domov » Električni » "mirnega" atoma. Princip delovanja jedrskega reaktorja Razlaga novega materiala

"mirnega" atoma. Princip delovanja jedrskega reaktorja Razlaga novega materiala




























Nazaj naprej

Pozor! Predogled diapozitiva je zgolj informativne narave in morda ne predstavlja celotnega obsega predstavitve. Če vas to delo zanima, prenesite polno različico.

Cilji lekcije:

  • Izobraževalni: posodabljanje obstoječega znanja; nadaljujejo z oblikovanjem pojmov: cepitev uranovih jeder, verižna jedrska reakcija, pogoji za njen nastanek, kritična masa; uvede nove pojme: jedrski reaktor, glavne elemente jedrskega reaktorja, zasnovo jedrskega reaktorja in princip njegovega delovanja, vodenje jedrske reakcije, razvrstitev jedrskih reaktorjev in njihovo uporabo;
  • V razvoju: nadaljevati z oblikovanjem sposobnosti opazovanja in sklepanja ter razvijati intelektualne sposobnosti in radovednost učencev;
  • Izobraževalni: nadaljevati vzgojo odnosa do fizike kot eksperimentalne vede; gojiti vesten odnos do dela, disciplino, pozitiven odnos do znanja.

Vrsta lekcije: učenje nove snovi.

Oprema: multimedijska namestitev.

Med poukom

1. Organizacijski trenutek.

Fantje! Danes bomo v lekciji ponovili cepitev uranovih jeder, jedrsko verižno reakcijo, pogoje za njen nastanek, kritično maso, izvedeli bomo, kaj je jedrski reaktor, glavne elemente jedrskega reaktorja, zasnovo jedrske reaktor in princip njegovega delovanja, vodenje jedrske reakcije, klasifikacija jedrskih reaktorjev in njihova uporaba.

2. Preverjanje preučenega gradiva.

  1. Mehanizem cepitve uranovih jeder.
  2. Opišite mehanizem jedrske verižne reakcije.
  3. Navedite primer jedrske cepitvene reakcije uranovega jedra.
  4. Kaj imenujemo kritična masa?
  5. Kako poteka verižna reakcija v uranu, če je njegova masa manjša od kritične, večja od kritične?
  6. Kakšna je kritična masa urana 295, ali je mogoče zmanjšati kritično maso?
  7. Kako lahko spremenite potek verižne jedrske reakcije?
  8. Kakšen je namen upočasnitve hitrih nevtronov?
  9. Katere snovi se uporabljajo kot moderatorji?
  10. S katerimi dejavniki lahko povečamo število prostih nevtronov v kosu urana in s tem zagotovimo možnost, da v njem pride do reakcije?

3. Razlaga nove snovi.

Fantje, odgovorite na vprašanje: Kaj je glavni del jedrske elektrarne? ( jedrski reaktor)

Dobro opravljeno. Torej, fantje, zdaj pa se podrobneje posvetimo tej temi.

Zgodovinska referenca.

Igor Vasiljevič Kurčatov je izjemen sovjetski fizik, akademik, ustanovitelj in prvi direktor Inštituta za atomsko energijo od leta 1943 do 1960, glavni znanstveni vodja jedrske problematike v ZSSR, eden od ustanoviteljev uporabe jedrske energije v miroljubne namene. . Akademik Akademije znanosti ZSSR (1943). Prva sovjetska atomska bomba je bila testirana leta 1949. Štiri leta pozneje je bila uspešno testirana prva vodikova bomba na svetu. In leta 1949 je Igor Vasilijevič Kurčatov začel delati na projektu jedrske elektrarne. Jedrska elektrarna je glasnik miroljubne rabe atomske energije. Projekt je bil uspešno zaključen: 27. julija 1954 je naša jedrska elektrarna postala prva na svetu! Kurčatov se je veselil in zabaval kot otrok!

Opredelitev jedrskega reaktorja.

Jedrski reaktor je naprava, v kateri se izvaja in vzdržuje nadzorovana verižna reakcija cepitve nekaterih težkih jeder.

Prvi jedrski reaktor je bil zgrajen leta 1942 v ZDA pod vodstvom E. Fermija. V naši državi je bil prvi reaktor zgrajen leta 1946 pod vodstvom IV Kurchatova.

Glavni elementi jedrskega reaktorja so:

  • jedrsko gorivo (uran 235, uran 238, plutonij 239);
  • moderator nevtronov (težka voda, grafit itd.);
  • hladilno sredstvo za odvajanje energije, ki nastane med delovanjem reaktorja (voda, tekoči natrij itd.);
  • Krmilne palice (bor, kadmij) - močno absorbirajo nevtrone
  • Zaščitna lupina, ki zadržuje sevanje (beton z železnim polnilom).

Princip delovanja jedrski reaktor

Jedrsko gorivo se nahaja v aktivni coni v obliki navpičnih palic, imenovanih gorivni elementi (TVEL). Gorivne palice so namenjene krmiljenju moči reaktorja.

Masa posamezne gorivne palice je veliko manjša od kritične mase, zato v eni palici ne more priti do verižne reakcije. Začne se po potopitvi v aktivno cono vseh uranovih palic.

Aktivno območje je obdano s plastjo snovi, ki odbija nevtrone (reflektor) in zaščitno ovojnico iz betona, ki ujame nevtrone in druge delce.

Odvzem toplote iz gorivnih celic. Hladilno sredstvo - voda opere palico, segreto na 300 ° C pri visokem tlaku, vstopi v toplotne izmenjevalnike.

Vloga toplotnega izmenjevalnika - voda, segreta na 300 ° C, oddaja toploto navadni vodi, se spremeni v paro.

Nadzor jedrske reakcije

Reaktor krmilijo palice, ki vsebujejo kadmij ali bor. Ko so palice iztegnjene iz sredice reaktorja, K > 1, in ko so palice popolnoma uvlečene, je K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Reaktor na počasne nevtrone.

Najučinkovitejša cepitev jeder urana-235 se pojavi pod delovanjem počasnih nevtronov. Takšni reaktorji se imenujejo reaktorji s počasnimi nevtroni. Sekundarni nevtroni, ki nastanejo pri fisijski reakciji, so hitri. Da bi bila njihova kasnejša interakcija z jedri urana-235 v verižni reakciji najbolj učinkovita, jih upočasnimo z vnosom moderatorja v jedro - snov, ki zmanjša kinetično energijo nevtronov.

Reaktor hitrih nevtronov.

Reaktorji na hitrih nevtronih ne morejo delovati na naravni uran. Reakcija se lahko vzdržuje le v obogateni zmesi, ki vsebuje vsaj 15 % izotopa urana. Prednost hitrih nevtronskih reaktorjev je v tem, da pri njihovem delovanju nastajajo znatne količine plutonija, ki se nato lahko uporabi kot jedrsko gorivo.

Homogeni in heterogeni reaktorji.

Jedrske reaktorje glede na medsebojno razporeditev goriva in moderatorja delimo na homogene in heterogene. V homogenem reaktorju je sredica homogena masa goriva, moderatorja in hladila v obliki raztopine, zmesi ali taline. Reaktor se imenuje heterogeni, v katerem je gorivo v obliki blokov ali gorivnih sklopov nameščeno v moderatorju, ki v njem tvori pravilno geometrijsko mrežo.

Pretvarjanje notranje energije atomskih jeder v električno energijo.

Jedrski reaktor je glavni element jedrske elektrarne (JE), ki pretvarja toplotno jedrsko energijo v električno. Pretvorba energije poteka po naslednji shemi:

  • notranja energija uranovih jeder -
  • kinetična energija nevtronov in fragmentov jeder -
  • notranja energija vode -
  • notranja energija pare -
  • kinetična energija pare -
  • kinetična energija rotorja turbine in rotorja generatorja -
  • Električna energija.

Uporaba jedrskih reaktorjev.

Odvisno od namena so jedrski reaktorji energetski, pretvorniški in vzgajalnik, raziskovalni in večnamenski, transportni in industrijski.

Jedrski reaktorji se uporabljajo za pridobivanje električne energije v jedrskih elektrarnah, v ladijskih elektrarnah, jedrskih termoelektrarnah in jedrskih toplotnih postajah.

Reaktorji, namenjeni za proizvodnjo sekundarnega jedrskega goriva iz naravnega urana in torija, se imenujejo pretvorniki ali vzgajalci. V reaktorju-konverterju se sekundarno jedrsko gorivo tvori manj kot prvotno porabljeno.

V razmnoževalnem reaktorju se izvaja razširjena reprodukcija jedrskega goriva, tj. izkaže se več, kot je bilo porabljenega.

Raziskovalni reaktorji se uporabljajo za preučevanje procesov interakcije nevtronov s snovjo, preučevanje obnašanja reaktorskih materialov v intenzivnih poljih nevtronskega in gama sevanja, radiokemične in biološke raziskave, proizvodnjo izotopov, eksperimentalne raziskave v fiziki jedrskih reaktorjev.

Reaktorji imajo različno moč, stacionarni ali impulzni način delovanja. Večnamenski reaktorji so reaktorji, ki služijo več namenom, kot sta proizvodnja električne energije in proizvodnja jedrskega goriva.

Okoljske katastrofe v jedrskih elektrarnah

  • 1957 - nesreča v Veliki Britaniji
  • 1966 - Delna talina jedra po okvari hlajenja reaktorja blizu Detroita.
  • 1971 - Veliko onesnažene vode je šlo v ameriško reko
  • 1979 - največja nesreča v ZDA
  • 1982 - izpust radioaktivne pare v ozračje
  • 1983 - strašna nesreča v Kanadi (radioaktivna voda je iztekala 20 minut - tona na minuto)
  • 1986 - nesreča v Veliki Britaniji
  • 1986 - nesreča v Nemčiji
  • 1986 - Černobilska jedrska elektrarna
  • 1988 - požar v jedrski elektrarni na Japonskem

Sodobne jedrske elektrarne so opremljene z osebnim računalnikom, prej pa so reaktorji tudi po nesreči še naprej delovali, saj ni bilo sistema za samodejno zaustavitev.

4. Pritrjevanje materiala.

  1. Kaj je jedrski reaktor?
  2. Kaj je jedrsko gorivo v reaktorju?
  3. Katera snov služi kot moderator nevtronov v jedrskem reaktorju?
  4. Kakšen je namen moderatorja nevtronov?
  5. Čemu so krmilne palice? Kako se uporabljajo?
  6. Kaj se uporablja kot hladilno sredstvo v jedrskih reaktorjih?
  7. Zakaj mora biti masa vsake uranove palice manjša od kritične mase?

5. Izvedba testa.

  1. Kateri delci sodelujejo pri cepitvi uranovih jeder?
    A. protoni;
    B. nevtroni;
    B. elektroni;
    G. helijeva jedra.
  2. Kakšna masa urana je kritična?
    A. največji, pri katerem je možna verižna reakcija;
    B. katera koli masa;
    V. najmanjša, pri kateri je možna verižna reakcija;
    D. masa, pri kateri se bo reakcija ustavila.
  3. Kakšna je približna kritična masa urana 235?
    A. 9 kg;
    B. 20 kg;
    B. 50 kg;
    G. 90 kg.
  4. Katere od naslednjih snovi se lahko uporabljajo v jedrskih reaktorjih kot moderatorji nevtronov?
    A. grafit;
    B. kadmij;
    B. težka voda;
    G. bor.
  5. Za jedrsko verižno reakcijo v jedrski elektrarni je potrebno, da je faktor množenja nevtronov:
    A. je enako 1;
    B. več kot 1;
    V. manj kot 1.
  6. Regulacija hitrosti cepitve jeder težkih atomov v jedrskih reaktorjih se izvaja:
    A. zaradi absorpcije nevtronov pri spuščanju palic z absorberjem;
    B. zaradi povečanja odvajanja toplote s povečanjem hitrosti hladilne tekočine;
    B. s povečanjem dobave električne energije odjemalcem;
    G. z zmanjšanjem mase jedrskega goriva v sredici ob odstranitvi gorivnih palic.
  7. Katere transformacije energije potekajo v jedrskem reaktorju?
    A. notranja energija atomskih jeder se pretvori v svetlobno energijo;
    B. notranja energija atomskih jeder se pretvori v mehansko energijo;
    B. notranja energija atomskih jeder se pretvori v električno energijo;
    G. med odgovori ni pravilnega odgovora.
  8. Leta 1946 je bil v Sovjetski zvezi zgrajen prvi jedrski reaktor. Kdo je bil vodja tega projekta?
    A. S. Korolev;
    B. I. Kurčatov;
    V. D. Saharov;
    G. A. Prohorov.
  9. Kateri način se vam zdi najprimernejši za povečanje zanesljivosti jedrskih elektrarn in preprečevanje kontaminacije zunanjega okolja?
    A. razvoj reaktorjev, zmožnih avtomatskega hlajenja reaktorske sredice, ne glede na voljo upravljavca;
    B. povečevanje pismenosti obratovanja NEK, stopnje strokovne usposobljenosti operaterjev NEK;
    B. razvoj visoko učinkovitih tehnologij za razgradnjo jedrskih elektrarn in predelavo radioaktivnih odpadkov;
    D. lokacijo reaktorjev globoko pod zemljo;
    E. zavrnitev gradnje in obratovanja jedrskih elektrarn.
  10. Kateri viri onesnaževanja okolja so povezani z obratovanjem jedrskih elektrarn?
    A. industrija urana;
    B. jedrski reaktorji različnih vrst;
    B. radiokemična industrija;
    D. mesta predelave in odlaganja radioaktivnih odpadkov;
    E. uporaba radionuklidov v narodnem gospodarstvu;
    E. jedrske eksplozije.

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

6. Rezultati lekcije.

Kaj novega ste se danes naučili pri pouku?

Kaj vam je bilo všeč pri lekciji?

Kakšna so vprašanja?

HVALA ZA VAŠE DELO PRI LEKCIJI!

Reakcija nevtronske jedrske cepitve težkih jeder je, kot smo že omenili, glavna in osrednja reakcija v jedrskih reaktorjih. Zato se je smiselno že od samega začetka seznaniti s fizikalnimi pojmi fisijske reakcije in tistimi njenimi značilnostmi, ki tako ali drugače puščajo pečat na vseh vidikih življenja in življenja najkompleksnejšega tehničnega kompleksa, ki je imenovana jedrska elektrarna.

Slika 2.6 daje idejo o cepitvi jedra urana-235 v vizualnih slikah.

Nevtronsko jedro mase A Vzbujeno sestavljeno jedro Cepitveni fragmenti

cepitveni nevtroni

Slika 2.6. Shematski prikaz cepitve jedra 235 U.

Na podlagi tega diagrama lahko posplošeno "enačbo" za cepitveno reakcijo (ki je bolj logična kot strogo matematična) zapišemo kot:

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

- (F 1)* in (F 2)* - simbola navdušen cepitveni delci (v nadaljevanju indeks (*) označuje nestabilne, vzbujene ali radioaktivne elemente); fragment (F 1)* ima maso A 1 in naboj Z 1 , fragment (F 2)* ima maso A 2 in naboj Z 2 ;

-  5 . 1 n označuje  5 fisijskih nevtronov, ki se v povprečju sprostijo pri vsakem cepitvenem aktu jedra urana-235;

- ,  in  - -delci, -delci in -kvanti, katerih povprečno število na cepitveno dejanje jedra urana-235 je a, b in c;

    E je povprečna količina energije, ki se sprosti pri cepitvi.

Ponovno poudarjamo: zgoraj zapisani izraz ni enačba v ožjem pomenu besede; to je le oblika zapisa, ki si jo je enostavno zapomniti in odraža glavne značilnosti reakcije nevtronske cepitve:

a) nastanek fisijskih drobcev;

b) nastanek novih prostih nevtronov pri cepitvi, ki jo bomo v nadaljevanju na kratko imenovali cepitveni nevtroni;

c) radioaktivnost fisijskih drobcev, ki povzroči njihovo nadaljnjo transformacijo v bolj stabilne tvorbe, zaradi česar nastanejo številni stranski učinki - tako pozitivni, koristni kot negativni, ki jih je treba upoštevati pri načrtovanju, gradnji in obratovanju jedrskih reaktorjev. ;

d) sproščanje energije med cepitvijo - glavna lastnost fisijske reakcije, ki vam omogoča ustvarjanje energija jedrski reaktor.

Vsak od zgoraj naštetih fizikalnih procesov, ki spremlja fisijsko reakcijo, igra določeno vlogo v reaktorju in ima svoje praktične pomen. Zato jih spoznajmo podrobneje.

2.2.1. Nastajanje fisijskih drobcev. O enkratnem dejanju jedrske cepitve lahko do neke mere govorimo kot o pojavu naključen, ob upoštevanju, da je težko jedro urana, sestavljeno iz 92 protonov in 143 nevtronov, načeloma sposobno razdeliti na različno število fragmentov z različnimi atomskimi masami. V tem primeru se lahko oceni možnosti jedrske cepitve na 2, 3 ali več drobcev približamo z verjetnostnimi merami. Po navedenih podatkih je verjetnost cepitve jedra na dva drobca več kot 98 %, zato se velika večina cepitev konča z nastankom točno dveh drobcev.

Spektroskopske študije cepitvenih produktov so ugotovile več kot 600 kvalitativno različnih cepitvenih fragmentov z različnimi atomskimi masami. In tukaj, v navideznem naključju, z velikim številom delitev, ena splošno pravilo, kar lahko na kratko izrazimo takole:

Verjetnost pojava fragmenta določene atomske mase med masno cepitvijo določenega nuklida je strogo določena vrednost, značilna za ta cepljivi nuklid.

Ta količina se imenuje izkoristek fragmentov , označeno z malo grško črko jaz(gama) z indeksom - simbol kemičnega elementa, katerega jedro je ta fragment, ali simbol izotopa.

Na primer, v fizikalnih poskusih je bilo zabeleženo, da se fragment ksenona-135 (135 Xe) med vsakimi tisočimi cepitvami jeder 235 U pojavi v povprečju v treh primerih. To pomeni, da je specifični izkoristek fragmenta 135 Xe

Xe= 3/1000 = 0,003 vseh razdelkov,

in v zvezi z enim samim aktom jedrske fisije 235 U je vrednost  Xe = 0,003 = 0,3 % - verjetnost, da se cepitev konča z nastankom fragmenta 135 heh

Jasna ocena vzorcev nastajanja fisijskih fragmentov različnih atomskih mas je podana s krivuljami specifičnega izkoristka drobcev (slika 2.7).

10

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

riž. 2.7. Specifični izkoristki fisijskih fragmentov različnih atomskih mas

pri cepitvi 235 U (polna črta) in 239 Pu (črtkana črta).

Narava teh krivulj nam omogoča, da sklepamo naslednje:

a) Atomske mase fragmentov, ki nastanejo med cepitvijo, se v veliki večini primerov gibljejo znotraj 70  165 a.m.u. Specifični izkoristek lažjih in težjih drobcev je zelo majhen (ne presega 10 -4%).

b) Simetrična jedrska cepitev (tj. cepitev na dva fragmenta enakih mas) je izjemno redka: njihov specifični izkoristek ne presega 0,01 % za jedra urana-235 in 0,04 % za jedra plutonija-239.

c) Najpogosteje nastane pljuča fragmenti z masnimi števili znotraj 83 104 a.m.u. in težka fragmenti z A = 128  149 a.m.u. (njihov specifični izkoristek je 1 % ali več).

d) Cepitev 239 Pu pod delovanjem toplotnih nevtronov povzroči nastanek več težji drobcev v primerjavi s fisijskimi fragmenti 235 U.

*) V prihodnosti se bomo pri preučevanju kinetike reaktorja in procesov njegovega zastrupljanja in žlindranja morali več kot enkrat obrniti na vrednosti specifičnih izkoristkov številnih fisijskih fragmentov pri sestavljanju diferencialnih enačb, ki opisujejo fizikalne procesov v sredici reaktorja.

Priročnost te vrednosti je v tem, da je ob poznavanju hitrosti cepitvene reakcije (število cepitev na enoto prostornine sestave goriva na enoto časa) enostavno izračunati hitrost tvorbe kakršnih koli fisijskih drobcev, katerih kopičenje v reaktor nekako vpliva na njegovo delovanje:

Stopnja generiranja i-tega fragmenta = jaz (stopnja cepitvene reakcije)

In še ena pripomba, povezana z nastankom fisijskih drobcev. Cepitveni drobci, ki nastanejo med cepitvijo, imajo visoke kinetične energije. S prenosom svoje kinetične energije med trki z atomi medija sestave goriva se fisijski fragmenti s tem povečati povprečno raven kinetične energije atomov in molekul, ki ga v skladu s predstavami kinetične teorije dojemamo kot povišanje temperature sestava goriva ali kako odvajanje toplote v njej.

Večina toplote v reaktorju nastane na ta način.

To je določena pozitivna vloga tvorbe drobcev v delovnem procesu jedrskega reaktorja.

2.2.2. Nastajanje fisijskih nevtronov. Ključni fizikalni pojav, ki spremlja proces cepitve težkih jeder, je emisija sekundarnih hitrih nevtronov zaradi vzbujenih fisijskih drobcev, drugače klical hitri nevtroni oz cepitveni nevtroni.

Pomen tega pojava (odkril F. Joliot-Curie s sodelavci - Albano in Kovarsky - leta 1939) je nesporno: zahvaljujoč njemu se med cepitvijo težkih jeder pojavijo novi prosti nevtroni, ki nadomestijo tiste, ki so povzročili cepitev; ti novi nevtroni lahko medsebojno delujejo z drugimi cepljivimi jedri v gorivu in povzročijo njihovo cepitev, ki jo spremlja emisija novih cepitvenih nevtronov itd. To pomeni, da zaradi nastajanja fisijskih nevtronov postane možno organizirati proces fisij, ki si enakomerno sledijo v času, ne da bi dovajali proste nevtrone v medij, ki vsebuje gorivo, iz zunanjega vira. Pri takšni dostavi, preprosto povedano, ni potrebno, takoj ko se najdejo "orodja", s katerimi se izvaja jedrska cepitev tukaj, v tem okolju, v vezanem stanju v cepljivih jedrih; za "uporabo" vezanih nevtronov jih je treba le osvoboditi, to pomeni, da se jedro razdeli na drobce, potem pa bodo drobci sami opravili vse: zaradi svojega vzbujenega stanja bodo oddajali "odvečne" nevtrone iz njihove sestave, kar moti njihovo stabilnost, poleg tega se bo to zgodilo v času reda 10 -15 - 10 -13 s, ki po velikosti sovpada s časom, ki ga sestavljeno jedro preživi v vzbujenem stanju. To naključje je povzročilo idejo, da se pojavijo fisijski nevtroni ne iz vzbujenih fisijskih drobcev, prenasičenih z nevtroni po koncu cepitve, temveč neposredno v tistem kratkem časovnem obdobju, v katerem pride do jedrske cepitve. To ni po delitveno dejanje in med to dejanje, kot da je hkrati z uničenjem jedra. Iz istega razloga se ti nevtroni pogosto imenujejo hitri nevtroni.

Analiza možnih kombinacij protonov in nevtronov v stabilnih jedrih različnih atomskih mas (spomnite se diagrama stabilnih jeder) in njihova primerjava s kvalitativno sestavo cepitvenih produktov je pokazala, da verjetnost nastankatrajnostno drobcev med cepitvijo je zelo majhen. In to pomeni, da se rodi velika večina drobcev nestabilen in lahko oddajo enega, dva, tri ali celo več fisijskih nevtronov, ki so "odveč" za njihovo stabilnost, poleg tega je jasno, da mora vsak posamezen vzbujeni fragment oddajati lasten, strogo določenštevilo fisijskih nevtronov "odveč" za njegovo stabilnost.

Ker pa ima vsak fragment z velikim številom cepitev strogo definiran specifični izkoristek, bo pri določenem velikem številu cepitev določeno tudi število nastalih fisijskih fragmentov vsake vrste in posledično število oddanih fisijskih nevtronov. po fragmentih vsake vrste bo prav tako določeno, toda To pomeni, da bo gotovo tudi njihovo skupno število. Če skupno število nevtronov, prejetih pri cepitvah, delimo s številom cepitev, v katerih so prejeti, dobimo povprečno število fisijskih nevtronov, oddanih v enem fisijskem dogodku, ki mora biti na podlagi zgornjega sklepanja prav tako strogo opredeljen in konstantna za vsako vrsto cepljivih nuklidov. Ta fizikalna konstanta cepljivega nuklida je označena .

Po podatkih iz leta 1998 (vrednost te konstante se občasno posodablja na podlagi rezultatov analize fizikalnih poskusov po vsem svetu) pri cepitvi pod delovanjem toplotnih nevtronov

Za uran-235 5 = 2.416,

Za plutonij-239 9 = 2.862,

Za plutonij-241 1 = 2,938 itd.

Koristna je zadnja opomba: vrednost konstante  v bistvu odvisna od vrednosti kinetične energije nevtronov, ki povzročajo cepitev, in z rastjo slednjih narašča približno premosorazmerno z E.

Za dva najpomembnejša cepljiva nuklida so približne odvisnosti (E) opisane z empiričnimi izrazi:

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

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

*) Energija nevtronov E je nadomeščena v [MeV].

Tako lahko vrednost konstante , izračunana s temi empiričnimi formulami, pri različnih energijah nevtronov doseže naslednje vrednosti:

Torej, prva značilnost fisijskih nevtronov, ki se oddajajo med cepitvijo specifičnih cepljivih nuklidov, je značilnost teh nuklidov povprečno število cepitvenih nevtronov, proizvedenih v cepitvenem dogodku.

Dejstvo je, da za vse cepljive nuklide > 1, ustvarja predpogoj za izvedljivost veriga reakcija cepitve nevtronov. Jasno je, da za izvedbo samozadostna fisijska verižna reakcija je treba ustvariti pogoje za eno iz  nevtronov, dobljenih pri cepitvi zagotovo klical naslednja delitev drugega jedra in počitek (- 1) nekako nevtroni izključena iz jedrske fisije. V nasprotnem primeru bo intenziteta delitev v času rasla kot plaz (kar se dogaja v atomska bomba).

Ker je zdaj znano, da je vrednost konstante narašča s povečanjem energije nevtronov, ki povzročajo cepitev, se postavlja logično vprašanje: s kakšno kinetično energijo Rojen cepitveni nevtroni?

Odgovor na to vprašanje daje druga značilnost fisijskih nevtronov, imenovana energijski spekter fisijskih nevtronov in predstavlja porazdelitveno funkcijo fisijskih nevtronov glede na njihovo kinetično energijo.

Če je v enoti (1 cm 3) prostornina medija v neki dani časovni točki, n fisijskih nevtronov vseh možnih energij, torej normaliziran energijski spekter je funkcija energijske vrednosti E, katere vrednost za katero koli posebno vrednost E kaže kolikšen del (frakcija) vseh teh nevtronov so nevtroni z energijami elementarnega intervala dE blizu energije E. Z drugimi besedami, govorimo o izrazu

Energijska porazdelitev fisijskih nevtronov je opisana precej natančno Wattova spektralna funkcija(vat):

n(E) = 0.4839
, (2.2.2)

grafični prikaz tega je sl.2.8. na naslednji strani.

Wattov spekter kaže, da čeprav se fisijski nevtroni proizvajajo z veliko različnimi energijami, ki ležijo v zelo širokem območju, večina nevtronov ima začetno energijo,enako E nv = 0,7104 MeV, kar ustreza maksimumu Wattove spektralne funkcije. Pomen te vrednosti je najverjetnejša cepitvena nevtronska energija.

Druga količina, ki označuje energijski spekter fisijskih nevtronov, je povprečna energija fisijskih nevtronov , to je količina energije, ki bi jo imel vsak cepitveni nevtron, če bi bila skupna realna energija vseh cepitvenih nevtronov enakomerno razdeljena mednje:

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

Zamenjava v (2.2.3) izraza (2.2.2) da vrednost povprečne energije fisijskih nevtronov

E Sre = 2,0 MeV

In to pomeni to Skoraj vsi nastanejo fisijski nevtroni hitro(torej z energijami E > 0.1 MeV). Vendar je malo hitrih nevtronov z relativno visoko kinetično energijo (manj kot 1%), čeprav se pojavi opazna količina fisijskih nevtronov z energijami do 18 - 20 MeV.

0 1 2 3 4 5 E, MeV

Slika 2.8. Energijski spekter fisijskih nevtronov je Wattov spekter.

Fisijski nevtronski spektri za različne cepljive nuklide se med seboj razlikujejo malce. Recimo, za nuklida 235U in 239Pu, ki nas predvsem zanimata, povprečne energije fisijskih nevtronov (popravljene glede na rezultate fizikalnih poskusov):

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

Vrednost povprečne energije spektra fisijskih nevtronov povečuje z energijo nevtronov, ki povzročajo cepitev, vendar je to povečanje zanemarljivo(vsaj v območju 10 - 12 MeV). To omogoča, da ga ne upoštevamo in približno izračunamo energijski spekter fisijskih nevtronov skupni za različna jedrska goriva in za reaktorje različnih spektrov (hitre, vmesne in toplotne).

Za uran-238, kljub mejni naravi njegove cepitve, tudi fisijski nevtronski spekter praktično sovpada z izrazom(2.2.2), in odvisnost povprečnega števila fisijskih nevtronov 8 iz energije nevtronov, ki povzročajo cepitev - tudi skoraj linearna pri energijah nad pragom ( E p = 1.1 MeV):

8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Radioaktivnost fisijskih drobcev. Rečeno je bilo že, da je bilo ugotovljenih približno 600 vrst fisijskih fragmentov, ki se razlikujejo po masi in naboju protonov, in da praktično Vse so rojenizelo navdušena .

Zadevo dodatno otežuje dejstvo, da v sebi nosijo precejšnje vznemirjenje in po fisijska nevtronska emisija. Zato v svojem naravnem stremljenju po stabilnosti nadaljujejo z "odvajanjem" odvečne energije nad nivojem osnovnega stanja, dokler tega nivoja ne dosežejo.

To sproščanje poteka z zaporednim oddajanjem fragmentov vseh vrst radioaktivnega sevanja (alfa, beta in gama sevanja), pri čemer se v različnih fragmentih pojavljajo različne vrste radioaktivnega razpada v različnih zaporedjih in (zaradi razlik v vrednostih razpadne konstante ) so različno raztegnjene v času.

Tako v delujočem jedrskem reaktorju ne le proces kopičenje radioaktivnih drobcev, temveč tudi proces njihovega kontinuiranega transformacija: znano je veliko število verige zaporedne transformacije, ki na koncu vodijo do nastanka stabilnih jeder, vendar vsi ti procesi zahtevajo različne čase, za nekatere verige - zelo majhne, ​​za druge pa - precej dolge.

Zato radioaktivno sevanje ne spremlja le reakcije cepitve v delajo reaktorja, ampak tudi oddaja gorivo še dolgo po njegovi zaustavitvi.

Ta dejavnik, prvič, povzroča posebno vrsto fizične nevarnosti - nevarnost izpostavljenost osebja, servisiranje reaktorske naprave, skrajšano nevarnost sevanja. To sili načrtovalce reaktorske elektrarne, da poskrbijo za njeno okolje. biološka obramba, postaviti v prostore, izolirane od okolja, in izvesti vrsto drugih ukrepov za odpravo možnosti nevarne izpostavljenosti ljudi in radioaktivnega onesnaženja okolja.

Drugič, po zaustavitvi reaktorja vse vrste radioaktivnega sevanja, čeprav se intenzivnost zmanjšuje, še naprej sodelujejo z materiali jedra in, tako kot sami fisijski fragmenti v začetnem obdobju svojega prostega obstoja, prenašajo svojo kinetično energijo na atomi jedrnega medija, povečanje njihove povprečne kinetične energije. To je v reaktorju po njegovi zaustavitvi razpadna toplota .

Zlahka je razumeti, da je moč sproščanja preostale toplote v reaktorju v trenutku zaustavitve neposredno sorazmerna s številom drobcev, ki so se do tega trenutka nabrali med delovanjem reaktorja, in hitrost njegovega zmanjševanja v prihodnosti je določena z razpolovnimi dobami teh fragmentov. Iz povedanega sledi drugo negativno dejavnik zaradi radioaktivnosti fisijskih drobcev - nujnostdolgadušenje jedro reaktorja po zaustavitvi za odstranitev preostale toplote, kar je povezano s precejšnjo porabo električne energije in motornih virov obtočne opreme.

Tako je nastajanje radioaktivnih drobcev med cepitvijo v reaktorju pojav predvsem negativno, ampak ... ni nič dobrega!

V radioaktivnih transformacijah fisijskih drobcev je mogoče videti tudi pozitivno vidik, na katerega so jedrski reaktorji dobesedno dolgujejo svoj obstoj . Dejstvo je, da je od velikega števila fisijskih drobcev približno 60 vrst takih, ki po prvem -razpadu postanejo nevtronsko aktiven sposobni oddajanja t.i zaostajanje nevtroni. V reaktorju se izpusti razmeroma malo zapoznelih nevtronov (približno 0,6 % celotnega števila nastalih nevtronov), vendar je prav zaradi njihovega obstoja mogoče varno upravljanje jedrski reaktor; To bomo preverili pri proučevanju kinetike jedrskega reaktorja.

2.2.4. Sproščanje energije pri cepitvi. Reakcija jedrske fisije v fiziki je ena od jasnih potrditev hipoteze A. Einsteina o razmerju med maso in energijo, ki je v zvezi z jedrsko fisijo formulirana takole:

Količina energije, ki se sprosti med cepitvijo jedra, je premo sorazmerna z masno napako, faktor sorazmernosti v tem razmerju pa je kvadrat svetlobne hitrosti:

E= mc 2

Med cepitvijo jedra je presežek (defekt) mase definiran kot razlika med vsotami preostalih mas začetnih fisijskih reakcijskih produktov (tj. jedra in nevtrona) in nastalih produktov jedrske cepitve (cepitveni fragmenti, fisijski nevtroni). , in drugi mikrodelci, ki se oddajajo tako v procesu cepitve kot po njem).

Spektroskopska analiza je omogočila določitev večine cepitvenih produktov in njihovih specifičnih izkoristkov. Na podlagi tega ni bilo tako težko izračunati zasebno velikost masnih napak za različne rezultate cepitve jeder urana-235 in iz njih - izračunajte povprečna vrednost energije, sproščene pri eni sami cepitvi, za katero se je izkazalo, da je blizu

mc 2 = 200 MeV

Zadostuje, da to vrednost primerjamo z energijo, ki se sprosti pri delovanju enega najbolj endotermnih kemična reakcije - oksidacijske reakcije raketnega goriva (manj kot 10 eV) - razumeti, da na ravni objektov mikrosveta (atomi, jedra) 200 MeV - zelo velika energija: je vsaj osem velikostnih redov (100-milijonkrat) večja od energije, ki nastane pri kemičnih reakcijah.

Energija cepitve se razprši iz prostornine, kjer je prišlo do cepitve jedra, skozi različne materiale nosilci: fisijski drobci, fisijski nevtroni, - in -delci, -kvanti in celo nevtrini in antinevtrini.

Porazdelitev cepitvene energije med snovnimi nosilci pri cepitvi jeder 235 U in 239 Pu je podana v tabeli 2.1.

Tabela 2.1. Porazdelitev cepitvene energije jeder urana-235 in plutonija-239 med cepitvenimi produkti.

Fisijski nosilci energije

Plutonij-239

1. Kinetična energija fisijskih drobcev

2. Kinetična energija fisijskih nevtronov

3. Energija hitrih kvantov gama

4. Energija -kvanta iz fisijskih produktov

5. Kinetična energija -sevanja drobcev

6. Antinevtrinska energija

Različne komponente cepitvene energije se pretvorijo v toploto ne hkrati.

Prve tri komponente se spremenijo v toploto v manj kot 0,1 s (šteto od trenutka cepitve) in se zato imenujejo trenutni viri toplote.

- in -sevanja cepitvenih produktov oddajajo vzbujeni fragmenti z z različnimi razpolovnimi dobami(od nekaj delčkov sekunde do več deset dni, če upoštevamo le drobce s opazen specifičen učinek), in torej zgoraj omenjeni postopek preostalo toploto, ki je prav zaradi radioaktivnih emisij cepitvenih produktov, lahko traja več deset dni po zaustavitvi reaktorja.

*) Po zelo grobih ocenah se moč preostale toplote v reaktorju po njegovi zaustavitvi zmanjša v prvi minuti - za 30-35%, po prvi uri zaustavitve reaktorja pa je približno 30% moči, pri kateri je reaktor deloval pred zaustavitvijo, in po prvem dnevu parkiranje - približno 25 odstotkov. Jasno je, da ustavitev prisilnega hlajenja reaktorja pod takimi pogoji ne pride v poštev, saj celo kratkotrajna prekinitev kroženja hladilne tekočine v jedru je polna nevarnosti toplotnega uničenja gorivnih elementov. Šele po večdnevnem prisilnem ohlajanju reaktorja, ko se stopnja sproščanja preostale toplote zmanjša na raven, ki je bila odstranjena zaradi naravne konvekcije hladilne tekočine, je mogoče zaustaviti cirkulacijska sredstva primarnega kroga.

Drugo praktično vprašanje za inženirja: kje in kolikšen del cepitvene energije se v reaktorju pretvori v toploto? - ker je to posledica potrebe po organizaciji uravnoteženega odvajanja toplote iz njegovih različnih notranjih delov, zasnovanih v različnih tehnoloških izvedbah.

sestava goriva, ki vsebuje cepljive nuklide, je v zaprtih lupinah, ki preprečujejo izhod nastalih drobcev iz gorivne sestave gorivnih elementov (gorivnih palic) v hladilno tekočino, ki jih hladi. In če cepitveni delci v delujočem reaktorju ne zapustijo gorivnih palic, je jasno, da se kinetične energije drobcev in šibko prodirajočih -delcev pretvorijo v toploto. znotraj gorivnih palic.

Energije fisijskih nevtronov in  sevanja se pretvorijo v toploto samo znotraj gorivnih elementov delno: prodorna moč nevtronov in  sevanja prenesejo večino svoje začetne kinetične energije iz svojih rojstnih mest.

Poznavanje točne vrednosti cepitvene energije in njenega deleža nastale toplote v gorivnih elementih je velikega praktičnega pomena, saj vam omogoča izračun druge praktično pomembne karakteristike, imenovane specifično volumetrično sproščanje toplote v gorivnih palicah (q v).

Na primer, če je znano, da je v 1 cm 3 sestave goriva gorivnega elementa v 1 s R f cepitve jeder urana-235 je očitno: količina toplotne energije, proizvedene vsako sekundo v tej enoti prostornine (= toplotna moč 1 cm3 goriva), je specifična volumetrična toplotna sprostitev (oz. energijska intenzivnost) goriva, ta vrednost pa bo enaka:

q v = 0.9 . E . R f (2.2.5)

Delež cepitvene energije, pridobljene kot toplota zunaj gorivnih elementov v sredici reaktorja, je odvisen od njegove vrste in zasnove in se giblje znotraj (6  9) % celotne cepitvene energije. (Na primer, za VVER-1000 je ta vrednost približno enaka 8,3%, za RBMK-1000 pa približno 7%).

Tako je delež skupnega sproščanja toplote v volumnu jedra od celotne cepitvene energije 0,96  0,99, tj. s tehnično natančnostjo sovpada s celotno energijo cepitve.

Zato - še ena tehnična značilnost jedra reaktorja:

- povprečna jakost jedra(q v) az - toplotna moč, prejeta na enoto prostornine jedra:

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

Ker je energija v 1 MeV v sistemu SI ustreza 1,602. 10-13 J, potem vrednost energijske intenzivnosti reaktorske sredice:

(q v) az  3,204. 10-11 R f .

Torej, če je znana povprečna vrednost gostote energije glede na prostornino aktivne cone, potem toplotna moč reaktorja očitno bo:

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

Toplotna moč reaktorja je premo sorazmerna z Povprečna hitrost

cepitvene reakcije v njegovem aktivnem območju.

Praktična posledica : Ali želite, da reaktor deluje naprejstalna raven moči? - Ustvarite pogoje v njem, da se reakcija cepitve v njegovem aktivnem območju nadaljuje s konstantno povprečno hitrostjo skozi čas. Potrebujete povečanje (zmanjšanje) moči reaktorja? - Poiščite načine za ustrezno povečanje (ali zmanjšanje) hitrosti reakcije de leniya. To je primarni pomen nadzora moči jedrskega reaktorja.

Upoštevana razmerja in sklepi se zdijo očitni le v najpreprostejšem primeru, ko je gorivna komponenta v reaktorju en uran-235. Vendar ponavljanje sklepanja za reaktor z večkomponentni sestavo goriva je enostavno preveriti sorazmernost povprečne hitrosti cepitvene reakcije in toplotne moči reaktorja v najsplošnejšem primeru.

Tako se toplotna moč reaktorja in porazdelitev sproščanja toplote v njegovem jedru so neposredno sorazmerne s porazdelitvijo hitrosti cepitvene reakcije na prostornino sestave goriva sredice reaktorja.

Toda iz povedanega je tudi jasno, da hitrost cepitvene reakcije mora biti povezana s številom prostih nevtronov v mediju jedra, saj prav oni (prosti nevtroni) povzročajo cepitvene reakcije, zajem sevanja, sipanje in druge nevtronske reakcije. Z drugimi besedami, hitrost cepitvene reakcije, sproščanje energije v jedru in toplotna moč reaktorja morajo biti jasno povezani z značilnosti nevtronskega polja v svojem obsegu.

Potem ko je bila izvedena nenadzorovana verižna reakcija, ki je omogočila pridobitev ogromne količine energije, so si znanstveniki zastavili nalogo, da izvedejo nadzorovano verižno reakcijo. Bistvo nadzorovane verižne reakcije je zmožnost nadzora nad nevtroni. To načelo je bilo uspešno uporabljeno v jedrskih elektrarnah (JE).

Cepitvena energija uranovih jeder se uporablja v jedrskih elektrarnah (JE). Proces cepitve urana je zelo nevaren. Zato so jedrski reaktorji obdani z gostimi zaščitnimi ovoji. Pogost tip tlačnovodnega reaktorja.

Nosilec toplote je voda. Hladna voda vstopa v reaktor pod zelo visokim pritiskom, ki preprečuje vrenje.

Hladna voda, ki prehaja skozi sredico reaktorja, deluje tudi kot moderator - upočasni hitre nevtrone, tako da zadenejo jedra urana in povzročijo verižno reakcijo.

Jedrsko gorivo (uran) je v jedru v obliki gorivnih palic. Gorivne palice v sklopu se izmenjujejo s krmilnimi palicami, ki uravnavajo hitrost jedrske cepitve z absorbiranjem hitrih nevtronov.

Pri cepitvi se sprosti velika količina toplote. Segreta voda zapušča sredico pod tlakom pri temperaturi 300°C in vstopa v elektrarno, v kateri so generatorji in turbine.

Vroča voda iz reaktorja segreje vodo sekundarnega kroga do vrenja. Para se pošlje na lopatice turbine in jo vrti. Vrtljiva gred prenaša energijo na generator. V generatorju se mehanska energija vrtenja pretvarja v električno energijo. Para se ohladi in voda se vrne nazaj v reaktor.

Zaradi teh kompleksnih procesov jedrska elektrarna proizvaja električno energijo.

Kot lahko vidite, se cepljivi izotop nahaja v gorivnih palicah v jedru reaktorja in tvori kritično maso. Jedrsko reakcijo nadzirajo krmilne palice iz bora ali kadmija. Krmilne palice se tako kot gorivne palice nahajajo v jedru reaktorja in kot goba, ki vpija vodo, delujejo na nevtrone in jih absorbirajo. Operater NEK s prilagajanjem števila krmilnih palic v reaktorski sredici nadzoruje hitrost jedrskega procesa: upočasni ga s spuščanjem krmilnih palic v reaktorsko sredico; ali pospešuje – dvigovanje palic.

Zdi se, da je vse v redu - jedrska energija je neizčrpen visokotehnološki vir električne energije in prihodnost pripada njej. Tako so ljudje mislili pred 26. avgustom 1986. Nesreča v četrtem bloku jedrske elektrarne v Černobilu je vse obrnila na glavo - izkazalo se je, da "miroljubni" atom ni tako miroljuben, če ga obravnavamo prezirljivo.

O tem je bilo napisanega veliko gradiva. Tu bo podana kvintesenca (stisnjena esenca) katastrofe.

Glavni vzroki nesreče četrtega bloka jedrske elektrarne Černobil:

  1. Nezadostno premišljen program tehnološkega poskusa iztekanja turbogeneratorja;
  2. Napačni izračuni razvijalcev jedrskega reaktorja RBMK, kjer je pomembno vlogo igralo pomanjkanje operativnih informacij o meji reaktivnosti v jedru v krmilnem sistemu;
  3. "Svoboščine" osebja NEK, ki je izvajalo poskus in je dopuščalo odstopanja od predpisov dela, ki se izvaja.

Vse to skupaj je vodilo v katastrofo. Med strokovnjaki, ki so preiskovali dogodke v Černobilu, je bila nekakšna formula: "operaterji so uspeli razstreliti blok, reaktor pa jim je to dovolil". Del napake v Černobilu leži skoraj na vseh - in na fizikih, ki izvajajo izračune z uporabo poenostavljenih modelov, in na sestavljalcih, ki brezskrbno varijo šive, in na operaterjih, ki si dovolijo, da ne upoštevajo urnika dela.

Anatomija černobilske nesreče na kratko

1. Moč reaktorja je bilo dovoljeno zmanjšati na zelo majhno vrednost (približno 1% nazivne vrednosti). To je "slabo" za reaktor, saj pade v "jodno jamo" in začne se zastrupitev reaktorja s ksenonom. Po »normalnem« – je bilo treba reaktor ugasniti, vendar v tem primeru poskusa iztekanja turbine ne bi izvedli z vsemi administrativnimi posledicami, ki izhajajo iz tega. Posledično se je osebje Černobila odločilo povečati moč reaktorja in nadaljevati poskus.

2. Iz zgoraj predstavljenega gradiva je razvidno, da lahko operater jedrske elektrarne krmili hitrost jedrske reakcije (moč reaktorja) s premikanjem krmilnih palic v sredico reaktorja. Da bi povečali moč reaktorja (za dokončanje eksperimenta), so iz jedra reaktorja odstranili skoraj vse krmilne palice.

Da bi bilo bralcu, ki ni seznanjen z "jedrskimi tankostmi", bolj jasno, lahko naredimo naslednjo analogijo z bremenom, obešenim na vzmet:

  • Obremenitev (oz. njen položaj) je moč reaktorja;
  • Vzmet je sredstvo za krmiljenje obremenitve (moči reaktorja).
  • V normalnem položaju sta utež in vzmet v ravnotežju – utež je na določeni višini, vzmet pa je raztegnjena za določeno količino.
  • Ob izpadu moči reaktorja ("jodna jama") se je tovor spustil na tla (in šel zelo močno).
  • Za "izvlek" reaktorja je operater "povlekel vzmet" (izvlekel krmilne palice; bilo pa je treba ravno obratno - vstaviti vse palice in zapreti reaktor, tj. sprostiti vzmet, da se breme pade na tla). Toda sistem bremena in vzmeti ima nekaj vztrajnosti in nekaj časa po tem, ko je operater začel vleči vzmet navzgor, se breme še vedno premika navzdol. In operater še naprej vleče navzgor.
  • Končno obremenitev doseže najnižjo točko in se pod vplivom (že spodobnih) vzmetnih sil začne premikati navzgor - moč reaktorja začne strmo naraščati. Breme vse hitreje leti navzgor (nenadzorovana verižna reakcija s sproščanjem ogromne količine toplote), operater pa ne more več narediti nič, da bi pogasil vztrajnost gibanja bremena navzgor. Zaradi tega obremenitev udari operaterja v čelo.

Da, upravljavci černobilske jedrske elektrarne, ki so dovolili eksplozijo elektrarne, so za svojo napako plačali najvišjo ceno - svoja življenja.

Zakaj je osebje černobilske jedrske elektrarne ravnalo tako? Eden od razlogov je bilo dejstvo, da nadzorni sistem jedrskega reaktorja operaterju ni posredoval operativnih informacij o nevarnih procesih, ki se odvijajo v reaktorju.

Tako začne svojo knjigo A. S. Dyatlov "Černobil. Kako je bilo":

26. aprila 1986, ob eni uri in triindvajset minut in štirideset sekund, je Aleksander Akimov, nadzornik izmene černobilske enote 4, ukazal zaustavitev reaktorja po koncu dela, opravljenega pred zaustavitvijo energijske enote za načrtovana popravila. Ukaz je bil dan v mirnem delovnem okolju, centralizirani nadzorni sistem ne zabeleži niti enega zasilnega ali opozorilnega signala o odstopanju parametrov reaktorja ali servisnih sistemov. Operater reaktorja Leonid Toptunov je odstranil pokrovček z gumba AZ, ki preprečuje nenamerno napačno pritiskanje, in pritisnil gumb. Na ta signal se je 187 krmilnih palic reaktorja začelo premikati navzdol v sredico. Svetilke za osvetlitev ozadja na mnemonični plošči so se prižgale in puščice indikatorjev položaja palic so se začele premikati. Aleksander Akimov, ki je stal napol obrnjen proti nadzorni plošči reaktorja, je to opazoval, prav tako je videl, da so "zajčki" indikatorjev neravnovesja AR "švignili v levo" (njegov izraz), kot bi moralo biti, kar je pomenilo zmanjšanje moč reaktorja, obrnjena proti varnostni plošči, za katero smo opazovali pri poskusu.
Potem pa se je zgodilo nekaj, česar niti najbolj nebrzdana fantazija ni mogla predvideti. Po rahlem zmanjšanju je moč reaktorja nenadoma začela naraščati z vedno večjo hitrostjo, pojavili so se alarmi. L. Toptunov je kričal o nujnem povečanju moči. Vendar ni mogel storiti ničesar. Naredil je vse, kar je lahko - držal je gumb AZ, CPS palice so šle v jedro. Drugih sredstev mu ni na voljo. Ja, in vsi ostali tudi. A. Akimov je ostro zavpil: "Izklopite reaktor!" Skočil je do konzole in izklopil elektromagnetne sklopke pogonov palic CPS. Ukrep je pravilen, a neuporaben. Navsezadnje je logika CPS, torej vsi njeni elementi logičnih vezij, delovala pravilno, palice so šle v cono. Zdaj je jasno - po pritisku na gumb AZ ni bilo pravilnih dejanj, ni bilo sredstev za rešitev. Druga logika je odpovedala!
Sledili sta dve močni eksploziji s kratkim presledkom. Palice AZ so se ustavile, preden so prešle polovico poti. Niso imeli kam drugam.
V eni uri, triindvajsetih minutah in sedeminštiridesetih sekundah je bil reaktor uničen s povečanjem moči na hitrih nevtronih. To je kolaps, največja katastrofa, ki se lahko zgodi v energetskem reaktorju. Tega niso dojeli, niso se na to pripravili, tehnični ukrepi za lokalizacijo v bloku in postaji niso predvideni ...

Se pravi, nekaj sekund pred katastrofo osebje sploh ni sumilo na bližajočo se nevarnost! Konec celotne te absurdne situacije je bil pritisk na gumb za klic v sili, po katerem je počilo - rineš v avto in pritisneš na zavoro pred oviro, ta pa še bolj pospeši in trči v oviro. Po pravici povedano je treba povedati, da pritisk na gumb za nujne primere ni mogel več vplivati ​​na situacijo - le za nekaj trenutkov je pospešil neizogibno eksplozijo reaktorja, a dejstvo ostaja - zasilna zaščita je razstrelila reaktor !

Vpliv sevanja na človeka

Zakaj so jedrske katastrofe, ki jih povzroči človek (da ne omenjamo jedrskega orožja), tako nevarne?

Poleg sproščanja ogromne količine energije, ki povzroči veliko uničenje, jedrske reakcije spremlja sevanje in posledično radiacijska kontaminacija območja.

Zakaj je sevanje tako škodljivo za živi organizem? Če ne bi prinesel takšne škode vsem živim bitjem, bi vsi že dolgo pozabili na nesrečo v Černobilu, atomske bombe pa bi metale levo in desno.

Sevanje uničuje celice živega organizma na dva načina:

  1. zaradi segrevanja (sevalne opekline);
  2. zaradi ionizacije celic (radiacijska bolezen).

Radioaktivni delci in samo sevanje imajo visoko kinetično energijo. Sevanje ustvarja toploto. Ta toplota po analogiji s sončnimi opeklinami povzroči opekline zaradi sevanja, ki uničujejo telesna tkiva.

Shematski diagram jedrskega reaktorja s toplotnimi (počasnimi) nevtroni je prikazan na sliki 5.1, tukaj 1 - krmilne palice, 2 - biološka zaščita, 3 - toplotna zaščita, 4 - moderator, 5 - jedrsko gorivo (TVEL).

Ko nevtron zadene jedro izotopa urana 235, se to razdeli na dva dela in ven odleti več (2,5-3) novih sekundarnih nevtronov.. Za ohranitev verižne reakcije v jedrskem reaktorju je nujno, da masa jedrskega goriva v jedru reaktorja ni nič manj kritična. Reaktor mora vsebovati takšno količino 235 U tako da bi lahko v povprečju vsaj eden od števila nevtronov, ki nastanejo ob vsakem dogodku cepitve, povzročil naslednji dogodek cepitve, preden zapusti jedro reaktorja.

Slika 5.1. Shematski diagram jedrskega reaktorja s toplotnimi nevtroni

Če je število nevtronov konstantno, bo cepitvena reakcija stacionarna.. Višja kot je stacionarna raven števila obstoječih nevtronov, večja je moč reaktorja. Moč 1 MW ustreza verižni reakciji, pri kateri se v 1 sekundi zgodi 3 10 16 delitev.

Če se število nevtronov poveča, bo prišlo do toplotne eksplozije, če se zmanjša, se bo reakcija ustavila. Hitrost reakcije je nadzorovana s krmilnimi palicami 1.

Trenutno stanje jedrskega reaktorja lahko označimo z učinkovito faktor množenja nevtronov ali reaktivnost , ki sta povezana z razmerjem:

Za te vrednosti so značilne naslednje vrednosti:

· - verižna reakcija narašča v času, reaktor je v superkritičnem stanju, njegova reaktivnost ;

· , - število jedrskih fisij je konstantno, reaktor je v stabilnem kritičnem stanju.

Jedrski reaktor lahko dolgo časa deluje pri določeni moči le, če ima na začetku delovanja rezervo reaktivnosti. Med delovanjem jedrskega reaktorja se zaradi kopičenja fisijskih drobcev v gorivu spreminja njegova izotopska in kemična sestava, nastajajo pa transuranovi elementi, predvsem Pu. Procesi, ki potekajo v reaktorju, zmanjšujejo možnost verižne reakcije cepitve atomskih jeder.

Za vzdrževanje in izvajanje verižne reakcije je treba omejiti absorpcijo nevtronov v materialih, ki obdajajo jedro reaktorja. To dosežemo z uporabo takih materialov (za biološko 2 in toplotno 3 zaščito), ki vsaj delno (idealno 50 %) odbijajo nevtrone, t.j. jih ni zaužil. Posebej pomembna je izbira hladilne tekočine, ki služi za prenos toplote iz sredice v turbino.

Nevtroni, ki nastanejo kot posledica cepitve, so lahko hitri (imajo veliko hitrost) in počasni (termični). Verjetnost zajetja počasnega nevtrona z jedrom 235 U in njegova kasnejša cepitev je večja kot pri hitrem nevtronu. Zato so gorivne palice 5 obdane s posebnimi moderatorji 4, ki upočasnjujejo nevtrone in jih slabo absorbirajo. Za zmanjšanje uhajanja nevtronov iz reaktorja je ta opremljen z reflektorjem. Grafit, težak ( D2O), navadna voda itd.

Število stacionarnih nevtronov določa število nastalih drobcev jedrske cepitve, ki se z veliko hitrostjo razpršijo v različne smeri. Upočasnitev drobcev povzroči segrevanje goriva in sten gorivnih palic. Za odstranitev te toplote se reaktor napaja hladilna tekočina, katerih ogrevanje je namen delovanja reaktorja. Funkcije pogosto opravlja ista snov, na primer navadna voda hladilno sredstvo, moderator in reflektor. Voda se v reaktor dovaja z uporabo glavne obtočne črpalke(MCP).

Deliti:

Podobni članki