"miermīlīgais" atoms. Kodolreaktora darbības princips Jaunā materiāla skaidrojums

Atpakaļ uz priekšu

Uzmanību! Slaidu priekšskatījumi ir paredzēti tikai informatīviem nolūkiem, un tie var neatspoguļot visas prezentācijas funkcijas. Ja jūs interesē šis darbs, lūdzu, lejupielādējiet pilno versiju.

Nodarbības mērķi:

• Izglītības: esošo zināšanu atjaunināšana; turpināt jēdzienu veidošanos: urāna kodolu skaldīšana, kodola ķēdes reakcija, tās rašanās apstākļi, kritiskā masa; ieviest jaunus jēdzienus: kodolreaktors, kodolreaktora galvenie elementi, kodolreaktora uzbūve un darbības princips, kodolreakcijas kontrole, kodolreaktoru klasifikācija un to izmantošana;
• Izglītības: turpināt attīstīt prasmi novērot un izdarīt secinājumus, kā arī attīstīt skolēnu intelektuālās spējas un zinātkāri;
• Izglītības: turpināt veidot attieksmi pret fiziku kā eksperimentālu zinātni; audzināt apzinīgu attieksmi pret darbu, disciplīnu un pozitīvu attieksmi pret zināšanām.

Nodarbības veids: apgūt jaunu materiālu.

Aprīkojums: multivides instalēšana.

Nodarbību laikā

1. Organizatoriskais moments.

Puiši! Šodien nodarbībā atkārtosim urāna kodolu skaldīšanu, kodolķēdes reakciju, tās rašanās apstākļus, kritisko masu, uzzināsim, kas ir kodolreaktors, kodolreaktora galvenie elementi, kodolreaktora uzbūve. un tā darbības princips, kodolreakcijas kontrole, kodolreaktoru klasifikācija un to izmantošana.

2. Izpētītā materiāla pārbaude.

1. Urāna kodolu dalīšanās mehānisms.
2. Pastāstiet mums par kodolenerģijas ķēdes reakcijas mehānismu.
3. Sniedziet piemēru urāna kodola kodola skaldīšanas reakcijai.
4. Ko sauc par kritisko masu?
5. Kā notiek ķēdes reakcija urānā, ja tā masa ir mazāka par kritisko vai lielāka par kritisko?
6. Kāda ir urāna 295 kritiskā masa Vai ir iespējams samazināt kritisko masu?
7. Kā jūs varat mainīt kodolķēdes reakcijas gaitu?
8. Kāds ir ātro neitronu palēnināšanas mērķis?
9. Kādas vielas tiek izmantotas kā regulētāji?
10. Kādu faktoru ietekmē var palielināt brīvo neitronu skaitu urāna gabalā, tādējādi nodrošinot tajā iespējamas reakcijas?

3. Jaunā materiāla skaidrojums.

Puiši, atbildiet uz šo jautājumu: kāda ir jebkuras atomelektrostacijas galvenā daļa? ( kodolreaktors)

Labi padarīts. Tātad, puiši, tagad aplūkosim šo jautājumu sīkāk.

Vēsturiska atsauce.

Igors Vasiļjevičs Kurčatovs ir izcils padomju fiziķis, akadēmiķis, Atomenerģijas institūta dibinātājs un pirmais direktors no 1943. līdz 1960. gadam, galvenais zinātniskais direktors par atomu problēmu PSRS, viens no kodolenerģijas izmantošanas miermīlīgiem mērķiem pamatlicējiem. . PSRS Zinātņu akadēmijas akadēmiķis (1943). Pirmā padomju atombumba tika izmēģināta 1949. gadā. Pēc četriem gadiem veiksmīgi tika pārbaudīta pasaulē pirmā ūdeņraža bumba. Un 1949. gadā Igors Vasiļjevičs Kurčatovs sāka darbu pie atomelektrostacijas projekta. Atomelektrostacija ir atomenerģijas miermīlīgas izmantošanas vēstnesis. Projekts tika veiksmīgi pabeigts: 1954. gada 27. jūlijā mūsu atomelektrostacija kļuva par pirmo pasaulē! Kurčatovs priecājās un izklaidējās kā bērns!

Kodolreaktora definīcija.

Kodolreaktors ir ierīce, kurā tiek veikta un uzturēta kontrolēta noteiktu smago kodolu skaldīšanas ķēdes reakcija.

Pirmais kodolreaktors tika uzbūvēts 1942. gadā ASV E. Fermi vadībā. Mūsu valstī pirmais reaktors tika uzbūvēts 1946. gadā I. V. Kurčatova vadībā.

Kodolreaktora galvenie elementi ir:

• kodoldegviela (urāns 235, urāns 238, plutonijs 239);
• neitronu moderators (smagais ūdens, grafīts utt.);
• dzesēšanas šķidrums reaktora darbības laikā radītās enerģijas noņemšanai (ūdens, šķidrais nātrijs utt.);
• Vadības stieņi (bors, kadmijs) - augsti absorbējoši neitroni
• Aizsargājošs apvalks, kas bloķē starojumu (betons ar dzelzs pildvielu).

Darbības princips kodolreaktors

Kodoldegviela atrodas kodolā vertikālu stieņu veidā, ko sauc par degvielas elementiem (degvielas elementiem). Degvielas stieņi ir paredzēti reaktora jaudas regulēšanai.

Katra degvielas stieņa masa ir ievērojami mazāka par kritisko masu, tāpēc ķēdes reakcija nevar notikt vienā stienī. Tas sākas pēc tam, kad visi urāna stieņi ir iegremdēti kodolā.

Kodolu ieskauj vielas slānis, kas atstaro neitronus (atstarotājs) un betona aizsargapvalks, kas aiztur neitronus un citas daļiņas.

Siltuma noņemšana no kurināmā elementiem. Dzesēšanas šķidrums, ūdens, mazgā stieni, uzkarsē līdz 300°C augstā spiedienā un nonāk siltummaiņos.

Siltummaiņa uzdevums ir tāds, ka ūdens, kas uzkarsēts līdz 300°C, atdod siltumu parastajam ūdenim un pārvēršas tvaikā.

Kodolreakcijas kontrole

Reaktoru kontrolē, izmantojot stieņus, kas satur kadmiju vai boru. Kad stieņi ir izvilkti no reaktora aktīvās zonas, K > 1, un kad tie ir pilnībā ievilkti - K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Lēnu neitronu reaktors.

Visefektīvākā urāna-235 kodolu skaldīšana notiek lēnu neitronu ietekmē. Šādus reaktorus sauc par lēno neitronu reaktoriem. Sekundārie neitroni, kas rodas skaldīšanas reakcijas rezultātā, ir ātri. Lai to turpmākā mijiedarbība ar urāna-235 kodoliem ķēdes reakcijā būtu visefektīvākā, tie tiek palēnināti, kodolā ievadot moderatoru - vielu, kas samazina neitronu kinētisko enerģiju.

Ātro neitronu reaktors.

Ātri neitronu reaktori nevar darboties ar dabisko urānu. Reakciju var uzturēt tikai bagātinātā maisījumā, kas satur vismaz 15% urāna izotopu. Ātro neitronu reaktoru priekšrocība ir tāda, ka to darbība rada ievērojamu daudzumu plutonija, ko pēc tam var izmantot kā kodoldegvielu.

Homogēni un neviendabīgi reaktori.

Kodolreaktorus atkarībā no degvielas un moderatora relatīvā izvietojuma iedala homogēnos un neviendabīgos. Viendabīgā reaktorā kodols ir viendabīga degvielas, moderatora un dzesēšanas šķidruma masa šķīduma, maisījuma vai kausējuma veidā. Reaktoru, kurā degviela bloku vai degvielas komplektu veidā tiek ievietota moderatorā, veidojot tajā regulāru ģeometrisku režģi, sauc par neviendabīgu.

Atomu kodolu iekšējās enerģijas pārvēršana elektroenerģijā.

Kodolreaktors ir galvenais kodolspēkstacijas (AES) elements, kas pārvērš termisko kodolenerģiju elektroenerģijā. Enerģijas pārveide notiek saskaņā ar šādu shēmu:

• urāna kodolu iekšējā enerģija -
• neitronu un kodola fragmentu kinētiskā enerģija -
• ūdens iekšējā enerģija -
• tvaika iekšējā enerģija -
• tvaika kinētiskā enerģija -
• turbīnas rotora un ģeneratora rotora kinētiskā enerģija -
• Elektroenerģija.

Kodolreaktoru izmantošana.

Atkarībā no to mērķa kodolreaktori var būt jaudas reaktori, pārveidotāji un audzētāji, pētnieciskie un daudzfunkcionālie, transporta un rūpnieciskie.

Kodolreaktorus izmanto, lai ražotu elektroenerģiju atomelektrostacijās, kuģu spēkstacijās, koģenerācijas kodolelektrostacijās un kodolsiltuma padeves stacijās.

Reaktorus, kas paredzēti sekundārās kodoldegvielas ražošanai no dabiskā urāna un torija, sauc par pārveidotājiem vai selekcionāriem. Konvertora reaktorā sekundārā kodoldegviela saražo mazāk nekā sākotnēji tika patērēts.

Selektīvajā reaktorā tiek veikta kodoldegvielas paplašinātā reprodukcija, t.i. izrādās vairāk nekā iztērēts.

Pētniecības reaktori tiek izmantoti, lai pētītu neitronu mijiedarbības procesus ar vielu, pēta reaktora materiālu uzvedību intensīvos neitronu un gamma starojuma laukos, veic radioķīmiskos un bioloģiskos pētījumus, izotopu ražošanu, kā arī eksperimentālos kodolreaktoru fizikas pētījumus.

Reaktoriem ir dažādas jaudas, stacionāri vai impulsa darbības režīmi. Daudzfunkcionālie reaktori ir tie, kas kalpo vairākiem mērķiem, piemēram, enerģijas ražošanai un kodoldegvielas ražošanai.

Vides katastrofas atomelektrostacijās

• 1957. gads – avārija Lielbritānijā
• 1966. gads – daļēja kodola kušana pēc reaktora dzesēšanas atteices netālu no Detroitas.
• 1971. gads - ASV upē nonāca daudz piesārņota ūdens
• 1979. gads - lielākā avārija ASV
• 1982. gads – radioaktīvo tvaiku izplūde atmosfērā
• 1983. gads - briesmīgs negadījums Kanādā (radioaktīvs ūdens iztecēja 20 minūtes - tonna minūtē)
• 1986. gads – avārija Lielbritānijā
• 1986. gads – avārija Vācijā
• 1986. gads – Černobiļas atomelektrostacija
• 1988. gads - ugunsgrēks atomelektrostacijā Japānā

Mūsdienu atomelektrostacijas ir aprīkotas ar personālajiem datoriem, taču iepriekš, pat pēc avārijas, reaktori turpināja darboties, jo nebija automātiskas izslēgšanas sistēmas.

4. Materiāla nostiprināšana.

1. Kā sauc kodolreaktoru?
2. Kas ir kodoldegviela reaktorā?
3. Kāda viela kalpo kā neitronu moderators kodolreaktorā?
4. Kāds ir neitronu moderatora mērķis?
5. Kam tiek izmantoti vadības stieņi? Kā tās tiek izmantotas?
6. Ko izmanto kā dzesēšanas šķidrumu kodolreaktoros?
7. Kāpēc ir nepieciešams, lai katra urāna stieņa masa būtu mazāka par kritisko masu?

5. Testa izpilde.

1. Kādas daļiņas ir iesaistītas urāna kodolu skaldīšanās procesā?
   A. protoni;
   B. neitroni;
   B. elektroni;
   G. hēlija kodoli.
2. Kāda urāna masa ir kritiska?
   A. lielākā, pie kuras iespējama ķēdes reakcija;
   B. jebkura masa;
   B. mazākais, pie kura iespējama ķēdes reakcija;
   D. masa, pie kuras reakcija apstāsies.
3. Kāda ir aptuvenā urāna 235 kritiskā masa?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   B. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Kuras no šīm vielām var izmantot kodolreaktoros kā neitronu slāpētājus?
   A. grafīts;
   B. kadmijs;
   B. smagais ūdens;
   G. bora.
5. Lai kodolspēkstacijā notiktu kodolķēdes reakcija, neitronu reizināšanas koeficientam jābūt:
   A. ir vienāds ar 1;
   B. vairāk nekā 1;
   V. mazāks par 1.
6. Smago atomu kodolu skaldīšanas ātrumu kodolreaktoros kontrolē:
   A. neitronu absorbcijas dēļ, nolaižot stieņus ar absorbētāju;
   B. sakarā ar siltuma noņemšanas palielināšanos, palielinoties dzesēšanas šķidruma ātrumam;
   B. palielinot elektroenerģijas piegādi patērētājiem;
   G. samazinot kodoldegvielas masu kodolā, noņemot stieņus ar degvielu.
7. Kādas enerģijas transformācijas notiek kodolreaktorā?
   A. atomu kodolu iekšējā enerģija tiek pārvērsta gaismas enerģijā;
   B. atomu kodolu iekšējā enerģija tiek pārvērsta mehāniskajā enerģijā;
   B. atomu kodolu iekšējā enerģija tiek pārvērsta elektroenerģijā;
   D. neviena no atbildēm nav pareiza.
8. 1946. gadā Padomju Savienībā tika uzbūvēts pirmais kodolreaktors. Kas bija šī projekta vadītājs?
   A. S. Koroļovs;
   B. I. Kurčatovs;
   V. D. Saharovs;
   G. A. Prohorovs.
9. Kuru veidu uzskatāt par vispieņemamāko atomelektrostaciju uzticamības paaugstināšanai un ārējās vides piesārņojuma novēršanai?
   A. tādu reaktoru izstrāde, kas spēj automātiski atdzesēt reaktora serdi neatkarīgi no operatora gribas;
   B. AES ekspluatācijas pratības, AES operatoru profesionālās sagatavotības līmeņa paaugstināšana;
   B. augsti efektīvu tehnoloģiju izstrāde atomelektrostaciju demontāžai un radioaktīvo atkritumu pārstrādei;
   D. reaktoru izvietojums dziļi pazemē;
   D. atteikums būvēt un ekspluatēt atomelektrostaciju.
10. Kādi vides piesārņojuma avoti ir saistīti ar atomelektrostaciju darbību?
    A. urāna rūpniecība;
    B. dažāda veida kodolreaktori;
    B. radioķīmiskā rūpniecība;
    D. vietas radioaktīvo atkritumu apstrādei un apglabāšanai;
    D. radionuklīdu izmantošana tautsaimniecībā;
    E. kodolsprādzieni.

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

6. Nodarbības kopsavilkums.

Ko jaunu tu šodien uzzināji stundā?

Kas tev patika nodarbībā?

Kādi jautājumi jums ir?

PALDIES PAR DARBU NODARBĪBĀ!

Kā jau minēts, smago kodolu dalīšanās neitronu kodolreakcija ir galvenā un centrālā reakcija kodolreaktoros. Tāpēc ir jēga jau no paša sākuma iepazīties ar dalīšanās reakcijas fizikālajiem jēdzieniem un tās pazīmēm, kas vienā vai otrā veidā atstāj pēdas visos sarežģītākā tehniskā kompleksa dzīves un ikdienas dzīves aspektos. sauc par atomelektrostaciju.

Priekšstats par urāna-235 kodola skaldīšanu vizuālajos attēlos sniegts 2.6. attēlā.

Neitrons A masas kodols Uzbudināts savienojuma kodols Sadalīšanās fragmenti

Sadalīšanās neitroni

2.6.att. 235 U kodola skaldīšanas shematisks attēlojums.

Pamatojoties uz šo diagrammu, vispārināto skaldīšanas reakcijas "vienādojumu" (kas ir loģisks, nevis stingri matemātisks) var uzrakstīt šādi:

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

- (F 1)* un (F 2)* - simbolisks apzīmējumi satraukti skaldīšanas fragmenti (ar indeksu (*) turpmāk apzīmē nestabilus, ierosinātus vai radioaktīvus elementus); fragmentam (F 1)* ir masa A 1 un lādiņam Z 1, fragmentam (F 2)* ir masa A 2 un lādiņam Z 2;

-  5 . 1 n ir apzīmēti  5 skaldīšanas neitroni, kas vidēji izdalās katrā urāna-235 kodola skaldīšanas reizē;

- ,  un  - -daļiņas, -daļiņas un -kvanti, kuru vidējais skaits vienā urāna-235 kodola skaldīšanas aktā ir attiecīgi vienāds ar a, b un c;

E ir vidējais enerģijas daudzums, kas izdalās skaldīšanas procesā.

Vēlreiz uzsvērsim: iepriekš rakstītais izteiciens nav vienādojums šī vārda tiešā nozīmē; drīzāk tas ir vienkārši viegli iegaumējams apzīmējuma veids, kas atspoguļo neitronu skaldīšanas reakcijas galvenās iezīmes:

a) skaldīšanas fragmentu veidošanās;

b) jaunu brīvo neitronu veidošanās skaldīšanas laikā, ko turpmāk īsi sauksim dalīšanās neitroni;

c) skaldīšanas fragmentu radioaktivitāte, kas izraisa to tālāku pārtapšanu stabilākos veidojumos, kas izraisa virkni blakusefektu – gan pozitīvu, gan lietderīgu, gan negatīvu, kas jāņem vērā, projektējot, būvējot un ekspluatējot kodolreaktorus;

d) enerģijas izdalīšanās skaldīšanas laikā ir galvenā skaldīšanas reakcijas īpašība, kas ļauj izveidot enerģisks kodolreaktors.

Katrs no iepriekš uzskaitītajiem fizikālajiem procesiem, kas pavada skaldīšanas reakciju, spēlē noteiktu lomu reaktorā, un tam ir sava praktiskā nozīme. nozīmē. Tāpēc iepazīsimies ar tiem sīkāk.

2.2.1. Sadalīšanās fragmentu veidošanās. Par vienu kodola skaldīšanas aktu zināmā mērā var runāt kā par fenomenu nejauši, paturot prātā, ka smagais urāna kodols, kas sastāv no 92 protoniem un 143 neitroniem, būtībā spēj sadalīties atšķirīgā skaitā fragmentos ar atšķirīgu atomu masu. Šajā gadījumā, novērtējot iespēju sadalīt kodolu 2, 3 vai vairākos fragmentos, var pieiet ar varbūtības mēriem. Saskaņā ar sniegtajiem datiem varbūtība, ka kodols sadalīsies divos fragmentos, ir vairāk nekā 98%, tāpēc lielākā daļa skaldīšanas beidzas ar tieši divu fragmentu veidošanos.

Spektroskopiskie skaldīšanas produktu pētījumi ir identificējuši vairāk nekā 600 kvalitatīvi dažādus skaldīšanas fragmentus ar dažādu atomu masu. Un šeit, šķietamā negadījumā, ar lielu skaitu divīziju, uzreiz izcēlās viena vispārējs modelis ko īsumā var izteikt šādi:

Noteiktas atommasas fragmenta parādīšanās varbūtība konkrēta nuklīda masveida skaldīšanas laikā ir stingri noteikta vērtība, kas raksturīga šim skaldāmajam nuklīdam.

Šo daudzumu parasti sauc specifiskā fragmentu raža , apzīmēts ar mazu grieķu burtu  i(gamma) ar apakšindeksu - tā ķīmiskā elementa simbolu, kura kodols ir šis fragments, vai izotopa simbolu.

Piemēram, fizikālajos eksperimentos fiksēts, ka ksenona-135 fragments (135 Xe) parādās vidēji trīs gadījumos ik tūkstoš 235 U kodolu skaldīšanas reizes. Tas nozīmē, ka 135 Xe fragmentu īpatnējā iznākums ir

 Xe= 3/1000 = 0,003 no visiem sadalījumiem,

un attiecībā uz vienu 235 U kodola skaldīšanas notikumu vērtība  Xe = 0,003 = 0,3% - ir varbūtība, ka dalīšanās rezultātā veidosies fragments 135 Heh.

Skaidru vērtējumu dažādu atomu masu dalīšanās fragmentu veidošanās modelim sniedz fragmentu īpatnējās iznākuma līknes (2.7. att.).

10

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

Rīsi. 2.7. Dažādu atomu masu skaldīšanas fragmentu īpatnējie iznākumi

235 U (nepārtraukta līnija) un 239 Pu (pārtraukta līnija) kodolu dalīšanās laikā.

Šo līkņu raksturs ļauj secināt:

a) Fragmentu atomu masas, kas veidojas skaldīšanas laikā, lielākajā daļā gadījumu ir diapazonā no 70  165 amu. Vieglāku un smagāku šķembu īpatnējais iznākums ir ļoti mazs (nepārsniedz 10 -4%).

b) Kodolu simetriskā dalīšanās (tas ir, sadalīšanās divos vienādas masas fragmentos) notiek ārkārtīgi reti: to īpatnējais iznākums nepārsniedz 0,01% urāna-235 kodoliem un 0,04% plutonija-239 kodoliem.

c) Visbiežāk veidojas plaušas fragmenti ar masas skaitļiem 83  104 amu robežās. Un smags fragmenti ar A = 128  149 a.m.u. (to īpatnējā raža ir 1% vai vairāk).

d) 239 Pu sadalīšanās termisko neitronu ietekmē izraisa vairāku smagāks fragmenti, salīdzinot ar 235 U skaldīšanas fragmentiem.

*) Nākotnē, pētot reaktora kinētiku un tā saindēšanās un izsārņu procesus, sastādot diferenciālvienādojumus, kas raksturo fizikālie procesi reaktora aktīvajā zonā.

Šīs vērtības ērtība ir tāda, ka, zinot skaldīšanas reakcijas ātrumu (šķelšanās reižu skaitu uz degvielas sastāva tilpuma vienību laika vienībā), ir viegli aprēķināt jebkuru skaldīšanas fragmentu veidošanās ātrumu, kuru uzkrāšanās. reaktorā vienā vai otrā veidā ietekmē tā darbību:

I-tā fragmenta ģenerēšanas ātrums =  i  (dalīšanās reakcijas ātrums)

Un vēl viena piezīme saistībā ar skaldīšanas fragmentu veidošanos. Dalīšanās fragmenti, kas rodas skaldīšanas laikā, ir augstas kinētiskās enerģijas. Nododot to kinētisko enerģiju sadursmē ar degvielas sastāva vides atomiem, sadalīšanās fragmenti tādējādi palielināt atomu un molekulu vidējo kinētiskās enerģijas līmeni, kuru saskaņā ar kinētiskās teorijas priekšstatiem mēs uztveram kā temperatūras paaugstināšanās degvielas sastāvs vai kā siltuma ražošana tajā.

Tādā veidā tiek ģenerēta lielākā daļa siltuma reaktorā.

Tā ir zināma pozitīva fragmentu veidošanās loma kodolenerģijas reaktora darbības procesā.

2.2.2. Dalīšanās neitronu ražošana. Galvenā fiziskā parādība, kas pavada smago kodolu dalīšanās procesu, ir sekundāro ātro neitronu emisija, ko izraisa ierosināti skaldīšanas fragmenti, citādi sauca tūlītēji neitroni vai dalīšanās neitroni.

Šīs parādības nozīmi (atklāja F. Džolio-Kirī un viņa kolēģi - Albano un Kowarski - 1939. gadā) ir nenoliedzams: pateicoties tam, smago kodolu dalīšanās laikā parādās jauni brīvie neitroni, kas aizstāj tos, kas izraisīja skaldīšanu; šie jaunie neitroni var mijiedarboties ar citiem degvielā esošajiem skaldāmajiem kodoliem un izraisīt to skaldīšanu, kam seko jaunu skaldīšanas neitronu emisija utt. Tas ir, dalīšanās neitronu veidošanās dēļ tas kļūst iespējams organizēt skaldīšanas process, kas laikā vienmērīgi seko viens otram bez brīvo neitronu piegādes degvielu saturošajai videi no ārēja avota. Šādā piegādē, vienkārši sakot, nav nepieciešams, ja vien tiek atrasti “instrumenti”, ar kuru palīdzību tiek veikta kodola skaldīšana šeit, šajā pašā vidē, saistītā stāvoklī skaldāmos kodolos; lai “iedarbinātu” saistītos neitronus, tie ir tikai jāatbrīvo, tas ir, kodols jāsadala fragmentos, un tad paši fragmenti visu pabeigs: sava satrauktā stāvokļa dēļ tie izstaros “papildus”. ” neitroni no to sastāva, traucējot to stabilitāti, un tas notiks 10 -15 - 10 -13 s laikā, kas pēc lieluma sakrīt ar laiku, kad saliktais kodols paliek ierosinātā stāvoklī. Šī sakritība radīja domu, ka parādās dalīšanās neitroni nevis no ierosinātiem skaldīšanas fragmentiem, kas pārsātināti ar neitroniem pēc skaldīšanas beigām, bet tieši tajā īsajā laika posmā, kurā notiek kodola skaldīšana. Tas ir, nē pēc sadalīšanas akts un laikāšī darbība, it kā vienlaikus ar kodola iznīcināšanu. Tā paša iemesla dēļ šos neitronus bieži sauc tūlītēji neitroni.

Iespējamo protonu un neitronu kombināciju analīze dažādu atomu masu stabilos kodolos (atcerieties stabilo kodolu diagrammu) un to salīdzinājums ar dalīšanās produktu kvalitatīvo sastāvu parādīja, ka. veidošanās varbūtībailgtspējīgu Dalīšanās laikā ir ļoti maz fragmentu. Tas nozīmē, ka lielākā daļa fragmentu ir dzimuši nestabils un var emitēt vienu, divus, trīs vai pat vairākus “papildus” skaldīšanas neitronus, lai nodrošinātu to stabilitāti, un ir skaidrs, ka katram konkrētajam ierosinātajam fragmentam ir jāizstaro savējais, stingri noteikts, skaldīšanas neitronu "papildu" skaits tā stabilitātei.

Bet, tā kā katram fragmentam ar lielu skaldīšanas gadījumu skaitu ir stingri noteikta īpatnējā iznākums, tad ar noteiktu lielu skaldīšanas gadījumu skaitu būs skaidrs arī katra veida dalīšanās fragmentu skaits un līdz ar to arī dalīšanās neitronu skaits, ko emitē. arī katra veida fragmenti būs noteikti, un, Tas nozīmē, ka arī to kopējais skaits būs skaidrs. Dalot kopējo skaldīšanās laikā radušos neitronu skaitu ar skaldīšanas gadījumu skaitu, kuros tie radušies, jāsaņem vidējais skaldīšanas neitronu skaits, kas emitēts vienā skaldīšanas notikumā, kas, pamatojoties uz iepriekš minēto argumentāciju, arī būtu stingri jādefinē un konstante katram skaldāmā nuklīda veidam.Šī skaldāmā nuklīda fizikālā konstante ir apzīmēta  .

Saskaņā ar 1998. gada datiem (šīs konstantes vērtība tiek periodiski atjaunināta, pamatojoties uz fizisko eksperimentu analīzes rezultātiem visā pasaulē) dalīšanās laikā termisko neitronu ietekmē

Urānam-235  5 = 2.416,

Attiecībā uz plutoniju-239  9 = 2.862,

Attiecībā uz plutoniju-241  1 = 2,938 utt.

Noder pēdējā piezīme: konstantes  vērtība lielā mērā ir atkarīgs no neitronu kinētiskās enerģijas lieluma, kas izraisa skaldīšanu, un, pēdējai palielinoties, tā palielinās aptuveni tieši proporcionāli E.

Divu svarīgāko skaldāmo nuklīdu aptuvenās atkarības (E) apraksta ar empīriskām izteiksmēm:

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

Attiecībā uz plutoniju-239  9 (E) = 2.862 + 0.1357 E.

*) Neitronu enerģija E ir aizvietota ar [MeV].

Tādējādi konstantes  vērtība, kas aprēķināta, izmantojot šīs empīriskās formulas, pie dažādām neitronu enerģijām var sasniegt šādas vērtības:

Tātad, pirmā īpašība dalīšanās neitroniem, kas emitēti konkrētu skaldāmo nuklīdu skaldīšanas laikā, ir raksturīga vidējais skaldīšanas neitronu skaits, kas rodas skaldīšanas notikumā .

Tas ir fakts, ka visiem skaldāmajiem nuklīdiem  > 1, rada priekšnoteikumu iespējamībai ķēde neitronu dalīšanās reakcija. Ir skaidrs, ka īstenot pašpietiekama dalīšanās ķēdes reakcija ir jārada apstākļi, lai viens no  skaldīšanas aktā iegūtajiem neitroniem noteikti zvanīja nākamais cita kodola dalījums, un atpūta ( - 1) neitroni kaut kā izslēgta no kodola skaldīšanas procesa. Pretējā gadījumā dalījumu intensitāte ar laiku pieaugs kā lavīna (kas notiek atombumba).

Tā kā tagad ir zināms, ka konstantes vērtība  palielinās, palielinoties dalīšanos izraisošo neitronu enerģijai, rodas loģisks jautājums: ar kādu kinētisko enerģiju dzimis dalīšanās neitroni?

Atbildi uz šo jautājumu sniedz otrais dalīšanās neitronu raksturlielums, ko sauc dalīšanās neitronu enerģijas spektrs un attēlo dalīšanās neitronu sadalījuma funkciju pa to kinētiskajām enerģijām.

Ja vienībā (1 cm3) parādās barotnes tilpums kādā apskatāmā laika brīdī n visu iespējamo enerģiju skaldīšanas neitroni Normalizēts enerģijas spektrs ir funkcija no enerģijas daudzuma E, kuras vērtību pie jebkuras konkrētas E vērtības parāda kāda daļa (proporcija) no visiem šiem neitroniem ir neitroni ar elementārā intervāla dE enerģiju tuvu enerģijai E. Citiem vārdiem sakot, mēs runājam par izteiksmi

Sadalīšanās neitronu enerģijas sadalījums ir aprakstīts diezgan precīzi Vata spektrālā funkcija(vats):

n(E) = 0.4839
, (2.2.2)

kura grafiskā ilustrācija ir 2.8.att. nākamajā lapā.

Vata spektrs parāda, ka, lai gan dalīšanās neitroni tiek ražoti ar ļoti atšķirīgu enerģiju, atrodas ļoti plašā diapazonā, lielākajai daļai neitronu ir sākotnējā enerģija,vienāds ar E nv = 0,7104 MeV, kas atbilst Vata spektrālās funkcijas maksimumam. Pēc nozīmes šī vērtība ir Visticamākā dalīšanās neitronu enerģija.

Vēl viens lielums, kas raksturo skaldīšanas neitronu enerģijas spektru, ir dalīšanās neitronu vidējā enerģija , tas ir, enerģijas daudzums, kāds būtu katram skaldīšanas neitronam, ja visu dalīšanās neitronu kopējā reālā enerģija būtu vienādi sadalīta starp tiem:

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

Aizvietojot izteiksmi (2.2.2) ar (2.2.3), iegūst dalīšanās neitronu vidējās enerģijas vērtību

E Trešd = 2,0 MeV

Un tas nozīmē to gandrīz viss rodas dalīšanās neitroni ātri(tas ir, ar enerģijām E > 0.1 MeV). Taču tiek ražoti daži ātri neitroni ar relatīvi augstu kinētisko enerģiju (mazāk par 1%), lai gan parādās ievērojams skaits dalīšanās neitronu ar enerģiju līdz 18-20 MeV.

0 1 2 3 4 5 E, MeV

2.8.att. Sadalīšanās neitronu enerģijas spektrs ir vatu spektrs.

Sadalīšanās neitronu spektri dažādiem skaldāmajiem nuklīdiem atšķiras viens no otra nedaudz. Teiksim, nuklīdu 235 U un 239 Pu, kas mūs galvenokārt interesē, skaldīšanas neitronu vidējo enerģiju vērtības (koriģētas, pamatojoties uz fizisko eksperimentu rezultātiem):

E av = 1,935 MeV — 235 U un E av = 2,00 MeV — 239 Pu

Sadalīšanās neitronu spektra vidējās enerģijas vērtība palielinās, palielinoties neitronu enerģijai, izraisot skaldīšanu, taču šis pieaugums ir nenozīmīgs(vismaz 10 - 12 MeV robežās). Tas ļauj mums to ignorēt un aptuveni aprēķināt dalīšanās neitronu enerģijas spektru vienāda dažādām kodoldegvielām un dažāda spektra (ātra, vidēja un termiska) reaktoriem.

Urāna-238, neskatoties uz tā skaldīšanas sliekšņa raksturu, arī skaldīšanas neitronu spektrs praktiski sakrīt ar izteiksmi(2.2.2.), un vidējā skaldīšanas neitronu skaita atkarība  8 no skaldīšanu izraisošo neitronu enerģijas - arī praktiski lineāri pie enerģijām virs sliekšņa ( E P = 1.1 MeV):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Sadalīšanās fragmentu radioaktivitāte. Jau tika teikts, ka ir identificēti aptuveni 600 veidu dalīšanās fragmenti, kas atšķiras pēc masas un protonu lādiņa, un ka praktiski Visi viņi ir dzimušiļoti satraukti .

Lietu vēl vairāk sarežģī fakts, ka tie nes ievērojamu uztraukumu un pēc dalīšanās neitronu emisija. Tāpēc dabiskā vēlmē pēc stabilitātes viņi turpina “izgāzt” lieko enerģiju virs pamatstāvokļa līmeņa, līdz tiek sasniegts šis līmenis.

Šo izlādi veic, secīgi izstarojot visu veidu radioaktīvā starojuma (alfa, beta un gamma starojuma) fragmentus, un dažādiem fragmentiem dažāda veida radioaktīvā sabrukšana notiek dažādās secībās un (vērtību atšķirību dēļ). sabrukšanas konstantes ) tiek izstieptas dažādās pakāpēs laikā.

Tādējādi strādājošā kodolreaktorā ne tikai process ietaupījumi radioaktīvie fragmenti, bet arī to nepārtrauktības process transformācija: zināms liels skaits ķēdes secīgas pārvērtības, kas galu galā noved pie stabilu kodolu veidošanās, taču visiem šiem procesiem ir nepieciešams atšķirīgs laiks, dažām ķēdēm - ļoti īss, bet citām - diezgan garš.

Tāpēc radioaktīvais starojums ne tikai pavada skaldīšanas reakciju strādājot reaktorā, bet tos izdala arī degviela ilgu laiku pēc tā izslēgšanas.

Šis faktors, pirmkārt, rada īpašu fizisko apdraudējumu veidu - briesmas personāla iedarbība, reaktora iekārtas apkalpošana, īsumā saukta par radiācijas apdraudējums. Tas liek reaktora iekārtu projektētājiem rūpēties par tās vidi. bioloģiskā aizsardzība, novietot to no apkārtējās vides izolētās telpās un veikt virkni citu pasākumu, lai novērstu cilvēku bīstamās iedarbības un vides radioaktīvā piesārņojuma iespēju.

Otrkārt, pēc reaktora izslēgšanas visa veida radioaktīvais starojums, lai arī samazinās intensitāte, turpina mijiedarboties ar aktīvās zonas materiāliem un, tāpat kā paši dalīšanās fragmenti to brīvās eksistences sākotnējā periodā, pārnes savu kinētisko enerģiju uz reaktoru. galvenās vides atomi, palielinot to vidējo kinētisko enerģiju. Tas ir reaktorā pēc tā izslēgšanas sabrukšanas siltums .

Ir viegli saprast, ka atlikušā siltuma izdalīšanās jauda reaktorā izslēgšanas brīdī ir tieši proporcionāla tajā brīdī reaktora darbības laikā uzkrāto fragmentu skaitam, un tā samazināšanās ātrumu pēc tam nosaka šo fragmentu pussabrukšanas periodi. No teiktā izriet cits negatīvs faktors, kas saistīts ar skaldīšanas fragmentu radioaktivitāti, nepieciešamībailgtermiņaatdziest reaktora kodols pēc izslēgšanas lai noņemtu atlikušo siltumu, un tas ir saistīts ar ievērojamu elektroenerģijas patēriņu un cirkulācijas iekārtu motora kalpošanas laiku.

Tādējādi radioaktīvo fragmentu veidošanās reaktorā skaldīšanas laikā ir galvenokārt parādība negatīvs, bet... katram mākonim ir sudraba odere!

Var redzēt arī skaldīšanas fragmentu radioaktīvās pārvērtības pozitīvs aspekts, ka kodolreaktori burtiski parādā savu eksistenci . Fakts ir tāds, ka no daudziem dalīšanās fragmentiem ir aptuveni 60 veidi, kas pēc pirmās -sabrukšanas kļūst neitronatīvs , kas spēj izstarot t.s atpaliek neitroni. Reaktorā tiek emitēti salīdzinoši maz aizkavēto neitronu (apmēram 0,6% no kopējā radīto neitronu skaita), taču, pateicoties to esamībai, tas ir iespējams droša vadība kodolreaktors; Par to pārliecināsimies, pētot kodolreaktora kinētiku.

2.2.4. Enerģijas izdalīšanās skaldīšanas laikā. Kodola dalīšanās reakcija fizikā ir viens no skaidriem apstiprinājumiem A. Einšteina hipotēzei par masas un enerģijas saistību, kas attiecībā uz kodola skaldīšanu formulēta šādi:

Kodola skaldīšanas laikā izdalītās enerģijas daudzums ir tieši proporcionāls masas defekta lielumam, un proporcionalitātes koeficients šajās attiecībās ir gaismas ātruma kvadrāts:

E=  mс 2

Kodola dalīšanās laikā masas pārpalikums (defekts) tiek definēts kā dalīšanās reakcijas sākotnējo produktu (t.i., kodola un neitrona) un radušos kodola skaldīšanas produktu (šķelšanās fragmenti, skaldīšanās) atlikušo masu summas starpība. neitroni un citas mikrodaļiņas, kas emitētas gan skaldīšanas procesā, gan pēc viņa).

Spektroskopiskā analīze ļāva noteikt lielāko daļu dalīšanās produktu un to īpatnējo iznākumu. Pamatojoties uz to, izrādījās, ka nav tik grūti aprēķināt Privāts masas defektu lielums dažādiem urāna-235 kodolu sadalīšanās rezultātiem un no tiem - aprēķināt vidējais vienā skaldīšanas laikā izdalītais enerģijas daudzums, kas izrādījās tuvu

mc 2 = 200 MeV

Pietiek salīdzināt šo vērtību ar enerģiju, kas izdalās vienā no endotermiskākajiem ķīmisks reakcijas - raķešu degvielas oksidācijas reakcijas (vērtība mazāka par 10 eV) - saprast, ka mikroskopisku objektu (atomu, kodolu) līmenī 200 MeV - ļoti augsta enerģija: tā ir vismaz astoņas kārtas (100 miljonus reižu) lielāka par enerģiju, kas iegūta ķīmiskās reakcijās.

Dalīšanās enerģija tiek izkliedēta no tilpuma, kurā notika kodola skaldīšana, izmantojot dažādus materiālus pārvadātāji: skaldīšanas fragmenti, skaldīšanas neitroni, - un -daļiņas, -kvanti un pat neitrīni un antineitroni.

Sadalīšanās enerģijas sadalījums starp materiāla nesējiem 235 U un 239 Pu kodolu skaldīšanas laikā ir dots 2.1. tabulā.

2.1. tabula. Urāna-235 un plutonija-239 kodolu dalīšanās enerģijas sadalījums starp dalīšanās produktiem.

Dalīšanās enerģijas nesēji		Plutonijs-239
1. Sadalīšanās fragmentu kinētiskā enerģija
2. Sadalīšanās neitronu kinētiskā enerģija
3. Momentāno gamma kvantu enerģija
4. -kvantu enerģija no skaldīšanas produktiem
5. Fragmentu -starojuma kinētiskā enerģija
6. Antineutrino enerģija

Dažādas dalīšanās enerģijas sastāvdaļas tiek pārveidotas siltumā ne tajā pašā laikā.

Pirmās trīs sastāvdaļas pārvēršas siltumā laikā, kas ir mazāks par 0,1 s (skaitot no dalīšanas brīža), un tāpēc tiek sauktas tūlītēji siltuma izdalīšanās avoti.

- un -starojumu no skaldīšanas produktiem izstaro ierosināti fragmenti ar visdažādākie pussabrukšanas periodi(no dažām sekundes daļām līdz vairākiem desmitiem dienu, ja ņemam vērā tikai fragmentus ar ievērojama īpatnējā raža), un līdz ar to arī iepriekš minēto procesu sabrukšanas siltums, ko tieši izraisa kodoldalīšanās produktu radioaktīvās emisijas, var ilgt desmitiem dienu pēc reaktora izslēgšanas.

*) Pēc ļoti aptuvenām aplēsēm, atlikušā siltuma izdalīšanās jauda reaktorā pēc tā izslēgšanas samazinās pirmajā minūtē - par 30-35%, pēc pirmās reaktora izslēgšanas stundas tā ir aptuveni 30% no jaudas. kurā reaktors darbojās pirms izslēgšanas un pēc pirmās dienas stāvēšanas - aptuveni 25 procenti. Ir skaidrs, ka reaktora piespiedu dzesēšanas apturēšana šādos apstākļos nav iespējama, jo Pat īslaicīga dzesēšanas šķidruma cirkulācijas pārtraukšana kodolā ir saistīta ar degvielas elementu termiskās iznīcināšanas draudiem. Tikai pēc vairāku dienu ilgas reaktora piespiedu dzesēšanas, kad atlikušā siltuma izdalīšanas jauda tiek samazināta līdz dzesēšanas šķidruma līmenim, kas izņemts dabiskās konvekcijas dēļ, var apturēt primārās ķēdes cirkulācijas līdzekļus.

Otrs praktiskais jautājums inženierim: kur un kāda dalīšanās enerģijas daļa reaktorā tiek pārveidota siltumā? - jo tas ir saistīts ar nepieciešamību organizēt līdzsvarotu siltuma noņemšanu no tā dažādām iekšējām daļām, kas izstrādātas dažādos tehnoloģiskos dizainos.

Degvielas sastāvs, kas satur skaldāmos nuklīdus, atrodas noslēgtos apvalkos, kas novērš izveidojušos fragmentu nokļūšanu no degvielas elementu (degvielas elementu) degvielas sastāva dzesēšanas šķidrumā, kas tos atdzesē. Un, ja skaldīšanas fragmenti strādājošā reaktorā neatstāj degvielas elementus, ir skaidrs, ka fragmentu un vāji iekļūstošo -daļiņu kinētiskās enerģijas pārvēršas siltumā. degvielas stieņu iekšpusē.

Sadalīšanās neitronu un -starojuma enerģijas pārvēršas siltumā tikai degvielas elementos daļēji: neitronu un -starojuma caurlaidības spēja rada iekļūšana lielāko daļu sākotnējās kinētiskās enerģijas no viņu dzimšanas vietām.

Zinot precīzu skaldīšanas enerģijas vērtību un tās daļu no iegūtā siltuma degvielas elementos, ir liela praktiska nozīme, ļaujot aprēķināt citu praktiski svarīgu raksturlielumu, t.s. īpatnējā tilpuma siltuma izdalīšanās degvielas stieņa degvielā (q v).

Piemēram, ja ir zināms, ka 1 cm 3 degvielas elementa degvielas sastāva, 1 s R f urāna-235 kodolu skaldīšanās, tad ir acīmredzams: siltumenerģijas daudzums, kas ik sekundi rodas šajā tilpuma vienībā (= 1 cm 3 kurināmā siltuma jauda) ir īpatnējā tilpuma siltuma izdalīšanās (vai enerģijas intensitāte) degvielu, un šī vērtība būs vienāda ar:

q v = 0.9 .  E . R f (2.2.5)

Dalīšanās enerģijas daļa, kas tiek saņemta siltuma veidā ārpus degvielas elementiem reaktora aktīvajā zonā, ir atkarīga no tās veida un konstrukcijas un ir (6  9)% robežās no kopējās skaldīšanas enerģijas. (Piemēram, VVER-1000 šī vērtība ir aptuveni 8,3%, bet RBMK-1000 tā ir aptuveni 7%).

Tādējādi kopējās siltuma izdalīšanās daļa no kopējās skaldīšanas enerģijas kodola tilpuma ir 0,96  0,99, t.i. ar tehnisku precizitāti sakrīt ar kopējo skaldīšanas enerģiju.

Līdz ar to vēl viens reaktora aktīvās zonas tehniskais raksturojums:

- kodola vidējā enerģijas intensitāte(q v) az – siltuma jauda, ​​kas saņemta uz serdeņa tilpuma vienību:

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

Tā kā enerģija ir 1 MeV SI sistēmā tas atbilst 1.602. 10 -13 Dž, tad reaktora aktīvās zonas enerģijas intensitātes vērtība:

(q v) az  3,204 . 10 -11 R f .

Tāpēc, ja ir zināma vidējās enerģijas intensitātes vērtība pār serdes tilpumu, tad reaktora siltuma jauda acīmredzot būs:

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

Reaktora siltuma jauda ir tieši proporcionāla Vidējais ātrums

dalīšanās reakcijas tās kodolā.

Praktiskas sekas : Vai vēlaties, lai reaktors strādātu piepastāvīgs jaudas līmenis? - Izveidojiet tajā tādus apstākļus, lai tā aktīvajā zonā notiktu skaldīšanas reakcija ar nemainīgu vidējo ātrumu laika gaitā. Vai jums ir jāpalielina (samazina) reaktora jauda? - Atrodiet veidus, kā attiecīgi palielināt (vai samazināt) reakcijas ātrumu de lenija. Tā ir galvenā kodolreaktora jaudas kontroles nozīme.

Aplūkotās attiecības un secinājumi šķiet acīmredzami tikai visvienkāršākajā gadījumā, kad degvielas sastāvdaļa reaktorā ir viens urāns-235. Tomēr atkārtojot argumentāciju par reaktoru ar daudzkomponentu kurināmā sastāvu, ir viegli pārbaudīt vidējā skaldīšanas reakcijas ātruma un reaktora siltuma jaudas proporcionalitāti vispārīgākajā gadījumā.

Tādējādi reaktora siltuma jauda un siltuma sadale tās kodolā ir tieši proporcionāli skaldīšanas reakcijas ātruma sadalījumam pa reaktora aktīvās zonas kurināmā sastāva tilpumu.

Bet no teiktā ir arī skaidrs, ka skaldīšanas reakcijas ātrums jābūt saistītam ar brīvo neitronu skaitu kodola vidē, jo tieši tie (brīvie neitroni) izraisa dalīšanās reakcijas, starojuma uztveršanu, izkliedi un citas neitronu reakcijas. Citiem vārdiem sakot, skaldīšanas reakcijas ātrumam, enerģijas izdalīšanai aktīvās zonā un reaktora siltuma jaudai jābūt skaidri saistītai ar neitronu lauka īpašības savā apjomā.

Pēc tam, kad tika veikta nekontrolēta ķēdes reakcija, kas ļāva iegūt gigantisku enerģijas daudzumu, zinātnieki izvirzīja uzdevumu īstenot kontrolētu ķēdes reakciju. Kontrolētas ķēdes reakcijas būtība ir spēja kontrolēt neitronus. Šis princips ir veiksmīgi izmantots atomelektrostacijās (AES).

Urāna kodolu skaldīšanas enerģiju izmanto atomelektrostacijās (AES). Urāna skaldīšanas process ir ļoti bīstams. Tāpēc kodolreaktorus ieskauj blīvi aizsargapvalki. Izplatīts reaktoru veids ir zem spiediena ūdens.

Dzesēšanas šķidrums ir ūdens. Auksts ūdens nonāk reaktorā zem ļoti augsta spiediena, kas neļauj tam uzvārīties.

Aukstais ūdens, kas iet cauri reaktora kodolam, darbojas arī kā moderators - palēnina ātro neitronu darbību, lai tie nonāktu urāna kodolos un izraisītu ķēdes reakciju.

Kodoldegviela (urāns) atrodas kodolā degvielas komplekta stieņu veidā. Degvielas stieņi komplektā mijas ar vadības stieņiem, kas regulē kodola skaldīšanas ātrumu, absorbējot ātros neitronus.

Dalīšanās izdala lielu daudzumu siltuma. Uzkarsētais ūdens iziet no serdeņa zem spiediena ar temperatūru 300°C un nonāk elektrostacijā, kurā atrodas ģeneratori un turbīnas.

Karstais ūdens no reaktora uzsilda sekundārā kontūra ūdeni līdz vārīšanās temperatūrai. Tvaiks tiek novirzīts uz turbīnas lāpstiņām un rotē to. Rotējošā vārpsta nodod enerģiju ģeneratoram. Ģeneratorā mehāniskā rotācijas enerģija tiek pārveidota par elektrisko enerģiju. Tvaiks atdziest un ūdens atgriežas atpakaļ reaktorā.

Šo sarežģīto procesu rezultātā atomelektrostacija ražo elektrisko strāvu.

Kā redzams, skaldāmais izotops atrodas degvielas stieņos, kas atrodas reaktora aktīvajā zonā, veidojot kritisko masu. Kodolreakciju kontrolē, izmantojot vadības stieņus, kas izgatavoti no bora vai kadmija. Vadības stieņi, tāpat kā degvielas stieņi, atrodas reaktora serdeņos un, tāpat kā sūklis, kas absorbē ūdeni, iedarbojas uz neitroniem, absorbējot tos. AES operators, regulējot regulēšanas stieņu skaitu reaktora aktīvajā zonā, kontrolē kodolprocesa ātrumu: viņš to palēnina, nolaižot vadības stieņus reaktora aktīvajā zonā; vai paātrina to, paceļot stieņus.

Šķiet, ka viss ir brīnišķīgi – kodolenerģija ir neizsmeļams augsto tehnoloģiju elektroenerģijas avots, un tā ir nākotne. Tā cilvēki domāja līdz 1986. gada 26. augustam. Avārija Černobiļas atomelektrostacijas ceturtajā blokā visu apgrieza kājām gaisā - “miermīlīgais” atoms izrādījās ne tik mierīgs, ja pret to izturējās ar nicinājumu.

Par to ir uzrakstīts diezgan daudz materiālu. Šeit tiks dota katastrofas kvintesence (saīsināta būtība).

Černobiļas atomelektrostacijas 4. energobloka avārijas galvenie cēloņi:

1. Nepietiekami pārdomāta programma tehnoloģiskam eksperimentam par turboģeneratora nolietošanos;
2. RBMK kodolreaktora izstrādātāju kļūdaini aprēķini, kur būtiska loma bija operatīvās informācijas trūkumam vadības sistēmā par reaktivitātes rezervi kodolā;
3. Atomelektrostacijas personāla “brīvības”, kas veica eksperimentu un pieļāva atkāpes no veicamajiem darbiem.

Tas viss kopā noveda pie katastrofas. Starp speciālistiem, kas izmeklēja Černobiļas notikumus, bija kaut kas līdzīgs šai formulai: "operatoriem izdevās bloku uzspridzināt, un reaktors viņiem ļāva to izdarīt". Daļa no Černobiļas vainas ir gandrīz visiem - un fiziķiem, kuri veic aprēķinus, izmantojot vienkāršotus modeļus, un uzstādītājiem, kuri neuzmanīgi metina šuves, un operatoriem, kuri ļaujas neievērot darba noteikumus.

Černobiļas avārijas anatomija īsumā

1. Reaktora jaudai tika atļauts samazināties līdz ļoti mazai vērtībai (apmēram 1% no nominālās vērtības). Tas ir “slikti” reaktoram, jo ​​tas iekrīt “joda bedrē” un sākas reaktora saindēšanās ar ksenonu. Saskaņā ar “parasto” pieeju reaktors bija jāslēdz, taču šajā gadījumā turbīnas nolaišanas eksperiments ar visām no tā izrietošajām administratīvajām sekām netiktu veikts. Rezultātā Černobiļas AES darbinieki nolēma palielināt reaktora jaudu un turpināt eksperimentu.

2. No iepriekš minētā materiāla ir skaidrs, ka atomelektrostacijas operators var kontrolēt kodolreakcijas ātrumu (reaktora jaudu), pārvietojot vadības stieņus reaktora aktīvajā zonā. Lai palielinātu reaktora jaudu (lai pabeigtu eksperimentu), gandrīz visi kontroles stieņi tika izņemti no reaktora serdes.

Lai lasītājam, kurš nepārzina “kodolenerģijas smalkumus”, būtu skaidrāk, mēs varam sniegt šādu analoģiju ar slodzi, kas piekārta uz atsperes:

• Slodze (vai drīzāk tās pozīcija) ir reaktora jauda;
• Atspere ir slodzes (reaktora jaudas) kontroles līdzeklis.
• Normālā stāvoklī slodze un atspere atrodas līdzsvarā - slodze atrodas noteiktā augstumā, un atspere ir nostiepta par noteiktu daudzumu.
• Kad reaktora jauda neizdevās ("joda bedre"), slodze nolaidās zemē (un gāja ļoti spēcīgi).
• Lai “izvilktu” reaktoru, operators “izvilka atsperi” (izvilka regulēšanas stieņus; taču vajadzēja darīt tieši otrādi - ielikt visus stieņus un izslēgt reaktoru, t.i., atlaist atsperi tā, lai slodze nokrīt zemē). Bet slodzes-atsperu sistēmai ir zināma inerce, un kādu laiku pēc tam, kad operators sāka vilkt atsperi uz augšu, slodze joprojām virzās uz leju. Un operatore turpina vilkt augšā.
• Visbeidzot, slodze sasniedz zemāko punktu, un (jau pienācīgu) atsperes spēku ietekmē tā sāk virzīties uz augšu - reaktora jauda sāk strauji palielināties. Krava lido uz augšu arvien ātrāk (nekontrolēta ķēdes reakcija ar milzīga siltuma daudzuma izdalīšanos), un operators vairs nevar darīt neko, lai nodzēstu kravas augšupejošās kustības inerci. Rezultātā slodze trāpa operatoram pa pieri.

Jā, Černobiļas atomelektrostacijas operatori, kas ļāva uzsprāgt energoblokam, maksāja visaugstāko cenu par savu kļūdu – savu dzīvību.

Kāpēc Černobiļas AES darbinieki rīkojās šādi? Viens no iemesliem bija tas, ka kodolreaktora vadības sistēma nesniedza operatoram operatīvo informāciju par reaktorā notiekošajiem bīstamajiem procesiem.

Tā savu grāmatu sāk A.S. Djatlovs "Černobiļa. Kā tas notika":

1986. gada 26. aprīlī pulksten 1 stundā, divdesmit trīs minūtēs, četrdesmit sekundēs Černobiļas atomelektrostacijas 4. bloka maiņas vadītājs Aleksandrs Akimovs pavēlēja reaktoru izslēgt pēc veikto darbu pabeigšanas. pirms barošanas bloka izslēgšanas plānotajiem remontdarbiem. Pavēle ​​izdota mierīgā darba vidē, centralizētā vadības sistēma nefiksē nevienu avārijas vai brīdinājuma signālu par novirzēm reaktora vai servisa sistēmu parametros. Reaktora operators Leonīds Toptunovs noņēma AZ pogai vāciņu, kas pasargā no nejaušas kļūdainas nospiešanas, un nospieda pogu. Pēc šī signāla 187 reaktora vadības stieņi sāka virzīties uz leju kodolā. Uz mnemoniskās tāfeles iedegās fona apgaismojuma gaismas, un stieņa stāvokļa indikatoru bultiņas sāka kustēties. Aleksandrs Akimovs, stāvot puspagriezies pret reaktora vadības paneli, to novēroja, un arī redzēja, ka AR nelīdzsvarotības indikatoru “zaķi” kā pienākas “izmeta pa kreisi” (viņa izteiksme), kas nozīmēja reaktora jauda, ​​pagriezās pret drošības paneli, aiz kura novēroju eksperimentā.
Bet tad notika kaut kas tāds, ko pat trakākā iztēle nevarēja paredzēt. Pēc neliela samazinājuma reaktora jauda pēkšņi sāka pieaugt ar arvien lielāku ātrumu, un parādījās trauksmes signāli. L. Toptunovs kliedza par ārkārtas jaudas palielināšanu. Bet viņš neko nevarēja izdarīt. Viss, ko viņš varēja izdarīt, bija turēt nospiestu AZ pogu, vadības stieņi nonāca aktīvajā zonā. Viņa rīcībā nav citu līdzekļu. Un arī visi pārējie. A. Akimovs asi kliedza: "Izslēdziet reaktoru!" Viņš pielēca pie vadības paneļa un atslēdza elektromagnētiskos sajūgus vadības stieņa piedziņām. Darbība ir pareiza, bet bezjēdzīga. Galu galā CPS loģika, tas ir, visi tās loģisko ķēžu elementi, darbojās pareizi, stieņi nonāca zonā. Tagad ir skaidrs - pēc AZ pogas nospiešanas nebija pareizas darbības, nebija glābšanas līdzekļu. Cita loģika neizdevās!
Ar nelielu pārtraukumu sekoja divi spēcīgi sprādzieni. AZ stieņi pārstāja kustēties, nenobraucot pat pusi ceļa. Viņiem nebija kur citur doties.
Pēc vienas stundas, divdesmit trīs minūtēm un četrdesmit septiņām sekundēm reaktors tika iznīcināts jaudas palielināšanas rezultātā, izmantojot tūlītējus neitronus. Šis ir sabrukums, vislielākā katastrofa, kas var notikt elektroenerģijas reaktorā. Viņi to nesaprata, negatavojās, netika nodrošināti tehniski pasākumi lokalizācijai kvartālā un stacijā...

Tas ir, dažas sekundes pirms katastrofas personāls pat nenojauta par briesmām! Beigas visai šai absurdajai situācijai bija avārijas pogas nospiešana, pēc kuras notika sprādziens - tu sacenšas ar mašīnu un šķēršļa priekšā nospiež bremzi, bet mašīna vēl vairāk paātrinās un ietriecas šķērslī. Taisnības labad gan jāsaka, ka avārijas pogas nospiešana situāciju nekādi nevarēja ietekmēt – tas tikai par dažiem mirkļiem paātrināja neizbēgamo reaktora sprādzienu, bet fakts paliek fakts – avārijas aizsardzība uzspridzināja reaktoru !

Radiācijas ietekme uz cilvēkiem

Kāpēc cilvēka izraisītās kodolkatastrofas (nemaz nerunājot par kodolieročiem) ir tik bīstamas?

Papildus milzīgu enerģijas daudzumu izdalīšanai, kas izraisa lielu iznīcināšanu, kodolreakcijas pavada starojums un līdz ar to arī apgabala radiācijas piesārņojums.

Kāpēc starojums ir tik kaitīgs dzīvam organismam? Ja tas nebūtu radījis tādu kaitējumu visam dzīvajam, tad visi sen būtu aizmirsuši par Černobiļas avāriju un atombumbas būtu mētātas pa labi un pa kreisi.

Radiācija iznīcina dzīvā organisma šūnas divos veidos:

1. karsēšanas dēļ (radiācijas apdegums);
2. šūnu jonizācijas dēļ (radiācijas slimība).

Radioaktīvajām daļiņām un pašam starojumam ir augsta kinētiskā enerģija. Radiācija rada siltumu. Šis karstums, līdzīgs saules apdegumam, izraisa starojuma apdegumu, iznīcinot ķermeņa audus.

Kodolreaktora, kas izmanto termiskos (lēnos) neitronus, shematiskā diagramma parādīta 5.1. attēlā, šeit 1 - vadības stieņi, 2 - bioloģiskā aizsardzība, 3 - termiskā aizsardzība, 4 - moderators, 5 - kodoldegviela (degvielas stieņi).

Kad neitrons ietriecas urāna 235 izotopa kodolā, tas sadalās divās daļās un tiek emitēti vairāki (2,5-3) jauni sekundāri neitroni.. Lai kodolreaktorā saglabātos ķēdes reakcija, kodoldegvielas masai reaktora aktīvā jābūt ne mazākai par kritisko. Reaktoram jābūt šim daudzumam 235U tā, lai vidēji vismaz viens no iegūtajiem neitroniem katrā skaldīšanas notikumā varētu izraisīt nākamo skaldīšanas notikumu, pirms tas atstāj reaktora serdi.

5.1.attēls. Termiskā neitronu kodolreaktora shematiskā diagramma

Ja neitronu skaits paliek nemainīgs, tad skaldīšanas reakcijai būs stacionārs raksturs. Jo augstāks ir esošo neitronu skaita līdzsvara stāvokļa līmenis, jo lielāka ir reaktora jauda. 1 MW jauda atbilst ķēdes reakcijai, kurā 1 sekundē notiek 3 10 16 dalīšanās.

Ja neitronu skaits palielinās, notiks termiskais sprādziens, ja tas samazinās, reakcija apstāsies. Reakcijas ātrums tiek kontrolēts izmantojot vadības stieņus 1.

Pašreizējo kodolreaktora stāvokli var raksturot kā efektīvu neitronu reizināšanas koeficients vai reaktivitāte, kas ir savstarpēji saistītas ar attiecībām:

Šiem daudzumiem raksturīgas šādas vērtības:

· - ķēdes reakcija ar laiku palielinās, reaktors atrodas superkritiskā stāvoklī, tā reaktivitāte;

· , - kodola skaldīšanas gadījumu skaits ir nemainīgs, reaktors atrodas stabilā kritiskā stāvoklī.

Kodolreaktors ar noteiktu jaudu ilgstoši var darboties tikai tad, ja tam darbības sākumā ir reaktivitātes rezerve. Kodolreaktora darbības laikā, akumulējoties kurināmā skaldīšanas fragmentiem, mainās tās izotopiskais un ķīmiskais sastāvs, veidojas transurāna elementi, galvenokārt Pu. Reaktorā notiekošie procesi samazina atomu kodolu sadalīšanās ķēdes reakcijas iespējamību.

Lai uzturētu un īstenotu ķēdes reakciju, ir jāierobežo neitronu absorbcija materiālos, kas ieskauj reaktora serdi. Tas tiek panākts, izmantojot materiālus (bioloģiskajai 2 un termiskajai 3 aizsardzībai), kas vismaz daļēji (ideālā gadījumā 50%) atspoguļo neitronus, t.i. tos neuzsūca. Īpaši svarīga ir dzesēšanas šķidruma izvēle, ko izmanto siltuma pārnešanai no serdeņa uz turbīnu.

Neitroni, kas rodas skaldīšanas rezultātā, var būt ātri (liels ātrums) vai lēni (termiski). Varbūtība, ka kodols uztvers lēnu neitronu 235U un tā turpmākā šķelšanās ir lielāka nekā ātram neitronam. Tāpēc degvielas stieņus 5 ieskauj īpaši moderatori 4, kas palēnina neitronus, vāji absorbējot tos. Lai samazinātu neitronu noplūdi no reaktora, tas ir aprīkots ar reflektoru. Visbiežāk izmantotie moderatori un atstarotāji ir grafīts, smagie ( D2O), parastais ūdens utt.

Stacionāro esošo neitronu skaits nosaka izveidoto kodola skaldīšanas fragmentu skaitu, kas ar milzīgu ātrumu aizlido dažādos virzienos. Fragmentu bremzēšana noved pie degvielas un degvielas stieņu sienu uzkarsēšanas. Lai noņemtu šo siltumu, reaktors tiek padots dzesēšanas šķidrums, kura apkure ir reaktora mērķis. Bieži vien funkcijas veic viena un tā pati viela, piemēram, parasts ūdens dzesēšanas šķidrums, moderators un atstarotājs. Ūdens tiek piegādāts reaktoram, izmantojot galvenie cirkulācijas sūkņi(MCP).