"mirnog" atoma. Princip rada nuklearnog reaktora Objašnjenje novog gradiva

Natrag naprijed

Pažnja! Pregledi slajdova služe samo u informativne svrhe i možda neće predstavljati sve značajke prezentacije. Ako ste zainteresirani za ovaj rad, preuzmite punu verziju.

Ciljevi lekcije:

• Obrazovni: ažuriranje postojećeg znanja; nastaviti formiranje pojmova: fisija jezgre urana, lančana nuklearna reakcija, uvjeti za njezino odvijanje, kritična masa; uvesti nove pojmove: nuklearni reaktor, glavni elementi nuklearnog reaktora, struktura nuklearnog reaktora i princip njegova rada, upravljanje nuklearnom reakcijom, klasifikacija nuklearnih reaktora i njihova uporaba;
• Obrazovni: nastaviti razvijati sposobnosti zapažanja i zaključivanja te razvijati intelektualne sposobnosti i znatiželju učenika;
• Obrazovni: nastaviti razvijati odnos prema fizici kao eksperimentalnoj znanosti; njegovati savjestan odnos prema radu, disciplinu i pozitivan odnos prema znanju.

Vrsta lekcije: učenje novog gradiva.

Oprema: multimedijska instalacija.

Tijekom nastave

1. Organizacijski trenutak.

momci! Danas ćemo na satu ponoviti fisiju jezgri urana, nuklearnu lančanu reakciju, uvjete za njen nastanak, kritičnu masu, naučit ćemo što je nuklearni reaktor, glavne elemente nuklearnog reaktora, strukturu nuklearnog reaktora. i princip njegova rada, upravljanje nuklearnom reakcijom, klasifikacija nuklearnih reaktora i njihova uporaba.

2. Provjera proučenog gradiva.

1. Mehanizam fisije jezgri urana.
2. Recite nam nešto o mehanizmu nuklearne lančane reakcije.
3. Navedite primjer reakcije nuklearne fisije jezgre urana.
4. Što se naziva kritična masa?
5. Kako dolazi do lančane reakcije u uranu ako je njegova masa manja od kritične ili veća od kritične?
6. Kolika je kritična masa urana 295? Je li moguće smanjiti kritičnu masu?
7. Na koje načine možete promijeniti tijek nuklearne lančane reakcije?
8. Koja je svrha usporavanja brzih neutrona?
9. Koje se tvari koriste kao moderatori?
10. Zbog kojih čimbenika se može povećati broj slobodnih neutrona u komadu urana, čime se osigurava mogućnost da u njemu dođe do reakcije?

3. Objašnjenje novog gradiva.

Ljudi, odgovorite na ovo pitanje: Što je glavni dio svake nuklearne elektrane? ( nuklearni reaktor)

Dobro napravljeno. Dakle, dečki, sada pogledajmo ovo pitanje detaljnije.

Povijesna referenca.

Igor Vasiljevič Kurčatov je istaknuti sovjetski fizičar, akademik, osnivač i prvi direktor Instituta za atomsku energiju od 1943. do 1960., glavni znanstveni direktor atomskog problema u SSSR-u, jedan od utemeljitelja korištenja nuklearne energije u miroljubive svrhe. . Akademik Akademije znanosti SSSR-a (1943). Prva sovjetska atomska bomba testirana je 1949. Četiri godine kasnije uspješno je testirana prva hidrogenska bomba na svijetu. A 1949. Igor Vasiljevič Kurčatov započeo je rad na projektu nuklearne elektrane. Nuklearna elektrana vjesnik je miroljubive uporabe atomske energije. Projekt je uspješno završen: 27. srpnja 1954. naša nuklearna elektrana postala je prva u svijetu! Kurčatov se radovao i zabavljao kao dijete!

Definicija nuklearnog reaktora.

Nuklearni reaktor je uređaj u kojem se provodi i održava kontrolirana lančana reakcija fisije određenih teških jezgri.

Prvi nuklearni reaktor izgrađen je 1942. u SAD pod vodstvom E. Fermija. U našoj zemlji prvi reaktor izgrađen je 1946. godine pod vodstvom I.V.Kurchatova.

Glavni elementi nuklearnog reaktora su:

• nuklearno gorivo (uran 235, uran 238, plutonij 239);
• moderator neutrona (teška voda, grafit itd.);
• rashladno sredstvo za uklanjanje energije nastale tijekom rada reaktora (voda, tekući natrij, itd.);
• Kontrolne šipke (bor, kadmij) - visoko apsorbiraju neutrone
• Zaštitna ovojnica koja blokira zračenje (beton sa željeznim punilom).

Princip rada nuklearni reaktor

Nuklearno gorivo nalazi se u jezgri u obliku okomitih šipki koje se nazivaju gorivi elementi (gorivi elementi). Gorive šipke su dizajnirane za regulaciju snage reaktora.

Masa svake gorive šipke znatno je manja od kritične mase, pa se u jednoj šipki ne može dogoditi lančana reakcija. Počinje nakon što su sve uranove šipke uronjene u jezgru.

Jezgra je okružena slojem tvari koji reflektira neutrone (reflektor) i zaštitnim omotačem od betona koji hvata neutrone i druge čestice.

Odvođenje topline iz gorivih ćelija. Rashladno sredstvo, voda, pere šipku, zagrijanu na 300°C pod visokim tlakom, i ulazi u izmjenjivače topline.

Uloga izmjenjivača topline je da voda zagrijana na 300°C predaje toplinu običnoj vodi i pretvara se u paru.

Kontrola nuklearne reakcije

Reaktor se kontrolira pomoću šipki koje sadrže kadmij ili bor. Kada su šipke izvučene iz jezgre reaktora, K > 1, a kada su potpuno uvučene - 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 sporih neutrona.

Najučinkovitija fisija jezgri urana-235 događa se pod utjecajem sporih neutrona. Takvi reaktori nazivaju se reaktori sa sporim neutronima. Sekundarni neutroni nastali reakcijom fisije su brzi. Kako bi njihova naknadna interakcija s jezgrama urana-235 u lančanoj reakciji bila najučinkovitija, one se usporavaju uvođenjem moderatora u jezgru - tvari koja smanjuje kinetičku energiju neutrona.

Reaktor brzih neutrona.

Reaktori na brzim neutronima ne mogu raditi na prirodnom uranu. Reakcija se može održati samo u obogaćenoj smjesi koja sadrži najmanje 15% izotopa urana. Prednost brzih neutronskih reaktora je što se njihovim radom proizvodi značajna količina plutonija, koji se zatim može koristiti kao nuklearno gorivo.

Homogeni i heterogeni reaktori.

Nuklearni reaktori, ovisno o međusobnom rasporedu goriva i moderatora, dijele se na homogene i heterogene. U homogenom reaktoru jezgra je homogena masa goriva, moderatora i rashladnog sredstva u obliku otopine, smjese ili taline. Reaktor u kojem se gorivo u obliku blokova ili gorivih sklopova nalazi u moderatoru, tvoreći u njemu pravilnu geometrijsku rešetku, naziva se heterogenim.

Pretvorba unutarnje energije atomske jezgre u električnu energiju.

Nuklearni reaktor je glavni element nuklearne elektrane (NEK) koji pretvara toplinsku nuklearnu energiju u električnu. Pretvorba energije odvija se prema sljedećoj shemi:

• unutarnja energija jezgri urana -
• kinetička energija neutrona i nuklearnih fragmenata -
• unutarnja energija vode -
• unutarnja energija pare -
• kinetička energija pare -
• kinetička energija rotora turbine i rotora generatora -
• Električna energija.

Korištenje nuklearnih reaktora.

Nuklearni reaktori prema namjeni mogu biti energetski, pretvarački i oplodnjački, istraživački i višenamjenski, transportni i industrijski.

Nuklearni reaktori koriste se za proizvodnju električne energije u nuklearnim elektranama, brodskim elektranama, nuklearnim termoelektranama i nuklearnim toplinskim postrojenjima.

Reaktori dizajnirani za proizvodnju sekundarnog nuklearnog goriva iz prirodnog urana i torija nazivaju se pretvarači ili oplođivači. U konvertorskom reaktoru sekundarno nuklearno gorivo proizvodi manje od onoga što je inicijalno potrošeno.

U oplodnom reaktoru provodi se proširena reprodukcija nuklearnog goriva, tj. ispadne više nego što je potrošeno.

Istraživački reaktori koriste se za proučavanje procesa interakcije neutrona s materijom, proučavanje ponašanja materijala reaktora u intenzivnim poljima neutronskog i gama zračenja, radiokemijska i biološka istraživanja, proizvodnju izotopa te eksperimentalna istraživanja fizike nuklearnih reaktora.

Reaktori imaju različite snage, stacionarni ili impulsni način rada. Višenamjenski reaktori su oni koji služe u nekoliko svrha, kao što su proizvodnja energije i proizvodnja nuklearnog goriva.

Ekološke katastrofe u nuklearnim elektranama

• 1957. – nesreća u Velikoj Britaniji
• 1966. – djelomično taljenje jezgre nakon kvara na hlađenju reaktora u blizini Detroita.
• 1971. - mnogo zagađene vode otišlo je u rijeku SAD
• 1979. - najveća nesreća u SAD-u
• 1982. – ispuštanje radioaktivne pare u atmosferu
• 1983. - strašna nesreća u Kanadi (radioaktivna voda istjecala je 20 minuta - tona u minuti)
• 1986. – nesreća u Velikoj Britaniji
• 1986. – nesreća u Njemačkoj
• 1986. – nuklearna elektrana Černobil
• 1988. – požar u nuklearnoj elektrani u Japanu

Moderne nuklearne elektrane opremljene su osobnim računalima, ali prije, čak i nakon nesreće, reaktori su nastavili raditi, jer nije postojao sustav automatskog isključivanja.

4. Učvršćivanje materijala.

1. Kako se zove nuklearni reaktor?
2. Što je nuklearno gorivo u reaktoru?
3. Koja tvar služi kao moderator neutrona u nuklearnom reaktoru?
4. Koja je svrha moderatora neutrona?
5. Čemu služe kontrolne šipke? Kako se koriste?
6. Što se koristi kao rashladno sredstvo u nuklearnim reaktorima?
7. Zašto je potrebno da masa svake uranove šipke bude manja od kritične mase?

5. Izvođenje testa.

1. Koje čestice sudjeluju u fisiji jezgri urana?
   A. protoni;
   B. neutroni;
   B. elektroni;
   G. jezgre helija.
2. Koja je masa urana kritična?
   A. najveća pri kojoj je moguća lančana reakcija;
   B. bilo koja masa;
   B. najmanja pri kojoj je moguća lančana reakcija;
   D. masa kod koje će reakcija prestati.
3. Kolika je približna kritična masa urana 235?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   B. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Koje se od navedenih tvari mogu koristiti u nuklearnim reaktorima kao moderatori neutrona?
   A. grafit;
   B. kadmij;
   B. teška voda;
   G. bor.
5. Da bi se nuklearna lančana reakcija dogodila u nuklearnoj elektrani, faktor množenja neutrona mora biti:
   A. je jednako 1;
   B. više od 1;
   V. manje od 1.
6. Brzinu fisije jezgri teških atoma u nuklearnim reaktorima kontroliraju:
   A. zbog apsorpcije neutrona pri spuštanju šipki s apsorberom;
   B. zbog povećanja odvođenja topline s povećanjem brzine rashladnog sredstva;
   B. povećanjem isporuke električne energije potrošačima;
   G. smanjenjem mase nuklearnog goriva u jezgri pri vađenju šipki s gorivom.
7. Koje se transformacije energije događaju u nuklearnom reaktoru?
   A. unutarnja energija atomskih jezgri pretvara se u svjetlosnu energiju;
   B. unutarnja energija atomskih jezgri pretvara se u mehaničku energiju;
   B. unutarnja energija atomskih jezgri pretvara se u električnu energiju;
   D. niti jedan odgovor nije točan.
8. Godine 1946. izgrađen je prvi nuklearni reaktor u Sovjetskom Savezu. Tko je bio voditelj ovog projekta?
   A. S. Koroljov;
   B. I. Kurčatov;
   V. D. Saharov;
   G. A. Prohorov.
9. Koji način smatrate najprihvatljivijim za povećanje pouzdanosti nuklearnih elektrana i sprječavanje onečišćenja vanjskog okoliša?
   A. razvoj reaktora sposobnih za automatsko hlađenje jezgre reaktora bez obzira na volju operatera;
   B. povećanje pismenosti rada NEK, razine stručne pripremljenosti operatera NE;
   B. razvoj visoko učinkovitih tehnologija za demontažu nuklearnih elektrana i preradu radioaktivnog otpada;
   D. položaj reaktora duboko pod zemljom;
   D. odbijanje izgradnje i rada nuklearne elektrane.
10. Koji su izvori onečišćenja okoliša povezani s radom nuklearnih elektrana?
    A. industrija urana;
    B. nuklearni reaktori raznih vrsta;
    B. radiokemijska industrija;
    D. odlagališta za obradu i odlaganje radioaktivnog otpada;
    D. korištenje radionuklida u nacionalnom gospodarstvu;
    E. nuklearne eksplozije.

Odgovori: 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. Sažetak lekcije.

Što ste novo danas naučili na satu?

Što vam se svidjelo na lekciji?

Koja pitanja imate?

HVALA VAM NA VAŠEM RADU NA LEKCIJI!

Neutronska nuklearna reakcija fisije teških jezgri, kao što je već navedeno, glavna je i središnja reakcija u nuklearnim reaktorima. Stoga ima smisla od samog početka upoznati se s fizikalnim pojmovima reakcije fisije i onim njezinim značajkama koje na ovaj ili onaj način ostavljaju traga na svim aspektima života i svakodnevice najsloženijeg tehničkog sklopa, koji naziva se nuklearna elektrana.

Ideja fisije jezgre urana-235 u vizualnim slikama data je na slici 2.6.

Neutron Jezgra mase A Pobuđena složena jezgra Fisijski fragmenti

Fisijski neutroni

sl.2.6. Shematski prikaz nuklearne fisije 235 U.

Na temelju ovog dijagrama, generalizirana "jednadžba" reakcije fisije (koja je logična, a ne strogo matematička) može se napisati kao:

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

- (F 1)* i (F 2)* - simboličke oznake uzbuđen fisijski fragmenti (indeks (*) u daljnjem tekstu označava nestabilne, pobuđene ili radioaktivne elemente); fragment (F 1)* ima masu A 1 i naboj Z 1, fragment (F 2)* ima masu A 2 i naboj Z 2;

-  5 . 1 n je označeno  5 fisijskih neutrona oslobođenih u prosjeku u svakom događaju fisije jezgre urana-235;

- ,  i  - -čestice, -čestice i -kvanti, čiji su prosječni brojevi po aktu fisije jezgre urana-235 jednaki redom a, b i c;

E je prosječna količina energije oslobođena u aktu fisije.

Naglasimo još jednom: gore napisani izraz nije jednadžba u strogom smislu riječi; radije, to je jednostavno oblik notacije koji se lako pamti i odražava glavne značajke reakcije fisije neutrona:

a) stvaranje fisijskih fragmenata;

b) nastajanje novih slobodnih neutrona tijekom fisije, koju ćemo ubuduće kratko zvati fisijski neutroni;

c) radioaktivnost fisijskih fragmenata, koja uzrokuje njihovu daljnju transformaciju u stabilnije tvorevine, što rezultira nizom nuspojava - pozitivnih, korisnih i negativnih, koje je potrebno uzeti u obzir pri projektiranju, izgradnji i radu nuklearnih reaktora;

d) oslobađanje energije tijekom fisije glavno je svojstvo reakcije fisije, koje omogućuje stvaranje energičan nuklearni reaktor.

Svaki od gore navedenih fizikalnih procesa koji prate reakciju fisije igra određenu ulogu u reaktoru i ima svoju praktičnu ulogu. značenje. Stoga, upoznajmo ih detaljnije.

2.2.1. Stvaranje fisijskih fragmenata. O jednom aktu nuklearne fisije može se u određenoj mjeri govoriti kao o fenomenu slučajan, imajući na umu da je teška jezgra urana, koja se sastoji od 92 protona i 143 neutrona, fundamentalno sposobna rascijepiti se na različit broj fragmenata s različitim atomskim masama. U tom slučaju procjeni mogućnosti dijeljenja jezgre na 2, 3 ili više fragmenata može se pristupiti probabilističkim mjerama. Prema navedenim podacima, vjerojatnost da se jezgra podijeli na dva fragmenta je veća od 98%, stoga velika većina fisija završava stvaranjem točno dva fragmenta.

Spektroskopske studije produkata fisije identificirale su više od 600 kvalitativno različitih fragmenata fisije s različitim atomskim masama. I tu je u prividnoj nesreći, s velikim brojem podjela, odmah isplivala jedna opći obrazacšto se ukratko može izraziti na sljedeći način:

Vjerojatnost pojave fragmenta određene atomske mase tijekom masovne fisije pojedinog nuklida je strogo definirana vrijednost karakteristična za taj fisijski nuklid.

Ova se količina obično naziva specifični prinos fragmenata , označava se malim grčkim slovom  ja(gama) s indeksom - simbol kemijskog elementa čija je jezgra ovaj fragment ili simbol izotopa.

Na primjer, u fizikalnim eksperimentima zabilježeno je da se fragment ksenona-135 (135 Xe) pojavljuje u prosjeku u tri slučaja svakih tisuću fisija jezgri 235 U. To znači da je specifični prinos fragmenata 135 Xe

 Xe= 3/1000 = 0,003 svih podjela,

au odnosu na jedan događaj fisije jezgre 235 U, vrijednost  Xe = 0,003 = 0,3% - je vjerojatnost da će fisija rezultirati stvaranjem fragmenta 135 heh

Jasnu procjenu obrasca nastanka fisijskih fragmenata različitih atomskih masa daju krivulje specifičnog prinosa fragmenata (sl. 2.7).

10

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

Riža. 2.7. Specifični prinosi fisijskih fragmenata različitih atomskih masa

tijekom fisije jezgri 235 U (puna linija) i 239 Pu (isprekidana linija).

Priroda ovih krivulja omogućuje nam da zaključimo sljedeće:

a) Atomske mase fragmenata nastalih tijekom fisije u velikoj većini slučajeva leže u rasponu od 70  165 amu. Specifični prinos lakših i težih fragmenata je vrlo mali (ne prelazi 10 -4%).

b) Simetrična fisija jezgri (tj. fisija na dva fragmenta jednakih masa) izuzetno je rijetka: njihov specifični prinos ne prelazi 0,01% za jezgre urana-235 i 0,04% za jezgre plutonija-239.

c) Najčešće nastaju pluća fragmenti s masenim brojevima unutar 83  104 amu. I težak fragmenti s A = 128  149 a.m.u. (njihov specifični prinos je 1% ili više).

d) Fisija 239 Pu pod utjecajem toplinskih neutrona dovodi do stvaranja nekoliko težim fragmenata u usporedbi s fisijskim fragmentima od 235 U.

*) U budućnosti, kada proučavamo kinetiku reaktora i procese njegovog trovanja i troske, više ćemo se puta morati pozivati ​​na vrijednosti specifičnih prinosa mnogih fisijskih fragmenata kada sastavljamo diferencijalne jednadžbe koje opisuju fizičke procese u jezgri reaktora.

Pogodnost ove vrijednosti je u tome što je, znajući brzinu reakcije fisije (broj fisija po jedinici volumena sastava goriva po jedinici vremena), lako izračunati brzinu formiranja bilo kojeg fisijskog fragmenta, čija akumulacija u reaktoru na ovaj ili onaj način utječe na njegov rad:

Stopa generiranja i-tog fragmenta =  ja  (brzina reakcije fisije)

I još jedna napomena vezana uz nastanak fisijskih fragmenata. Fisijski fragmenti nastali tijekom fisije imaju visoke kinetičke energije. Prenoseći svoju kinetičku energiju tijekom sudara s atomima medija sastava goriva, fisijski fragmenti na taj način povećati prosječnu razinu kinetičke energije atoma i molekula, koju mi ​​u skladu s idejama kinetičke teorije doživljavamo kao povećanje temperature sastav goriva ili kako stvaranje topline u njemu.

Većina topline u reaktoru nastaje na ovaj način.

To je određena pozitivna uloga stvaranja fragmenata u procesu rada nuklearnog reaktora.

2.2.2. Proizvodnja fisijskih neutrona. Ključna fizikalna pojava koja prati proces fisije teških jezgri je emisija sekundarnih brzih neutrona pobuđenim fisijskim fragmentima, inače nazvao brzi neutroni ili fisijski neutroni.

Značenje ovog fenomena (otkrili F. Joliot-Curie i njegovi kolege - Albano i Kowarski - 1939. godine) nepobitno je: zahvaljujući njoj se tijekom fisije teških jezgri pojavljuju novi slobodni neutroni koji zamjenjuju one koji su uzrokovali fisiju; ti novi neutroni mogu stupiti u interakciju s drugim fisijskim jezgrama u gorivu i uzrokovati njihovu fisiju, nakon čega slijedi emisija novih fisijskih neutrona, itd. Odnosno, zbog stvaranja fisijskih neutrona, to postaje moguće organizirati proces fisija koji ravnomjerno slijedi jedan za drugim u vremenu bez dovoda slobodnih neutrona u medij koji sadrži gorivo iz vanjskog izvora. U takvoj isporuci, jednostavno rečeno, nije potrebno, sve dok se pronađu “alati” uz pomoć kojih se izvodi nuklearna fisija ovdje, u ovom okruženju, u vezanom stanju u fisijskim jezgrama; da bi vezane neutrone “proveli u rad”, potrebno ih je samo osloboditi, odnosno jezgru razdvojiti na fragmente, a onda će sami fragmenti sve dovršiti: oni će zbog svog pobuđenog stanja emitirati “dodatno ” neutrona iz njihovog sastava, ometajući njihovu stabilnost, a to će se dogoditi u vremenu reda veličine 10 -15 - 10 -13 s, koje se po redu veličine podudara s vremenom u kojem složena jezgra ostaje u pobuđenom stanju. Ta je slučajnost dovela do ideje da se pojavljuju fisijski neutroni ne od pobuđenih fisijskih fragmenata prezasićenih neutronima nakon završetka fisije, već izravno u tom kratkom vremenskom razdoblju tijekom kojeg se odvija nuklearna fisija. To nije nakon akt o diobi, i tijekom ovaj čin, kao da je istodobno s uništenjem jezgre. Iz istog razloga se ti neutroni često nazivaju brzi neutroni.

Analiza mogućih kombinacija protona i neutrona u stabilnim jezgrama različitih atomskih masa (sjetimo se dijagrama stabilnih jezgri) i njihova usporedba s kvalitativnim sastavom produkata fisije pokazala je da vjerojatnost formiranjaodrživi Tijekom fisije postoji vrlo malo fragmenata. To znači da se velika većina fragmenata rađa nestabilan i mogu emitirati jedan, dva, tri ili čak više "dodatnih" fisijskih neutrona radi njihove stabilnosti, a jasno je da svaki specifični pobuđeni fragment mora emitirati svoj, strogo definiran, broj fisijskih neutrona "dodatni" za njegovu stabilnost.

No budući da svaki fragment s velikim brojem fisija ima strogo definiran specifični prinos, tada će s određenim velikim brojem fisija broj formiranih fisijskih fragmenata svake vrste također biti siguran, a prema tome i broj fisijskih neutrona koje emitira fragmenti svake vrste također će biti određeni, a to znači da će njihov ukupan broj također biti siguran. Podijelimo li ukupan broj neutrona proizvedenih u fisijama s brojem fisija u kojima su proizvedeni, trebali bismo dobiti prosječan broj fisijskih neutrona emitiranih u jednom fisijskom događaju, koji bi na temelju gornjeg obrazloženja također trebao biti strogo definiran i konstantna za svaku vrstu fisibilnog nuklida. Ova fizikalna konstanta fisibilnog nuklida je označena  .

Prema podacima iz 1998. (vrijednost ove konstante povremeno se ažurira na temelju rezultata analize fizikalnih eksperimenata diljem svijeta) tijekom fisije pod utjecajem toplinskih neutrona

Za uran-235  5 = 2.416,

Za plutonij-239  9 = 2.862,

Za plutonij-241  1 = 2,938, itd.

Posljednja napomena je korisna: vrijednost konstante  značajno ovisi o veličini kinetičke energije neutrona koji uzrokuju fisiju i, kako se potonja povećava, povećava se približno izravno proporcionalno E.

Za dva najvažnija fisijska nuklida, približne ovisnosti (E) opisane su empirijskim izrazima:

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

Za plutonij-239  9 (E) = 2.862 + 0.1357 E.

*) Energija neutrona E zamijenjena je u [MeV].

Dakle, vrijednost konstante , izračunata ovim empirijskim formulama, pri različitim energijama neutrona može doseći sljedeće vrijednosti:

Dakle, prva karakteristika fisijskih neutrona emitiranih tijekom fisije specifičnih fisijskih nuklida je inherentna prosječan broj fisijskih neutrona proizvedenih u fisijnom događaju .

Činjenica je da za sve fisibilne nuklide  > 1, stvara preduvjet za izvedivost lanac reakcija fisije neutrona. Jasno je da provesti samoodrživa fisijska lančana reakcija potrebno je stvoriti uvjete da se jedan od  neutrona dobivenih u činu fisije definitivno zove sljedeća dioba druge jezgre, i odmor ( - 1) neutroni nekako isključeni iz procesa nuklearne fisije. U protivnom će intenzitet podjela s vremenom rasti poput lavine (što se događa u atomska bomba).

Pošto je sada poznato da vrijednost konstante  raste s povećanjem energije neutrona koji uzrokuju fisiju, postavlja se logično pitanje: s kojom kinetičkom energijom rođen fisijski neutroni?

Odgovor na ovo pitanje daje druga karakteristika fisijskih neutrona, tzv energetski spektar fisijskih neutrona i predstavlja funkciju raspodjele fisijskih neutrona po njihovim kinetičkim energijama.

Ako se u jedinici (1 cm3) pojavi volumen medija u nekom razmatranom trenutku vremena n fisijski neutroni svih mogućih energija, dakle normalizirani energetski spektar je funkcija količine energije E, čija vrijednost pri bilo kojoj određenoj vrijednosti E pokazuje koliki dio (udio) svih ovih neutrona su neutroni s energijama elementarnog intervala dE blizu energije E. Drugim riječima, govorimo o izrazu

Raspodjela energije fisijskih neutrona opisana je prilično točno Watt-ova spektralna funkcija(Vat):

n(E) = 0.4839
, (2.2.2)

grafički prikaz toga je sl. 2.8. na sljedećoj stranici.

Wattov spektar pokazuje da, iako se fisijski neutroni proizvode s vrlo različitim energijama, koje leže u vrlo širokom rasponu, većina neutrona ima početnu energiju,jednak E nv = 0,7104 MeV, što odgovara maksimumu Wattove spektralne funkcije. U smislu, ova vrijednost je najvjerojatnija energija fisijskih neutrona.

Druga veličina koja karakterizira energetski spektar fisijskih neutrona je prosječna energija fisijskih neutrona , odnosno količinu energije koju bi svaki fisijski neutron imao kada bi se ukupna stvarna energija svih fisijskih neutrona jednako podijelila između njih:

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

Zamjenom izraza (2.2.2) u (2.2.3) dobiva se vrijednost prosječne energije fisijskih neutrona

E oženiti se = 2,0 MeV

A ovo znači to skoro sve rađaju se fisijski neutroni brzo(odnosno energijama E > 0.1 MeV). Ali proizvodi se malo brzih neutrona s relativno visokim kinetičkim energijama (manje od 1%), iako se pojavljuje primjetan broj fisijskih neutrona s energijama do 18 - 20 MeV.

0 1 2 3 4 5 E, MeV

sl.2.8. Energetski spektar fisijskih neutrona je Watt spektar.

Spektri fisijskih neutrona za različite fisijske nuklide međusobno se razlikuju malo. Recimo, za nuklide 235 U i 239 Pu koji nas prvenstveno zanimaju, vrijednosti prosječnih energija fisijskih neutrona (korigirane na temelju rezultata fizičkih eksperimenata):

E av = 1,935 MeV - za 235 U i E av = 2,00 MeV - za 239 Pu

Vrijednost prosječne energije spektra fisijskih neutrona raste s porastom energije neutrona koji uzrokuju fisiju, ali je taj porast beznačajan(barem unutar raspona od 10 - 12 MeV). To nam omogućuje da ga zanemarimo i približno izračunamo energetski spektar fisijskih neutrona jedinstveni za različita nuklearna goriva i za reaktore različitog spektra (brze, srednje i toplinske).

Za uran-238, unatoč prirodi praga njegove fisije, spektar fisijskih neutrona također se praktički podudara s izrazom(2.2.2), te ovisnost prosječnog broja fisijskih neutrona  8 od energije neutrona koji uzrokuju fisiju - također praktički linearno pri energijama iznad praga ( E P = 1.1 MeV):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Radioaktivnost fisijskih fragmenata. Već je rečeno da je identificirano oko 600 tipova fisijskih fragmenata koji se razlikuju po masi i naboju protona, te da praktički svi rađaju sevrlo uzbuđen .

Stvar dodatno komplicira činjenica da nose značajno uzbuđenje i nakon emisija fisijskih neutrona. Stoga, u prirodnoj želji za stabilnošću, oni nastavljaju "izbacivati" višak energije iznad razine osnovnog stanja sve dok se ta razina ne dosegne.

Ovo pražnjenje se provodi sekvencijalnim emitiranjem fragmenata svih vrsta radioaktivnog zračenja (alfa, beta i gama zračenja), a za različite fragmente, različite vrste radioaktivnog raspada se javljaju u različitim sekvencama i (zbog razlika u vrijednostima) konstanti raspada ) rastegnuti su u različitim stupnjevima u vremenu.

Dakle, u nuklearnom reaktoru koji radi, ne samo proces štednja radioaktivnih fragmenata, ali i proces njihovog kontinuiranog transformacija: poznat je veliki broj lanci uzastopne transformacije, što u konačnici dovodi do stvaranja stabilnih jezgri, ali svi ti procesi zahtijevaju različita vremena, za neke lance - vrlo kratka, a za druge - prilično duga.

Stoga radioaktivno zračenje ne prati samo reakciju fisije radeći reaktora, ali ih također emitira gorivo dugo vremena nakon što se zatvori.

Ovaj čimbenik, prvo, dovodi do posebne vrste fizičke opasnosti - opasnosti izloženost osoblja, servisiranje reaktorske instalacije, ukratko nazvano opasnost od zračenja. To prisiljava dizajnere reaktorskih postrojenja da se pobrinu za okoliš. biološka zaštita, smjestiti u prostorije izolirane od okoline i poduzeti niz drugih mjera za otklanjanje mogućnosti opasnog izlaganja ljudi i radioaktivnog onečišćenja okoliša.

Drugo, nakon gašenja reaktora, sve vrste radioaktivnog zračenja, iako se smanjuje u intenzitetu, nastavljaju djelovati s materijalima jezgre i, poput samih fisijskih fragmenata u početnom razdoblju svog slobodnog postojanja, prenose svoju kinetičku energiju na atomi središnjeg medija, povećanje njihove prosječne kinetičke energije. To je u reaktoru nakon njegovog zatvaranja toplina raspadanja .

Lako je razumjeti da je snaga oslobađanja zaostale topline u reaktoru u trenutku gašenja izravno proporcionalna broju fragmenata nakupljenih tijekom rada reaktora u tom trenutku, a brzina njenog opadanja naknadno je određena vremena poluraspada ovih fragmenata. Iz rečenog proizlazi drugo negativan faktor zbog radioaktivnosti fisijskih fragmenata - nužnostdugoročnohlađenje jezgra reaktora nakon gašenja kako bi se uklonila zaostala toplina, a to je povezano sa značajnom potrošnjom električne energije i vijekom trajanja motora cirkulacijske opreme.

Stoga je stvaranje radioaktivnih fragmenata tijekom fisije u reaktoru uglavnom fenomen negativan, ali... svaki oblak ima srebrnu podlogu!

U radioaktivnim transformacijama fisijskih fragmenata također se može vidjeti pozitivan aspekt koji nuklearni reaktori doslovno duguju svoje postojanje . Činjenica je da od velike raznolikosti fisijskih fragmenata postoji oko 60 tipova koji nakon prvog -raspada postaju neutroaktivan , sposoban emitirati tzv oklijevanje neutroni. U reaktoru se emitira relativno malo zakašnjelih neutrona (oko 0,6% od ukupnog broja generiranih neutrona), ali je zahvaljujući njihovom postojanju moguće sigurno upravljanje nuklearni reaktor; U to ćemo se uvjeriti proučavajući kinetiku nuklearnog reaktora.

2.2.4. Oslobađanje energije tijekom fisije. Reakcija nuklearne fisije u fizici jedna je od jasnih potvrda hipoteze A. Einsteina o odnosu mase i energije, koja je u odnosu na nuklearnu fisiju formulirana na sljedeći način:

Količina energije koja se oslobađa tijekom nuklearne fisije izravno je proporcionalna veličini defekta mase, a koeficijent proporcionalnosti u tom odnosu je kvadrat brzine svjetlosti:

E=  ms 2

Tijekom nuklearne fisije, višak (defekt) mase definiran je kao razlika u zbroju masa mirovanja početnih proizvoda reakcije fisije (tj. jezgre i neutrona) i rezultirajućih proizvoda nuklearne fisije (fisijskih fragmenata, fisije neutroni i druge mikročestice emitirane i tijekom procesa fisije i nakon njega).

Spektroskopska analiza omogućila je određivanje većine produkata fisije i njihovih specifičnih prinosa. Na temelju toga pokazalo se da nije tako teško izračunati privatna veličinu defekata mase za različite rezultate fisije jezgri urana-235, i iz njih - izračunati prosječna količina energije oslobođena u jednoj fisiji, za koju se pokazalo da je blizu

mc 2 = 200 MeV

Dovoljno je usporediti ovu vrijednost s energijom oslobođenom u činu jednog od najendotermnijih kemijski reakcije - reakcije oksidacije raketnog goriva (vrijednost manja od 10 eV) - razumjeti da na razini mikroskopskih objekata (atomi, jezgre) 200 MeV - vrlo visoka energija: ona je najmanje osam redova veličine (100 milijuna puta) veća od energije dobivene iz kemijskih reakcija.

Energija fisije raspršuje se iz volumena u kojem je došlo do nuklearne fisije kroz različite materijale prijevoznici: fisijski fragmenti, fisijski neutroni, - i -čestice, -kvanti pa čak i neutrini i antineutrini.

Raspodjela energije fisije između materijalnih nositelja tijekom fisije jezgri 235 U i 239 Pu dana je u tablici 2.1.

Tablica 2.1. Raspodjela energije fisije jezgri urana-235 i plutonija-239 između produkata fisije.

Fisijski nositelji energije		Plutonij-239
1. Kinetička energija fisijskih fragmenata
2. Kinetička energija fisijskih neutrona
3. Energija trenutnih gama kvanta
4. Energija -kvanta iz produkata fisije
5. Kinetička energija -zračenja fragmenata
6. Energija antineutrina

Različite komponente fisijske energije pretvaraju se u toplinu ne u isto vrijeme.

Prve tri komponente prelaze u toplinu u vremenu kraćem od 0,1 s (računajući od trenutka diobe), te se stoga nazivaju trenutni izvori oslobađanja topline.

- i -zračenja iz produkata fisije emitiraju pobuđeni fragmenti s najrazličitija vremena poluraspada(od nekoliko djelića sekunde do nekoliko desetaka dana, ako uzmemo u obzir samo fragmente s primjetan specifični prinos), a time i gore spomenuti proces toplina raspadanja, koji je upravo uzrokovan radioaktivnim emisijama iz produkata fisije, može trajati desetke dana nakon gašenja reaktora.

*) Prema vrlo grubim procjenama, snaga oslobađanja zaostale topline u reaktoru nakon gašenja opada u prvoj minuti - za 30-35%, a nakon prvog sata gašenja reaktora iznosi približno 30% snage na kojem je reaktor radio prije gašenja, a nakon prvog dana parkiranja - otprilike 25 posto. Jasno je da zaustavljanje prisilnog hlađenja reaktora u takvim uvjetima ne dolazi u obzir jer Čak i kratkotrajni prekid cirkulacije rashladne tekućine u jezgri prepun je opasnosti od toplinskog uništenja gorivih elemenata. Tek nakon nekoliko dana prisilnog hlađenja reaktora, kada se snaga oslobađanja zaostale topline smanji na razinu rashladne tekućine uklonjene prirodnom konvekcijom, može se zaustaviti cirkulacijsko sredstvo primarnog kruga.

Drugo praktično pitanje za inženjera: gdje se i koji dio energije fisije pretvara u toplinu u reaktoru? - budući da je to zbog potrebe organiziranja uravnoteženog uklanjanja topline iz njegovih različitih unutarnjih dijelova, dizajniranih u različitim tehnološkim izvedbama.

Sastav goriva, koji sadrži fisijske nuklide, nalazi se u zatvorenim ljuskama koje sprječavaju oslobađanje formiranih fragmenata iz sastava goriva gorivih elemenata (gorivih elemenata) u rashladno sredstvo koje ih hladi. I, ako fisijski fragmenti u reaktoru koji radi ne napuštaju gorivne elemente, jasno je da se kinetička energija fragmenata i slabo prodornih -čestica pretvara u toplinu unutar gorivih šipki.

Energije fisijskih neutrona i -zračenja pretvaraju se u toplinu samo unutar gorivih elemenata djelomično: sposobnost prodora neutrona i -zračenja stvara uvlačenje većinu njihove početne kinetičke energije iz mjesta njihova rođenja.

Poznavanje točne vrijednosti energije fisije i njenog udjela u rezultirajućoj toplini unutar gorivih elemenata od velike je praktične važnosti, što omogućuje izračunavanje još jedne praktično važne karakteristike tzv. specifično volumetrijsko oslobađanje topline u gorivu za gorivu šipku (q v).

Na primjer, ako se zna da u 1 cm 3 gorivnog sastava gorivnog elementa, u 1 s R f fisije jezgri urana-235, onda je očito: količina toplinske energije koja se stvara svake sekunde u ovoj jedinici volumena (= toplinska snaga 1 cm 3 goriva) je specifično volumetrijsko oslobađanje topline (ili energetski intenzitet) goriva, a ova vrijednost će biti jednaka:

q v = 0.9 .  E . R f (2.2.5)

Udio fisijske energije primljene u obliku topline izvan gorivih elemenata u reaktorskoj jezgri ovisi o njegovoj vrsti i konstrukciji i kreće se unutar (6  9)% ukupne fisijske energije. (Na primjer, za VVER-1000 ova vrijednost je približno 8,3%, a za RBMK-1000 je oko 7%).

Dakle, udio ukupno oslobođene topline u volumenu jezgre ukupne energije fisije iznosi 0,96  0,99, tj. s tehničkom preciznošću poklapa se s ukupnom energijom fisije.

Otuda još jedna tehnička karakteristika jezgre reaktora:

- prosječni energetski intenzitet jezgre(q v) az - primljena toplinska snaga po jedinici volumena jezgre:

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

Pošto je energija 1 MeV u SI sustavu odgovara 1,602. 10 -13 (prikaz, stručni). J, tada je vrijednost energetskog intenziteta jezgre reaktora:

(q v) az  3,204 . 10 -11 (prikaz, stručni). R f .

Dakle, ako je poznata vrijednost prosječnog intenziteta energije preko volumena jezgre, tada toplinska snaga reaktora očito će biti:

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

Toplinska snaga reaktora izravno je proporcionalna Prosječna brzina

reakcije fisije u svojoj jezgri.

Praktična posljedica : Želite li da reaktor radi nastalna razina snage? - Stvorite u njemu takve uvjete da dođe do reakcije fisije u njegovoj aktivnoj zoni s konstantnom prosječnom brzinom tijekom vremena. Trebate li povećati (smanjiti) snagu reaktora? - Pronađite načine kako povećati (ili smanjiti) brzinu reakcije u skladu s tim de leniya. To je primarno značenje kontrole snage nuklearnog reaktora.

Razmotreni odnosi i zaključci čine se očitima samo u najjednostavnijem slučaju, kada je komponenta goriva u reaktoru jedan uran-235. Međutim, ponavljajući obrazloženje za reaktor sa višekomponentni sastav goriva, lako je provjeriti proporcionalnost prosječne brzine reakcije fisije i toplinske snage reaktora u najopćenitijem slučaju.

Dakle, toplinska snaga reaktora i raspodjela topline u njegovoj jezgri izravno su proporcionalne raspodjeli brzine reakcije fisije po volumenu sastava goriva jezgre reaktora.

Ali iz onoga što je rečeno također je jasno da brzina reakcije fisije mora biti povezan s brojem slobodnih neutrona u okolini jezgre, budući da su oni (slobodni neutroni) ti koji uzrokuju reakcije fisije, radijacijsko hvatanje, raspršenje i druge reakcije neutrona. Drugim riječima, brzina reakcije fisije, oslobađanje energije u jezgri i toplinska snaga reaktora moraju biti jasno povezani s karakteristike neutronskog polja u svom volumenu.

Nakon što je provedena nekontrolirana lančana reakcija, koja je omogućila dobivanje ogromne količine energije, znanstvenici su postavili zadatak provedbe kontrolirane lančane reakcije. Bit kontrolirane lančane reakcije leži u mogućnosti upravljanja neutronima. Ovaj princip je uspješno primijenjen u nuklearnim elektranama (NE).

Energija fisije jezgri urana koristi se u nuklearnim elektranama (NPP). Proces fisije urana vrlo je opasan. Stoga su nuklearni reaktori okruženi gustim zaštitnim omotačima. Uobičajeni tip reaktora je voda pod pritiskom.

Rashladno sredstvo je voda. Hladna voda ulazi u reaktor pod vrlo visokim pritiskom, što sprječava ključanje.

Hladna voda koja prolazi kroz jezgru reaktora također djeluje kao moderator – usporava brze neutrone tako da oni udaraju u jezgre urana i izazivaju lančanu reakciju.

Nuklearno gorivo (uran) nalazi se u jezgri u obliku šipki gorivnog sklopa. Gorivne šipke u sklopu izmjenjuju se s kontrolnim šipkama, koje reguliraju brzinu nuklearne fisije apsorbirajući brze neutrone.

Fisijom se oslobađa velika količina topline. Zagrijana voda napušta jezgru pod pritiskom s temperaturom od 300°C i ulazi u elektranu u kojoj su smješteni generatori i turbine.

Vruća voda iz reaktora zagrijava vodu sekundarnog kruga do vrenja. Para se usmjerava na lopatice turbine i okreće je. Rotirajuća osovina prenosi energiju na generator. U generatoru se mehanička rotacijska energija pretvara u električnu. Para se hladi i voda se vraća natrag u reaktor.

Kao rezultat ovih složenih procesa nuklearna elektrana proizvodi električnu struju.

Kao što vidite, fisijski izotop nalazi se u gorivim šipkama smještenim u jezgri reaktora, tvoreći kritičnu masu. Nuklearna reakcija se kontrolira pomoću kontrolnih šipki izrađenih od bora ili kadmija. Upravljačke šipke, kao i gorivne šipke, nalaze se u jezgri reaktora i poput spužve koja upija vodu djeluju na neutrone, upijajući ih. Operater NEK podešavanjem broja upravljačkih šipki u jezgri reaktora kontrolira brzinu nuklearnog procesa: usporava ga spuštanjem upravljačkih šipki u jezgru reaktora; ili ga ubrzava podizanjem šipki.

Čini se da je sve divno - nuklearna energija je neiscrpan visokotehnološki izvor električne energije i to je budućnost. Tako su ljudi mislili do 26. kolovoza 1986. godine. Nesreća u četvrtoj jedinici černobilske nuklearne elektrane preokrenula je sve naglavačke - pokazalo se da "mirni" atom nije tako miran ako se prema njemu odnosi s prijezirom.

O tome je napisano dosta materijala. Ovdje će biti dana kvintesencija (sažeta bit) katastrofe.

Glavni uzroci nesreće 4. bloka nuklearne elektrane Černobil:

1. Nedovoljno osmišljen program tehnološkog eksperimenta zastoja turbogeneratora;
2. Pogrešne procjene programera nuklearnog reaktora RBMK, gdje je značajnu ulogu odigrao nedostatak operativnih informacija u sustavu upravljanja o rezervi reaktivnosti u jezgri;
3. “Slobode” osoblja nuklearne elektrane koje je provodilo eksperiment i dopuštalo odstupanje od propisa za rad koji se izvodi.

Sve to skupa dovelo je do katastrofe. Među stručnjacima koji su istraživali događaje u Černobilu postojala je otprilike ova formula: "operateri su uspjeli dići jedinicu u zrak, a reaktor im je to omogućio". Dio krivnje za Černobil leži na gotovo svima - i na fizičarima koji izvode izračune pomoću pojednostavljenih modela, i na instalaterima koji nemarno zavaruju šavove, i na operaterima koji si dopuštaju zanemarivanje radnih propisa.

Ukratko o anatomiji černobilske nesreće

1. Dopušteno je da se snaga reaktora smanji na vrlo malu vrijednost (približno 1% nazivne vrijednosti). To je “loše” za reaktor, jer pada u “jodnu jamu” i počinje trovanje reaktora ksenonom. Prema “normalnom” pristupu, bilo je potrebno zatvoriti reaktor, ali u ovom slučaju ne bi bio proveden pokus zastoja turbine sa svim posljedičnim administrativnim posljedicama. Kao rezultat toga, osoblje nuklearne elektrane Černobil odlučilo je povećati snagu reaktora i nastaviti s eksperimentom.

2. Iz gornjeg materijala jasno je da operater nuklearne elektrane može kontrolirati brzinu nuklearne reakcije (snagu reaktora) pomicanjem upravljačkih šipki u jezgru reaktora. Da bi se povećala snaga reaktora (za dovršetak eksperimenta), gotovo sve kontrolne šipke su uklonjene iz jezgre reaktora.

Da bi bilo jasnije čitatelju koji nije upoznat s "nuklearnim suptilnostima", možemo dati sljedeću analogiju s teretom obješenim na oprugu:

• Opterećenje (odnosno njegov položaj) je snaga reaktora;
• Opruga je sredstvo za kontrolu opterećenja (snage reaktora).
• U normalnom položaju teret i opruga su u ravnoteži – teret je na određenoj visini, a opruga je istegnuta za određeni iznos.
• Kada je napajanje reaktora prestalo ("jodna jama"), teret se spustio na tlo (i to vrlo snažno).
• Za “izvlačenje” reaktora operater je “povukao oprugu” (izvukao upravljačke šipke; ali je trebalo učiniti upravo suprotno – ubaciti sve šipke i ugasiti reaktor, tj. otpustiti oprugu kako bi se teret pada na tlo). Ali sustav opruga opterećenja ima određenu inerciju i neko vrijeme nakon što je operater počeo povlačiti oprugu prema gore, teret se i dalje kreće prema dolje. I operater se nastavlja povlačiti.
• Konačno, opterećenje doseže najnižu točku i pod utjecajem (već pristojnih) sila opruge počinje se kretati prema gore - snaga reaktora počinje naglo rasti. Teret sve brže leti prema gore (nekontrolirana lančana reakcija uz oslobađanje ogromne količine topline), a operater više ne može ništa učiniti da ugasi inerciju kretanja tereta prema gore. Kao rezultat toga, teret udara operatera u čelo.

Da, operateri černobilske nuklearne elektrane, koji su dopustili da agregat eksplodira, platili su najvišu cijenu za svoju grešku - svoje živote.

Zašto je osoblje nuklearne elektrane Černobil postupilo na ovaj način? Jedan od razloga je činjenica da upravljački sustav nuklearnog reaktora nije pružao operateru operativne informacije o opasnim procesima koji se odvijaju u reaktoru.

Ovako počinje svoju knjigu A. S. Dyatlov "Černobil. Kako se to dogodilo":

Dana 26. travnja 1986. u jedan sat, dvadeset tri minute i četrdeset sekundi, rukovoditelj smjene bloka br. 4 Černobilske nuklearne elektrane Alexander Akimov naredio je gašenje reaktora nakon završetka obavljenih radova. prije isključivanja agregata radi planiranih popravaka. Naredba je izdana u mirnom radnom okruženju; centralizirani sustav upravljanja ne bilježi niti jedan hitni ili upozoravajući signal o odstupanjima u parametrima reaktora ili servisnih sustava. Operater reaktora Leonid Toptunov skinuo je poklopac s tipke AZ, koja štiti od slučajnog pogrešnog pritiskanja, i pritisnuo tipku. Na ovaj signal, 187 reaktorskih kontrolnih šipki počelo se kretati prema dolje u jezgru. Upalila su se svjetla pozadinskog osvjetljenja na mnemotehničkoj ploči, a strelice pokazivača položaja šipke počele su se pomicati. Alexander Akimov, stojeći napola okrenut prema kontrolnoj ploči reaktora, promatrao je to, također vidio da su "zečići" indikatora neravnoteže AR "strelili ulijevo" (njegov izraz), kako i treba biti, što je značilo smanjenje snage reaktora, okrenut sigurnosnoj ploči, iza koje sam promatrao u eksperimentu.
Ali onda se dogodilo nešto što ni najluđa mašta nije mogla predvidjeti. Nakon blagog pada, snaga reaktora odjednom je počela rasti sve većom brzinom, a pojavili su se i signali za uzbunu. L. Toptunov je vikao o hitnom povećanju vlasti. Ali nije mogao ništa učiniti. Sve što je mogao učiniti bilo je držati pritisnutu tipku AZ, kontrolne šipke su otišle u aktivnu zonu. On nema drugih sredstava na raspolaganju. I svi ostali također. A. Akimov je oštro povikao: "Ugasite reaktor!" Skočio je do kontrolne ploče i isključio elektromagnetske spojke pogona kontrolne šipke. Radnja je ispravna, ali beskorisna. Uostalom, CPS logika, odnosno svi njegovi elementi logičkih sklopova, radili su ispravno, šipke su otišle u zonu. Sada je jasno - nakon pritiska na tipku AZ nije bilo ispravnih radnji, nije bilo sredstava za spas. Druga logika nije uspjela!
Uslijedile su dvije snažne eksplozije u kratkom razmaku. AZ šipke su se prestale kretati a da nisu prošle ni pola puta. Nisu imali kamo drugdje.
U jedan sat, dvadeset tri minute i četrdeset sedam sekundi, reaktor je uništen povećanjem snage pomoću brzih neutrona. Ovo je kolaps, najveća katastrofa koja se može dogoditi u energetskom reaktoru. Nisu to shvatili, nisu se pripremili za to, nisu osigurane tehničke mjere lokalizacije u bloku i kolodvoru...

Odnosno, nekoliko sekundi prije katastrofe, osoblje nije ni slutilo da se približava opasnost! Kraj cijele ove apsurdne situacije bio je pritisak na tipku za hitne slučajeve, nakon čega se dogodila eksplozija - jurite u automobilu i ispred prepreke pritisnete kočnicu, ali auto još više ubrza i zabije se u prepreku. Istini za volju, treba reći da pritisak tipke za hitne slučajeve nikako nije mogao utjecati na situaciju - samo je za nekoliko trenutaka ubrzao neizbježnu eksploziju reaktora, ali činjenica ostaje - hitna zaštita raznijela je reaktor !

Utjecaj zračenja na čovjeka

Zašto su nuklearne katastrofe koje uzrokuje čovjek (da ne spominjemo nuklearno oružje) tako opasne?

Osim oslobađanja kolosalnih količina energije, što dovodi do velikih razaranja, nuklearne reakcije praćene su zračenjem i kao posljedicu radijacijskom kontaminacijom područja.

Zašto je zračenje toliko štetno za živi organizam? Da nije donio takvu štetu svim živim bićima, tada bi svi odavno zaboravili na nesreću u Černobilu, a atomske bombe bi se bacale lijevo i desno.

Zračenje uništava stanice živog organizma na dva načina:

1. zbog zagrijavanja (opeklina zračenjem);
2. zbog ionizacije stanica (radijacijska bolest).

Radioaktivne čestice i samo zračenje imaju veliku kinetičku energiju. Zračenje stvara toplinu. Ta toplina, slično opeklinama od sunca, uzrokuje opekline od zračenja, uništavajući tjelesno tkivo.

Shematski dijagram nuklearnog reaktora koji koristi toplinske (spore) neutrone prikazan je na sl. 5.1, ovdje 1 - upravljačke šipke, 2 - biološka zaštita, 3 - toplinska zaštita, 4 - moderator, 5 - nuklearno gorivo (gorivne šipke).

Kada neutron pogodi jezgru izotopa urana 235, ona se podijeli na dva dijela i emitira se nekoliko (2,5-3) novih sekundarnih neutrona. Da bi se lančana reakcija održala u nuklearnom reaktoru, potrebno je da masa nuklearnog goriva u jezgri reaktora ne bude manja od kritične. Reaktor mora sadržavati ovu količinu 235 U tako da, u prosjeku, barem jedan od rezultirajućih neutrona u svakom događaju fisije može uzrokovati sljedeći događaj fisije prije nego napusti jezgru reaktora.

Slika 5.1. Shematski dijagram nuklearnog reaktora s toplinskim neutronom

Ako se broj neutrona održava konstantnim, reakcija fisije će imati stacionarni karakter. Što je veća stacionarna razina broja postojećih neutrona, to je veća snaga reaktora. Snaga od 1 MW odgovara lančanoj reakciji u kojoj se u 1 sekundi dogodi 3 10 16 podjela.

Ako se broj neutrona poveća, doći će do toplinske eksplozije, a ako se smanji, reakcija će prestati. Brzina reakcije je kontrolirana pomoću kontrolnih šipki 1.

Trenutno stanje nuklearnog reaktora može se okarakterizirati kao učinkovito faktor množenja neutrona ili reaktivnost, koji su međusobno povezani odnosom:

Sljedeće vrijednosti su tipične za ove količine:

· - lančana reakcija se povećava s vremenom, reaktor je u superkritičnom stanju, njegova reaktivnost;

· , - broj nuklearnih fisija je konstantan, reaktor je u stabilnom kritičnom stanju.

Nuklearni reaktor može dugo raditi zadanom snagom samo ako ima rezervu reaktivnosti na početku rada. Tijekom rada nuklearnog reaktora, zbog nakupljanja fisijskih fragmenata u gorivu, mijenja se njegov izotopski i kemijski sastav, a nastaju transuranski elementi, uglavnom Pu. Procesi koji se odvijaju u reaktoru smanjuju mogućnost lančane reakcije fisije atomskih jezgri.

Da bi se održala i provela lančana reakcija, potrebno je ograničiti apsorpciju neutrona materijalima koji okružuju jezgru reaktora. To se postiže korištenjem materijala (za biološku 2 i toplinsku 3 zaštitu) koji barem djelomično (idealno 50%) reflektiraju neutrone, tj. nije ih apsorbirao. Od posebne je važnosti izbor rashladne tekućine koja se koristi za prijenos topline od jezgre do turbine.

Neutroni koji nastaju kao rezultat fisije mogu biti brzi (velike brzine) ili spori (toplinski). Vjerojatnost hvatanja sporog neutrona jezgrom 235 U a njegovo naknadno cijepanje je veće od brzog neutrona. Stoga su gorivne šipke 5 okružene posebnim moderatorima 4, koji usporavaju neutrone, slabo ih apsorbirajući. Kako bi se smanjilo curenje neutrona iz reaktora, on je opremljen reflektorom. Najčešće korišteni moderatori i reflektori su grafitni, teški ( D2O), obična voda itd.

Broj stacionarnih postojećih neutrona određuje broj nastalih fragmenata nuklearne fisije, koji lete u različitim smjerovima ogromnom brzinom. Kočenje fragmenata dovodi do zagrijavanja goriva i stijenki gorivih šipki. Da bi se uklonila ova toplina, reaktor se puni rashladna tekućinačije zagrijavanje je svrha reaktora. Često ista tvar, na primjer obična voda, obavlja funkcije rashladno sredstvo, moderator i reflektor. Voda se u reaktor dovodi pomoću glavne cirkulacijske pumpe(MCP).