.6 gegeben.

Neutron Kern der Masse A Angeregter zusammengesetzter Kern Spaltfragmente

Spaltneutronen

Abb.2.6. Schematische Darstellung der 235 U-Kernspaltung.

Basierend auf diesem Diagramm kann die verallgemeinerte Spaltungsreaktions-„Gleichung“ (die eher logisch als streng mathematisch ist) wie folgt geschrieben werden:

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

- (F 1)* und (F 2)* – symbolische Bezeichnungen aufgeregt Spaltfragmente (der Index (*) bezeichnet im Folgenden instabile, angeregte oder radioaktive Elemente); Fragment (F 1)* hat Masse A 1 und Ladung Z 1, Fragment (F 2)* hat Masse A 2 und Ladung Z 2;

-  5 . 1 n werden als  5 Spaltungsneutronen bezeichnet, die im Durchschnitt bei jedem Spaltungsereignis des Uran-235-Kerns freigesetzt werden;

- ,  und  - -Teilchen, -Teilchen und -Quanten, deren durchschnittliche Anzahl pro Spaltungsakt des Uran-235-Kerns gleich a, b bzw. c ist;

E ist die durchschnittliche Energiemenge, die bei der Spaltung freigesetzt wird.

Lassen Sie uns noch einmal betonen: Der oben geschriebene Ausdruck ist keine Gleichung im engeren Sinne des Wortes; Vielmehr handelt es sich lediglich um eine leicht zu merkende Notationsform, die die Hauptmerkmale der Neutronenspaltungsreaktion widerspiegelt:

a) Bildung von Spaltfragmenten;

b) die Bildung neuer freier Neutronen bei der Spaltung, die wir im Folgenden kurz nennen Spaltneutronen;

c) Radioaktivität von Spaltfragmenten, die zu ihrer weiteren Umwandlung in stabilere Formationen führt, was zu einer Reihe von Nebenwirkungen führt – sowohl positiven, nützlichen als auch negativen, die bei der Planung, dem Bau und dem Betrieb von Kernreaktoren berücksichtigt werden müssen;

d) Die Freisetzung von Energie während der Spaltung ist die Haupteigenschaft der Spaltreaktion, die die Entstehung ermöglicht energisch Kernreaktor.

Jeder der oben aufgeführten physikalischen Prozesse, die die Spaltungsreaktion begleiten, spielt im Reaktor eine bestimmte Rolle und hat seine eigene praktische Bedeutung Bedeutung. Lernen wir sie deshalb genauer kennen.

2.2.1. Bildung von Spaltfragmenten. Man kann gewissermaßen von einem einzelnen Akt der Kernspaltung als Phänomen sprechen zufällig Dabei ist zu berücksichtigen, dass der schwere Urankern, bestehend aus 92 Protonen und 143 Neutronen, grundsätzlich in der Lage ist, in unterschiedlich viele Fragmente mit unterschiedlicher Atommasse aufzuspalten. In diesem Fall kann die Möglichkeit der Teilung eines Kerns in 2, 3 oder mehr Fragmente mit probabilistischen Maßnahmen beurteilt werden. Nach den angegebenen Daten liegt die Wahrscheinlichkeit, dass sich ein Kern in zwei Fragmente teilt, bei mehr als 98 %, sodass die überwiegende Mehrheit der Spaltungen mit der Bildung von genau zwei Fragmenten endet.

Spektroskopische Untersuchungen von Spaltprodukten haben mehr als 600 qualitativ unterschiedliche Spaltfragmente mit unterschiedlichen Atommassen identifiziert. Und hier, in einem scheinbaren Unfall, mit einer großen Anzahl von Divisionen, tauchte sofort eine auf Allgemeines Muster was sich kurz wie folgt ausdrücken lässt:

Die Wahrscheinlichkeit des Auftretens eines Fragments einer bestimmten Atommasse während der Massenspaltung eines bestimmten Nuklids ist ein streng definierter Wert, der für dieses spaltbare Nuklid charakteristisch ist.

Diese Menge wird üblicherweise aufgerufen spezifische Fragmentausbeute , gekennzeichnet durch einen kleinen griechischen Buchstaben  ich(Gamma) mit einem tiefgestellten Index – ein Symbol für das chemische Element, dessen Kern dieses Fragment ist, oder ein Symbol für ein Isotop.

Beispielsweise wurde in physikalischen Experimenten festgestellt, dass ein Fragment von Xenon-135 (135 Xe) durchschnittlich in drei Fällen pro tausend Spaltungen von 235 U-Kernen auftritt. Dies bedeutet, dass die spezifische Ausbeute 135 Xe-Fragmente beträgt

 Xe= 3/1000 = 0,003 aller Divisionen,

und bezogen auf ein einzelnes Spaltungsereignis des 235 U-Kerns beträgt der Wert  Xe = 0,003 = 0,3 % – die Wahrscheinlichkeit, dass die Spaltung zur Bildung eines Fragments führt 135 Heh.

Eine klare Einschätzung des Entstehungsmusters von Spaltfragmenten unterschiedlicher Atommassen geben die Kurven der spezifischen Fragmentausbeute (Abb. 2.7).

10

70 80 90 100 110 120 130 140 150 A, a.m.u.

Reis. 2.7. Spezifische Ausbeuten von Spaltfragmenten verschiedener Atommassen

während der Spaltung der Kerne 235 U (durchgezogene Linie) und 239 Pu (gestrichelte Linie).

Die Art dieser Kurven lässt uns auf Folgendes schließen:

a) Die Atommassen der bei der Spaltung entstehenden Bruchstücke liegen in den allermeisten Fällen im Bereich von 70  165 amu. Die spezifische Ausbeute an leichteren und schwereren Fragmenten ist sehr gering (nicht mehr als 10 -4 %).

b) Symmetrische Kernspaltungen (d. h. Spaltungen in zwei Fragmente gleicher Masse) sind äußerst selten: Ihre spezifische Ausbeute überschreitet nicht 0,01 % für Uran-235-Kerne und 0,04 % für Plutonium-239-Kerne.

c) Am häufigsten gebildet Lunge Fragmente mit Massenzahlen innerhalb von 83  104 amu. Und schwer Fragmente mit A = 128  149 amu. (Ihre spezifische Ausbeute beträgt 1 % oder mehr).

d) Die Spaltung von 239 Pu unter dem Einfluss thermischer Neutronen führt zur Bildung mehrerer schwerwiegender Fragmente im Vergleich zu 235 U-Spaltfragmenten.

*) Wenn wir in Zukunft die Kinetik des Reaktors und die Prozesse seiner Vergiftung und Verschlackung untersuchen, müssen wir uns bei der Erstellung beschreibender Differentialgleichungen mehr als einmal auf die Werte der spezifischen Ausbeuten vieler Spaltfragmente beziehen die physikalischen Vorgänge im Reaktorkern.

Der Vorteil dieses Wertes besteht darin, dass man bei Kenntnis der Geschwindigkeit der Spaltungsreaktion (der Anzahl der Spaltungen pro Volumeneinheit der Brennstoffzusammensetzung pro Zeiteinheit) leicht die Bildungsrate aller Spaltfragmente berechnen kann, deren Ansammlung im Reaktor beeinflusst auf die eine oder andere Weise seinen Betrieb:

Generationsrate des i-ten Fragments =  ich  (Geschwindigkeit der Spaltungsreaktion)

Und noch eine Anmerkung zur Bildung von Spaltfragmenten. Die bei der Spaltung erzeugten Spaltfragmente haben hohe kinetische Energien. Durch die Übertragung ihrer kinetischen Energie bei Kollisionen mit Atomen des Bkommt es zu Spaltfragmenten die durchschnittliche kinetische Energie von Atomen und Molekülen erhöhen, was nach den Vorstellungen der kinetischen Theorie von uns wahrgenommen wird als Temperaturanstieg Kraftstoffzusammensetzung oder wie Wärmeentwicklung darin.

Auf diese Weise entsteht der größte Teil der Wärme im Reaktor.

Dies ist eine gewisse positive Rolle der Fragmentbildung im Betriebsprozess eines Kernreaktors.

2.2.2. Produktion von Spaltneutronen. Das wichtigste physikalische Phänomen, das den Prozess der Spaltung schwerer Kerne begleitet, ist Emission sekundärer schneller Neutronen durch angeregte Spaltfragmente, ansonsten angerufen schnelle Neutronen oder Spaltneutronen.

Die Bedeutung dieses Phänomens (entdeckt von F. Joliot-Curie und seinen Kollegen - Albano und Kowarski - 1939) ist unbestreitbar: Ihr ist es zu verdanken, dass bei der Spaltung schwerer Kerne scheinbar neue freie Neutronen diejenigen ersetzen, die die Spaltung verursacht haben. Diese neuen Neutronen können mit anderen spaltbaren Kernen im Brennstoff interagieren und diese spalten, gefolgt von der Emission neuer Spaltneutronen usw. Das heißt, aufgrund der Bildung von Spaltneutronen wird dies möglich organisieren ein Prozess der zeitlich gleichmäßig aufeinanderfolgenden Spaltungen, ohne dass dem brennstoffhaltigen Medium von einer externen Quelle freie Neutronen zugeführt werden. In einer solchen Lieferung, einfach gesagt, es besteht keine Notwendigkeit, solange die „Werkzeuge“ gefunden werden, mit deren Hilfe die Kernspaltung durchgeführt wird hier, in genau dieser Umgebung, in gebundenem Zustand in spaltbaren Kernen; Um gebundene Neutronen „in die Tat umzusetzen“, müssen sie nur frei gemacht werden, d ” Neutronen aus ihrer Zusammensetzung, wodurch ihre Stabilität beeinträchtigt wird, und dies geschieht in einer Zeit in der Größenordnung von 10 -15 - 10 -13 s, die größenordnungsmäßig mit der Zeit übereinstimmt, die der zusammengesetzte Kern in einem angeregten Zustand verbleibt. Dieser Zufall führte zu der Idee, dass Spaltungsneutronen auftreten nicht aus angeregten Spaltfragmenten, die nach dem Ende der Spaltung mit Neutronen übersättigt sind, sondern direkt in dem kurzen Zeitraum, in dem die Kernspaltung stattfindet. Das ist nicht nach Akt der Teilung und während dieser Akt, als ob gleichzeitig mit der Zerstörung des Kerns. Aus dem gleichen Grund werden diese Neutronen oft als Neutronen bezeichnet schnelle Neutronen.

Die Analyse möglicher Kombinationen von Protonen und Neutronen in stabilen Kernen verschiedener Atommassen (denken Sie an das Diagramm der stabilen Kerne) und deren Vergleich mit der qualitativen Zusammensetzung der Spaltprodukte zeigten dies Wahrscheinlichkeit der Bildungnachhaltig Bei der Spaltung entstehen nur sehr wenige Bruchstücke. Dies bedeutet, dass die überwiegende Mehrheit der Fragmente geboren wird instabil und können für ihre Stabilität ein, zwei, drei oder sogar mehr „zusätzliche“ Spaltneutronen emittieren, und es ist klar, dass jedes spezifische angeregte Fragment emittieren muss Ihr eigenes, streng definiertes, die Anzahl der Spaltneutronen, die für seine Stabilität „zusätzlich“ sind.

Da jedoch jedes Fragment mit einer großen Anzahl von Spaltungen eine genau definierte spezifische Ausbeute aufweist, ist bei einer bestimmten großen Anzahl von Spaltungen auch die Anzahl der gebildeten Spaltfragmente jedes Typs und damit die Anzahl der von der Spaltung emittierten Neutronen sicher Fragmente jedes Typs werden ebenfalls sicher sein, und das bedeutet, dass auch ihre Gesamtzahl sicher sein wird. Wenn wir die Gesamtzahl der bei Spaltungen erzeugten Neutronen durch die Anzahl der Spaltungen dividieren, bei denen sie erzeugt wurden, sollten wir Folgendes erhalten: durchschnittliche Anzahl der bei einem Spaltungsereignis emittierten Spaltneutronen, die aufgrund der obigen Überlegungen ebenfalls streng definiert werden sollte und konstant für jede Art von spaltbarem Nuklid. Diese physikalische Konstante eines spaltbaren Nuklids wird bezeichnet  .

Laut Daten von 1998 (der Wert dieser Konstante wird regelmäßig auf der Grundlage der Ergebnisse einer Analyse physikalischer Experimente auf der ganzen Welt aktualisiert) bei der Spaltung unter dem Einfluss thermischer Neutronen

Für Uran-235  5 = 2.416,

Für Plutonium-239  9 = 2.862,

Für Plutonium-241  1 = 2,938 usw.

Die letzte Bemerkung ist nützlich: der Wert der Konstante  hängt wesentlich von der Größe der kinetischen Energie der Neutronen ab, die die Spaltung verursachen, und nimmt mit zunehmender letzterer ungefähr direkt proportional zu E zu.

Für die beiden wichtigsten spaltbaren Nuklide werden die ungefähren Abhängigkeiten (E) durch empirische Ausdrücke beschrieben:

Für Uran-235  5 (E) = 2.416 + 0.1337 E;

Für Plutonium-239  9 (E) = 2.862 + 0.1357 E.

*) Neutronenenergie E wird in [MeV] substituiert.

Somit kann der mit diesen empirischen Formeln berechnete Wert der Konstante  bei verschiedenen Neutronenenergien folgende Werte erreichen:

Das erste Merkmal der Spaltneutronen, die bei der Spaltung bestimmter spaltbarer Nuklide emittiert werden, ist also die inhärente Eigenschaft durchschnittliche Anzahl der bei einem Spaltungsereignis erzeugten Spaltneutronen .

Das gilt für alle spaltbaren Nuklide  > 1, schafft eine Voraussetzung für die Machbarkeit Kette Neutronenspaltungsreaktion. Es ist klar, dass es umzusetzen ist selbsterhaltende Spaltkettenreaktion Dafür müssen die Voraussetzungen geschaffen werden eins aus  Neutronen, die bei der Spaltung entstehen definitiv angerufen die nächste Teilung eines anderen Kerns und ausruhen ( - 1) Neutronen irgendwie vom Prozess der Kernspaltung ausgeschlossen. Andernfalls wird die Intensität der Teilungen mit der Zeit lawinenartig zunehmen (was in passiert). Atombombe).

Da nun bekannt ist, dass der Wert der Konstante ist  mit zunehmender Energie der spaltungsverursachenden Neutronen zunimmt, stellt sich die logische Frage: mit welcher kinetischen Energie geboren Spaltneutronen?

Die Antwort auf diese Frage gibt das zweite Merkmal von Spaltneutronen, genannt Energiespektrum von Spaltneutronen und Darstellung der Verteilungsfunktion von Spaltneutronen über ihre kinetischen Energien.

Wenn in einer Einheit (1 cm3) das Volumen des Mediums zu einem bestimmten Zeitpunkt auftritt N Kernspaltungsneutronen aller möglichen Energien also normalisiertes Energiespektrum ist eine Funktion der Energiemenge E, deren Wert sich bei jedem bestimmten Wert von E zeigt Welcher Anteil (Anteil) aller dieser Neutronen sind Neutronen mit Energien des Elementarintervalls dE in der Nähe der Energie? E. Mit anderen Worten, wir sprechen über den Ausdruck

Die Energieverteilung von Spaltneutronen wird ziemlich genau beschrieben Watts Spektralfunktion(Watt):

N(E) = 0.4839
, (2.2.2)

Eine grafische Darstellung davon ist Abb. 2.8. auf der nächsten Seite.

Watts Spektrum zeigt, dass Spaltneutronen zwar mit sehr unterschiedlichen Energien erzeugt werden, die in einem sehr weiten Bereich liegen, Die meisten Neutronen haben Anfangsenergie,gleich E nv = 0,7104 MeV, entsprechend dem Maximum der Wattschen Spektralfunktion. In der Bedeutung ist dieser Wert die wahrscheinlichste Energie von Spaltneutronen.

Eine weitere Größe, die das Energiespektrum von Spaltneutronen charakterisiert, ist durchschnittliche Energie der Spaltneutronen , also die Energiemenge, die jedes Spaltneutron hätte, wenn die gesamte reale Energie aller Spaltneutronen gleichmäßig auf sie aufgeteilt wäre:

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

Das Einsetzen des Ausdrucks (2.2.2) in (2.2.3) ergibt den Wert der durchschnittlichen Energie der Spaltneutronen

E Heiraten = 2,0 MeV

Und das bedeutet das beinahe alles Spaltungsneutronen entstehen schnell(also mit Energien E > 0.1 MeV). Es werden jedoch nur wenige schnelle Neutronen mit relativ hohen kinetischen Energien erzeugt (weniger als 1 %), obwohl eine bemerkenswerte Anzahl von Spaltneutronen mit Energien von bis zu 18 – 20 auftritt MeV.

0 1 2 3 4 5 E, MeV

Abb.2.8. Das Energiespektrum von Spaltneutronen ist das Wattspektrum.

Spaltneutronenspektren für verschiedene spaltbare Nuklide unterscheiden sich voneinander leicht. Nehmen wir an, für die Nuklide 235 U und 239 Pu, an denen wir hauptsächlich interessiert sind, die Werte der durchschnittlichen Energien von Spaltneutronen (korrigiert basierend auf den Ergebnissen physikalischer Experimente):

E av = 1,935 MeV – für 235 U und E av = 2,00 MeV – für 239 Pu

Der Wert der durchschnittlichen Energie des Spektrums von Spaltneutronen steigt mit zunehmender Energie der Neutronen, die die Spaltung verursachen, aber dieser Anstieg ist unbedeutend(zumindest im Bereich von 10 - 12 MeV). Dies ermöglicht es uns, es zu ignorieren und das Energiespektrum von Spaltneutronen näherungsweise zu berechnen einheitlich für verschiedene Kernbrennstoffe und für Reaktoren mit unterschiedlichem Spektrum (schnell, mittel und thermisch).

Für Uran-238 stimmt trotz der Schwellencharakteristik seiner Spaltung auch das Spektrum der Spaltneutronen praktisch mit dem Ausdruck überein(2.2.2) und die Abhängigkeit der durchschnittlichen Anzahl von Spaltneutronen  8 aus der Energie spaltungsverursachender Neutronen - auch praktisch linear bei Energien oberhalb der Schwelle ( E P = 1.1 MeV):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Radioaktivität von Spaltfragmenten. Es wurde bereits gesagt, dass etwa 600 Arten von Spaltfragmenten identifiziert wurden, die sich in Masse und Protonenladung unterscheiden, und das praktisch Alle Sie sind geborensehr aufgeregt .

Die Sache wird noch komplizierter durch die Tatsache, dass sie erhebliche Aufregung hervorrufen und nach Emission von Spaltneutronen. Daher „entladen“ sie in einem natürlichen Streben nach Stabilität weiterhin überschüssige Energie oberhalb des Niveaus des Grundzustands, bis dieses Niveau erreicht ist.

Diese Entladung erfolgt durch die sequentielle Emission von Fragmenten aller Arten radioaktiver Strahlung (Alpha-, Beta- und Gammastrahlung), und für verschiedene Fragmente treten unterschiedliche Arten von radioaktivem Zerfall in unterschiedlicher Reihenfolge und (aufgrund unterschiedlicher Werte) auf der Zerfallskonstanten ) werden zeitlich unterschiedlich stark gedehnt.

In einem in Betrieb befindlichen Kernreaktor läuft also nicht nur der Prozess ab Ersparnisse radioaktive Fragmente, sondern auch der Prozess ihrer Kontinuität Transformation: eine große Zahl ist bekannt Ketten aufeinanderfolgende Transformationen, die letztendlich zur Bildung stabiler Kerne führen, aber alle diese Prozesse erfordern unterschiedliche Zeiten, für einige Ketten – sehr kurz und für andere – ziemlich lang.

Daher begleitet radioaktive Strahlung nicht nur die Spaltungsreaktion in Arbeiten Reaktor, sondern werden auch noch lange nach der Abschaltung vom Brennstoff emittiert.

Dieser Faktor führt erstens zu einer besonderen Art von physischer Gefahr – der Gefahr Personalexposition, Wartung der Reaktoranlage, kurz genannt Strahlengefahr. Dies zwingt die Konstrukteure von Reaktoranlagen dazu, für die Umwelt zu sorgen. biologischer Schutz, Stellen Sie es in von der Umgebung isolierten Räumen auf und ergreifen Sie eine Reihe anderer Maßnahmen, um die Möglichkeit einer gefährlichen Exposition von Personen und einer radioaktiven Kontamination der Umgebung auszuschließen.

Zweitens interagieren nach dem Abschalten des Reaktors alle Arten radioaktiver Strahlung, obwohl ihre Intensität abnimmt, weiterhin mit den Materialien des Kerns und übertragen wie die Spaltfragmente selbst in der Anfangsphase ihrer freien Existenz ihre kinetische Energie auf die Atome des Kernmediums, ihre durchschnittliche kinetische Energie erhöhen. Also im Reaktor nach dessen Abschaltung erfolgt Zerfallswärme .

Es ist leicht zu verstehen, dass die Leistung der Restwärmefreisetzung im Reaktor zum Zeitpunkt der Abschaltung direkt proportional zur Anzahl der Fragmente ist, die sich während des Betriebs des Reaktors in diesem Moment angesammelt haben, und dass die Geschwindigkeit ihres Rückgangs anschließend durch die Anzahl der Fragmente bestimmt wird Halbwertszeiten dieser Fragmente. Aus dem Gesagten folgt ein weiteres Negativ Faktor aufgrund der Radioaktivität von Spaltfragmenten - NotwendigkeitlangfristigAbkühlung Reaktorkern nach der Abschaltung um Restwärme abzuführen, was mit einem erheblichen Stromverbrauch und der motorischen Lebensdauer der Umwälzgeräte verbunden ist.

Daher ist die Bildung radioaktiver Fragmente während der Spaltung in einem Reaktor hauptsächlich ein Phänomen Negativ, aber... jede Wolke hat einen Silberstreif am Horizont!

Auch in den radioaktiven Umwandlungen von Spaltfragmenten kann man sehen positiv Aspekt, den Kernreaktoren im wahrsten Sinne des Wortes haben verdanken ihre Existenz . Tatsache ist, dass es aus einer großen Vielfalt an Spaltfragmenten etwa 60 Arten gibt, die nach dem ersten -Zerfall zu werden neutronaktiv , in der Lage, sogenannte zurückgeblieben Neutronen. Im Reaktor werden relativ wenige verzögerte Neutronen emittiert (ungefähr 0,6 % der Gesamtzahl der erzeugten Neutronen), aber nur dank ihrer Existenz ist dies möglich sicheres Management Kernreaktor; Davon werden wir überzeugt sein, wenn wir die Kinetik eines Kernreaktors untersuchen.

2.2.4. Freisetzung von Energie bei der Spaltung. Die Kernspaltungsreaktion in der Physik ist eine der klaren Bestätigungen der Hypothese von A. Einstein über den Zusammenhang zwischen Masse und Energie, die in Bezug auf die Kernspaltung wie folgt formuliert wird:

Die bei der Kernspaltung freigesetzte Energiemenge ist direkt proportional zur Größe des Massendefekts, und der Proportionalitätskoeffizient in dieser Beziehung ist das Quadrat der Lichtgeschwindigkeit:

E=  mс 2

Bei der Kernspaltung ist der Massenüberschuss (Defekt) definiert als die Differenz in der Summe der Ruhemassen der Ausgangsprodukte der Spaltreaktion (d. h. Kern und Neutron) und der resultierenden Produkte der Kernspaltung (Spaltfragmente, Spaltung). Neutronen und andere Mikropartikel, die sowohl während des Spaltungsprozesses als auch danach emittiert werden).

Durch spektroskopische Analysen konnten die meisten Spaltprodukte und ihre spezifischen Ausbeuten bestimmt werden. Auf dieser Grundlage stellte sich heraus, dass die Berechnung nicht so schwierig war Privat die Größe der Massendefekte für verschiedene Ergebnisse der Spaltung von Uran-235-Kernen und daraus berechnen die durchschnittliche Menge an Energie, die bei einer einzelnen Spaltung freigesetzt wird, und es stellte sich heraus, dass sie nahe bei liegt

mc 2 = 200 MeV

Es reicht aus, diesen Wert mit der Energie zu vergleichen, die bei einem der endothermen Prozesse freigesetzt wird chemisch Reaktionen - Oxidationsreaktionen von Raketentreibstoff (Wert unter 10 eV) - um zu verstehen, dass auf der Ebene mikroskopischer Objekte (Atome, Kerne) 200 MeV - sehr hohe Energie: Sie ist mindestens acht Größenordnungen (100 Millionen Mal) größer als die Energie, die aus chemischen Reaktionen gewonnen wird.

Die Spaltungsenergie wird aus dem Volumen, in dem die Kernspaltung stattgefunden hat, durch verschiedene Materialien abgeführt Träger: Spaltfragmente, Spaltneutronen, - und -Teilchen, -Quanten und sogar Neutrinos und Antineutrinos.

Die Verteilung der Spaltungsenergie zwischen Materialträgern während der Spaltung von 235 U- und 239 Pu-Kernen ist in Tabelle 2.1 angegeben.

Tabelle 2.1. Verteilung der Spaltenergie von Uran-235- und Plutonium-239-Kernen zwischen den Spaltprodukten.

Spaltungsenergieträger		Plutonium-239
1. Kinetische Energie von Spaltfragmenten
2. Kinetische Energie von Spaltneutronen
3. Energie momentaner Gammaquanten
4. Energie von -Quanten aus Spaltprodukten
5. Kinetische Energie der -Strahlung von Fragmenten
6. Antineutrino-Energie

Verschiedene Bestandteile der Spaltungsenergie werden in Wärme umgewandelt nicht gleichzeitig.

Die ersten drei Komponenten werden in einer Zeit von weniger als 0,1 s (ab dem Moment der Teilung gerechnet) in Wärme umgewandelt und daher aufgerufen sofortige Wärmefreisetzungsquellen.

- und -Strahlung von Spaltprodukten wird von angeregten Fragmenten mit emittiert die unterschiedlichsten Halbwertszeiten(von wenigen Bruchteilen einer Sekunde bis zu mehreren zehn Tagen, wenn wir nur Fragmente mit berücksichtigen spürbarer spezifischer Ertrag) und daher der oben erwähnte Prozess Zerfallswärme, die genau durch radioaktive Emissionen aus Spaltprodukten verursacht wird, kann nach der Abschaltung des Reaktors mehrere zehn Tage andauern.

*) Nach sehr groben Schätzungen nimmt die Leistung der Restwärmefreisetzung im Reaktor nach seiner Abschaltung in der ersten Minute ab – um 30–35 %; nach der ersten Stunde der Abschaltung des Reaktors beträgt sie etwa 30 % der Leistung bei der der Reaktor vor dem Abschalten und nach dem ersten Parktag in Betrieb war - etwa 25 Prozent. Es ist klar, dass es unter solchen Bedingungen nicht in Frage kommt, die Zwangskühlung des Reaktors zu stoppen, denn Schon ein kurzzeitiger Stillstand der Kühlmittelzirkulation im Kern birgt die Gefahr einer thermischen Zerstörung der Brennelemente. Erst nach mehreren Tagen Zwangskühlung des Reaktors, wenn die Leistung der Restwärmefreisetzung auf das Niveau des durch natürliche Konvektion entnommenen Kühlmittels reduziert ist, kann die Zirkulationseinrichtung des Primärkreislaufs gestoppt werden.

Die zweite praktische Frage an einen Ingenieur: wo und welcher Teil der Spaltenergie im Reaktor in Wärme umgewandelt wird? - da dies auf die Notwendigkeit zurückzuführen ist, eine ausgewogene Wärmeabfuhr aus den verschiedenen Innenteilen zu organisieren, die in unterschiedlichen technologischen Designs konzipiert sind.

Kraftstoffzusammensetzung, das spaltbare Nuklide enthält, ist in versiegelten Hüllen enthalten, die die Freisetzung gebildeter Fragmente aus der Brennstoffzusammensetzung von Brennelementen (Brennelementen) in das sie kühlende Kühlmittel verhindern. Und wenn Spaltfragmente in einem funktionierenden Reaktor die Brennelemente nicht verlassen, ist klar, dass die kinetischen Energien der Fragmente und der schwach eindringenden -Partikel in Wärme umgewandelt werden in Brennstäben.

Die Energien der Spaltneutronen und der -Strahlung werden erst im Inneren der Brennelemente in Wärme umgewandelt teilweise: die Durchdringungsfähigkeit von Neutronen und -Strahlung erzeugt Mitnahme Den größten Teil ihrer anfänglichen kinetischen Energie beziehen sie von ihren Geburtsorten.

Die Kenntnis des genauen Wertes der Spaltungsenergie und ihres Anteils an der entstehenden Wärme im Inneren der Brennelemente ist von großer praktischer Bedeutung und ermöglicht die Berechnung einer weiteren praktisch wichtigen Kenngröße namens spezifische volumetrische Wärmefreisetzung im Brennstabbrennstoff (Q v).

Wenn beispielsweise bekannt ist, dass in 1 cm 3 der Brennstoffzusammensetzung eines Brennelements in 1 s R F Spaltungen von Uran-235-Kernen, dann ist klar: Die Menge an Wärmeenergie, die jede Sekunde in dieser Volumeneinheit (= Wärmeleistung von 1 cm 3 Brennstoff) erzeugt wird, ist die spezifische volumetrische Wärmefreisetzung (bzw Energieintensität) Kraftstoff, und dieser Wert ist gleich:

Q v = 0.9 .  E . R F (2.2.5)

Der Anteil der in Form von Wärme außerhalb der Brennelemente im Reaktorkern aufgenommenen Spaltungsenergie hängt von deren Art und Konstruktion ab und liegt bei (6  9) % der gesamten Spaltungsenergie. (Für WWER-1000 beträgt dieser Wert beispielsweise etwa 8,3 % und für RBMK-1000 etwa 7 %).

Somit beträgt der Anteil der gesamten Wärmefreisetzung im Kernvolumen an der gesamten Spaltungsenergie 0,96  0,99, d.h. mit technischer Präzision stimmt mit der gesamten Spaltungsenergie überein.

Daher ein weiteres technisches Merkmal des Reaktorkerns:

- durchschnittliche Energieintensität des Kerns(q v) az – empfangene Wärmeleistung pro Volumeneinheit des Kerns:

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

Da die Energie 1 ist MeV im SI-System entspricht es 1,602. 10 -13 J, dann der Wert der Energieintensität des Reaktorkerns:

(q v) az  3.204 . 10-11 R F .

Wenn also der Wert der durchschnittlichen Energieintensität über das Kernvolumen bekannt ist, dann Wärmeleistung des Reaktors wird offensichtlich sein:

Q P= (q v) az. V az 3.204. 10–11 . R F . V az [W] (2.2.7)

Die thermische Leistung des Reaktors ist direkt proportional Durchschnittsgeschwindigkeit

Spaltungsreaktionen in seinem Kern.

Praktische Konsequenz : Möchten Sie, dass der Reaktor funktioniert?Konstantes Leistungsniveau? - Schaffen Sie darin Bedingungen, damit die Spaltungsreaktion in seiner aktiven Zone stattfindet mit einer über die Zeit konstanten Durchschnittsgeschwindigkeit. Muss die Reaktorleistung erhöht (verringert) werden? - Finden Sie Möglichkeiten, die Reaktionsgeschwindigkeit entsprechend zu erhöhen (oder zu verringern). de Leniya. Dies ist die primäre Bedeutung der Steuerung der Leistung eines Kernreaktors.

Die betrachteten Zusammenhänge und Schlussfolgerungen scheinen nur im einfachsten Fall offensichtlich, wenn die Brennstoffkomponente im Reaktor ein Uran-235 ist. Ich wiederhole jedoch die Argumentation für einen Reaktor mit mehrkomponentig Brennstoffzusammensetzung ist es im allgemeinsten Fall leicht, die Proportionalität der durchschnittlichen Sund der Wärmeleistung des Reaktors zu überprüfen.

Somit ist die thermische Leistung des Reaktors und Wärmeverteilung in seinem Kern sind direkt proportional zur Verteilung der Spaltreaktionsgeschwindigkeit über das Volumen der Brennstoffzusammensetzung des Reaktorkerns.

Aber aus dem Gesagten geht auch klar hervor, dass die Geschwindigkeit der Spaltungsreaktion muss mit der Anzahl freier Neutronen in der Kernumgebung in Zusammenhang stehen, da sie (freie Neutronen) Spaltungsreaktionen, Strahlungseinfang, Streuung und andere Neutronenreaktionen verursachen. Mit anderen Worten: Die Geschwindigkeit der Spaltungsreaktion, die Energiefreisetzung im Kern und die thermische Leistung des Reaktors müssen eindeutig miteinander verknüpft sein Eigenschaften des Neutronenfeldes in seinem Volumen.

Nachdem eine unkontrollierte Kettenreaktion durchgeführt wurde, die die Gewinnung einer gigantischen Energiemenge ermöglichte, stellten sich Wissenschaftler die Aufgabe, eine kontrollierte Kettenreaktion durchzuführen. Das Wesen einer kontrollierten Kettenreaktion liegt in der Fähigkeit, Neutronen zu kontrollieren. Dieses Prinzip wurde erfolgreich in Kernkraftwerken (KKW) angewendet.

Die Spaltungsenergie von Urankernen wird in Kernkraftwerken (KKW) genutzt. Der Spaltungsprozess von Uran ist sehr gefährlich. Daher sind Kernreaktoren von dichten Schutzhüllen umgeben. Ein üblicher Reaktortyp ist Druckwasserreaktor.

Das Kühlmittel ist Wasser. Kaltes Wasser gelangt unter sehr hohem Druck in den Reaktor, wodurch ein Sieden verhindert wird.

Kaltes Wasser, das durch den Reaktorkern fließt, fungiert auch als Moderator – es bremst schnelle Neutronen ab, sodass sie auf die Urankerne treffen und eine Kettenreaktion auslösen.

Kernbrennstoff (Uran) befindet sich in Form von Brennstäben im Kern. Die Brennstäbe in der Anordnung wechseln sich mit Steuerstäben ab, die durch die Absorption schneller Neutronen die Geschwindigkeit der Kernspaltung regulieren.

Bei der Spaltung wird eine große Menge Wärme freigesetzt. Das erhitzte Wasser verlässt den Kern unter Druck mit einer Temperatur von 300 °C und gelangt in das Kraftwerk, in dem sich Generatoren und Turbinen befinden.

Heißes Wasser aus dem Reaktor erhitzt das Wasser des Sekundärkreislaufs zum Sieden. Der Dampf wird auf die Turbinenschaufeln geleitet und dreht diese. Die rotierende Welle überträgt Energie an den Generator. Im Generator wird mechanische Rotationsenergie in elektrische Energie umgewandelt. Der Dampf kühlt ab und das Wasser kehrt in den Reaktor zurück.

Durch diese komplexen Prozesse erzeugt ein Kernkraftwerk elektrischen Strom.

Wie Sie sehen können, befindet sich das spaltbare Isotop in den Brennstäben im Reaktorkern und bildet eine kritische Masse. Die Steuerung der Kernreaktion erfolgt über Steuerstäbe aus Bor oder Cadmium. Steuerstäbe befinden sich wie Brennstäbe im Reaktorkern und wirken wie ein wasseraufnehmender Schwamm auf Neutronen und absorbieren diese. Durch die Anpassung der Anzahl der Steuerstäbe im Reaktorkern steuert der KKW-Betreiber die Geschwindigkeit des Kernprozesses: Er verlangsamt ihn, indem er die Steuerstäbe in den Reaktorkern senkt; oder beschleunigt es durch Anheben der Stangen.

Es scheint, dass alles wunderbar ist – Kernenergie ist eine unerschöpfliche High-Tech-Stromquelle und die Zukunft. Das dachten die Leute bis zum 26. August 1986. Der Unfall im vierten Block des Kernkraftwerks Tschernobyl stellte alles auf den Kopf – das „friedliche“ Atom erwies sich bei verächtlicher Behandlung als nicht so friedlich.

Darüber ist schon viel Material geschrieben worden. Hier wird die Quintessenz (verdichtete Essenz) der Katastrophe dargelegt.

Die Hauptursachen für den Unfall des 4. Kraftwerksblocks des Kernkraftwerks Tschernobyl:

1. Ein unzureichend durchdachtes Programm für ein technologisches Experiment zum Herunterfahren eines Turbogenerators;
2. Fehleinschätzungen der Entwickler des RBMK-Kernreaktors, bei denen der Mangel an Betriebsinformationen im Steuerungssystem über die Reaktivitätsreserve im Kern eine wesentliche Rolle spielte;
3. Die „Freiheiten“ des Kernkraftwerkspersonals, das das Experiment durchgeführt und Abweichungen von den Vorschriften für die durchgeführten Arbeiten zugelassen hat.

All dies zusammen führte zur Katastrophe. Unter den Spezialisten, die die Ereignisse in Tschernobyl untersuchten, gab es so etwas wie diese Formel: „Den Betreibern gelang es, die Anlage in die Luft zu jagen, und der Reaktor erlaubte es ihnen.“. Einen Teil der Tschernobyl-Schuld tragen fast alle – und zwar die Physiker, die mit vereinfachten Modellen rechnen, die Installateure, die nachlässig Nähte schweißen, und die Bediener, die es sich erlauben, Arbeitsvorschriften zu missachten.

Die Anatomie des Unfalls von Tschernobyl in Kürze

1. Man ließ die Reaktorleistung auf einen sehr kleinen Wert (ungefähr 1 % des Nennwerts) sinken. Dies ist „schlecht“ für den Reaktor, da es in die „Jodgrube“ fällt und eine Xenonvergiftung des Reaktors beginnt. Nach dem „normalen“ Ansatz wäre eine Abschaltung des Reaktors notwendig gewesen, allerdings wäre in diesem Fall das Experiment zum Herunterfahren der Turbine mit allen damit verbundenen administrativen Konsequenzen nicht durchgeführt worden. Infolgedessen beschloss das Personal des Kernkraftwerks Tschernobyl, die Leistung des Reaktors zu erhöhen und das Experiment fortzusetzen.

2. Aus dem obigen Material geht klar hervor, dass der Betreiber eines Kernkraftwerks die Geschwindigkeit der Kernreaktion (Reaktorleistung) steuern kann, indem er Steuerstäbe in den Reaktorkern bewegt. Um die Leistung des Reaktors zu erhöhen (um das Experiment abzuschließen), wurden fast alle Steuerstäbe aus dem Reaktorkern entfernt.

Um es dem Leser, der mit den „nuklearen Feinheiten“ nicht vertraut ist, klarer zu machen, können wir die folgende Analogie mit einer an einer Feder aufgehängten Last anführen:

• Die Last (oder vielmehr ihre Position) ist die Leistung des Reaktors;
• Die Feder ist ein Mittel zur Steuerung der Last (Reaktorleistung).
• In der Normalstellung befinden sich Last und Feder im Gleichgewicht – die Last befindet sich in einer bestimmten Höhe und die Feder ist um einen bestimmten Betrag gedehnt.
• Als die Reaktorleistung ausfiel („Jodgrube“), sank die Ladung zu Boden (und zwar sehr stark).
• Um den Reaktor „herauszuziehen“, zog der Bediener „die Feder“ (zog die Steuerstäbe heraus; es war jedoch notwendig, genau das Gegenteil zu tun – alle Stäbe einzuführen und den Reaktor abzuschalten, d. h. die Feder loszulassen, so dass der Reaktor „herausgezogen“ wurde Last fällt zu Boden). Das Last-Feder-System weist jedoch eine gewisse Trägheit auf, und nachdem der Bediener begonnen hat, die Feder nach oben zu ziehen, bewegt sich die Last noch einige Zeit nach unten. Und der Operator hält weiter an.
• Schließlich erreicht die Last den tiefsten Punkt und beginnt sich unter dem Einfluss (bereits ordentlicher) Federkräfte nach oben zu bewegen – die Leistung des Reaktors beginnt stark anzusteigen. Die Last fliegt immer schneller nach oben (eine unkontrollierte Kettenreaktion unter Freisetzung großer Wärmemengen) und der Bediener kann nichts mehr tun, um die Trägheit der Aufwärtsbewegung der Last zu beseitigen. Dadurch trifft die Last den Bediener an der Stirn.

Ja, die Betreiber des Kernkraftwerks Tschernobyl, die die Explosion des Kraftwerksblocks zuließen, zahlten den höchsten Preis für ihren Fehler – ihr Leben.

Warum hat das Personal des Kernkraftwerks Tschernobyl so gehandelt? Einer der Gründe war die Tatsache, dass das Kernreaktorkontrollsystem dem Betreiber keine Betriebsinformationen über die im Reaktor ablaufenden gefährlichen Prozesse lieferte.

So beginnt A. S. Dyatlov sein Buch „Tschernobyl. Wie es geschah“:

Am 26. April 1986, um eine Stunde, dreiundzwanzig Minuten und vierzig Sekunden, befahl der Schichtleiter des Blocks Nr. 4 des Kernkraftwerks Tschernobyl, Alexander Akimow, die Abschaltung des Reaktors nach Abschluss der durchgeführten Arbeiten bevor Sie das Aggregat wegen geplanter Reparaturen abschalten. Der Befehl wurde in einer ruhigen Arbeitsumgebung erteilt; das zentrale Steuerungssystem registriert kein einziges Notfall- oder Warnsignal über Abweichungen in den Parametern des Reaktors oder der Servicesysteme. Reaktorbetreiber Leonid Toptunov entfernte die Kappe vom AZ-Knopf, die vor versehentlichem Fehldrücken schützt, und drückte den Knopf. Auf dieses Signal hin begannen 187 Reaktorsteuerstäbe, sich in den Kern zu bewegen. Die Hintergrundbeleuchtung der Gedächtnistafel leuchtete auf und die Pfeile der Stabpositionsanzeiger begannen sich zu bewegen. Alexander Akimov, der mit halber Drehung zum Reaktorkontrollpult stand, beobachtete dies und sah auch, dass die „Hasen“ der AR-Ungleichgewichtsindikatoren „nach links schossen“ (sein Ausdruck), wie es sein sollte, was einen Rückgang der bedeutete Reaktorleistung, wandte sich der Sicherheitstafel zu, hinter der ich im Experiment beobachtete.
Doch dann geschah etwas, was selbst die wildeste Fantasie nicht vorhersagen konnte. Nach einem leichten Rückgang begann die Reaktorleistung plötzlich immer schneller anzusteigen, und es traten Alarmsignale auf. L. Toptunov rief von einer Noterhöhung der Macht. Aber er konnte nichts tun. Er konnte nur den AZ-Knopf gedrückt halten, die Steuerstangen gingen in die aktive Zone. Andere Mittel stehen ihm nicht zur Verfügung. Und alle anderen auch. A. Akimov schrie scharf: „Reaktor abschalten!“ Er sprang zum Bedienfeld und schaltete die elektromagnetischen Kupplungen der Steuerstangenantriebe ab. Die Aktion ist richtig, aber nutzlos. Immerhin funktionierte die CPS-Logik, also alle ihre Elemente der logischen Schaltkreise, korrekt, die Stäbe gingen in die Zone. Jetzt ist klar: Nach dem Drücken des AZ-Knopfes gab es keine richtigen Aktionen, es gab keine Heilmittel. Andere Logik ist gescheitert!
Es folgten zwei heftige Explosionen mit kurzer Pause. Die AZ-Stäbe hörten auf, sich zu bewegen, ohne auch nur die Hälfte zurückgelegt zu haben. Sie konnten nirgendwo anders hingehen.
Nach einer Stunde, 23 Minuten und 47 Sekunden wurde der Reaktor durch einen Leistungsanstieg mit schnellen Neutronen zerstört. Dies ist ein Zusammenbruch, die ultimative Katastrophe, die bei einem Leistungsreaktor passieren kann. Sie haben es nicht verstanden, sie haben sich nicht darauf vorbereitet, es waren keine technischen Maßnahmen zur Lokalisierung am Block und am Bahnhof vorgesehen ...

Das heißt, wenige Sekunden vor der Katastrophe ahnte das Personal noch nicht einmal die drohende Gefahr! Das Ende dieser ganzen absurden Situation war das Drücken des Notrufknopfs, woraufhin es zu einer Explosion kam – man fährt in einem Auto um die Wette und drückt vor einem Hindernis auf die Bremse, aber das Auto beschleunigt noch mehr und prallt gegen das Hindernis. Fairerweise muss gesagt werden, dass das Drücken des Notknopfs die Situation in keiner Weise beeinflussen konnte – es beschleunigte die unvermeidliche Explosion des Reaktors nur um einige Momente, aber die Tatsache bleibt bestehen – Der Notfallschutz hat den Reaktor in die Luft gesprengt !

Auswirkungen der Strahlung auf den Menschen

Warum sind von Menschen verursachte Atomkatastrophen (ganz zu schweigen von Atomwaffen) so gefährlich?

Neben der Freisetzung enormer Energiemengen, die zu großer Zerstörung führen, gehen Kernreaktionen mit Strahlung und infolgedessen mit einer Strahlenbelastung des Gebiets einher.

Warum ist Strahlung für einen lebenden Organismus so schädlich? Hätte es nicht allen Lebewesen solchen Schaden zugefügt, dann hätten alle den Unfall von Tschernobyl längst vergessen und Atombomben wären nach links und rechts geworfen worden.

Strahlung zerstört die Zellen eines lebenden Organismus auf zwei Arten:

1. durch Erhitzung (Strahlungsverbrennung);
2. durch Ionisierung der Zellen (Strahlenkrankheit).

Radioaktive Teilchen und Strahlung selbst haben eine hohe kinetische Energie. Strahlung erzeugt Wärme. Diese Hitze verursacht, ähnlich einem Sonnenbrand, eine Strahlenverbrennung, die das Körpergewebe zerstört.

Das schematische Diagramm eines Kernreaktors mit thermischen (langsamen) Neutronen ist in Abb. 5.1 dargestellt, hier 1 – Steuerstäbe, 2 – biologischer Schutz, 3 – thermischer Schutz, 4 – Moderator, 5 – Kernbrennstoff (Brennstäbe).

Wenn ein Neutron auf den Kern des Uran-235-Isotops trifft, spaltet es sich in zwei Teile und es werden mehrere (2,5-3) neue sekundäre Neutronen emittiert. Damit eine Kettenreaktion in einem Kernreaktor aufrechterhalten werden kann, muss die Masse des Kernbrennstoffs im Reaktorkern mindestens den kritischen Wert haben. Der Reaktor muss diese Menge enthalten 235U so dass im Durchschnitt mindestens eines der bei jedem Spaltungsereignis entstehenden Neutronen das nächste Spaltungsereignis auslösen kann, bevor es den Reaktorkern verlässt.

Abbildung 5.1. Schematische Darstellung eines Kernreaktors mit thermischen Neutronen

Wenn die Anzahl der Neutronen konstant gehalten wird, hat die Spaltungsreaktion einen stationären Charakter. Je höher das stationäre Niveau der Anzahl vorhandener Neutronen ist, desto größer ist die Leistung des Reaktors. Eine Leistung von 1 MW entspricht einer Kettenreaktion, bei der in 1 Sekunde 3·10·16 Teilungen stattfinden.

Steigt die Zahl der Neutronen, kommt es zu einer thermischen Explosion, sinkt sie, kommt die Reaktion zum Stillstand. Die Reaktionsgeschwindigkeit wird kontrolliert unter Verwendung von Steuerstäben 1.

Der aktuelle Zustand eines Kernreaktors kann als effizient bezeichnet werden Neutronenmultiplikationsfaktor oder Reaktivität, die durch die Beziehung miteinander verbunden sind:

Typisch für diese Größen sind folgende Werte:

· - die Kettenreaktion nimmt mit der Zeit zu, der Reaktor befindet sich in einem überkritischen Zustand, seine Reaktivität;

· , - die Zahl der Kernspaltungen ist konstant, der Reaktor befindet sich in einem stabilen kritischen Zustand.

Ein Kernreaktor kann nur dann lange mit einer bestimmten Leistung betrieben werden, wenn er zu Beginn des Betriebs über eine Reaktivitätsreserve verfügt. Während des Betriebs eines Kernreaktors ändern sich aufgrund der Ansammlung von Spaltfragmenten im Brennstoff dessen Isotope und chemische Zusammensetzung und es entstehen Transuranelemente, hauptsächlich Pu. Die im Reaktor ablaufenden Prozesse verringern die Möglichkeit einer Kettenreaktion der Spaltung von Atomkernen.

Um eine Kettenreaktion aufrechtzuerhalten und durchzuführen, ist es notwendig, die Absorption von Neutronen durch die den Reaktorkern umgebenden Materialien zu begrenzen. Dies wird dadurch erreicht, dass Materialien (zum biologischen 2 und thermischen 3 Schutz) verwendet werden, die Neutronen zumindest teilweise (idealerweise 50 %) reflektieren, d. h. habe sie nicht aufgenommen. Von besonderer Bedeutung ist die Wahl des Kühlmittels, das zur Wärmeübertragung vom Kern zur Turbine verwendet wird.

Die bei der Spaltung entstehenden Neutronen können schnell (hohe Geschwindigkeit) oder langsam (thermisch) sein. Wahrscheinlichkeit, dass ein Kern ein langsames Neutron einfängt 235U und seine anschließende Aufspaltung ist größer als die eines schnellen Neutrons. Daher sind die Brennstäbe 5 von speziellen Moderatoren 4 umgeben, die Neutronen verlangsamen und sie schwach absorbieren. Um den Neutronenaustritt aus dem Reaktor zu reduzieren, ist er mit einem Reflektor ausgestattet. Die am häufigsten verwendeten Moderatoren und Reflektoren sind Graphit, schwer ( D2O), normales Wasser usw.

Die Anzahl der stationär vorhandenen Neutronen bestimmt die Anzahl der entstehenden Kernspaltungsfragmente, die mit enormer Geschwindigkeit in verschiedene Richtungen davonfliegen. Das Abbremsen der Bruchstücke führt zu einer Erwärmung des Brennstoffs und der Wände der Brennstäbe. Um diese Wärme abzuführen, wird der Reaktor beschickt Kühlmittel, deren Erwärmung der Zweck des Reaktors ist. Oft übernimmt derselbe Stoff, zum Beispiel normales Wasser, die Funktionen Kühlmittel, Moderator und Reflektor. Dem Reaktor wird Wasser zugeführt Hauptumwälzpumpen(MCP).