atomo "pacifico". Il principio di funzionamento di un reattore nucleare Spiegazione del nuovo materiale

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Obiettivi della lezione:

• Educativo: aggiornare le conoscenze esistenti; continuare la formazione di concetti: fissione dei nuclei di uranio, reazione a catena nucleare, condizioni per la sua occorrenza, massa critica; introdurre nuovi concetti: un reattore nucleare, gli elementi principali di un reattore nucleare, la progettazione di un reattore nucleare e il principio del suo funzionamento, il controllo di una reazione nucleare, la classificazione dei reattori nucleari e il loro utilizzo;
• Sviluppando: continuare la formazione della capacità di osservare e trarre conclusioni, nonché sviluppare le capacità intellettuali e la curiosità degli studenti;
• Educativo: continuare l'educazione all'atteggiamento nei confronti della fisica come scienza sperimentale; coltivare un atteggiamento coscienzioso verso il lavoro, la disciplina, un atteggiamento positivo verso la conoscenza.

Tipo di lezione: imparare nuovo materiale.

Attrezzatura: installazione multimediale.

Durante le lezioni

1. Momento organizzativo.

Ragazzi! Oggi nella lezione ripeteremo la fissione dei nuclei di uranio, una reazione nucleare a catena, le condizioni per il suo verificarsi, la massa critica, impareremo cos'è un reattore nucleare, gli elementi principali di un reattore nucleare, la progettazione di un reattore nucleare reattore e il principio del suo funzionamento, controllo di una reazione nucleare, classificazione dei reattori nucleari e loro utilizzo.

2. Controllo del materiale studiato.

1. Meccanismo di fissione dei nuclei di uranio.
2. Descrivere il meccanismo di una reazione nucleare a catena.
3. Fornisci un esempio di reazione di fissione nucleare del nucleo di uranio.
4. Cosa si chiama massa critica?
5. Come procede una reazione a catena nell'uranio se la sua massa è inferiore a critica, più che critica?
6. Qual è la massa critica dell'uranio 295, è possibile ridurre la massa critica?
7. Come si può cambiare il corso di una reazione nucleare a catena?
8. Qual è lo scopo di rallentare i neutroni veloci?
9. Quali sostanze vengono utilizzate come moderatori?
10. A causa di quali fattori è possibile aumentare il numero di neutroni liberi in un pezzo di uranio, garantendo così la possibilità che si verifichi una reazione in esso?

3. Spiegazione del nuovo materiale.

Ragazzi, rispondete a questa domanda: qual è la parte principale di una centrale nucleare? ( reattore nucleare)

Ben fatto. Quindi, ragazzi, ora soffermiamoci su questo problema in modo più dettagliato.

Riferimento storico.

Igor Vasilyevich Kurchatov è un eccezionale fisico sovietico, accademico, fondatore e primo direttore dell'Istituto di energia atomica dal 1943 al 1960, capo scientifico del problema atomico in URSS, uno dei fondatori dell'uso dell'energia nucleare per scopi pacifici . Accademico dell'Accademia delle scienze dell'URSS (1943). La prima bomba atomica sovietica fu testata nel 1949. Quattro anni dopo, la prima bomba all'idrogeno del mondo fu testata con successo. E nel 1949, Igor Vasilievich Kurchatov iniziò a lavorare al progetto di una centrale nucleare. La centrale nucleare è messaggera dell’uso pacifico dell’energia atomica. Il progetto fu portato a termine con successo: il 27 luglio 1954 la nostra centrale nucleare divenne la prima al mondo! Kurchatov si è rallegrato e si è divertito come un bambino!

Definizione di reattore nucleare.

Un reattore nucleare è un dispositivo in cui viene effettuata e mantenuta una reazione a catena controllata di fissione di alcuni nuclei pesanti.

Il primo reattore nucleare fu costruito nel 1942 negli Stati Uniti sotto la guida di E. Fermi. Nel nostro paese, il primo reattore fu costruito nel 1946 sotto la guida di IV Kurchatov.

Gli elementi principali di un reattore nucleare sono:

• combustibile nucleare (uranio 235, uranio 238, plutonio 239);
• moderatore di neutroni (acqua pesante, grafite, ecc.);
• liquido refrigerante per l'uscita dell'energia generata durante il funzionamento del reattore (acqua, sodio liquido, ecc.);
• Barre di controllo (boro, cadmio) - neutroni che assorbono fortemente
• Guscio protettivo che ritarda la radiazione (cemento con riempitivo di ferro).

Principio operativo reattore nucleare

Il combustibile nucleare si trova nella zona attiva sotto forma di aste verticali chiamate elementi combustibili (TVEL). Le barre di combustibile sono progettate per controllare la potenza del reattore.

La massa di ciascuna barra di combustibile è molto inferiore alla massa critica, quindi in una barra non può verificarsi una reazione a catena. Inizia dopo l'immersione nella zona attiva di tutte le barre di uranio.

La zona attiva è circondata da uno strato di materia che riflette i neutroni (riflettore) e da un guscio protettivo di cemento che intrappola i neutroni e altre particelle.

Rimozione del calore dalle celle a combustibile. Il liquido di raffreddamento: l'acqua lava l'asta, riscaldata a 300 ° C ad alta pressione, entra negli scambiatori di calore.

Il ruolo dello scambiatore di calore: l'acqua riscaldata a 300 ° C cede calore all'acqua normale e si trasforma in vapore.

Controllo della reazione nucleare

Il reattore è controllato da barre contenenti cadmio o boro. Con le aste estese dal nocciolo del reattore, K > 1, e con le aste completamente retratte, K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Reattore a neutroni lenti.

La fissione più efficiente dei nuclei di uranio-235 avviene sotto l'azione di neutroni lenti. Tali reattori sono chiamati reattori a neutroni lenti. I neutroni secondari prodotti nella reazione di fissione sono veloci. Affinché la loro successiva interazione con i nuclei di uranio-235 in una reazione a catena sia più efficace, vengono rallentati introducendo un moderatore nel nucleo, una sostanza che riduce l'energia cinetica dei neutroni.

Reattore a neutroni veloci.

I reattori a neutroni veloci non possono funzionare con l'uranio naturale. La reazione può essere mantenuta solo in una miscela arricchita contenente almeno il 15% dell'isotopo di uranio. Il vantaggio dei reattori a neutroni veloci è che il loro funzionamento produce una quantità significativa di plutonio, che può poi essere utilizzata come combustibile nucleare.

Reattori omogenei ed eterogenei.

I reattori nucleari, a seconda della disposizione reciproca di combustibile e moderatore, sono suddivisi in omogenei ed eterogenei. In un reattore omogeneo, il nucleo è una massa omogenea di combustibile, moderatore e refrigerante sotto forma di soluzione, miscela o massa fusa. Un reattore è chiamato eterogeneo, in cui il combustibile sotto forma di blocchi o gruppi di combustibile viene posto nel moderatore, formando al suo interno un reticolo geometrico regolare.

Conversione dell'energia interna dei nuclei atomici in energia elettrica.

Un reattore nucleare è l'elemento principale di una centrale nucleare (NPP), che converte l'energia nucleare termica in energia elettrica. La conversione dell’energia avviene secondo il seguente schema:

• energia interna dei nuclei di uranio -
• energia cinetica dei neutroni e dei frammenti di nuclei -
• energia interna dell'acqua -
• energia interna del vapore -
• energia cinetica del vapore -
• energia cinetica del rotore della turbina e del rotore del generatore -
• Energia elettrica.

Utilizzo dei reattori nucleari.

A seconda dello scopo, i reattori nucleari sono energia, convertitori e autofertilizzanti, ricerca e multiuso, trasporti e industriali.

I reattori nucleari vengono utilizzati per generare elettricità nelle centrali nucleari, nelle centrali elettriche navali, nelle centrali nucleari combinate di calore ed elettricità, nonché nelle stazioni di fornitura di calore nucleare.

I reattori progettati per produrre combustibile nucleare secondario da uranio naturale e torio sono chiamati convertitori o autofertilizzanti. Nel reattore-convertitore si forma una quantità di combustibile nucleare secondario inferiore a quello originariamente consumato.

Nel reattore autofertilizzante viene effettuata la riproduzione ampliata del combustibile nucleare, ad es. risulta più di quanto è stato speso.

I reattori di ricerca vengono utilizzati per studiare i processi di interazione dei neutroni con la materia, studiare il comportamento dei materiali dei reattori in campi intensi di neutroni e radiazioni gamma, ricerca radiochimica e biologica, produzione di isotopi, ricerca sperimentale nella fisica dei reattori nucleari.

I reattori hanno diverse modalità di funzionamento di potenza, stazionaria o pulsata. I reattori multiuso sono reattori che servono a molteplici scopi, come la generazione di energia e la produzione di combustibile nucleare.

Disastri ambientali nelle centrali nucleari

• 1957: incidente nel Regno Unito
• 1966 – Fusione parziale del nucleo dopo un guasto al raffreddamento del reattore vicino a Detroit.
• 1971 – Una grande quantità di acqua inquinata finisce nei fiumi degli Stati Uniti
• 1979: il più grande incidente negli Stati Uniti
• 1982: rilascio di vapore radioattivo nell'atmosfera
• 1983 - un terribile incidente in Canada (l'acqua radioattiva fuoriesce per 20 minuti - una tonnellata al minuto)
• 1986: incidente nel Regno Unito
• 1986 - incidente in Germania
• 1986: Centrale nucleare di Chernobyl
• 1988: incendio in una centrale nucleare in Giappone

Le moderne centrali nucleari sono dotate di PC e prima, anche dopo un incidente, i reattori continuavano a funzionare, poiché non esisteva un sistema di spegnimento automatico.

4. Fissare il materiale.

1. Cos'è un reattore nucleare?
2. Cos'è il combustibile nucleare in un reattore?
3. Quale sostanza funge da moderatore di neutroni in un reattore nucleare?
4. Qual è lo scopo di un moderatore di neutroni?
5. A cosa servono le aste di controllo? Come vengono utilizzati?
6. Cosa viene utilizzato come refrigerante nei reattori nucleari?
7. Perché è necessario che la massa di ciascuna barra di uranio sia inferiore alla massa critica?

5. Esecuzione del test.

1. Quali particelle sono coinvolte nella fissione dei nuclei di uranio?
   A. protoni;
   B. neutroni;
   B. elettroni;
   G. nuclei di elio.
2. Quale massa di uranio è critica?
   A. il massimo al quale è possibile una reazione a catena;
   B. qualsiasi massa;
   V. il minimo al quale è possibile una reazione a catena;
   D. la massa alla quale si fermerà la reazione.
3. Qual è la massa critica approssimativa dell'uranio 235?
   R.9 kg;
   B.20 kg;
   B.50 kg;
   G.90 kg.
4. Quale delle seguenti sostanze può essere utilizzata nei reattori nucleari come moderatori di neutroni?
   A. grafite;
   B. cadmio;
   B. acqua pesante;
   G.bor.
5. Perché avvenga una reazione nucleare a catena in una centrale nucleare, è necessario che il fattore di moltiplicazione dei neutroni sia:
   A. è uguale a 1;
   B. più di 1;
   V. meno di 1.
6. La regolazione della velocità di fissione dei nuclei di atomi pesanti nei reattori nucleari viene effettuata:
   A. a causa dell'assorbimento dei neutroni quando si abbassano le aste con un assorbitore;
   B. a causa di un aumento della rimozione del calore con un aumento della velocità del liquido di raffreddamento;
   B. aumentando la fornitura di elettricità ai consumatori;
   G. riducendo la massa del combustibile nucleare nel nocciolo durante la rimozione delle barre di combustibile.
7. Quali trasformazioni energetiche avvengono in un reattore nucleare?
   A. l'energia interna dei nuclei atomici viene convertita in energia luminosa;
   B. l'energia interna dei nuclei atomici viene convertita in energia meccanica;
   B. l'energia interna dei nuclei atomici viene convertita in energia elettrica;
   G. non esiste una risposta corretta tra le risposte.
8. Nel 1946 venne costruito il primo reattore nucleare nell’Unione Sovietica. Chi era il leader di questo progetto?
   A. S. Korolev;
   B. I. Kurcatov;
   V. D. Sakharov;
   G. A. Prokhorov.
9. Quale strada ritiene più opportuna per aumentare l'affidabilità delle centrali nucleari e prevenire la contaminazione dell'ambiente esterno?
   A. sviluppo di reattori in grado di raffreddare automaticamente il nocciolo del reattore, indipendentemente dalla volontà dell'operatore;
   B. aumentare l'alfabetizzazione sul funzionamento delle centrali nucleari, il livello di formazione professionale degli operatori delle centrali nucleari;
   B. sviluppo di tecnologie altamente efficienti per lo smantellamento delle centrali nucleari e il trattamento dei rifiuti radioattivi;
   D. l'ubicazione dei reattori in profondità nel sottosuolo;
   E. rifiuto di costruire e gestire centrali nucleari.
10. Quali fonti di inquinamento ambientale sono associate al funzionamento delle centrali nucleari?
    A. industria dell'uranio;
    B. reattori nucleari di vario tipo;
    B. industria radiochimica;
    D. luoghi di trattamento e smaltimento dei rifiuti radioattivi;
    E. utilizzo dei radionuclidi nell'economia nazionale;
    E. esplosioni nucleari.

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

6. I risultati della lezione.

Cosa hai imparato di nuovo durante la lezione di oggi?

Cosa ti è piaciuto della lezione?

Quali sono le domande?

GRAZIE PER IL TUO LAVORO NELLA LEZIONE!

La reazione di fissione nucleare dei neutroni dei nuclei pesanti, come già notato, è la reazione principale e centrale nei reattori nucleari. Pertanto, ha senso fin dall'inizio conoscere i concetti fisici della reazione di fissione e quelle delle sue caratteristiche che in un modo o nell'altro lasciano il segno in tutti gli aspetti della vita e della vita del complesso tecnico più complesso, che è denominata Centrale Nucleare.

La Fig. 2.6 dà un'idea della fissione del nucleo dell'uranio-235 nelle immagini visive.

Neutrone Nucleo di massa A Nucleo composto eccitato Frammenti di fissione

neutroni di fissione

Fig.2.6. Rappresentazione schematica della fissione nucleare 235 U.

Sulla base di questo diagramma, l'"equazione" generalizzata per la reazione di fissione (che è più logica che strettamente matematica) può essere scritta come:

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

- (F 1)* e (F 2)* - simboli eccitato frammenti di fissione (di seguito l'indice (*) indica elementi instabili, eccitati o radioattivi); un frammento (F 1)* ha massa A 1 e carica Z 1 , un frammento (F 2)* ha massa A 2 e carica Z 2 ;

-  5 . 1 n denota  5 neutroni di fissione rilasciati in media in ogni atto di fissione del nucleo di uranio-235;

- ,  e  - -particelle, -particelle e -quanti, il cui numero medio per atto di fissione del nucleo di uranio-235 è rispettivamente a, b e c;

E è la quantità media di energia rilasciata nell'atto della fissione.

Sottolineiamo ancora: l'espressione sopra scritta non è un'equazione nel senso stretto del termine; è piuttosto solo una forma di notazione facile da ricordare e che riflette le caratteristiche principali della reazione di fissione dei neutroni:

a) la formazione di frammenti di fissione;

b) la formazione di nuovi neutroni liberi durante la fissione, che d'ora in poi chiameremo brevemente neutroni di fissione;

c) la radioattività dei frammenti di fissione, che provoca la loro ulteriore trasformazione in formazioni più stabili, a causa delle quali sorgono numerosi effetti collaterali - sia positivi, utili che negativi, che devono essere presi in considerazione durante la progettazione, la costruzione e il funzionamento dei reattori nucleari ;

d) il rilascio di energia durante la fissione - la proprietà principale della reazione di fissione, che consente di creare energia reattore nucleare.

Ciascuno dei processi fisici sopra elencati, che accompagna la reazione di fissione, svolge un certo ruolo nel reattore e ha le sue pratiche pratiche Senso. Andiamo quindi a conoscerli più nel dettaglio.

2.2.1. La formazione di frammenti di fissione. In una certa misura si può parlare di un singolo atto di fissione nucleare come di un fenomeno casuale, tenendo presente che il nucleo pesante dell'uranio, formato da 92 protoni e 143 neutroni, è fondamentalmente capace di scindersi in un numero diverso di frammenti con masse atomiche diverse. In questo caso, la valutazione della possibilità di fissione nucleare in 2, 3 o più frammenti può essere affrontata con misure probabilistiche. Secondo i dati forniti, la probabilità di fissione nucleare in due frammenti è superiore al 98%, quindi la stragrande maggioranza della fissione termina con la formazione di esattamente due frammenti.

Studi spettroscopici sui prodotti di fissione hanno individuato più di 600 frammenti di fissione qualitativamente diversi con diverse masse atomiche. E qui, apparentemente per caso, con un gran numero di divisioni, una regola generale, che può essere brevemente espresso come segue:

La probabilità della comparsa di un frammento di una certa massa atomica durante la fissione di massa di un particolare nuclide è un valore rigorosamente definito, caratteristico di questo nuclide fissile.

Questa quantità si chiama resa del frammento , indicato con una piccola lettera greca  io(gamma) con un pedice - il simbolo dell'elemento chimico, il cui nucleo è questo frammento, o il simbolo dell'isotopo.

Ad esempio, negli esperimenti fisici, è stato registrato che un frammento di xeno-135 (135 Xe) durante ogni mille fissioni di nuclei di 235 U appare in media in tre casi. Ciò significa che la resa specifica del frammento 135 Xe è

 Xe= 3/1000 = 0,003 di tutte le divisioni,

e in relazione ad un singolo atto di fissione nucleare 235 U, il valore  Xe = 0,003 = 0,3% - è la probabilità che la fissione termini con la formazione di un frammento 135 Eh.

Una chiara valutazione dei modelli di formazione dei frammenti di fissione di varie masse atomiche è data dalle curve della resa specifica dei frammenti (Fig. 2.7).

10

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

Riso. 2.7. Rese specifiche di frammenti di fissione di diverse masse atomiche

nella fissione di 235 U (linea continua) e 239 Pu (linea tratteggiata).

La natura di queste curve ci permette di concludere quanto segue:

a) Le masse atomiche dei frammenti formati durante la fissione, nella stragrande maggioranza dei casi, sono comprese tra 70  165 a.m.u. La resa specifica dei frammenti più leggeri e più pesanti è molto piccola (non supera il 10-4%).

b) La fissione nucleare simmetrica (cioè la fissione in due frammenti di uguale massa) è estremamente rara: la loro resa specifica non supera lo 0,01% per i nuclei di uranio-235 e lo 0,04% per i nuclei di plutonio-239.

c) Molto spesso formato polmoni frammenti con numeri di massa compresi tra 83 104 a.m.u. E pesante frammenti con A = 128  149 u.m. (il loro rendimento specifico è pari o superiore all'1%).

d) La fissione di 239 Pu sotto l'azione dei neutroni termici porta alla formazione di diversi più pesante frammenti rispetto ai frammenti di fissione di 235 U.

*) In futuro, studiando la cinetica del reattore e i processi di avvelenamento e scoria, dovremo più di una volta rivolgerci ai valori delle rese specifiche di molti frammenti di fissione quando compileremo equazioni differenziali che descrivono la fisica processi nel nocciolo del reattore.

La comodità di questo valore è che, conoscendo la velocità di reazione di fissione (il numero di fissioni per unità di volume della composizione del combustibile per unità di tempo), è facile calcolare la velocità di formazione di eventuali frammenti di fissione, il cui accumulo nel il reattore influisce in qualche modo sul suo funzionamento:

Tasso di generazione dell'i-esimo frammento =  io  (velocità di reazione di fissione)

E ancora un'osservazione relativa alla formazione di frammenti di fissione. I frammenti di fissione generati durante la fissione hanno elevate energie cinetiche. Trasferendo la loro energia cinetica durante le collisioni con gli atomi del mezzo della composizione del carburante, la fissione si frammenta così aumentare il livello medio di energia cinetica di atomi e molecole, che, secondo le idee della teoria cinetica, è percepito da noi come aumento della temperatura composizione del carburante o entrambi dissipazione del calore al suo interno.

La maggior parte del calore nel reattore viene generata in questo modo.

Questo è un certo ruolo positivo della formazione di frammenti nel processo di lavoro di un reattore nucleare.

2.2.2. Formazione di neutroni di fissione. Il fenomeno fisico chiave che accompagna il processo di fissione dei nuclei pesanti è emissione di neutroni veloci secondari da parte di frammenti di fissione eccitati, Altrimenti chiamato neutroni immediati O neutroni di fissione.

Il significato di questo fenomeno (scoperto da F. Joliot-Curie con i collaboratori - Albano e Kovarsky - nel 1939) è indiscutibile: è grazie a lui se durante la fissione dei nuclei pesanti compaiono nuovi neutroni liberi che sostituiscono quelli che hanno causato la fissione; questi nuovi neutroni possono interagire con altri nuclei fissili nel combustibile e provocarne la fissione, accompagnata dall'emissione di nuovi neutroni di fissione, e così via. Cioè, a causa della formazione di neutroni di fissione, diventa possibile organizzare il processo di fissioni che si susseguono uniformemente nel tempo senza fornire neutroni liberi al mezzo contenente combustibile da una fonte esterna. In una tale consegna, in poche parole, non necessario, non appena verranno trovati gli "strumenti" con cui si effettua la fissione nucleare qui, proprio in questo ambiente, in uno stato legato nei nuclei fissili; per "mettere in azione" i neutroni legati è sufficiente liberarli, cioè dividere il nucleo in frammenti, e poi saranno i frammenti stessi a finire il tutto: a causa del loro stato eccitato emetteranno "extra " neutroni dalla loro composizione, interferendo con la loro stabilità, inoltre, ciò avverrà in un tempo dell'ordine di 10 -15 - 10 -13 s, coincidente in ordine di grandezza con il tempo trascorso dal nucleo composto in uno stato eccitato. Questa coincidenza ha dato origine all'idea che appaiano i neutroni di fissione non da frammenti di fissione eccitati sovrasaturati di neutroni dopo la fine della fissione, ma direttamente in quel breve periodo di tempo durante il quale avviene la fissione nucleare. Quello non è Dopo l'atto di divisione, e durante questo atto, come se contemporaneamente alla distruzione del nucleo. Per lo stesso motivo, questi neutroni vengono spesso chiamati neutroni immediati.

Un'analisi delle possibili combinazioni di protoni e neutroni in nuclei stabili di varie masse atomiche (ricordate il diagramma dei nuclei stabili) e il loro confronto con la composizione qualitativa dei prodotti di fissione lo ha mostrato probabilità di formazionesostenibile i frammenti durante la fissione sono molto piccoli. E questo significa che nascono la stragrande maggioranza dei frammenti instabile e possono emettere uno, due, tre o anche più neutroni di fissione “superflui” per la loro stabilità, inoltre è chiaro che ogni specifico frammento eccitato deve emettere proprio, rigorosamente definito il numero di neutroni di fissione "superflui" per la sua stabilità.

Ma poiché ogni frammento con un gran numero di fissioni ha una resa specifica rigorosamente definita, quindi con un certo numero elevato di fissioni, anche il numero di frammenti di fissione formati di ciascun tipo sarà certo e, di conseguenza, il numero di neutroni di fissione emessi Anche i frammenti di ciascun tipo saranno certi, ma ciò significa che anche il loro numero totale sarà certo. Dividendo il numero totale di neutroni ricevuti nelle fissioni per il numero di fissioni in cui vengono ricevuti, dobbiamo ottenere numero medio di neutroni di fissione emessi in un evento di fissione, che, sulla base del ragionamento sopra esposto, deve essere anch'esso rigorosamente definito e costante per ogni tipo di nuclidi fissili. Questa costante fisica del nuclide fissile è indicata con  .

Secondo i dati del 1998 (il valore di questa costante viene periodicamente aggiornato in base ai risultati dell'analisi di esperimenti fisici in tutto il mondo) nella fissione sotto l'azione dei neutroni termici

Per l'uranio-235  5 = 2.416,

Per il plutonio-239  9 = 2.862,

Per il plutonio-241  1 = 2.938 ecc.

È utile l'ultima osservazione: il valore della costante  dipende essenzialmente dal valore dell'energia cinetica dei neutroni che provocano la fissione, e con la crescita di quest'ultima aumenta all'incirca in maniera direttamente proporzionale a E.

Per i due nuclidi fissili più importanti, le dipendenze approssimative (E) sono descritte da espressioni empiriche:

Per l'uranio-235  5 (E) = 2.416 + 0.1337 E;

Per il plutonio-239  9 (E) = 2.862 + 0.1357 E.

*) L'energia del neutrone E è sostituita in [MeV].

Pertanto, il valore della costante , calcolato con queste formule empiriche, a varie energie dei neutroni può raggiungere i seguenti valori:

Quindi, la prima caratteristica dei neutroni di fissione emessi durante la fissione di specifici nuclidi fissili è la caratteristica di questi nuclidi numero medio di neutroni di fissione prodotti in un evento di fissione .

Il fatto è che per tutti i nuclidi fissili  > 1, crea un prerequisito per la fattibilità catena Reazione di fissione dei neutroni. È chiaro che per implementare Reazione a catena di fissione autosufficienteè necessario creare le condizioni per uno da  neutroni ottenuti nell'atto della fissione certo che ha chiamato la successiva divisione di un altro nucleo, e riposo ( - 1) neutroni in qualche modo esclusi dalla fissione nucleare. Altrimenti l’intensità delle divisioni nel tempo crescerà come una valanga (come avviene in bomba atomica).

Poiché è ormai noto che il valore della costante  aumenta con l'aumento dell'energia dei neutroni che causano la fissione, sorge una domanda logica: con quale energia cinetica nato neutroni di fissione?

La risposta a questa domanda è data dalla seconda caratteristica dei neutroni di fissione, chiamata spettro energetico dei neutroni di fissione e rappresentare la funzione di distribuzione dei neutroni di fissione sulle loro energie cinetiche.

Se in un'unità di volume (1 cm 3) del mezzo in un dato momento, N neutroni di fissione di tutte le energie possibili, quindi spettro energetico normalizzatoè una funzione del valore energetico E, il cui valore, per ogni particolare valore di E, mostra quale parte (frazione) di tutti questi neutroni sono neutroni con energie dell'intervallo elementare dE vicine all'energia E. In altre parole, stiamo parlando dell'espressione

La distribuzione energetica dei neutroni di fissione è descritta in modo abbastanza accurato Funzione spettrale di Watt(watt):

N(E) = 0.4839
, (2.2.2)

la cui illustrazione grafica è fig.2.8. nella pagina successiva.

Lo spettro di Watt mostra che, sebbene i neutroni di fissione siano prodotti con un’ampia varietà di energie, collocate in un intervallo molto ampio, la maggior parte dei neutroni ha un'energia iniziale,uguale a E nv = 0,7104 MeV, corrispondente al massimo della funzione spettrale Watt. Il significato di questo valore è l'energia neutronica di fissione più probabile.

Un'altra quantità che caratterizza lo spettro energetico dei neutroni di fissione è energia media dei neutroni di fissione , cioè la quantità di energia che ogni neutrone di fissione avrebbe se l'energia reale totale di tutti i neutroni di fissione fosse equamente divisa tra loro:

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

La sostituzione nella (2.2.3) dell'espressione (2.2.2) dà il valore dell'energia media dei neutroni di fissione

E Mercoledì = 2,0 MeV

E questo significa questo quasi tutto vengono prodotti neutroni di fissione veloce(cioè con le energie E > 0.1 MeV). Ma ci sono pochi neutroni veloci con energie cinetiche relativamente elevate (meno dell'1%), anche se una quantità notevole di neutroni di fissione appare con energie fino a 18 - 20 MeV.

0 1 2 3 4 5 Å, MeV

Fig.2.8. Lo spettro energetico dei neutroni di fissione è lo spettro di Watt.

Gli spettri di neutroni di fissione per diversi nuclidi fissili differiscono l'uno dall'altro leggermente. Diciamo, per i nuclidi 235U e 239Pu che ci interessano principalmente, le energie medie dei neutroni di fissione (corrette in base ai risultati degli esperimenti fisici):

E av = 1.935 MeV - per 235 U ed E av = 2.00 MeV - per 239 Pu

Il valore dell'energia media dello spettro dei neutroni di fissione aumenta con l'energia dei neutroni che provocano la fissione, ma questo aumento è trascurabile(almeno nell'intervallo 10 - 12 MeV). Ciò consente di non tenerne conto e di calcolare approssimativamente lo spettro energetico dei neutroni di fissione comune per diversi combustibili nucleari e per reattori a spettro diverso (veloci, intermedi e termici).

Per l'uranio-238, nonostante la natura soglia della sua fissione, anche lo spettro dei neutroni di fissione coincide praticamente con l'espressione(2.2.2), e la dipendenza del numero medio di neutroni di fissione  8 dall'energia dei neutroni che causano la fissione - anch'esso quasi lineare a energie superiori alla soglia ( E P = 1.1 MeV):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Radioattività dei frammenti di fissione.È già stato detto che sono stati stabiliti circa 600 tipi di frammenti di fissione, diversi per massa e carica protonica, e che praticamente Tutto sono natimolto eccitato .

La questione è ulteriormente complicata dal fatto che portano con sé una notevole eccitazione e Dopo emissione di neutroni da fissione. Pertanto, nella loro naturale ricerca di stabilità, continuano a "scaricare" l'energia in eccesso al di sopra del livello dello stato fondamentale finché non viene raggiunto questo livello.

Questo rilascio avviene mediante emissione successiva di frammenti di tutti i tipi di radiazioni radioattive (radiazioni alfa, beta e gamma), e in diversi frammenti si verificano diversi tipi di decadimento radioattivo in sequenze diverse e (a causa delle differenze nei valori della costanti di decadimento ) vengono allungate a vari livelli nel tempo.

Pertanto, in un reattore nucleare funzionante, non solo il processo accumulo frammenti radioattivi, ma anche il processo della loro continua trasformazione: se ne conosce un gran numero Catene trasformazioni successive, che alla fine portano alla formazione di nuclei stabili, ma tutti questi processi richiedono tempi diversi, per alcune catene - molto piccoli, e per altre - piuttosto lunghi.

Pertanto, la radiazione radioattiva non solo accompagna la reazione di fissione lavorando reattore, ma anche emessi dal combustibile per lungo tempo dopo il suo spegnimento.

Questo fattore, in primo luogo, dà origine a un tipo speciale di pericolo fisico: il pericolo esposizione del personale, manutenzione dell'impianto del reattore, abbreviato come pericolo di radiazioni. Ciò costringe i progettisti dell'impianto del reattore a provvedere al suo ambiente. difesa biologica, posizionarlo in stanze isolate dall'ambiente e adottare una serie di altre misure per eliminare la possibilità di esposizione pericolosa delle persone e contaminazione radioattiva dell'ambiente.

In secondo luogo, dopo lo spegnimento del reattore, tutti i tipi di radiazione radioattiva, sebbene diminuendo di intensità, continuano a interagire con i materiali del nocciolo e, come gli stessi frammenti di fissione nel periodo iniziale della loro esistenza libera, trasferiscono la loro energia cinetica al gli atomi del mezzo centrale, aumentando la loro energia cinetica media. Questo è nel reattore dopo il suo spegnimento calore di decadimento .

È facile capire che la potenza del rilascio di calore residuo nel reattore al momento dello spegnimento è direttamente proporzionale al numero di frammenti accumulati durante il funzionamento del reattore in questo momento e viene determinata la velocità della sua diminuzione in futuro dall'emivita di questi frammenti. Da quanto detto ne segue un altro negativo fattore dovuto alla radioattività dei frammenti di fissione - necessitàlungosmorzamento nocciolo del reattore dopo lo spegnimento per rimuovere il calore residuo, e ciò è associato ad un notevole consumo di energia elettrica e di risorse motorie degli apparati di circolazione.

Pertanto, la formazione di frammenti radioattivi durante la fissione in un reattore è principalmente un fenomeno negativo, ma... non c'è niente di positivo!

Nelle trasformazioni radioattive dei frammenti di fissione si vede anche positivo aspetto a cui sono letteralmente i reattori nucleari devono la loro esistenza . Il fatto è che tra un gran numero di frammenti di fissione, ce ne sono circa 60 tipi che, dopo il primo decadimento , diventano neutrone attivo in grado di emettere i cosiddetti in ritardo neutroni. Nel reattore vengono emessi relativamente pochi neutroni ritardati (circa lo 0,6% del numero totale di neutroni generati), ma è proprio a causa della loro esistenza che è possibile gestione sicura reattore nucleare; Lo verificheremo studiando la cinetica di un reattore nucleare.

2.2.4. Il rilascio di energia durante la fissione. La reazione di fissione nucleare in fisica è una delle chiare conferme dell'ipotesi di A. Einstein sulla relazione tra massa ed energia, che, in relazione alla fissione nucleare, è formulata come segue:

La quantità di energia rilasciata durante la fissione nucleare è direttamente proporzionale al difetto di massa e il fattore di proporzionalità in questa relazione è il quadrato della velocità della luce:

E=  mc 2

Durante la fissione nucleare, l'eccesso (difetto) delle masse è definito come la differenza tra le somme delle masse rimanenti dei prodotti iniziali della reazione di fissione (cioè il nucleo e il neutrone) e i prodotti di fissione nucleare risultanti (frammenti di fissione, neutroni di fissione , e altre microparticelle emesse sia nel processo di fissione che dopo di lui).

L'analisi spettroscopica ha permesso di stabilire la maggior parte dei prodotti di fissione e le loro rese specifiche. Su questa base, non è stato così difficile calcolare privato l'entità dei difetti di massa per diversi risultati della fissione dei nuclei di uranio-235 e da essi - calcolare il valore medio dell'energia rilasciata in una singola fissione, che si è rivelato vicino

mc 2 = 200 MeV

Basta confrontare questo valore con l'energia sprigionata nell'atto di uno dei movimenti più endotermici chimico reazioni - reazioni di ossidazione del carburante per missili (meno di 10 eV) - per capire che a livello degli oggetti del micromondo (atomi, nuclei) 200 MeV - energia molto grande: è almeno otto ordini di grandezza (100 milioni di volte) maggiore dell'energia prodotta dalle reazioni chimiche.

L'energia di fissione viene dissipata dal volume dove è avvenuta la fissione del nucleo, attraverso vari materiali portatori: frammenti di fissione, neutroni di fissione, particelle  e , quanti  e perfino neutrini e antineutrini.

La distribuzione dell'energia di fissione tra i portatori di materiale durante la fissione dei nuclei 235 U e 239 Pu è riportata nella Tabella 2.1.

Tabella 2.1. Distribuzione dell'energia di fissione dei nuclei di uranio-235 e plutonio-239 tra i prodotti di fissione.

Portatori di energia di fissione		Plutonio-239
1. Energia cinetica dei frammenti di fissione
2. Energia cinetica dei neutroni di fissione
3. Energia dei quanti gamma rapidi
4. Energia degli -quanti dai prodotti di fissione
5. Energia cinetica della radiazione  dei frammenti
6. Energia dell'antineutrino

Vari componenti dell'energia di fissione vengono trasformati in calore non allo stesso tempo.

I primi tre componenti si trasformano in calore in meno di 0,1 s (contando dal momento della fissione), e quindi sono chiamati fonti di calore istantanee.

Le radiazioni  e  dei prodotti di fissione sono emesse da frammenti eccitati con con emivite diverse(da poche frazioni di secondo a diverse decine di giorni, se si prendono in considerazione solo i frammenti con output specifico notevole), e quindi il processo sopra menzionato calore residuo, che è dovuto proprio alle emissioni radioattive dei prodotti di fissione, può durare decine di giorni dopo lo spegnimento del reattore.

*) Secondo stime molto approssimative, la potenza del calore residuo nel reattore dopo lo spegnimento diminuisce nel primo minuto - del 30-35%, dopo la prima ora dallo spegnimento del reattore è circa il 30% della potenza alla quale il reattore è spento il reattore era in funzione prima dello spegnimento e dopo il primo giorno di parcheggio - circa il 25%. È chiaro che fermare il raffreddamento forzato del reattore in tali condizioni è fuori discussione anche un'interruzione a breve termine della circolazione del liquido di raffreddamento nel nucleo è irta del pericolo di distruzione termica degli elementi di combustibile. Solo dopo diversi giorni di raffreddamento forzato del reattore, quando la velocità di rilascio del calore residuo si è ridotta al livello rimosso a causa della convezione naturale del fluido refrigerante, i mezzi di circolazione del circuito primario possono essere arrestati.

La seconda domanda pratica per l’ingegnere: dove e quale parte dell'energia di fissione viene trasformata in calore nel reattore? - poiché ciò è dovuto alla necessità di organizzare un'equilibrata rimozione del calore dalle sue varie parti interne, progettate in diverse esecuzioni tecnologiche.

composizione del carburante, che contiene nuclidi fissili, è contenuto in gusci sigillati che impediscono l'uscita dei frammenti formati dalla composizione del combustibile degli elementi combustibili (barre di combustibile) nel liquido di raffreddamento che li raffredda. E, se i frammenti di fissione in un reattore funzionante non lasciano le barre di combustibile, è chiaro che le energie cinetiche dei frammenti e delle particelle  debolmente penetranti vengono convertite in calore all'interno delle barre di combustibile.

Le energie dei neutroni di fissione e della radiazione  vengono trasformate in calore solo all'interno degli elementi combustibili parzialmente: genera il potere penetrante dei neutroni e della radiazione  riporto gran parte della loro energia cinetica iniziale dai loro luoghi di nascita.

Conoscere il valore esatto dell'energia di fissione e la sua quota nel calore risultante all'interno delle barre di combustibile è di grande importanza pratica, poiché rende possibile calcolare un'altra caratteristica praticamente importante chiamata rilascio di calore volumetrico specifico nelle barre di combustibile (Q v).

Ad esempio, se è noto che in 1 cm 3 della composizione del combustibile di un elemento combustibile, in 1 s R F fissioni dei nuclei di uranio-235, è ovvio: la quantità di energia termica generata ogni secondo in questa unità di volume (= potenza termica di 1 cm 3 di combustibile) è il rilascio di calore volumetrico specifico (o intensità energetica) carburante, e questo valore sarà pari a:

Q v = 0.9 .  E . R F (2.2.5)

La quota di energia di fissione ottenuta come calore all'esterno degli elementi di combustibile nel nocciolo del reattore dipende dal tipo e dalla progettazione del reattore e rientra (6  9)% dell'energia di fissione totale. (Ad esempio, per VVER-1000 questo valore è circa pari all'8,3% e per RBMK-1000 - circa 7%).

Pertanto, la quota di calore totale rilasciato nel volume del nucleo dall’energia totale di fissione è 0,96  0,99, cioè con precisione tecnica coincide con l'energia totale di fissione.

Quindi - un'altra caratteristica tecnica del nocciolo del reattore:

- intensità di potenza media del nucleo(q v) az - potenza termica ricevuta per unità di volume del nucleo:

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

Poiché l'energia in 1 MeV nel sistema SI corrisponde a 1.602. 10-13 J, quindi il valore dell'intensità energetica del nocciolo del reattore:

(qv)az 3.204 . 10-11 R F .

Pertanto, se è noto il valore della densità di energia mediata sul volume della zona attiva, allora potenza termica del reattore sarà ovviamente:

Q P= (qv)az. V az 3.204. 10-11 . R F . V az [Mar] (2.2.7)

La potenza termica del reattore è direttamente proporzionale a velocità media

reazioni di fissione nella sua zona attiva.

Conseguenza pratica : Vuoi che il reattore funzioni?livello di potenza costante? - Crea le condizioni in esso affinché la reazione di fissione proceda nella sua zona attiva con velocità media costante nel tempo. Hai bisogno di aumentare (diminuire) la potenza del reattore? - Trova modi per aumentare (o diminuire) la velocità della reazione di conseguenza de lenia. Questo è il significato principale del controllo della potenza di un reattore nucleare.

I rapporti e le conclusioni considerati sembrano ovvi solo nel caso più semplice, quando il componente del combustibile nel reattore è un uranio-235. Ripetendo però il ragionamento per il reattore con multicomponente composizione del combustibile, è facile verificare la proporzionalità tra la velocità media della reazione di fissione e la potenza termica del reattore nel caso più generale.

Pertanto, la potenza termica del reattore e distribuzione del calore rilasciato nel suo nucleo sono direttamente proporzionali alla distribuzione della velocità di reazione di fissione sul volume della composizione del combustibile del nocciolo del reattore.

Ma da quanto detto risulta chiaro anche che la velocità della reazione di fissione dovrebbe essere correlato al numero di neutroni liberi nel mezzo centrale, poiché sono loro (neutroni liberi) che provocano reazioni di fissione, cattura radiativa, diffusione e altre reazioni neutroniche. In altre parole, la velocità della reazione di fissione, il rilascio di energia nel nocciolo e la potenza termica del reattore devono essere chiaramente correlati a Caratteristiche del campo neutronico nel suo ambito.

Dopo che è stata effettuata una reazione a catena incontrollata, che ha permesso di ottenere una quantità enorme di energia, gli scienziati si sono dati il ​​compito di eseguire una reazione a catena controllata. L'essenza di una reazione a catena controllata è la capacità di controllare i neutroni. Questo principio è stato applicato con successo nelle centrali nucleari (NPP).

L'energia di fissione dei nuclei di uranio viene utilizzata nelle centrali nucleari (NPP). Il processo di fissione dell'uranio è molto pericoloso. Pertanto, i reattori nucleari sono circondati da densi gusci protettivi. Un tipo comune di reattore ad acqua pressurizzata.

Il portatore di calore è l'acqua. L'acqua fredda entra nel reattore ad altissima pressione, che ne impedisce l'ebollizione.

L'acqua fredda, che passa attraverso il nocciolo del reattore, funge anche da moderatore: rallenta i neutroni veloci in modo che colpiscano i nuclei di uranio e causino una reazione a catena.

Il combustibile nucleare (uranio) si trova nel nucleo sotto forma di barre di assemblaggio del combustibile. Le barre di combustibile nel complesso si alternano con barre di controllo che regolano la velocità della fissione nucleare assorbendo neutroni veloci.

Durante la fissione viene rilasciata una grande quantità di calore. L'acqua riscaldata lascia il nucleo sotto pressione a una temperatura di 300°C ed entra nella centrale elettrica, che ospita generatori e turbine.

L'acqua calda proveniente dal reattore riscalda fino all'ebollizione l'acqua del circuito secondario. Il vapore viene inviato alle pale della turbina e la fa ruotare. L'albero rotante trasferisce energia al generatore. Nel generatore l'energia meccanica di rotazione viene convertita in energia elettrica. Il vapore viene raffreddato e l'acqua viene restituita al reattore.

Come risultato di questi processi complessi, una centrale nucleare genera elettricità.

Come puoi vedere, l'isotopo fissile si trova nelle barre di combustibile situate nel nocciolo del reattore, formando una massa critica. La reazione nucleare è controllata da barre di controllo in boro o cadmio. Le barre di controllo, come le barre di combustibile, si trovano nel nocciolo del reattore e, come una spugna che assorbe l'acqua, agiscono sui neutroni, assorbendoli. L'operatore della centrale nucleare, regolando il numero di barre di controllo nel nocciolo del reattore, controlla la velocità del processo nucleare: lo rallenta abbassando le barre di controllo nel nocciolo del reattore; o accelera - sollevando le aste.

Sembrerebbe che tutto vada bene: l'energia nucleare è una fonte inesauribile di elettricità ad alta tecnologia e il futuro le appartiene. Così si pensava prima del 26 agosto 1986. L'incidente al quarto blocco della centrale nucleare di Chernobyl ha capovolto tutto: l'atomo "pacifico" si è rivelato non così pacifico, se trattato con disprezzo.

È stato scritto molto materiale a riguardo. Qui verrà data la quintessenza (essenza compressa) della catastrofe.

Le principali cause dell'incidente della 4a unità di potenza della centrale nucleare di Chernobyl:

1. Programma non sufficientemente ben congegnato dell'esperimento tecnologico sull'esaurimento del turbogeneratore;
2. Errori di calcolo da parte degli sviluppatori del reattore nucleare RBMK, in cui un ruolo significativo è stato svolto dalla mancanza di informazioni operative sul margine di reattività nel nocciolo nel sistema di controllo;
3. Le "libertà" del personale della centrale nucleare che ha condotto l'esperimento e hanno consentito deviazioni dalle norme del lavoro svolto.

Tutto questo insieme ha portato al disastro. Tra gli specialisti che indagavano sugli eventi di Chernobyl, c'era qualcosa di simile a questa formula: "gli operatori sono riusciti a far saltare in aria il blocco, e il reattore ha permesso loro di farlo". Parte della colpa di Chernobyl ricade quasi su tutti, sui fisici che eseguono calcoli utilizzando modelli semplificati, sugli assemblatori che saldano con noncuranza le giunture e sugli operatori che si permettono di ignorare il programma di lavoro.

Anatomia dell'incidente di Chernobyl in poche parole

1. È stato consentito ridurre la potenza del reattore a un valore molto piccolo (circa l'1% del valore nominale). Questo è "cattivo" per il reattore, perché cade nella "fossa di iodio" e inizia l'avvelenamento da xeno del reattore. Secondo la "normalità" era necessario spegnere il reattore, ma in questo caso l'esperimento sull'esaurimento della turbina non sarebbe stato effettuato, con tutte le conseguenze amministrative che ne conseguono. Di conseguenza, il personale di Chernobyl ha deciso di aumentare la potenza del reattore e continuare l'esperimento.

2. Dal materiale presentato sopra si può vedere che l'operatore della centrale nucleare può controllare la velocità della reazione nucleare (potenza del reattore) spostando le barre di controllo nel nocciolo del reattore. Per aumentare la potenza del reattore (per completare l'esperimento), quasi tutte le barre di controllo furono rimosse dal nocciolo del reattore.

Per renderlo più chiaro al lettore che non ha familiarità con le "sottigliezze nucleari", si può fare la seguente analogia con un carico sospeso su una molla:

• Il carico (o meglio la sua posizione) è la potenza del reattore;
• La molla è un mezzo per controllare il carico (la potenza del reattore).
• Nella posizione normale, il peso e la molla sono in equilibrio: il peso è ad una certa altezza e la molla è allungata di una certa quantità.
• Con il guasto dell'alimentazione del reattore ("pozzo di iodio"), il carico è caduto a terra (e è andato molto forte).
• Per "estrarre" il reattore, l'operatore "tirò la molla" (tirò fuori le aste di comando; ma era necessario esattamente il contrario: inserire tutte le aste e spegnere il reattore, cioè rilasciare la molla in modo che il carico cade a terra). Tuttavia, il sistema carico-molla presenta una certa inerzia e, per un certo periodo di tempo, dopo che l'operatore ha iniziato a sollevare la molla, il carico continua a spostarsi verso il basso. E l'operatore continua ad accostarsi.
• Alla fine, il carico raggiunge il suo punto più basso e, sotto l'influenza delle forze della molla (già decenti), inizia a muoversi verso l'alto: la potenza del reattore inizia ad aumentare bruscamente. Il carico vola verso l'alto sempre più velocemente (una reazione a catena incontrollata con rilascio di un'enorme quantità di calore) e l'operatore non può più fare nulla per estinguere l'inerzia del movimento verso l'alto del carico. Di conseguenza, il carico colpisce l'operatore sulla fronte.

Sì, gli operatori della centrale nucleare di Chernobyl, che hanno permesso l'esplosione della centrale, hanno pagato il prezzo più alto per il loro errore: la vita.

Perché il personale della centrale nucleare di Chernobyl ha agito in questo modo? Uno dei motivi era il fatto che il sistema di controllo del reattore nucleare non forniva all'operatore informazioni operative sui processi pericolosi che si verificano nel reattore.

Così inizia il suo libro A.S. Dyatlov "Chernobyl. Com'era":

Il 26 aprile 1986, all'una e ventitré minuti e quaranta secondi, Alexander Akimov, il supervisore di turno dell'Unità 4 di Chernobyl, ordinò lo spegnimento del reattore al termine dei lavori effettuati prima dello spegnimento dell'unità di potenza per le riparazioni previste. Il comando è stato dato in un ambiente di lavoro tranquillo, il sistema di controllo centralizzato non registra un singolo segnale di emergenza o di avvertimento sulla deviazione dei parametri del reattore o dei sistemi di servizio. L'operatore del reattore Leonid Toptunov ha rimosso il cappuccio dal pulsante AZ, che impedisce una pressione errata accidentale, e ha premuto il pulsante. A questo segnale, 187 barre di controllo del reattore iniziarono a scendere nel nocciolo. Le spie di retroilluminazione sul pannello mnemonico si accesero e le frecce degli indicatori di posizione dell'asta iniziarono a muoversi. Alexander Akimov, in piedi mezzo girato verso il pannello di controllo del reattore, osservò questo, vide anche che i "coniglietti" degli indicatori di squilibrio AR "sfrecciavano a sinistra" (la sua espressione), come dovrebbe essere, il che significava una diminuzione della potenza del reattore, rivolta al pannello di sicurezza, dietro il quale è stata osservata nell'esperimento.
Ma poi è successo qualcosa che nemmeno la fantasia più sfrenata poteva prevedere. Dopo una leggera diminuzione, la potenza del reattore iniziò improvvisamente ad aumentare a un ritmo sempre crescente, apparvero gli allarmi. L. Toptunov ha gridato di un aumento di potere di emergenza. Ma non c'era niente che potesse fare. Ha fatto tutto quello che poteva: ha tenuto premuto il pulsante AZ, le aste CPS sono entrate nel nucleo. Non ci sono altre risorse a sua disposizione. Sì, e anche tutti gli altri. A. Akimov gridò bruscamente: "Spegni il reattore!" Saltò alla console e diseccitò le frizioni elettromagnetiche dei motori ad asta del CPS. L'azione è corretta, ma inutile. Dopotutto, la logica CPS, cioè tutti i suoi elementi dei circuiti logici, hanno funzionato correttamente, le aste sono entrate nella zona. Ora è chiaro: dopo aver premuto il pulsante AZ non c'erano azioni corrette, non c'erano mezzi di salvezza. L'altra logica è fallita!
Seguirono due potenti esplosioni con un breve intervallo. Le aste AZ hanno smesso di muoversi prima di arrivare a metà strada. Non avevano nessun altro posto dove andare.
In un'ora, ventitré minuti e quarantasette secondi, il reattore fu distrutto da un aumento di potenza sui neutroni immediati. Questo è un collasso, la catastrofe definitiva che può accadere in un reattore nucleare. Non l'hanno capito, non si sono preparati, non sono previste misure tecniche per la localizzazione nel blocco e nella stazione ...

Cioè, pochi secondi prima del disastro, lo staff non sospettava nemmeno il pericolo imminente! La fine di tutta questa assurda situazione è stata la pressione del pulsante di emergenza, dopo di che si è verificata un'esplosione: corri in macchina e premi i freni davanti a un ostacolo, ma l'auto accelera ancora di più e si schianta contro un ostacolo. In tutta onestà, va detto che premere il pulsante di emergenza non poteva più influenzare la situazione - ha solo accelerato per alcuni istanti l'inevitabile esplosione del reattore, ma resta il fatto - la protezione di emergenza ha fatto esplodere il reattore !

L'impatto delle radiazioni sugli esseri umani

Perché i disastri nucleari causati dall’uomo (per non parlare delle armi nucleari) sono così pericolosi?

Oltre a rilasciare un'enorme quantità di energia, che porta a una grande distruzione, le reazioni nucleari sono accompagnate da radiazioni e, di conseguenza, dalla contaminazione radioattiva dell'area.

Perché le radiazioni sono così dannose per un organismo vivente? Se non avesse arrecato un tale danno a tutti gli esseri viventi, tutti si sarebbero dimenticati da tempo dell'incidente di Chernobyl e le bombe atomiche sarebbero state lanciate a destra ea sinistra.

Le radiazioni distruggono le cellule di un organismo vivente in due modi:

1. a causa del riscaldamento (ustione da radiazioni);
2. a causa della ionizzazione delle cellule (malattia da radiazioni).

Le particelle radioattive e la radiazione stessa hanno un'elevata energia cinetica. La radiazione genera calore. Questo calore, per analogia con una scottatura solare, provoca un'ustione da radiazioni, distruggendo i tessuti del corpo.

Un diagramma schematico di un reattore nucleare a neutroni termici (lento) è mostrato in Fig. 5.1, qui 1 - barre di controllo, 2 - protezione biologica, 3 - protezione termica, 4 - moderatore, 5 - combustibile nucleare (TVEL).

Quando un neutrone colpisce il nucleo dell'isotopo dell'uranio 235, si divide in due parti e diversi (2,5-3) nuovi neutroni secondari volano via. Affinché una reazione a catena possa essere mantenuta in un reattore nucleare, è necessario che la massa di combustibile nucleare nel nocciolo del reattore non sia meno critica. Il reattore deve contenere tale quantità 235U in modo che, in media, almeno uno del numero di neutroni prodotti in ciascun evento di fissione potrebbe causare l'evento di fissione successivo prima che lasci il nocciolo del reattore.

Figura 5.1. Schema schematico di un reattore nucleare a neutroni termici

Se il numero di neutroni viene mantenuto costante, la reazione di fissione sarà stazionaria.. Maggiore è il livello stazionario del numero di neutroni esistenti, maggiore è la potenza del reattore. Una potenza di 1 MW corrisponde ad una reazione a catena in cui si verificano 3 10 16 divisioni in 1 secondo.

Se il numero di neutroni aumenta, si verificherà un'esplosione termica, se diminuisce, la reazione si fermerà. La velocità di reazione è controllata con aste di controllo 1.

Lo stato attuale di un reattore nucleare può essere caratterizzato dall'efficacia fattore di moltiplicazione dei neutroni o reattività, che sono legati dalla relazione:

Questi valori sono caratterizzati dai seguenti valori:

· - la reazione a catena aumenta nel tempo, il reattore è in uno stato supercritico, la sua reattività ;

· , - il numero di fissioni nucleari è costante, il reattore è in uno stato critico stabile.

Un reattore nucleare può funzionare a lungo a una determinata potenza solo se ha un margine di reattività all'inizio del funzionamento. Durante il funzionamento di un reattore nucleare, a causa dell'accumulo di frammenti di fissione nel combustibile, la sua composizione isotopica e chimica cambia e si formano elementi transuranici, principalmente Pu. I processi che si svolgono nel reattore riducono la possibilità di una reazione a catena di fissione dei nuclei atomici.

Per mantenere e attuare una reazione a catena, è necessario limitare l'assorbimento dei neutroni da parte dei materiali che circondano il nocciolo del reattore. Ciò si ottiene utilizzando tali materiali (per la protezione biologica 2 e termica 3), che riflettono almeno parzialmente (idealmente il 50%) i neutroni, cioè non li ha consumati. Di particolare importanza è la scelta del liquido refrigerante che serve a trasferire il calore dal nocciolo alla turbina.

I neutroni prodotti a seguito della fissione possono essere veloci (avere un'alta velocità) e lenti (termici). Probabilità di cattura di un neutrone lento da parte di un nucleo 235U e la sua successiva scissione è maggiore di quella di un neutrone veloce. Pertanto, le barre di combustibile 5 sono circondate da speciali moderatori 4, che rallentano i neutroni, assorbendoli debolmente. Per ridurre la fuoriuscita di neutroni dal reattore, è dotato di un riflettore. Grafite, pesante ( D2O), acqua normale, ecc.

Il numero di neutroni stazionari determina il numero di frammenti di fissione nucleare che si formano, che si disperdono in direzioni diverse con grande velocità. La decelerazione dei frammenti porta al riscaldamento del combustibile e delle pareti delle barre di combustibile. Per rimuovere questo calore, il reattore viene alimentato refrigerante, il cui riscaldamento è lo scopo del funzionamento del reattore. Spesso la stessa sostanza, come l'acqua normale, svolge le funzioni refrigerante, moderatore e riflettore. L'acqua viene fornita al reattore utilizzando pompe di circolazione principali(MCP).