«бейбіт» атом. Ядролық реактордың жұмыс істеу принципі Жаңа материалды түсіндіру

Артқа алға

Назар аударыңыз! Слайдтарды алдын ала қарау тек ақпараттық мақсаттарға арналған және презентацияның барлық мүмкіндіктерін көрсетпеуі мүмкін. Егер сізді осы жұмыс қызықтырса, толық нұсқасын жүктеп алыңыз.

Сабақтың мақсаттары:

• Тәрбиелік: бұрыннан бар білімді жаңарту; түсініктерді қалыптастыруды жалғастыру: уран ядроларының бөлінуі, ядролық тізбекті реакция, оның пайда болу шарттары, критикалық массасы; жаңа ұғымдарды енгізу: ядролық реактор, ядролық реактордың негізгі элементтері, ядролық реактордың құрылымы және оның жұмыс істеу принципі, ядролық реакцияны басқару, ядролық реакторлардың классификациясы және оларды пайдалану;
• Тәрбиелік: бақылау және қорытынды жасау дағдыларын дамытуды жалғастыру, сонымен қатар оқушылардың интеллектуалдық қабілеттері мен білуге ​​құштарлығын дамыту;
• Тәрбиелік: эксперименттік ғылым ретінде физикаға деген көзқарасты дамытуды жалғастыру; еңбекке, тәртіпке, білімге деген позитивті көзқарасқа тәрбиелеу.

Сабақтың түрі:жаңа материалды меңгерту.

Жабдық:мультимедиалық орнату.

Сабақтар кезінде

1. Ұйымдастыру кезеңі.

Жігіттер! Бүгін сабақта уран ядроларының ыдырауын, ядролық тізбекті реакцияны, оның пайда болу жағдайларын, критикалық массасын қайталаймыз, ядролық реактордың не екенін, ядролық реактордың негізгі элементтерін, ядролық реактордың құрылымын білеміз. және оның жұмыс істеу принципі, ядролық реакцияны басқару, ядролық реакторлардың жіктелуі және оларды пайдалану.

2. Оқыған материалды тексеру.

1. Уран ядроларының бөліну механизмі.
2. Ядролық тізбекті реакцияның механизмі туралы айтыңыз.
3. Уран ядросының ядролық бөліну реакциясына мысал келтіріңіз.
4. Критикалық масса деп нені атайды?
5. Уранның массасы критикалықдан аз немесе критикалықдан үлкен болса, онда тізбекті реакция қалай жүреді?
6. 295 уранның сындық массасы қандай?Критикалық массаны азайтуға болады ма?
7. Ядролық тізбекті реакцияның жүруін қандай жолдармен өзгертуге болады?
8. Жылдам нейтрондарды бәсеңдетудің мақсаты қандай?
9. Модераторлар ретінде қандай заттар қолданылады?
10. Қандай факторлардың әсерінен уран бөлігіндегі бос нейтрондардың санын көбейтіп, сол арқылы онда реакцияның жүру мүмкіндігін қамтамасыз етуге болады?

3. Жаңа материалды түсіндіру.

Балалар, мына сұраққа жауап беріңдер: Кез келген атом электр станциясының негізгі бөлігі неден тұрады? ( ядролық реактор)

Жарайсың. Ендеше, балалар, енді осы мәселені толығырақ қарастырайық.

Тарихи анықтама.

Игорь Васильевич Курчатов – көрнекті кеңес физигі, академик, 1943-1960 жылдар аралығында Атом энергиясы институтының негізін қалаушы және бірінші директоры, КСРО-дағы атом мәселесінің бас ғылыми жетекшісі, атом энергиясын бейбіт мақсатта пайдаланудың негізін салушылардың бірі. . КСРО Ғылым академиясының академигі (1943). Бірінші кеңестік атом бомбасы 1949 жылы сынақтан өтті. Төрт жылдан кейін әлемдегі алғашқы сутегі бомбасы сәтті сынақтан өтті. Ал 1949 жылы Игорь Васильевич Курчатов атом электр станциясының жобасында жұмыс істей бастады. Атом электр станциясы – атом энергиясын бейбіт мақсатта пайдаланудың жаршысы. Жоба сәтті аяқталды: 1954 жылы 27 шілдеде біздің атом электр станциясы әлемде бірінші болды! Курчатов балаша қуанып, көңіл көтерді!

Ядролық реактордың анықтамасы.

Ядролық реактор - белгілі бір ауыр ядролардың бөлінуінің басқарылатын тізбекті реакциясы жүзеге асырылатын және сақталатын құрылғы.

Бірінші ядролық реактор 1942 жылы АҚШ-та Э.Фермидің басшылығымен салынды. Біздің елімізде алғашқы реактор 1946 жылы И.В.Курчатовтың басшылығымен салынды.

Ядролық реактордың негізгі элементтері:

• ядролық отын (уран 235, уран 238, плутоний 239);
• нейтронды модератор (ауыр су, графит және т.б.);
• реактор жұмысы кезінде пайда болатын энергияны кетіруге арналған салқындатқыш сұйықтық (су, сұйық натрий және т.б.);
• Басқару таяқшалары (бор, кадмий) – жоғары сіңіретін нейтрондар
• Радиацияны блоктайтын қорғаныс қабығы (темір толтырғышы бар бетон).

Жұмыс принципі ядролық реактор

Ядролық отын өзекте отын элементтері (отын элементтері) деп аталатын тік шыбықтар түрінде орналасқан. Жанармай штангалары реактор қуатын реттеуге арналған.

Әрбір жанармай штангасының массасы критикалық массадан айтарлықтай аз, сондықтан бір штангада тізбекті реакция болуы мүмкін емес. Ол барлық уран таяқшалары өзекке батырылғаннан кейін басталады.

Ядро нейтрондарды көрсететін зат қабатымен (шағылыстырғыш) және нейтрондар мен басқа бөлшектерді ұстайтын бетонның қорғаныс қабығымен қоршалған.

Отын ұяшықтарынан жылуды кетіру. Салқындату сұйықтығы, су, штанганы жуады, жоғары қысымда 300 ° C дейін қызады және жылу алмастырғыштарға түседі.

Жылуалмастырғыштың рөлі мынада: 300°С дейін қыздырылған су кәдімгі суға жылу беріп, буға айналады.

Ядролық реакцияны бақылау

Реакторды басқару кадмий немесе бор бар таяқшалар арқылы жүзеге асырылады. Штангаларды реактор өзегінен ұзартқанда, K > 1, ал толық тартылғанда - K.< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Баяу нейтронды реактор.

Уран-235 ядроларының ең тиімді бөлінуі баяу нейтрондардың әсерінен жүреді. Мұндай реакторлар баяу нейтронды реакторлар деп аталады. Бөліну реакциясы нәтижесінде пайда болатын екінші реттік нейтрондар жылдам. Олардың тізбекті реакциядағы уран-235 ядроларымен кейінгі әрекеттесуі барынша тиімді болуы үшін ядроға модераторды – нейтрондардың кинетикалық энергиясын төмендететін затты енгізу арқылы баяулайды.

Жылдам нейтронды реактор.

Жылдам нейтронды реакторлар табиғи уранда жұмыс істей алмайды. Реакция тек құрамында кемінде 15% уран изотопы бар байытылған қоспада ғана сақталуы мүмкін. Жылдам нейтронды реакторлардың артықшылығы - олардың жұмысы плутонийдің айтарлықтай мөлшерін шығарады, содан кейін оны ядролық отын ретінде пайдалануға болады.

Гомогенді және гетерогенді реакторлар.

Ядролық реакторлар отынның және модератордың салыстырмалы орналасуына байланысты біртекті және гетерогенді болып бөлінеді. Біртекті реакторда ядро ​​– ерітінді, қоспа немесе балқыма түріндегі отынның, модератордың және салқындатқыштың біртекті массасы. Блоктар немесе отын жинақтары түріндегі отын модераторға орналастырылған, онда тұрақты геометриялық тор түзетін реактор гетерогенді деп аталады.

Атом ядроларының ішкі энергиясының электр энергиясына айналуы.

Ядролық реактор жылу атом энергиясын электр энергиясына түрлендіретін атом электр станциясының (АЭС) негізгі элементі болып табылады. Энергияны түрлендіру келесі схема бойынша жүреді:

• уран ядроларының ішкі энергиясы -
• нейтрондар мен ядро ​​фрагменттерінің кинетикалық энергиясы -
• судың ішкі энергиясы
• будың ішкі энергиясы -
• будың кинетикалық энергиясы -
• турбиналық ротор мен генератор роторының кинетикалық энергиясы -
• Электр энергиясы.

Ядролық реакторларды қолдану.

Тағайындалуына қарай ядролық реакторлар күштік реакторлар, түрлендіргіштер мен селекционерлер, ғылыми-зерттеу және көп мақсатты, көліктік және өнеркәсіптік болуы мүмкін.

Ядролық энергетикалық реакторлар атом электр станцияларында, кеме электр станцияларында, атомдық біріктірілген жылу-электр станцияларында және атомдық жылумен жабдықтау станцияларында электр энергиясын өндіру үшін қолданылады.

Табиғи уран мен торийден екінші реттік ядролық отынды өндіруге арналған реакторлар конвертерлер немесе селекционерлер деп аталады. Конвертер реакторында екінші реттік ядролық отын бастапқы тұтынылғаннан азырақ өндіреді.

Селекционер реакторында ядролық отынның кеңейтілген молайтуы жүзеге асырылады, яғни. жұмсалғанынан көп болып шығады.

Зерттеу реакторлары нейтрондардың затпен әрекеттесу процестерін зерттеу, нейтрондық және гамма-сәулеленудің қарқынды өрістерінде реактор материалдарының әрекетін зерттеу, радиохимиялық және биологиялық зерттеулер, изотоптарды алу, ядролық реакторлардың физикасы бойынша тәжірибелік зерттеулер жүргізу үшін қолданылады.

Реакторлардың әртүрлі қуаттары бар, стационарлық немесе импульстік жұмыс режимдері. Көпмақсатты реакторлар - энергия өндіру және ядролық отын өндіру сияқты бірнеше мақсаттарға қызмет ететін реакторлар.

Атом электр станцияларындағы экологиялық апаттар

• 1957 – Ұлыбританиядағы апат
• 1966 - Детройт маңындағы реактордың салқындату сәтсіздігінен кейін ядроның ішінара еруі.
• 1971 - АҚШ өзеніне көп ластанған су құйылды
• 1979 - АҚШ-тағы ең ірі апат
• 1982 ж. – атмосфераға радиоактивті будың шығуы
• 1983 - Канададағы қорқынышты апат (радиоактивті су 20 минут бойы ағып кетті - минутына тонна)
• 1986 – Ұлыбританиядағы апат
• 1986 жыл – Германиядағы апат
• 1986 жыл – Чернобыль атом электр станциясы
• 1988 ж. – Жапониядағы атом электр станциясындағы өрт

Заманауи атом электр станциялары ДК-мен жабдықталған, бірақ бұрын, апаттан кейін де реакторлар жұмысын жалғастырды, өйткені автоматты өшіру жүйесі болмаған.

4. Материалды бекіту.

1. Ядролық реактор қалай аталады?
2. Реактордағы ядролық отын дегеніміз не?
3. Қандай зат ядролық реакторда нейтронды баяулатқыш қызметін атқарады?
4. Нейтрондық модератордың мақсаты қандай?
5. Басқару штангалары не үшін қолданылады? Олар қалай пайдаланылады?
6. Ядролық реакторларда салқындатқыш ретінде не қолданылады?
7. Неліктен әрбір уран таяқшасының массасы критикалық массадан аз болуы керек?

5. Тесттің орындалуы.

1. Уран ядроларының ыдырауына қандай бөлшектер қатысады?
   A. протондар;
   B. нейтрондар;
   B. электрондар;
   G. гелий ядролары.
2. Уранның қандай массасы маңызды?
   A. тізбекті реакция мүмкін болатын ең үлкені;
   B. кез келген масса;
   B. тізбекті реакция мүмкін болатын ең кішісі;
   D. реакция тоқтайтын масса.
3. 235 уранның шамамен критикалық массасы қандай?
   A. 9 кг;
   B. 20 кг;
   B. 50 кг;
   Г. 90 кг.
4. Төмендегі заттардың қайсысын ядролық реакторларда нейтронды баяулатқыш ретінде қолдануға болады?
   A. графит;
   B. кадмий;
   B. ауыр су;
   G. бор.
5. Атом электр станциясында ядролық тізбекті реакция болуы үшін нейтрондардың көбейту коэффициенті:
   A. 1-ге тең;
   B. 1-ден көп;
   V. 1-ден аз.
6. Ядролық реакторлардағы ауыр атом ядроларының бөліну жылдамдығын бақылайды:
   А. стерженьдерді абсорбермен түсіргенде нейтрондардың жұтылуына байланысты;
   B. салқындатқыш жылдамдығының жоғарылауымен жылуды алудың жоғарылауына байланысты;
   B. тұтынушыларды электр энергиясымен қамтамасыз етуді ұлғайту арқылы;
   Штангаларды отынмен алып тастау кезінде ядродағы ядролық отынның массасын азайту арқылы Г.
7. Ядролық реакторда қандай энергия түрлендірулері жүреді?
   A. атом ядроларының ішкі энергиясы жарық энергиясына айналады;
   B. атом ядроларының ішкі энергиясы механикалық энергияға айналады;
   B. атом ядроларының ішкі энергиясы электр энергиясына айналады;
   D. жауаптардың ешқайсысы дұрыс емес.
8. 1946 жылы Кеңес Одағында бірінші ядролық реактор салынды. Бұл жобаның жетекшісі кім болды?
   А.С. Королев;
   Б.И. Курчатов;
   В.Д.Сахаров;
   Г.А.Прохоров.
9. Атом электр станцияларының сенімділігін арттыру және сыртқы ортаның ластануына жол бермеу үшін қандай жолды ең қолайлы деп санайсыз?
   A. оператордың еркіне қарамастан реактордың өзегін автоматты түрде суытуға қабілетті реакторларды әзірлеу;
   B. АЭС пайдалану сауаттылығын, АЭС операторларының кәсіби дайындығының деңгейін арттыру;
   B. атом электр станцияларын бөлшектеуге және радиоактивті қалдықтарды өңдеуге арналған жоғары тиімді технологияларды әзірлеу;
   D. реакторлардың жер астында терең орналасуы;
   D. атом электр станциясын салудан және пайдаланудан бас тарту.
10. Қоршаған ортаны ластаудың қандай көздері атом электр станцияларының жұмысымен байланысты?
    A. уран өнеркәсібі;
    B. әртүрлі типтегі ядролық реакторлар;
    B. радиохимия өнеркәсібі;
    D. радиоактивті қалдықтарды өңдеу және көму учаскелері;
    D. радионуклидтерді халық шаруашылығында пайдалану;
    E. ядролық жарылыстар.

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

6. Сабақты қорытындылау.

Бүгін сабақта қандай жаңа нәрсені білдіңіз?

Сізге сабақ не ұнады?

Қандай сұрақтарыңыз бар?

САБАҚТА ЖҰМЫСТАРЫҢЫЗ ҮШІН РАХМЕТ!

Ауыр ядролардың бөлінуінің нейтрондық ядролық реакциясы, жоғарыда айтылғандай, ядролық реакторлардағы негізгі және орталық реакция болып табылады. Сондықтан, ең күрделі техникалық кешеннің өмірі мен күнделікті өмірінің барлық аспектілеріне қандай да бір түрде із қалдыратын бөліну реакциясының физикалық тұжырымдамаларымен және оның ерекшеліктерімен танысудың басынан мағынасы бар. атом электр станциясы деп аталады.

Уран-235 ядросының ыдырауы туралы түсінік визуалды суреттерде 2.6-суретте келтірілген.

Массаның нейтрондық ядросы A Қоздырылған қосылыс ядросы Бөліну фрагменттері

Бөлінетін нейтрондар

2.6-сурет. 235 U ядролық бөлінудің схемалық көрінісі.

Осы диаграмманың негізінде жалпыланған бөліну реакциясы «теңдеуі» (бұл қатаң математикалық емес, логикалық) келесідей жазылуы мүмкін:

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

- (F 1)* және (F 2)* - символдық белгілер толқығанбөліну фрагменттері (бұдан әрі индекс (*) тұрақсыз, қозған немесе радиоактивті элементтерді білдіреді); фрагменттің (F 1)* массасы А 1 және заряды Z 1, фрагменттің (F 2)* массасы А 2 және заряды Z 2;

-  5 . 1 n белгіленген  уран-235 ядросының әрбір бөліну оқиғасында орта есеппен бөлінетін 5 бөліну нейтрондары;

- ,  және  - -бөлшектер, -бөлшектер және -кванттар, олардың орташа сандары уран-235 ядросының бөліну актісі бойынша сәйкесінше a, b және c-қа тең;

E – бөліну әрекетінде бөлінетін энергияның орташа мөлшері.

Тағы да атап өтейік: жоғарыда жазылған өрнек сөздің қатаң мағынасында теңеу емес; Керісінше, бұл нейтрондардың бөліну реакциясының негізгі ерекшеліктерін көрсететін жай ғана есте сақтау оңай белгі түрі:

а) бөліну фрагменттерінің түзілуі;

б) бөліну кезінде жаңа бос нейтрондардың түзілуі, біз оны бұдан былай қысқаша атаймыз бөлінетін нейтрондар;

в) ядролық реакторларды жобалау, салу және пайдалану кезінде ескерілуі тиіс оң да, пайдалы да, теріс те бірқатар жанама әсерлерге әкелетін, олардың одан әрі тұрақты түзілімдерге айналуын тудыратын бөліну фрагменттерінің радиоактивтілігі;

г) бөліну кезінде энергияның бөлінуі бөліну реакциясының негізгі қасиеті болып табылады, бұл құруға мүмкіндік береді жігерлі ядролық реактор.

Бөліну реакциясымен жүретін жоғарыда аталған физикалық процестердің әрқайсысы реакторда белгілі бір рөл атқарады және өзінің практикалық мәні бар. мағынасы. Сондықтан олармен толығырақ танысайық.

2.2.1. Бөліну фрагменттерінің түзілуі.Ядролық бөлінудің жалғыз актісін белгілі бір дәрежеде құбылыс ретінде айтуға болады кездейсоқ 92 протон мен 143 нейтроннан тұратын ауыр уран ядросының атомдық массасы әртүрлі әртүрлі сандағы фрагменттерге бөлуге қабілетті екенін ескерсек. Бұл жағдайда ядроны 2, 3 немесе одан да көп фрагменттерге бөлу мүмкіндігін бағалауға ықтималдық өлшемдермен жақындауға болады. Келтірілген мәліметтерге сәйкес, ядроның екі фрагментке бөліну ықтималдығы 98% -дан астам, сондықтан бөлінулердің басым көпшілігі дәл екі фрагменттің пайда болуымен аяқталады.

Бөліну өнімдерінің спектроскопиялық зерттеулері әртүрлі атомдық массалары бар 600-ден астам сапалы әр түрлі бөліну фрагменттерін анықтады. Міне, көрінетін апатта, көптеген бөлімшелермен бірден біреуі пайда болды жалпы үлгіоны қысқаша былайша көрсетуге болады:

Белгілі бір нуклидтің массалық ыдырауы кезінде белгілі бір атомдық массаның фрагментінің пайда болу ықтималдығы осы бөлінетін нуклидке тән қатаң анықталған шама болып табылады.

Бұл мөлшер әдетте деп аталады нақты фрагмент шығымы , шағын грек әрпімен белгіленген  мен(гамма) төменгі белгісімен - бұл фрагменті ядро ​​болып табылатын химиялық элементтің таңбасы немесе изотоптың таңбасы.

Мысалы, физикалық тәжірибелерде ксенон-135 (135 Xe) фрагменті орташа есеппен үш жағдайда 235 U ядролардың мың ыдырауында пайда болатыны жазылған. Бұл 135 Xe фрагменттерінің нақты кірістілігін білдіреді

 Xe= 3/1000 = барлық бөлімдердің 0,003,

және 235 U ядросының бір реттік бөліну оқиғасына қатысты мәні  Xe = 0,003 = 0,3% - болып табылады. бөліну нәтижесінде фрагменттің пайда болу ықтималдығы 135 Хе.

Әртүрлі атомдық массалардың бөліну фрагменттерінің түзілу заңдылығының нақты бағасы фрагменттердің меншікті шығымының қисық сызықтары арқылы берілген (2.7-сурет).

10

70 80 90 100 110 120 130 140 150 А, а.м.

Күріш. 2.7. Әртүрлі атомдық массалардың бөліну фрагменттерінің меншікті шығымдары

235 U (тұтас сызық) және 239 Pu (үзік сызық) ядроларының бөлінуі кезінде.

Бұл қисықтардың табиғаты келесі қорытынды жасауға мүмкіндік береді:

а) Бөліну кезінде түзілген фрагменттердің атомдық массалары басым көпшілігінде 70  165 аму диапазонында жатады. Жеңіл және ауыр фрагменттердің үлестік шығымы өте аз (10 -4% аспайды).

б) Ядролардың симметриялық ыдырауы (яғни массалары бірдей екі фрагментке бөлінуі) өте сирек кездеседі: олардың меншікті шығымы уран-235 ядросы үшін 0,01%, плутоний-239 ядросы үшін 0,04% аспайды.

в) Көбінесе қалыптасады өкпе 83  104 аму шегінде массалық сандары бар фрагменттер. Және ауырфрагменттері А = 128  149 a.m.u. (олардың меншікті кірістілігі 1% немесе одан да көп).

г) Жылулық нейтрондардың әсерінен 239 Пу бөлінуі бірнеше түзілуіне әкеледі. неғұрлым ауырфрагменттері 235 U бөліну фрагменттерімен салыстырғанда.

*) Болашақта реактордың кинетикасын және оның улану және қождану процестерін зерттеген кезде, біз сипаттайтын дифференциалдық теңдеулерді құру кезінде көптеген бөліну фрагменттерінің меншікті кірістерінің мәндеріне бірнеше рет сілтеме жасауымыз керек. реактордың ядросындағы физикалық процестер.

Бұл шаманың ыңғайлылығы, бөліну реакциясының жылдамдығын (уақыт бірлігіндегі отын құрамының бірлік көлеміне бөліну саны) біле отырып, жинақталуы кез келген бөліну фрагменттерінің түзілу жылдамдығын есептеу оңай. реактордағы оның жұмысына қандай да бір түрде әсер етеді:

i-ші фрагменттің генерация жылдамдығы =  мен  (бөлу реакциясының жылдамдығы)

Бөліну фрагменттерінің пайда болуына қатысты тағы бір ескерту. Бөліну кезінде пайда болатын бөліну фрагменттері бар жоғары кинетикалық энергиялар.Жанармай құрамы ортасының атомдарымен соқтығысқан кезде олардың кинетикалық энергиясын беру арқылы, осылайша бөліну фрагменттері атомдар мен молекулалардың кинетикалық энергиясының орташа деңгейін жоғарылату,ол кинетикалық теорияның идеяларына сәйкес, біз ретінде қабылданады температураның жоғарылауыжанармай құрамы немесе қалай ондағы жылу генерациясы.

Реактордағы жылудың көп бөлігі осылай түзіледі.

Бұл ядролық энергетикалық реактордың жұмыс процесінде фрагменттердің пайда болуының белгілі бір оң рөлі.

2.2.2. Бөлінетін нейтрондардың өндірісі.Ауыр ядролардың бөліну процесінде жүретін негізгі физикалық құбылыс болып табылады қозған бөліну фрагменттері арқылы екінші реттік жылдам нейтрондардың шығарылуы,әйтпесе шақырды жедел нейтрондарнемесе бөлінетін нейтрондар.

Бұл құбылыстың маңызы (Ф. Жолио-Кюри және оның әріптестері ашқан – Альбано мен Коварский - 1939 жылы) даусыз: соның арқасында ауыр ядролардың ыдырауы кезінде бөлінуді тудырғандардың орнына жаңа бос нейтрондар пайда болады; бұл жаңа нейтрондар отынның басқа бөлінетін ядроларымен әрекеттесіп, олардың бөлінуіне, содан кейін жаңа бөлінетін нейтрондардың шығарылуына және т.б.Яғни, бөлінетін нейтрондардың пайда болуына байланысты мүмкін болады ұйымдастыру Сыртқы көзден отын бар ортаға бос нейтрондар берілмей, уақыт бойынша біркелкі жүретін бөліну процесі. Мұндай жеткізуде, жай сөзбен айтқанда, қажет емес, егер оның көмегімен ядролық ыдырау жүзеге асырылатын «құралдар» табылғанша міне, дәл осы ортада, бөлінетін ядролардағы байланысқан күйде; Байланысқан нейтрондарды «іске қосу» үшін оларды тек еркін ету керек, яғни ядроны фрагменттерге бөлу керек, содан кейін фрагменттердің өзі бәрін аяқтайды: олардың қозған күйіне байланысты олар «қосымша» шығарады. ” нейтрондар олардың құрамынан шығып, олардың тұрақтылығына кедергі келтіреді және бұл 10 -15 - 10 -13 с уақыт аралығында болады, бұл қосынды ядроның қозған күйде қалу уақытымен шама ретімен сәйкес келеді. Бұл сәйкестік бөлінетін нейтрондар пайда болады деген идеяны тудырды бөліну аяқталғаннан кейін нейтрондармен аса қаныққан қоздырылған бөліну фрагменттерінен емес, тікелей ядролық бөліну орын алатын қысқа уақыт кезеңінде.Яғни, жоқ кейінбөлу актісі және кезіндебұл әрекет, ядроның жойылуымен бір мезгілде сияқты. Дәл сол себепті бұл нейтрондар жиі аталады жедел нейтрондар.

Әртүрлі атомдық массалардың тұрақты ядроларындағы протондар мен нейтрондардың мүмкін комбинацияларын талдау (тұрақты ядролар диаграммасын есте сақтаңыз) және оларды бөліну өнімдерінің сапалық құрамымен салыстыру қалыптасу ықтималдығытұрақты Бөліну кезінде фрагменттер өте аз.Бұл фрагменттердің басым көпшілігі туылғанын білдіреді тұрақсызжәне олардың тұрақтылығы үшін бір, екі, үш немесе одан да көп «қосымша» бөліну нейтрондарын шығара алады және әрбір нақты қоздырылған фрагмент шығаруы керек екені анық. сіздің жеке, қатаң анықталған,оның тұрақтылығы үшін бөлінетін нейтрондар саны «қосымша».

Бірақ бөліну саны көп әрбір фрагменттің қатаң анықталған нақты кірісі болғандықтан, бөлінулердің белгілі бір үлкен санымен түзілген әрбір типтегі бөліну фрагменттерінің саны да белгілі болады, демек, бөліну нейтрондарының саны да белгілі болады. әрбір түрінің фрагменттері де белгілі болады, және, Бұл олардың жалпы саны да белгілі болады дегенді білдіреді. Бөліну кезінде пайда болған нейтрондардың жалпы санын олар пайда болған бөліну санына бөлсек, біз мынаны алуымыз керек. бір бөліну оқиғасында бөлінетін нейтрондардың орташа саны, ол жоғарыда келтірілген пайымдауларға сүйене отырып, сонымен қатар қатаң түрде анықталуы керек және бөлінетін нуклидтердің әрбір түрі үшін тұрақты.Бөлінетін нуклидтің бұл физикалық тұрақтысы белгіленген  .

1998 жылғы мәліметтер бойынша (бұл тұрақтының мәні бүкіл әлем бойынша физикалық эксперименттерді талдау нәтижелері бойынша мерзімді түрде жаңартылып отырады) жылу нейтрондарының әсерінен бөліну кезінде

Уран-235 үшін  5 = 2.416,

Плутоний-239 үшін  9 = 2.862,

Плутоний-241 үшін  1 = 2,938 және т.б.

Соңғы ескерту пайдалы:  тұрақтысының мәні Бөлінуді тудыратын нейтрондардың кинетикалық энергиясының шамасына айтарлықтай тәуелді және соңғысы артқан сайын ол шамамен Е-ге тура пропорционалды түрде артады.

Ең маңызды екі бөлінетін нуклидтер үшін (E) жуық тәуелділік эмпирикалық өрнектермен сипатталады:

Уран-235 үшін  5 (E) = 2.416 + 0.1337 Е;

Плутоний-239 үшін  9 (E) = 2.862 + 0.1357 Е.

*) Нейтрон энергиясы Е [МеВ]-де ауыстырылады.

Осылайша, осы эмпирикалық формулалар арқылы есептелетін  тұрақтысының мәні әртүрлі нейтрондық энергиялар кезінде келесі мәндерге жетуі мүмкін:

Сонымен, спецификалық бөлінетін нуклидтердің ыдырауы кезінде бөлінетін нейтрондардың бірінші сипаттамасы тән болып табылады. бөліну кезінде түзілетін бөліну нейтрондарының орташа саны .

Бұл барлық бөлінетін нуклидтер үшін бұл факт  > 1, орындылығы үшін алғышарт жасайды шынжыр нейтрондардың бөліну реакциясы. жүзеге асыруға болатыны анық өздігінен жүретін тізбекті бөліну реакциясыболатындай жағдай жасау керек бірбөліну әрекетінде алынған  нейтрондардан міндетті түрде шақырыладыбасқа ядроның келесі бөлінуі, және демалыс ( - 1) қандай да бір жолмен нейтрондар ядролық ыдырау процесінен шығарылды.Әйтпесе, бөліну қарқындылығы уақыт өте келе көшкін сияқты артады (бұл атом бомбасы).

Тұрақтының мәні енді белгілі болғандықтан  бөлінетін нейтрондардың энергиясының жоғарылауымен артады, логикалық сұрақ туындайды: қандай кинетикалық энергиямен туғанбөлінетін нейтрондар?

Бұл сұраққа жауап нейтрондардың бөлінуінің екінші сипаттамасы деп аталады бөлінетін нейтрондардың энергетикалық спектріжәне бөліну нейтрондарының олардың кинетикалық энергиялары бойынша таралу функциясын көрсетеді.

Егер ортаның көлемі бірлігінде (1 см3) белгілі бір уақытта қарастырылған сәтте пайда болса nонда барлық ықтимал энергиялардың бөліну нейтрондары нормаланған энергия спектріЕ энергиясының шамасының функциясы болып табылады, оның мәні Е кез келген нақты мәнінде көрсетеді Осы барлық нейтрондардың қандай бөлігі (пропорциясы) энергияға жақын dE элементар интервалына ие нейтрондар? E. Басқаша айтқанда, біз өрнек туралы айтып отырмыз

Бөлінетін нейтрондардың энергиясының таралуы өте дәл сипатталған Ватттың спектрлік функциясы(Ватт):

n(Е) = 0.4839
, (2.2.2)

графикалық суреті 2.8-сурет. келесі бетте.

Ватт спектрі бөліну нейтрондары өте кең диапазонда жатқан өте әртүрлі энергиялармен өндірілгенімен, нейтрондардың көпшілігінің бастапқы энергиясы болады,тең Е nv = 0,7104 МэВ, Ватттың спектрлік функциясының максимумына сәйкес. Мағынасы бойынша бұл мән бөлінетін нейтрондардың ең ықтимал энергиясы.

Бөлінетін нейтрондардың энергетикалық спектрін сипаттайтын тағы бір шама бөліну нейтрондарының орташа энергиясы , яғни барлық бөліну нейтрондарының жалпы нақты энергиясы олардың арасында тең бөлінген жағдайда әрбір бөлінетін нейтронға ие болатын энергия мөлшері:

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

(2.2.2) өрнекті (2.2.3) орнына қою нейтрондардың бөліну энергиясының орташа мәнін береді.

Е Сәр = 2,0 МэВ

Және бұл дегеніміз барлығы дерлікбөлінетін нейтрондар пайда болады жылдам(яғни, энергиямен Е > 0.1 МэВ). Бірақ салыстырмалы түрде жоғары кинетикалық энергиясы бар жылдам нейтрондар аз (1%-дан аз) өндіріледі, дегенмен бөліну нейтрондарының айтарлықтай саны 18-20 энергияға дейін пайда болады. МэВ.

0 1 2 3 4 5 E, МэВ

2.8-сурет. Бөлінетін нейтрондардың энергетикалық спектрі Ватт спектрі болып табылады.

Әртүрлі бөлінетін нуклидтер үшін бөліну нейтрондарының спектрлері бір-бірінен ерекшеленеді сәл. Айталық, бізді бірінші кезекте қызықтыратын 235 U және 239 Pu нуклидтері үшін бөліну нейтрондарының орташа энергияларының мәндері (физикалық эксперименттердің нәтижелері бойынша түзетілген):

E av = 1,935 МэВ - 235 U үшін және E av = 2,00 МэВ - 239 Pu үшін

Бөлінетін нейтрондар спектрінің орташа энергиясының мәні бөлінуді тудыратын нейтрондардың энергиясының жоғарылауымен артады, бірақ бұл өсу шамалы(кем дегенде 10 - 12 МэВ диапазонында). Бұл бізге оны елемеуге және бөліну нейтрондарының энергетикалық спектрін шамамен есептеуге мүмкіндік береді әртүрлі ядролық отындар және әртүрлі спектрлі (жылдам, аралық және термиялық) реакторлар үшін біркелкі.

Уран-238 үшін оның бөлінуінің шекті сипатына қарамастан, нейтрондардың бөліну спектрі де өрнекпен іс жүзінде сәйкес келеді.(2.2.2) және бөлінетін нейтрондардың орташа санының тәуелділігі  8 бөлінетін нейтрондардың энергиясынан - сонымен қатар іс жүзінде сызықтықшекті мәннен жоғары энергияларда ( Е П = 1.1 МэВ):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389Е. (2.2.4)

2.2.3. Бөліну фрагменттерінің радиоактивтілігі.Бөліну фрагменттерінің массасы мен протондық зарядтары бойынша ерекшеленетін 600-ге жуық түрі анықталғаны және іс жүзінде Барлық олар туадықатты толқыдым .

Мәселе одан әрі күрделене түседі, олар айтарлықтай толқуды және көтереді кейін бөліну нейтрондарының эмиссиясы. Сондықтан, тұрақтылыққа табиғи ұмтылыспен олар осы деңгейге жеткенше артық энергияны негізгі күйдің деңгейінен жоғары «төгуді» жалғастырады.

Бұл разряд радиоактивті сәулеленудің барлық түрлерінің (альфа, бета және гамма-сәулелену) фрагменттерінің дәйекті эмиссиясы арқылы жүзеге асырылады, ал әр түрлі фрагменттер үшін радиоактивті ыдыраудың әртүрлі түрлері әртүрлі реттілікпен және (мәндердің айырмашылығына байланысты) жүреді. ыдырау константаларының ) уақыт бойынша әртүрлі дәрежеде созылады.

Осылайша, жұмыс істеп тұрған ядролық реакторда процесс қана емес үнемдеурадиоактивті фрагменттер, сонымен қатар олардың үздіксіз процесі түрлендіру: үлкен саны белгілі тізбектердәйекті түрлендірулер, сайып келгенде, тұрақты ядролардың пайда болуына әкеледі, бірақ бұл процестердің барлығы әртүрлі уақыттарды талап етеді, кейбір тізбектер үшін - өте қысқа, ал басқалары үшін - айтарлықтай ұзақ.

Сондықтан радиоактивті сәулелену тек бөліну реакциясымен бірге жүрмейді жұмыс істейдіреактор, бірақ ол өшірілгеннен кейін ұзақ уақыт бойы отынмен шығарылады.

Бұл фактор, біріншіден, физикалық қауіптің ерекше түрін – қауіпті тудырады персоналға әсер ету,қысқаша аталған реактор қондырғысына қызмет көрсету радиациялық қауіп. Бұл реактор зауытының дизайнерлерін қоршаған ортаны қамтамасыз етуге мәжбүр етеді. биологиялық қорғау,оны қоршаған ортадан оқшауланған үй-жайларға орналастыру және адамдарға қауіпті әсер ету және қоршаған ортаның радиоактивті ластану мүмкіндігін жою үшін бірқатар басқа шараларды қабылдау.

Екіншіден, реакторды тоқтатқаннан кейін радиоактивті сәулеленудің барлық түрлері қарқындылығы азайса да, ядроның материалдарымен әрекеттесуін жалғастырады және ыдырау фрагменттерінің өздері сияқты олардың еркін өмір сүруінің бастапқы кезеңінде кинетикалық энергиясын береді. ядро ортасының атомдары, олардың орташа кинетикалық энергиясын арттырады.Яғни тоқтағаннан кейін реакторда ыдырау жылуы .

Өшіру сәтіндегі реактордағы қалдық жылу бөлінуінің қуаты сол сәтте реактор жұмысы кезінде жинақталған фрагменттердің санына тура пропорционал болатынын түсіну оңай, ал оның төмендеу жылдамдығы кейіннен осы фрагменттердің жартылай шығарылу кезеңі. Айтылғандардан келесісі шығады терісбөліну фрагменттерінің радиоактивтілігіне байланысты фактор - қажеттілікұзақ мерзімдісалқындату өшірілгеннен кейін реактор өзегіқалдық жылуды кетіру үшін және бұл электр энергиясын айтарлықтай тұтынумен және айналым жабдығының қозғалтқышының қызмет ету мерзімімен байланысты.

Осылайша, реактордағы ыдырау кезінде радиоактивті фрагменттердің пайда болуы негізінен құбылыс болып табылады. теріс, бірақ... әр бұлттың күміс сыры бар!

Бөліну фрагменттерінің радиоактивті түрленуін де көруге болады оңаспект ядролық реакторлардың сөзбе-сөз мағынасында олардың бар болуына қарыздар . Бөліну фрагменттерінің алуан түрлілігінің ішінде бірінші -ыдырағаннан кейін 60-қа жуық түрі бар. нейтроактивті , деп аталатын шығаруға қабілетті артта қалунейтрондар. Реакторда салыстырмалы түрде аз кешіктірілген нейтрондар шығарылады (генерацияланған нейтрондардың жалпы санының шамамен 0,6%), бірақ олардың бар болуының арқасында мүмкін болды. қауіпсіз басқару ядролық реактор; Бұған ядролық реактордың кинетикасын зерттегенде көз жеткіземіз.

2.2.4. Бөліну кезінде энергияның бөлінуі.Физикадағы ядролық бөліну реакциясы А.Эйнштейннің масса мен энергия арасындағы байланыс туралы гипотезасының айқын дәлелдерінің бірі болып табылады, ол ядролық бөлінуге қатысты келесідей тұжырымдалады:

Ядроның бөлінуі кезінде бөлінетін энергия мөлшері массалық ақаудың мөлшеріне тура пропорционал, ал бұл қатынастағы пропорционалдық коэффициенті жарық жылдамдығының квадраты болып табылады:

E=  мс 2

Ядролық бөліну кезінде массаның артықтығы (кемтігі) бөліну реакциясының бастапқы өнімдерінің (яғни, ядро ​​мен нейтрон) және ядролық бөлінудің нәтижесінде пайда болған өнімдерінің (бөлу фрагменттері, бөліну) қалған массаларының қосындысының айырмасы ретінде анықталады. бөліну процесі кезінде де, одан кейін де шығарылатын нейтрондар және басқа микробөлшектер).

Спектроскопиялық талдау ыдырау өнімдерінің көпшілігін және олардың нақты шығымдылығын анықтауға мүмкіндік берді. Осы негізде есептеу қиын емес болып шықты жекеУран-235 ядроларының бөлінуінің әртүрлі нәтижелері үшін массалық ақаулардың шамасы және олардан есептеңіз бір бөліну кезінде бөлінетін энергияның орташа мөлшері, ол жақын болып шықты

mc 2 = 200 МэВ

Бұл мәнді ең эндотермиялық бірінің әрекетінде бөлінетін энергиямен салыстыру жеткілікті химиялықреакциялар - зымыран отынының тотығу реакциялары (мәні 10 эВ төмен) - микроскопиялық объектілер деңгейінде (атомдар, ядролар) 200 екенін түсіну. МэВ - өте жоғары энергия: ол химиялық реакциялардан алынатын энергиядан кем дегенде сегіз рет (100 миллион есе) артық.

Бөліну энергиясы әртүрлі материал арқылы ядролық ыдырау орын алған көлемнен бөлінеді тасымалдаушылар: бөліну фрагменттері, бөліну нейтрондары, - және -бөлшектер, -кванттар және тіпті нейтринолар мен антинейтринолар.

235 U және 239 Pu ядроларының ыдырауы кезінде материалдық тасымалдаушылар арасында бөліну энергиясының таралуы 2.1-кестеде келтірілген.

2.1-кесте. Уран-235 және плутоний-239 ядроларының бөліну энергиясының бөліну өнімдері арасында таралуы.

Бөліну энергиясының тасымалдаушылары		Плутоний-239
1. Бөліну фрагменттерінің кинетикалық энергиясы
2. Бөлінетін нейтрондардың кинетикалық энергиясы
3. Лездік гамма кванттардың энергиясы
4. Бөліну өнімдерінен -кванттар энергиясы
5. -бөлшектердің сәулеленуінің кинетикалық энергиясы
6. Антинейтрино энергиясы

Бөліну энергиясының әртүрлі компоненттері жылуға айналады бір мезгілде емес.

Алғашқы үш компонент 0,1 с-тан аз уақыт ішінде (бөліну сәтінен бастап есептегенде) жылуға айналады, сондықтан деп аталады. Жылу шығарудың лезде көздері.

Бөліну өнімдерінен - және -сәулеленулер қозғалған фрагменттермен шығарылады. ең әртүрлі жартылай шығарылу кезеңі(секундтың бірнеше бөліктерінен бірнеше ондаған күнге дейін, егер біз тек фрагменттері бар фрагменттерді ескерсек айтарлықтай ерекше өнімділік), демек, жоғарыда аталған процесс ыдырау жылуыБөліну өнімдерінің радиоактивті шығарындылары дәл туындаған , реактор жабылғаннан кейін ондаған күнге созылуы мүмкін.

*) Өте өрескел бағалаулар бойынша реактордағы қалдық жылуды шығару қуаты оны тоқтатқаннан кейін бірінші минутта – 30-35%-ға төмендейді; реакторды сөндірудің бірінші сағатынан кейін ол қуаттың шамамен 30%-ын құрайды. онда реактор тоқтағанға дейін жұмыс істеді, ал бірінші күн тұрақтан кейін - шамамен 25 пайыз. Мұндай жағдайларда реакторды мәжбүрлеп суытуды тоқтату сөз болмайтыны анық, өйткені Тіпті ядродағы салқындатқыштың айналымын қысқа мерзімді тоқтату отын элементтерінің термиялық жойылу қаупіне толы. Реакторды бірнеше күн мәжбүрлеп салқындатқаннан кейін, қалдық жылу шығару қуаты табиғи конвекцияның әсерінен жойылған салқындатқыштың деңгейіне дейін азайған кезде, бастапқы контурдың айналым құралдарын тоқтатуға болады.

Инженерге екінші практикалық сұрақ: бөліну энергиясының қай жерде және қай бөлігі реакторда жылуға айналады? - өйткені бұл әртүрлі технологиялық конструкцияларда жобаланған оның әртүрлі ішкі бөліктерінен теңгерімді жылу шығаруды ұйымдастыру қажеттілігіне байланысты.

Жанармай құрамы, құрамында бөлінетін нуклидтер, жанармай элементтерінің (отын элементтері) жанармай құрамынан түзілген фрагменттердің оларды салқындату сұйықтығына босатуға жол бермейтін тығыздалған қабықтарда болады. Ал егер жұмыс істеп тұрған реактордағы бөліну фрагменттері отын элементтерінен шықпаса, фрагменттердің және әлсіз енетін -бөлшектердің кинетикалық энергиялары жылуға айналатыны анық. жанармай штангаларының ішінде.

Бөлінетін нейтрондардың және -сәулеленудің энергиясы тек отын элементтерінің ішінде жылуға айналады. ішінара: нейтрондардың ену қабілеті және -сәулелену тудырады тартуолардың бастапқы кинетикалық энергиясының көпшілігі туған жерінен.

Бөліну энергиясының нақты мәнін және оның отын элементтерінің ішіндегі пайда болатын жылу үлесін білудің практикалық маңызы зор, бұл басқа бір маңызды сипаттаманы есептеуге мүмкіндік береді. жанармай штангасының отынындағы меншікті көлемдік жылу бөлінуі (q v).

Мысалы, егер отын элементінің отын құрамының 1 см 3-де 1 с. Р f уран-235 ядроларының ыдырауы, онда анық: осы бірлік көлемінде әрбір секундта түзілетін жылу энергиясының мөлшері (= 1 см 3 отынның жылу қуаты) меншікті көлемдік жылу бөлінуі (немесе) энергия қарқындылығы) отын және бұл мән мынаған тең болады:

q v = 0.9 .  Е . Р f (2.2.5)

Реактордың өзегiндегi отын элементтерiнен тыс жылу түрiнде алынған бөлiну энергиясының үлесi оның түрi мен конструкциясына байланысты және бөлiну энергиясының жалпы көлемiнде (6  9)% құрайды. (Мысалы, VVER-1000 үшін бұл мән шамамен 8,3%, ал RBMK-1000 үшін шамамен 7%).

Осылайша, жалпы бөліну энергиясының негізгі көлеміндегі жалпы жылу бөлінуінің үлесі 0,96  0,99, яғни. техникалық дәлдікпен жалпы бөліну энергиясымен сәйкес келеді.

Демек, реактор ядросының тағы бір техникалық сипаттамасы:

- ядроның орташа энергия қарқындылығы(q v) az - ядроның көлемі бірлігіне алынатын жылу қуаты:

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

Өйткені энергия 1-ге тең МэВ SI жүйесінде ол 1,602-ге сәйкес келеді. 10 -13 Дж, онда реактор ядросының энергия сыйымдылығының мәні:

(q v) az  3.204 . 10 -11 Р f .

Сондықтан, егер ядроның көлемі бойынша орташа энергия қарқындылығының мәні белгілі болса, онда реактордың жылу қуатыболатыны анық:

Q б= (q v) az. В аз 3.204. 10–11 . Р f . В аз [В] (2.2.7)

Реактордың жылу қуаты тура пропорционал орташа жылдамдық

оның өзегіндегі бөліну реакциялары.

Практикалық салдары : Реактор жұмыс істегенін қалайсыз ба?тұрақты қуат деңгейі? -Онда оның белсенді аймағында бөліну реакциясы болатындай жағдай жасаңыз уақыт бойынша тұрақты орташа жылдамдықпен.Реактордың қуатын арттыру (азайту) керек пе? - Сәйкесінше реакция жылдамдығын арттыру (немесе азайту) жолдарын табыңызде ления.Бұл ядролық реактордың қуатын басқарудың негізгі мағынасы.

Қарастырылған байланыстар мен қорытындылар тек қарапайым жағдайда ғана айқын көрінеді, реактордағы отын құрамдас бөлігі бір уран-235 болған кезде. Дегенмен, реактор үшін дәлелді қайталау көпкомпоненттіотынның құрамы бойынша орташа бөліну реакциясының жылдамдығының пропорционалдылығын және реактордың жылу қуатын ең жалпы жағдайда тексеру оңай.

Осылайша, реактордың жылу қуаты және оның өзегінде жылудың таралуыреактор ядросының отын құрамының көлеміне бөліну реакциясының жылдамдығының таралуына тура пропорционал.

Бірақ айтылғандардан бөліну реакциясының жылдамдығы да анық негізгі ортадағы бос нейтрондар санына байланысты болуы керек, өйткені олар (бос нейтрондар) бөліну реакцияларын, сәулеленуді, шашырауды және басқа нейтрондық реакцияларды тудырады. Басқаша айтқанда, бөліну реакциясының жылдамдығы, ядродағы энергияның бөлінуі және реактордың жылу қуаты нақты байланысты болуы керек нейтрон өрісінің сипаттамасыоның көлемінде.

Үлкен энергияны алуға мүмкіндік беретін бақыланбайтын тізбекті реакция жүргізілгеннен кейін ғалымдар басқарылатын тізбекті реакцияны жүзеге асыру міндетін қойды. Басқарылатын тізбекті реакцияның мәні нейтрондарды басқару қабілетінде жатыр. Бұл принцип атом электр станцияларында (АЭС) сәтті қолданылды.

Уран ядроларының бөліну энергиясы атом электр станцияларында (АЭС) қолданылады. Уранның ыдырау процесі өте қауіпті. Сондықтан ядролық реакторлар тығыз қорғаныс қабықтарымен қоршалған. Реактордың кең таралған түрі - қысымды су.

Салқындатқыш су. Суық су реакторға өте жоғары қысыммен түседі, бұл оның қайнауына жол бермейді.

Реактордың өзегі арқылы өтетін суық су да модератор ретінде әрекет етеді - жылдам нейтрондарды уран ядроларына соғып, тізбекті реакция тудыратындай баяулатады.

Ядролық отын (уран) ядрода жанармай құрастыру штангалары түрінде орналасқан. Жинақтағы жанармай өзектері жылдам нейтрондарды жұту арқылы ядролық бөліну жылдамдығын реттейтін басқару шыбықтарымен кезектесіп отырады.

Бөліну көп мөлшерде жылу бөледі. Қыздырылған су 300?С температурасымен қысыммен ядродан шығып, генераторлар мен турбиналар орналасқан электр станциясына түседі.

Реактордан шыққан ыстық су екінші контурдағы суды қайнағанша қыздырады. Бу турбина қалақтарына бағытталып, оны айналдырады. Айналмалы білік энергияны генераторға береді. Генераторда механикалық айналу энергиясы электр энергиясына айналады. Бу салқындап, су реакторға қайта оралады.

Осы күрделі процестердің нәтижесінде атом электр станциясы электр тогын шығарады.

Көріп отырғаныңыздай, бөлінетін изотоп реактордың өзегінде орналасқан отын өзектерінде орналасып, критикалық массаны құрайды. Ядролық реакция бордан немесе кадмийден жасалған бақылау таяқшалары арқылы басқарылады. Басқару шыбықтары жанармай таяқшалары сияқты реактордың өзегінде орналасқан және суды сіңіретін губка сияқты нейтрондарға әсер етіп, оларды сіңіреді. АЭС операторы реактордың өзегіндегі басқару штангаларының санын реттей отырып, ядролық процестің жылдамдығын бақылайды: ол басқару шыбықтарын реактордың өзегіне түсіру арқылы оны баяулатады; немесе штангаларды көтеру арқылы оны жылдамдатады.

Бәрі керемет сияқты - атом энергиясы - электр энергиясының сарқылмайтын жоғары технологиялық көзі және ол болашақ. 1986 жылдың 26 ​​тамызына дейін халық осылай ойлады. Чернобыль атом электр станциясының төртінші блогындағы апат барлығын төңкеріп жіберді - «бейбіт» атом жек көретін болса, соншалықты бейбіт емес болып шықты.

Бұл туралы көптеген материалдар жазылған. Мұнда апаттың квинтэссенциясы (конденсацияланған мәні) беріледі.

Чернобыль атом электр станциясының 4-ші энергоблогындағы апаттың негізгі себептері:

1. Турбогенератордың істен шығуы бойынша технологиялық тәжірибенің жеткіліксіз ойластырылған бағдарламасы;
2. РБМК ядролық реакторын жасаушылардың қате есептеулері, мұнда ядродағы реактивтілік қоры туралы басқару жүйесінде жедел ақпараттың болмауы маңызды рөл атқарды;
3. Эксперимент жүргізген және жүргізіліп жатқан жұмыстардың ережелерінен ауытқуға жол берген АЭС қызметкерлерінің «еркіндіктері».

Мұның бәрі бірігіп апатқа әкелді. Чернобыльдағы оқиғаларды зерттеген мамандардың арасында мынадай формула бар: «Операторлар қондырғыны жарып үлгерді, ал реактор оларға бұған рұқсат берді». Чернобыль кінәсінің бір бөлігі дерлік барлығында - жеңілдетілген үлгілер арқылы есептеулер жүргізетін физиктерде, тігістерді ұқыпсыз дәнекерлеуші ​​монтаждаушыларда және жұмыс ережелерін елемеуге мүмкіндік беретін операторларда.

Чернобыль апатының анатомиясы қысқаша

1. Реактор қуатын өте аз мәнге дейін төмендетуге рұқсат етілді (шамамен номиналды мәннің 1%). Бұл реактор үшін «жаман», өйткені ол «йод шұңқырына» түсіп, реактордың ксенонмен улануы басталады. «Қалыпты» тәсілге сәйкес, реакторды өшіру қажет болды, бірақ бұл жағдайда барлық әкімшілік салдарлармен турбинаның бұзылуы эксперименті жүргізілмес еді. Нәтижесінде Чернобыль АЭС қызметкерлері реактордың қуатын арттырып, тәжірибені жалғастыруға шешім қабылдады.

2. Жоғарыда келтірілген материалдан атом электр станциясының операторы реактордың өзегіне басқару таяқшаларын жылжыту арқылы ядролық реакцияның жылдамдығын (реактор қуатын) басқара алатыны анық. Реактордың қуатын арттыру үшін (тәжірибені аяқтау үшін) реактордың өзегінен барлық дерлік басқару штангалары алынды.

«Ядролық нәзіктіктермен» таныс емес оқырманға түсінікті болу үшін серіппеге ілінген жүкке келесідей ұқсастықты келтіруге болады:

• Жүктеме (дәлірек айтқанда оның орны) реактордың қуаты;
• Серіппе жүктемені (реактордың қуатын) басқару құралы болып табылады.
• Қалыпты жағдайда жүк пен серіппе тепе-теңдікте болады - жүк белгілі бір биіктікте, ал серіппе белгілі бір мөлшерде созылады.
• Реактор қуаты істен шыққан кезде («йод шұңқыры») жүктеме жерге түсті (және өте қатты кетті).
• Реакторды «шығару» үшін оператор «серіппені тартты» (басқару штангаларын суырып алды; бірақ керісінше істеу керек болды - барлық штангаларды салып, реакторды өшіріңіз, яғни серіппені босатыңыз, осылайша реакторды босатыңыз. жүк жерге түседі). Бірақ жүкті серіппе жүйесінде біршама инерция бар және оператор серіппені жоғары тарта бастағаннан кейін біраз уақыттан кейін жүк әлі де төмен қарай жылжиды. Ал оператор жоғары қарай тарта береді.
• Ақырында, жүктеме ең төменгі нүктеге жетеді және (қазірдің өзінде лайықты) серіппелі күштердің әсерінен ол жоғары қарай жылжи бастайды - реактордың қуаты күрт өсе бастайды. Жүк жоғарыға қарай жылдамырақ ұшады (үлкен жылу мөлшерінің бөлінуімен бақыланбайтын тізбекті реакция) және оператор жүктің жоғары қозғалысының инерциясын өшіру үшін енді ештеңе істей алмайды. Нәтижесінде жүк оператордың маңдайына тиеді.

Иә, энергоблоктың жарылуына жол берген Чернобыль атом электр станциясының операторлары өздерінің қателігі үшін ең жоғары бағаны – өмірлерін төледі.

Чернобыль АЭС қызметкерлері неге осылай әрекет етті? Себептердің бірі ядролық реакторды басқару жүйесінің операторға реакторда болып жатқан қауіпті процестер туралы жедел ақпарат бермеуі болды.

А.С.Дятлов кітабын осылай бастайды "Чернобыль. Бұл қалай болды":

1986 жылы 26 сәуірде бір сағат, жиырма үш минут, қырық секундта Чернобыль атом электр станциясының №4 блогының ауысым бастығы Александр Акимов жүргізілген жұмыстар аяқталғаннан кейін реакторды өшіруді бұйырды. қуат блогын жоспарлы жөндеу жұмыстарына өшірер алдында. Команда тыныш жұмыс жағдайында берілді, орталықтандырылған басқару жүйесі реактордың немесе қызмет көрсету жүйелерінің параметрлеріндегі ауытқулар туралы бірде-бір авариялық немесе ескерту сигналын тіркемейді. Реактор операторы Леонид Топтунов абайсызда қате басудан қорғайтын AZ түймесінен қақпақты алып тастап, түймені басты. Бұл сигнал бойынша 187 реакторды басқару шыбықтары ядроға төмен қарай жылжи бастады. Мнемоникалық тақтадағы артқы жарық шамдары жанып, өзек орнының индикаторларының көрсеткілері қозғала бастады. Реактордың басқару пультіне жартылай бұрылған Александр Акимов мұны байқады, сонымен қатар AR теңгерімсіздігі көрсеткіштерінің «қояндары» «солға қарай» (оның көрінісі), бұл азайғанын білдірді. реактор қуаты, қауіпсіздік панеліне бұрылды, оның артында мен экспериментте байқадым.
Бірақ содан кейін тіпті ең жабайы қиял болжай алмайтын нәрсе болды. Сәл төмендегеннен кейін реактордың қуаты үнемі өсіп келе жатқан жылдамдықпен кенеттен арта бастады және дабыл сигналдары пайда болды. Л.Топтунов билікті төтенше ұлғайту туралы айғайлады. Бірақ оның қолынан ештеңе келмеді. Оның қолынан келгеннің бәрі AZ түймесін басып тұру болды, басқару штангалары белсенді аймаққа кірді. Оның қолында басқа амал жоқ. Және басқалары да. А.Әкімов: «Реакторды сөндіріңдер!» деп қатты айқайлады. Ол басқару пультіне секіріп, басқару штангасының жетектерінің электромагниттік муфталарын токтан ажыратты. Әрекет дұрыс, бірақ пайдасыз. Өйткені, CPS логикасы, яғни оның логикалық схемаларының барлық элементтері дұрыс жұмыс істеді, штангалар аймаққа кірді. Енді түсінікті - AZ түймесін басқаннан кейін ешқандай дұрыс әрекеттер болмады, құтқару құралдары болмады. Басқа логика орындалмады!
Қысқа аралықпен екі күшті жарылыс болды. AZ таяқшалары жарты жолға да бармай қозғалуды тоқтатты. Олардың басқа барар жері болмады.
Бір сағат, жиырма үш минут, қырық жеті секундта реактор жедел нейтрондардың көмегімен қуат көзін қосу арқылы жойылды. Бұл күйреу, қуатты реакторда болуы мүмкін ең үлкен апат. Олар мұны түсінбеді, дайындалмады, блок пен станцияда оқшаулау бойынша техникалық шаралар қарастырылмаған...

Яғни, апатқа санаулы секундтар қалғанда жеке құрам жақындап келе жатқан қауіпті сезген де жоқ! Осы абсурдтық жағдайдың соңы төтенше жағдай түймесін басу болды, содан кейін жарылыс болды - сіз көлікте жарысып жатырсыз және кедергінің алдында тежегішті басасыз, бірақ көлік одан да жылдамдады және кедергіге соғылады. Әділ болу үшін, төтенше жағдай түймесін басу жағдайға ешқандай әсер ете алмайтынын айту керек - бұл реактордың сөзсіз жарылуын бірнеше секундқа ғана жеделдетті, бірақ факт сақталады - апаттық қорғаныс реакторды жарып жіберді !

Радиацияның адамға әсері

Неліктен техногендік ядролық апаттар (ядролық қаруды айтпағанда) соншалықты қауіпті?

Үлкен жойылуға әкелетін орасан зор энергияның бөлінуінен басқа, ядролық реакциялар радиациямен және соның салдарынан аймақтың радиациялық ластануымен бірге жүреді.

Неліктен радиация тірі ағзаға соншалықты зиянды? Егер ол барлық тіршілік иелеріне осындай зиян келтірмегенде, Чернобыль апатын бәрі бұрыннан ұмытып, атом бомбалары оңды-солды лақтырар еді.

Радиация тірі ағзаның жасушаларын екі жолмен жояды:

1. қыздыруға байланысты (радиациялық күйік);
2. жасушалардың иондануына байланысты (сәулелік ауру).

Радиоактивті бөлшектер мен сәулеленудің өзі жоғары кинетикалық энергияға ие. Радиация жылуды тудырады. Күннің күйіп қалуына ұқсас бұл жылу дене тінін бұзатын радиациялық күйік тудырады.

Жылулық (баяу) нейтрондарды пайдаланатын ядролық реактордың принципиалды сұлбасы 5.1-суретте көрсетілген, мұнда 1 – басқару стержендері, 2 – биологиялық қорғаныс, 3 – термиялық қорғаныс, 4 – модератор, 5 – ядролық отын (отын штангалары).

Нейтрон уран 235 изотопының ядросына түскенде ол екі бөлікке бөлініп, бірнеше (2,5-3) жаңа екінші реттік нейтрондар шығарылады.. Ядролық реакторда тізбекті реакцияның сақталуы үшін реактордың ядросындағы ядролық отынның массасы критикалық деңгейден кем болмауы керек. Реакторда бұл мөлшер болуы керек 235 Uосылайша, орта есеппен әрбір бөліну оқиғасында пайда болған нейтрондардың кем дегенде біреуі реактордың өзегінен шыққанға дейін келесі бөліну оқиғасын тудыруы мүмкін.

5.1-сурет. Термиялық нейтронды ядролық реактордың схемалық диаграммасы

Егер нейтрондар саны тұрақты болса, онда бөліну реакциясы стационарлық сипатқа ие болады. Қолданыстағы нейтрондар санының тұрақты күй деңгейі неғұрлым жоғары болса, реактордың қуаты соғұрлым жоғары болады. 1 МВт қуат 1 секундта 3 10 16 бөліну болатын тізбекті реакцияға сәйкес келеді.

Нейтрондар саны көбейсе, термиялық жарылыс болады, ал азайса, реакция тоқтайды. Реакция жылдамдығы бақыланады басқару шыбықтарын қолдану 1.

Ядролық реактордың қазіргі күйін тиімді деп сипаттауға болады нейтрондардың көбейту коэффициентінемесе реактивтілік, олар өзара байланыспен байланысты:

Бұл шамалар үшін келесі мәндер тән:

· - тізбекті реакция уақыт өткен сайын артады, реактор суперкритикалық күйде, оның реактивтілігі;

· , - ядролық бөліну саны тұрақты, реактор тұрақты критикалық күйде.

Ядролық реактор жұмыстың басында реактивтілік қоры болған жағдайда ғана берілген қуатта ұзақ уақыт жұмыс істей алады. Ядролық реактордың жұмысы кезінде отындағы бөліну фрагменттерінің жинақталуына байланысты оның изотоптық және химиялық құрамы өзгеріп, трансурандық элементтер, негізінен Пу түзіледі. Реакторда болып жатқан процестер атом ядроларының ыдырауының тізбекті реакциясының мүмкіндігін азайтады.

Тізбекті реакцияны сақтау және жүзеге асыру үшін реактордың өзегін қоршап тұрған материалдардың нейтрондардың жұтылуын шектеу қажет. Бұған кем дегенде ішінара (идеалды 50%) нейтрондарды көрсететін материалдарды (биологиялық 2 және термиялық 3 қорғау үшін) пайдалану арқылы қол жеткізіледі, яғни. оларды сіңірмеді. Жылуды ядродан турбинаға тасымалдау үшін қолданылатын салқындатқышты таңдау ерекше маңызды болып табылады.

Бөліну нәтижесінде түзілетін нейтрондар жылдам (жоғары жылдамдық) немесе баяу (жылу) болуы мүмкін. Баяу нейтронды ядроның басып алу ықтималдығы 235 Uжәне оның кейінгі бөлінуі жылдам нейтронға қарағанда үлкенірек. Сондықтан жанармай штангалары 5 арнайы модераторлармен 4 қоршалған, олар нейтрондарды баяулатады, оларды әлсіз сіңіреді. Реактордан нейтрондардың ағуын азайту үшін ол рефлектормен жабдықталған. Ең жиі қолданылатын модераторлар мен рефлекторлар графит, ауыр ( D2O), кәдімгі су және т.б.

Тұрақты бар нейтрондардың саны әртүрлі бағытта үлкен жылдамдықпен ұшып кететін түзілген ядролық ыдырау фрагменттерінің санын анықтайды. Фрагменттердің тежелуі отынның және отын штангаларының қабырғаларының қызып кетуіне әкеледі. Бұл жылуды жою үшін реакторды қоректендіреді салқындатқыш, оны қыздыру реактордың мақсаты болып табылады. Көбінесе сол зат, мысалы, кәдімгі су, функцияларды орындайды салқындатқыш, модератор және рефлектор. көмегімен реакторға су беріледі негізгі айналым сорғылары(MCP).