atom "paqësor". Parimi i funksionimit të një reaktori bërthamor Shpjegimi i materialit të ri

Kthehu përpara

Kujdes! Pamjet paraprake të diapozitivëve janë vetëm për qëllime informative dhe mund të mos përfaqësojnë të gjitha tiparet e prezantimit. Nëse jeni të interesuar për këtë punë, ju lutemi shkarkoni versionin e plotë.

Objektivat e mësimit:

• Edukative: përditësimi i njohurive ekzistuese; vazhdimi i formimit të koncepteve: ndarja e bërthamave të uraniumit, reaksioni zinxhir bërthamor, kushtet për shfaqjen e tij, masa kritike; prezantoni koncepte të reja: reaktor bërthamor, elementët kryesorë të një reaktori bërthamor, struktura e një reaktori bërthamor dhe parimi i funksionimit të tij, kontrolli i një reaksioni bërthamor, klasifikimi i reaktorëve bërthamorë dhe përdorimi i tyre;
• Edukative: të vazhdojë të zhvillojë aftësitë për të vëzhguar dhe nxjerrë përfundime, si dhe të zhvillojë aftësitë intelektuale dhe kuriozitetin e nxënësve;
• Edukative: të vazhdojë të zhvillojë një qëndrim ndaj fizikës si shkencë eksperimentale; kultivoni një qëndrim të ndërgjegjshëm ndaj punës, disiplinës dhe një qëndrim pozitiv ndaj dijes.

Lloji i mësimit: mësimi i materialit të ri.

Pajisjet: instalimi multimedial.

Gjatë orëve të mësimit

1. Momenti organizativ.

Djema! Sot në mësim do të përsërisim ndarjen e bërthamave të uraniumit, reaksionin zinxhir bërthamor, kushtet për shfaqjen e tij, masën kritike, do të mësojmë se çfarë është një reaktor bërthamor, elementët kryesorë të një reaktori bërthamor, struktura e një reaktori bërthamor dhe parimi i funksionimit të tij, kontrolli i një reaksioni bërthamor, klasifikimi i reaktorëve bërthamorë dhe përdorimi i tyre.

2. Kontrollimi i materialit të studiuar.

1. Mekanizmi i ndarjes së bërthamave të uraniumit.
2. Na tregoni për mekanizmin e një reaksioni zinxhir bërthamor.
3. Jepni një shembull të një reaksioni të ndarjes bërthamore të një bërthame uraniumi.
4. Çfarë quhet masa kritike?
5. Si ndodh një reaksion zinxhir në uranium nëse masa e tij është më pak se kritike ose më e madhe se kritike?
6. Sa është masa kritike e uraniumit 295 A është e mundur të zvogëlohet masa kritike?
7. Në çfarë mënyrash mund të ndryshoni rrjedhën e një reaksioni zinxhir bërthamor?
8. Cili është qëllimi i ngadalësimit të neutroneve të shpejta?
9. Cilat substanca përdoren si moderatore?
10. Për shkak të cilët faktorë mund të rritet numri i neutroneve të lira në një pjesë të uraniumit, duke siguruar kështu mundësinë e një reaksioni në të?

3. Shpjegimi i materialit të ri.

Djema, përgjigjuni kësaj pyetjeje: Cila është pjesa kryesore e çdo centrali bërthamor? ( reaktor bërthamor)

Te lumte. Pra, djema, tani le ta shohim këtë çështje në më shumë detaje.

Referencë historike.

Igor Vasilyevich Kurchatov është një fizikan i shquar sovjetik, akademik, themelues dhe drejtor i parë i Institutit të Energjisë Atomike nga 1943 deri në 1960, drejtor kryesor shkencor i problemit atomik në BRSS, një nga themeluesit e përdorimit të energjisë bërthamore për qëllime paqësore. . Akademiku i Akademisë së Shkencave të BRSS (1943). Bomba e parë atomike sovjetike u testua në vitin 1949. Katër vjet më vonë, bomba e parë me hidrogjen në botë u testua me sukses. Dhe në 1949, Igor Vasilyevich Kurchatov filloi punën në një projekt të centralit bërthamor. Termocentrali bërthamor është lajmëtar i përdorimit paqësor të energjisë atomike. Projekti u përfundua me sukses: më 27 korrik 1954, termocentrali ynë bërthamor u bë i pari në botë! Kurchatov u gëzua dhe u argëtua si një fëmijë!

Përkufizimi i një reaktori bërthamor.

Një reaktor bërthamor është një pajisje në të cilën kryhet dhe mirëmbahet një reaksion zinxhir i kontrolluar i ndarjes së disa bërthamave të rënda.

Reaktori i parë bërthamor u ndërtua në vitin 1942 në SHBA nën udhëheqjen e E. Fermi. Në vendin tonë, reaktori i parë u ndërtua në 1946 nën udhëheqjen e I.V. Kurchatov.

Elementet kryesore të një reaktori bërthamor janë:

• karburant bërthamor (uranium 235, uranium 238, plutonium 239);
• moderator neutron (ujë i rëndë, grafit, etj.);
• ftohës për heqjen e energjisë së gjeneruar gjatë funksionimit të reaktorit (ujë, natrium i lëngshëm, etj.);
• Shufrat e kontrollit (bor, kadmium) - neutrone shumë absorbuese
• Një guaskë mbrojtëse që bllokon rrezatimin (betoni me mbushës hekuri).

Parimi i funksionimit reaktor bërthamor

Karburanti bërthamor ndodhet në bërthamë në formën e shufrave vertikale të quajtura elementë karburanti (elementë të karburantit). Shufrat e karburantit janë krijuar për të rregulluar fuqinë e reaktorit.

Masa e secilës shufër karburanti është dukshëm më e vogël se masa kritike, kështu që një reaksion zinxhir nuk mund të ndodhë në një shufër. Fillon pasi të gjitha shufrat e uraniumit janë zhytur në bërthamë.

Bërthama është e rrethuar nga një shtresë e substancës që reflekton neutronet (reflektori) dhe një guaskë mbrojtëse prej betoni që kap neutronet dhe grimcat e tjera.

Heqja e nxehtësisë nga qelizat e karburantit. Ftohësi, uji, lan shufrën, nxehet në 300°C me presion të lartë dhe hyn në shkëmbyesit e nxehtësisë.

Roli i shkëmbyesit të nxehtësisë është që uji i ngrohur në 300°C i jep nxehtësi ujit të zakonshëm dhe kthehet në avull.

Kontrolli i Reaksionit Bërthamor

Reaktori kontrollohet duke përdorur shufra që përmbajnë kadmium ose bor. Kur shufrat shtrihen nga bërthama e reaktorit, K > 1, dhe kur tërhiqen plotësisht - 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 i ngadaltë i neutronit.

Ndarja më efikase e bërthamave të uranium-235 ndodh nën ndikimin e neutroneve të ngadalta. Reaktorë të tillë quhen reaktorë të ngadaltë neutron. Neutronet dytësore të prodhuara nga një reaksion i ndarjes janë të shpejtë. Në mënyrë që ndërveprimi i tyre i mëvonshëm me bërthamat e uraniumit-235 në reaksionin zinxhir të jetë më efektiv, ato ngadalësohen duke futur një moderator në bërthamë - një substancë që redukton energjinë kinetike të neutroneve.

Reaktor i shpejtë neutron.

Reaktorët e shpejtë të neutronit nuk mund të funksionojnë me uranium natyror. Reaksioni mund të mbahet vetëm në një përzierje të pasuruar që përmban të paktën 15% izotop të uraniumit. Avantazhi i reaktorëve të shpejtë neutron është se funksionimi i tyre prodhon një sasi të konsiderueshme të plutoniumit, i cili më pas mund të përdoret si lëndë djegëse bërthamore.

Reaktorët homogjenë dhe heterogjenë.

Reaktorët bërthamorë, në varësi të vendosjes relative të karburantit dhe moderatorit, ndahen në homogjenë dhe heterogjenë. Në një reaktor homogjen, bërthama është një masë homogjene e karburantit, moderatorit dhe ftohësit në formën e një zgjidhjeje, përzierjeje ose shkrirjeje. Një reaktor në të cilin karburanti në formën e blloqeve ose grupeve të karburantit vendoset në një moderator, duke formuar një rrjetë të rregullt gjeometrike në të, quhet heterogjen.

Shndërrimi i energjisë së brendshme të bërthamave atomike në energji elektrike.

Një reaktor bërthamor është elementi kryesor i një termocentrali bërthamor (NPP), i cili konverton energjinë bërthamore termike në energji elektrike. Shndërrimi i energjisë ndodh sipas skemës së mëposhtme:

• energjia e brendshme e bërthamave të uraniumit -
• energjia kinetike e neutroneve dhe fragmenteve bërthamore -
• energjia e brendshme e ujit -
• energjia e brendshme e avullit -
• energjia kinetike e avullit -
• energjia kinetike e rotorit të turbinës dhe rotorit të gjeneratorit -
• Energjia Elektrike.

Përdorimi i reaktorëve bërthamorë.

Në varësi të qëllimit të tyre, reaktorët bërthamorë mund të jenë reaktorë të energjisë, konvertues dhe riprodhues, kërkimor dhe shumëfunksional, transportues dhe industrial.

Reaktorët e energjisë bërthamore përdoren për të gjeneruar energji elektrike në termocentralet bërthamore, termocentralet e anijeve, termocentralet e kombinuara bërthamore dhe termocentralet dhe stacionet e furnizimit me ngrohje bërthamore.

Reaktorët e krijuar për të prodhuar lëndë djegëse bërthamore dytësore nga uraniumi natyror dhe toriumi quhen konvertues ose riprodhues. Në reaktorin e konvertuesit, karburanti bërthamor sekondar prodhon më pak se sa ishte konsumuar fillimisht.

Në një reaktor riprodhues, kryhet riprodhimi i zgjeruar i karburantit bërthamor, d.m.th. rezulton më shumë se sa është shpenzuar.

Reaktorët kërkimorë përdoren për të studiuar proceset e ndërveprimit të neutroneve me lëndën, për të studiuar sjelljen e materialeve të reaktorit në fusha intensive të rrezatimit neutron dhe gama, kërkime radiokimike dhe biologjike, prodhimin e izotopeve dhe kërkime eksperimentale në fizikën e reaktorëve bërthamorë.

Reaktorët kanë fuqi të ndryshme, mënyra funksionimi të palëvizshme ose pulsuese. Reaktorët me shumë qëllime janë ata që shërbejnë për disa qëllime, të tilla si gjenerimi i energjisë dhe prodhimi i karburantit bërthamor.

Fatkeqësitë mjedisore në termocentralet bërthamore

• 1957 – aksident në Britaninë e Madhe
• 1966 - shkrirja e pjesshme e bërthamës pas një dështimi të ftohjes së reaktorit pranë Detroitit.
• 1971 - shumë ujë të ndotur hyri në lumin e SHBA
• 1979 - aksidenti më i madh në SHBA
• 1982 - lëshimi i avullit radioaktiv në atmosferë
• 1983 - një aksident i tmerrshëm në Kanada (uji radioaktiv rrodhi për 20 minuta - një ton në minutë)
• 1986 – aksident në Britaninë e Madhe
• 1986 – aksident në Gjermani
• 1986 – Termocentrali Bërthamor i Çernobilit
• 1988 - zjarri në një termocentral bërthamor në Japoni

Termocentralet moderne bërthamore janë të pajisura me PC, por më parë, edhe pas një aksidenti, reaktorët vazhduan të funksiononin, pasi nuk kishte sistem automatik të mbylljes.

4. Fiksimi i materialit.

1. Si quhet një reaktor bërthamor?
2. Çfarë është karburanti bërthamor në një reaktor?
3. Cila substancë shërben si një moderator neutron në një reaktor bërthamor?
4. Cili është qëllimi i një moderatori neutron?
5. Për çfarë përdoren shufrat e kontrollit? Si përdoren?
6. Çfarë përdoret si ftohës në reaktorët bërthamorë?
7. Pse është e nevojshme që masa e secilës shufër uraniumi të jetë më e vogël se masa kritike?

5. Ekzekutimi i testit.

1. Cilat grimca përfshihen në ndarjen e bërthamave të uraniumit?
   A. protonet;
   B. neutronet;
   B. elektronet;
   G. bërthamat e heliumit.
2. Cila masë e uraniumit është kritike?
   A. më i madhi në të cilin është i mundur një reaksion zinxhir;
   B. çdo masë;
   B. më i vogli në të cilin është i mundur një reaksion zinxhir;
   D. masën në të cilën do të ndalet reaksioni.
3. Sa është masa kritike e përafërt e uraniumit 235?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   B. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Cila nga substancat e mëposhtme mund të përdoret në reaktorët bërthamorë si moderatorë neutronesh?
   A. grafit;
   B. kadmium;
   B. ujë i rëndë;
   G. bor.
5. Që një reaksion zinxhir bërthamor të ndodhë në një termocentral bërthamor, faktori i shumëzimit të neutronit duhet të jetë:
   A. është e barabartë me 1;
   B. më shumë se 1;
   V. më pak se 1.
6. Shpejtësia e ndarjes së bërthamave të atomeve të rënda në reaktorët bërthamorë kontrollohet nga:
   A. për shkak të përthithjes së neutroneve gjatë uljes së shufrave me një absorbues;
   B. për shkak të rritjes së heqjes së nxehtësisë me një rritje të shpejtësisë së ftohësit;
   B. duke rritur furnizimin me energji elektrike për konsumatorët;
   G. duke ulur masën e karburantit bërthamor në bërthamë gjatë heqjes së shufrave me karburant.
7. Çfarë transformimesh të energjisë ndodhin në një reaktor bërthamor?
   A. energjia e brendshme e bërthamave atomike shndërrohet në energji drite;
   B. energjia e brendshme e bërthamave atomike shndërrohet në energji mekanike;
   B. energjia e brendshme e bërthamave atomike shndërrohet në energji elektrike;
   D. asnjë nga përgjigjet nuk është e saktë.
8. Në vitin 1946, reaktori i parë bërthamor u ndërtua në Bashkimin Sovjetik. Kush ishte drejtuesi i këtij projekti?
   A. S. Korolev;
   B. I. Kurchatov;
   V. D. Sakharov;
   G. A. Prokhorov.
9. Cila është mënyra më e pranueshme për rritjen e besueshmërisë së centraleve bërthamore dhe parandalimin e kontaminimit të mjedisit të jashtëm?
   A. zhvillimi i reaktorëve të aftë për të ftohur automatikisht bërthamën e reaktorit pavarësisht nga vullneti i operatorit;
   B. rritja e shkrim-leximit të funksionimit të TEC-eve, niveli i gatishmërisë profesionale të operatorëve të TEC-eve;
   B. zhvillimi i teknologjive shumë efikase për çmontimin e centraleve bërthamore dhe përpunimin e mbetjeve radioaktive;
   D. vendndodhjen e reaktorëve thellë nën tokë;
   D. refuzimi për të ndërtuar dhe funksionuar një central bërthamor.
10. Cilat burime të ndotjes së mjedisit lidhen me funksionimin e termocentraleve bërthamore?
    A. industria e uraniumit;
    B. reaktorë bërthamorë të llojeve të ndryshme;
    B. industria radiokimike;
    D. vende për përpunimin dhe depozitimin e mbetjeve radioaktive;
    D. përdorimi i radionuklideve në ekonominë kombëtare;
    E. shpërthimet bërthamore.

Përgjigjet: 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. Përmbledhje e mësimit.

Çfarë të re mësuat sot në klasë?

Çfarë ju pëlqeu në mësim?

Çfarë pyetjesh keni?

FALEMINDERIT PËR PUNËN TUAJ NË MËSIM!

Reaksioni bërthamor i neutronit i ndarjes së bërthamave të rënda, siç u përmend tashmë, është reagimi kryesor dhe qendror në reaktorët bërthamorë. Prandaj, ka kuptim që në fillim të njihemi me konceptet fizike të reaksionit të ndarjes dhe ato të veçorive të tij që në një mënyrë ose në një tjetër lënë gjurmë në të gjitha aspektet e jetës dhe të jetës së përditshme të kompleksit teknik më kompleks, i cili. quhet Termocentrali Bërthamor.

Një ide e ndarjes së bërthamës së uraniumit-235 në imazhet vizuale është dhënë në Fig. 2.6.

Bërthama e neutronit në masë A Bërthama e përbërë e ngacmuar Fragmente të ndarjes

Neutronet e ndarjes

Fig.2.6. Paraqitja skematike e ndarjes bërthamore 235 U.

Bazuar në këtë diagram, "ekuacioni" i përgjithësuar i reaksionit të ndarjes (i cili është logjik dhe jo rreptësisht matematikor) mund të shkruhet si:

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

- (F 1)* dhe (F 2)* - emërtime simbolike i emocionuar fragmente të ndarjes (indeksi (*) në ​​vijim tregon elemente të paqëndrueshme, të ngacmuara ose radioaktive); fragmenti (F 1)* ka masën A 1 dhe ngarkesën Z 1, fragmenti (F 2)* ka masën A 2 dhe ngarkesën Z 2;

-  5 . 1 n janë caktuar  5 neutrone të ndarjes të lëshuara mesatarisht në çdo ngjarje të ndarjes së bërthamës së uraniumit-235;

- ,  dhe  - -grimca, -grimca dhe -kuante, numrat mesatarë të të cilave për akt të ndarjes së bërthamës së uraniumit-235 janë përkatësisht të barabartë me a, b dhe c;

E është sasia mesatare e energjisë së çliruar në aktin e ndarjes.

Le të theksojmë edhe një herë: shprehja e shkruar më sipër nuk është një ekuacion në kuptimin e ngushtë të fjalës; përkundrazi, është thjesht një formë shënimi e lehtë për t'u mbajtur mend që pasqyron tiparet kryesore të reaksionit të ndarjes së neutronit:

a) formimi i fragmenteve të ndarjes;

b) formimi i neutroneve të reja të lira gjatë zbërthimit, të cilin tash e tutje do ta quajmë shkurtimisht neutronet e ndarjes;

c) radioaktiviteti i fragmenteve të ndarjes, i cili shkakton shndërrimin e tyre të mëtejshëm në formacione më të qëndrueshme, gjë që rezulton në një sërë efektesh anësore - pozitive, të dobishme dhe negative, të cilat duhet të merren parasysh gjatë projektimit, ndërtimit dhe funksionimit të reaktorëve bërthamorë;

d) çlirimi i energjisë gjatë ndarjes është vetia kryesore e reaksionit të ndarjes, e cila bën të mundur krijimin e energjike reaktor bërthamor.

Secili nga proceset fizike të renditura më sipër që shoqërojnë reaksionin e ndarjes luan një rol të caktuar në reaktor dhe ka të vetin praktik. kuptimi. Prandaj, le t'i njohim më në detaje.

2.2.1. Formimi i fragmenteve të ndarjes. Një akt i vetëm i ndarjes bërthamore mund të flitet si një fenomen në një masë të caktuar e rastit, duke pasur parasysh se bërthama e rëndë e uraniumit, e përbërë nga 92 protone dhe 143 neutrone, është thelbësisht e aftë të ndahet në një numër të ndryshëm fragmentesh me masa atomike të ndryshme. Në këtë rast, vlerësimi i mundësisë së ndarjes së një bërthame në 2, 3 ose më shumë fragmente mund të trajtohet me masa probabiliste. Sipas të dhënave të dhëna, probabiliteti që një bërthamë të ndahet në dy fragmente është më shumë se 98%, prandaj, pjesa dërrmuese e ndarjeve përfundojnë në formimin e saktësisht dy fragmenteve.

Studimet spektroskopike të produkteve të ndarjes kanë identifikuar më shumë se 600 fragmente të ndarjes cilësisht të ndryshme me masa atomike të ndryshme. Dhe këtu, në një aksident të dukshëm, me një numër të madh divizionesh, doli menjëherë një model i përgjithshëm që shkurtimisht mund të shprehet si më poshtë:

Probabiliteti i shfaqjes së një fragmenti të një mase të caktuar atomike gjatë ndarjes masive të një nuklidi të caktuar është një vlerë e përcaktuar rreptësisht karakteristike e këtij nuklidi të zbërthyer.

Kjo sasi zakonisht quhet rendimenti specifik i fragmentit , e shënuar me një shkronjë të vogël greke  i(gama) me një nënshkrim - një simbol i elementit kimik të cilit ky fragment është bërthama, ose një simbol i një izotopi.

Për shembull, në eksperimentet fizike është regjistruar se një fragment i ksenon-135 (135 Xe) shfaqet mesatarisht në tre raste në çdo mijë ndarje të 235 bërthamave U. Kjo do të thotë se rendimenti specifik i 135 fragmenteve Xe është

 Xe= 3/1000 = 0,003 e të gjitha ndarjeve,

dhe në lidhje me një ngjarje të vetme të ndarjes së bërthamës 235 U, vlera  Xe = 0,003 = 0,3% - është probabiliteti që ndarja të rezultojë në formimin e një fragmenti 135 Heh.

Një vlerësim i qartë i modelit të formimit të fragmenteve të ndarjes me masa të ndryshme atomike jepet nga kthesat e rendimentit specifik të fragmenteve (Fig. 2.7).

10

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

Oriz. 2.7. Rendimentet specifike të fragmenteve të ndarjes me masa të ndryshme atomike

gjatë ndarjes së bërthamave 235 U (vijë e ngurtë) dhe 239 Pu (vijë e ndërprerë).

Natyra e këtyre kthesave na lejon të konkludojmë në vijim:

a) Masat atomike të fragmenteve të formuara gjatë ndarjes, në shumicën dërrmuese të rasteve, shtrihen në intervalin 70  165 amu. Rendimenti specifik i fragmenteve më të lehta dhe më të rënda është shumë i vogël (nuk kalon 10 -4%).

b) Fisioni simetrik i bërthamave (d.m.th., ndarja në dy fragmente me masa të barabarta) janë jashtëzakonisht të rralla: rendimenti i tyre specifik nuk kalon 0,01% për bërthamat e uranium-235 dhe 0,04% për bërthamat e plutonium-239.

c) Më së shpeshti formohen mushkëritë fragmente me numra masiv brenda 83  104 amu. Dhe i rëndë fragmente me A = 128  149 a.m.u. (rendimenti i tyre specifik është 1% ose më shumë).

d) Fizioni i 239 Pu nën ndikimin e neutroneve termike çon në formimin e disa më e rëndë fragmente në krahasim me 235 fragmente të ndarjes U.

*) Në të ardhmen, kur studiojmë kinetikën e reaktorit dhe proceset e helmimit dhe skorjeve të tij, më shumë se një herë do të duhet t'i referohemi vlerave të rendimenteve specifike të shumë fragmenteve të ndarjes kur hartojmë ekuacione diferenciale që përshkruajnë proceset fizike në bërthamën e reaktorit.

Lehtësia e kësaj vlere është se, duke ditur shpejtësinë e reaksionit të ndarjes (numrin e ndarjeve për njësi vëllimi të përbërjes së karburantit për njësi të kohës), është e lehtë të llogaritet shpejtësia e formimit të çdo fragmenti të ndarjes, akumulimi i të cilave në reaktor në një mënyrë ose në një tjetër ndikon në funksionimin e tij:

Shkalla e gjenerimit të fragmentit i-të =  i  (shkalla e reaksionit të ndarjes)

Dhe një shënim tjetër lidhur me formimin e fragmenteve të ndarjes. Fragmentet e zbërthimit të krijuara gjatë ndarjes kanë energji të larta kinetike. Duke transferuar energjinë e tyre kinetike gjatë përplasjeve me atomet e mediumit të përbërjes së karburantit, fragmente të ndarjes në këtë mënyrë rritja e nivelit mesatar të energjisë kinetike të atomeve dhe molekulave, e cila, në përputhje me idetë e teorisë kinetike, nga ne perceptohet si rritja e temperaturës përbërjen e karburantit apo si gjenerimi i nxehtësisë në të.

Shumica e nxehtësisë në reaktor gjenerohet në këtë mënyrë.

Ky është një rol pozitiv i caktuar i formimit të fragmenteve në procesin e funksionimit të një reaktori të energjisë bërthamore.

2.2.2. Prodhimi i neutroneve të ndarjes. Fenomeni kryesor fizik që shoqëron procesin e ndarjes së bërthamave të rënda është emetimi i neutroneve sekondare të shpejta nga fragmente të ngacmuara të ndarjes, ndryshe thirrur neutronet e shpejta ose neutronet e ndarjes.

Rëndësia e këtij fenomeni (zbuluar nga F. Joliot-Curie dhe kolegët e tij - Albano dhe Kowarski - në 1939) është e pamohueshme: është falë saj që gjatë ndarjes së bërthamave të rënda, neutronet e reja të lira duket se zëvendësojnë ato që shkaktuan ndarjen; këto neutrone të reja mund të ndërveprojnë me bërthama të tjera të zbërthyeshme në lëndë djegëse dhe të shkaktojnë ndarjen e tyre, të ndjekur nga emetimi i neutroneve të reja të ndarjes, etj. Kjo do të thotë, për shkak të formimit të neutroneve të ndarjes, bëhet e mundur organizojnë një proces i ndarjeve që ndjekin në mënyrë uniforme njëra-tjetrën në kohë pa furnizimin e neutroneve të lira në mjedisin që përmban karburant nga një burim i jashtëm. Në një dërgesë të tillë, thënë thjesht, jo e nevojshme, përderisa gjenden “mjetet” me ndihmën e të cilave kryhet ndarja bërthamore këtu, pikërisht në këtë mjedis, në një gjendje të lidhur në bërthamat e zbërthyeshme; për të "vënë në veprim" neutronet e lidhura, ata vetëm duhet të lirohen, domethënë, bërthama duhet të ndahet në fragmente, dhe më pas vetë fragmentet do të plotësojnë gjithçka: për shkak të gjendjes së tyre të ngacmuar, ata do të lëshojnë "ekstra Neutronet nga përbërja e tyre, duke ndërhyrë në stabilitetin e tyre, dhe kjo do të ndodhë në një kohë të rendit 10 -15 - 10 -13 s, që përkon sipas madhësisë me kohën kur bërthama e përbërë mbetet në një gjendje të ngacmuar. Kjo rastësi lindi idenë se shfaqen neutronet e ndarjes jo nga fragmente të ngacmuara të ndarjes të mbingopura me neutrone pas përfundimit të ndarjes, por drejtpërdrejt në atë periudhë të shkurtër kohore gjatë së cilës ndodh ndarja bërthamore. Kjo është, jo pas akti i ndarjes dhe gjatë ky akt, sikur njëkohësisht me shkatërrimin e bërthamës. Për të njëjtën arsye, këto neutrone shpesh quhen neutronet e shpejta.

Një analizë e kombinimeve të mundshme të protoneve dhe neutroneve në bërthama të qëndrueshme me masa të ndryshme atomike (kujtoni diagramin e bërthamave të qëndrueshme) dhe krahasimi i tyre me përbërjen cilësore të produkteve të ndarjes tregoi se probabiliteti i formimittë qëndrueshme Ka shumë pak fragmente gjatë ndarjes. Kjo do të thotë se shumica dërrmuese e fragmenteve lindin e paqëndrueshme dhe mund të lëshojë një, dy, tre ose edhe më shumë neutrone "ekstra" të ndarjes për stabilitetin e tyre dhe, është e qartë se çdo fragment specifik i ngacmuar duhet të lëshojë tuajat, të përcaktuara rreptësisht, numri i neutroneve të ndarjes "shtesë" për stabilitetin e tij.

Por meqenëse çdo fragment me një numër të madh ndarjesh ka një rendiment specifik të përcaktuar rreptësisht, atëherë me një numër të caktuar të madh të ndarjeve, numri i fragmenteve të ndarjes së secilit lloj të formuar do të jetë gjithashtu i caktuar, dhe, rrjedhimisht, numri i neutroneve të ndarjes që emetohen nga fragmentet e secilit lloj do të jenë gjithashtu të sigurta, dhe, Kjo do të thotë se numri i tyre i përgjithshëm do të jetë gjithashtu i sigurt. Duke pjesëtuar numrin e përgjithshëm të neutroneve të prodhuara në ndarje me numrin e ndarjeve në të cilat janë prodhuar, duhet të marrim numri mesatar i neutroneve të ndarjes të emetuara në një ngjarje të ndarjes, e cila, bazuar në arsyetimin e mësipërm, gjithashtu duhet të përcaktohet në mënyrë strikte dhe konstante për çdo lloj nuklidi të zbërthyeshëm. Kjo konstante fizike e një nuklidi të zbërthyer është caktuar  .

Sipas të dhënave të vitit 1998 (vlera e kësaj konstante përditësohet periodikisht bazuar në rezultatet e një analize të eksperimenteve fizike në mbarë botën) gjatë zbërthimit nën ndikimin e neutroneve termike

Për uranium-235  5 = 2.416,

Për plutonium-239  9 = 2.862,

Për plutonium-241  1 = 2.938, etj.

Vërejtja e fundit është e dobishme: vlera e konstantës  varet shumë nga madhësia e energjisë kinetike të neutroneve që shkaktojnë ndarje dhe, me rritjen e kësaj të fundit, rritet afërsisht në proporcion të drejtë me E.

Për dy nuklidet më të rëndësishme të zbërthimit, varësitë e përafërta (E) përshkruhen me shprehje empirike:

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

Për plutonium-239  9 (E) = 2.862 + 0.1357 E.

*) Energjia e neutronit E zëvendësohet në [MeV].

Kështu, vlera e konstantës , e llogaritur duke përdorur këto formula empirike, në energji të ndryshme neutronesh mund të arrijë vlerat e mëposhtme:

Pra, karakteristika e parë e neutroneve të zbërthimit të emetuar gjatë ndarjes së nuklideve specifike të zbërthimit është e qenësishme numri mesatar i neutroneve të zbërthimit të prodhuar në një ngjarje të ndarjes .

Është fakt se për të gjitha nuklidet e zbërthyeshme  > 1, krijon një parakusht për fizibilitet zinxhir reaksioni i ndarjes së neutronit. Është e qartë se për të zbatuar reaksion zinxhir i ndarjes i vetëqëndrueshëmështë e nevojshme të krijohen kushte që një nga  neutronet e marra në aktin e ndarjes thirrur patjetër ndarja e radhës e një bërthame tjetër, dhe pushoni ( - 1) neutronet disi përjashtuar nga procesi i ndarjes bërthamore. Përndryshe, intensiteti i ndarjeve do të rritet me kalimin e kohës si një ortek (gjë që ndodh në Bombë atomike).

Pasi që tani dihet se vlera e konstantes  rritet me rritjen e energjisë së neutroneve që shkaktojnë ndarje, lind një pyetje logjike: me çfarë energjie kinetike i lindur neutronet e ndarjes?

Përgjigja për këtë pyetje jepet nga karakteristika e dytë e neutroneve të ndarjes, e quajtur spektri energjetik i neutroneve të ndarjes dhe përfaqëson funksionin e shpërndarjes së neutroneve të ndarjes mbi energjitë e tyre kinetike.

Nëse në një njësi (1 cm3) vëllimi i mediumit shfaqet në një moment të konsideruar në kohë n atëherë neutronet e ndarjes së të gjitha energjive të mundshme spektri i normalizuar i energjisëështë një funksion i sasisë së energjisë E, vlera e së cilës në çdo vlerë të veçantë të E tregon cila pjesë (përqindje) e të gjithë këtyre neutroneve janë neutrone me energji të intervalit elementar dE afër energjisë E. Me fjalë të tjera, flasim për shprehjen

Shpërndarja e energjisë e neutroneve të ndarjes është përshkruar mjaft saktë Funksioni spektral i Watt(Watt):

n(E) = 0.4839
, (2.2.2)

një ilustrim grafik i të cilit është Fig. 2.8. në faqen tjetër.

Spektri i Watt-it tregon se, megjithëse neutronet e ndarjes prodhohen me energji shumë të ndryshme, të shtrirë në një gamë shumë të gjerë, Shumica e neutroneve kanë energji fillestare,e barabartë me E nv = 0,7104 MeV, që korrespondon me maksimumin e funksionit spektral të Watt-it. Në kuptimin, kjo vlerë është energjia më e mundshme e neutroneve të ndarjes.

Një sasi tjetër që karakterizon spektrin energjetik të neutroneve të ndarjes është energjia mesatare e neutroneve të ndarjes , domethënë sasia e energjisë që do të kishte çdo neutron i ndarjes nëse energjia totale reale e të gjithë neutroneve të ndarjes do të ndahej në mënyrë të barabartë midis tyre:

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

Zëvendësimi i shprehjes (2.2.2) në (2.2.3) jep vlerën e energjisë mesatare të neutroneve të ndarjes

E e mërkurë = 2.0 MeV

Dhe kjo do të thotë se pothuajse çdo gjë lindin neutronet e ndarjes shpejtë(domethënë me energjitë E > 0.1 MeV). Por prodhohen pak neutrone të shpejta me energji kinetike relativisht të larta (më pak se 1%), megjithëse një numër i dukshëm i neutroneve të ndarjes shfaqet me energji deri në 18 - 20 MeV.

0 1 2 3 4 5 E, MeV

Fig.2.8. Spektri i energjisë i neutroneve të ndarjes është spektri Watt.

Spektrat e neutroneve të ndarjes për nuklide të ndryshme të zbërthimit ndryshojnë nga njëri-tjetri pak. Le të themi, për nuklidet 235 U dhe 239 Pu për të cilat ne jemi të interesuar kryesisht, vlerat e energjive mesatare të neutroneve të ndarjes (korrigjuar në bazë të rezultateve të eksperimenteve fizike):

E av = 1,935 MeV - për 235 U dhe E av = 2,00 MeV - për 239 Pu

Vlera e energjisë mesatare të spektrit të neutroneve të ndarjes rritet me rritjen e energjisë së neutroneve që shkaktojnë ndarje, por kjo rritje është e parëndësishme(të paktën brenda intervalit 10 - 12 MeV). Kjo na lejon ta injorojmë atë dhe të llogarisim përafërsisht spektrin energjetik të neutroneve të ndarjes uniforme për lëndë djegëse të ndryshme bërthamore dhe për reaktorë me spektër të ndryshëm (të shpejtë, të ndërmjetëm dhe termik).

Për uranium-238, megjithë natyrën e pragut të ndarjes së tij, spektri i neutroneve të ndarjes gjithashtu praktikisht përkon me shprehjen(2.2.2), dhe varësia e numrit mesatar të neutroneve të ndarjes  8 nga energjia e neutroneve që shkaktojnë ndarje - gjithashtu praktikisht lineare në energjitë mbi pragun ( E P = 1.1 MeV):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Radioaktiviteti i fragmenteve të ndarjes.Është thënë tashmë se janë identifikuar rreth 600 lloje të fragmenteve të ndarjes, të ndryshme në masë dhe ngarkesë protonike, dhe se praktikisht Të gjitha ata lindinshumë i emocionuar .

Çështja ndërlikohet më tej nga fakti se ato mbartin një eksitim të konsiderueshëm dhe pas emetimi i neutroneve të ndarjes. Prandaj, në një dëshirë të natyrshme për stabilitet, ata vazhdojnë të "hedhin" energjinë e tepërt mbi nivelin e gjendjes bazë derisa të arrihet ky nivel.

Ky shkarkim kryhet nga emetimi i njëpasnjëshëm i fragmenteve të të gjitha llojeve të rrezatimit radioaktiv (rrezatimi alfa, beta dhe gama), dhe për fragmente të ndryshme, lloje të ndryshme të kalbjes radioaktive ndodhin në sekuenca të ndryshme dhe (për shkak të ndryshimeve në vlerat të konstanteve të zbërthimit ) janë shtrirë në shkallë të ndryshme në kohë.

Kështu, në një reaktor bërthamor që funksionon, jo vetëm procesi kursimet fragmente radioaktive, por edhe procesin e vazhdimësisë së tyre transformimi: dihet një numër i madh zinxhirë transformime të njëpasnjëshme, që përfundimisht çojnë në formimin e bërthamave të qëndrueshme, por të gjitha këto procese kërkojnë kohë të ndryshme, për disa zinxhirë - shumë të shkurtër, dhe për të tjerët - mjaft të gjatë.

Prandaj, rrezatimi radioaktiv jo vetëm që shoqëron reaksionin e ndarjes në duke punuar reaktor, por gjithashtu emetohen nga karburanti për një kohë të gjatë pasi është mbyllur.

Ky faktor, së pari, krijon një lloj të veçantë rreziku fizik - rrezik ekspozimi i personelit, shërbimi i instalimit të reaktorit, i referuar shkurtimisht si rrezik rrezatimi. Kjo i detyron projektuesit e impiantit të reaktorit të sigurojnë mjedisin e tij. mbrojtje biologjike, vendoseni në dhoma të izoluara nga mjedisi dhe merrni një sërë masash të tjera për të eliminuar mundësinë e ekspozimit të rrezikshëm të njerëzve dhe ndotjes radioaktive të mjedisit.

Së dyti, pas mbylljes së reaktorit, të gjitha llojet e rrezatimit radioaktiv, megjithëse në rënie në intensitet, vazhdojnë të ndërveprojnë me materialet e bërthamës dhe, si vetë fragmentet e ndarjes në periudhën fillestare të ekzistencës së tyre të lirë, transferojnë energjinë e tyre kinetike në atomet e mediumit bërthamor, duke rritur energjinë mesatare kinetike të tyre. Kjo eshte në reaktor pasi të ndodhë mbyllja e tij nxehtësia e kalbjes .

Është e lehtë të kuptohet se fuqia e lëshimit të nxehtësisë së mbetur në reaktor në momentin e mbylljes është drejtpërdrejt proporcionale me numrin e fragmenteve të grumbulluara gjatë funksionimit të reaktorit në atë moment, dhe shkalla e rënies së saj përcaktohet më pas nga gjysma e jetës së këtyre fragmenteve. Nga sa u tha, vijon një tjetër negativ faktor për shkak të radioaktivitetit të fragmenteve të ndarjes - domosdoshmëriafatgjatëduke u ftohur bërthama e reaktorit pas mbylljes për të hequr nxehtësinë e mbetur, dhe kjo shoqërohet me një konsum të konsiderueshëm të energjisë elektrike dhe jetëgjatësinë e motorit të pajisjeve të qarkullimit.

Kështu, formimi i fragmenteve radioaktive gjatë ndarjes në një reaktor është një fenomen kryesisht negativ, por... çdo re ka një rreshtim argjendi!

Në transformimet radioaktive të fragmenteve të ndarjes mund të shihet gjithashtu pozitive aspekti që reaktorët bërthamorë fjalë për fjalë i detyrohen ekzistencës së tyre . Fakti është se nga një shumëllojshmëri e madhe e fragmenteve të ndarjes, ka rreth 60 lloje që, pas kalbjes së parë , bëhen neutronaktive , të aftë për të emetuar të ashtuquajturat ngecje neutronet. Relativisht pak neutrone të vonuara emetohen në reaktor (afërsisht 0.6% e numrit të përgjithshëm të neutroneve të gjeneruara), por është e mundur falë ekzistencës së tyre. menaxhim të sigurt reaktor bërthamor; Ne do të bindemi për këtë kur studiojmë kinetikën e një reaktori bërthamor.

2.2.4. Lëshimi i energjisë gjatë ndarjes. Reaksioni i ndarjes bërthamore në fizikë është një nga konfirmimet e qarta të hipotezës së A. Ajnshtajnit për marrëdhënien midis masës dhe energjisë, e cila në lidhje me ndarjen bërthamore është formuluar si më poshtë:

Sasia e energjisë së çliruar gjatë ndarjes bërthamore është drejtpërdrejt proporcionale me madhësinë e defektit në masë, dhe koeficienti i proporcionalitetit në këtë marrëdhënie është katrori i shpejtësisë së dritës:

E=  ms 2

Gjatë ndarjes bërthamore, teprica (defekti) i masës përcaktohet si diferenca në shumën e masave të mbetura të produkteve fillestare të reaksionit të ndarjes (d.m.th., bërthamës dhe neutronit) dhe produkteve që rezultojnë të ndarjes bërthamore (fragmente të ndarjes, ndarje neutronet dhe mikrogrimcat e tjera të emetuara si gjatë procesit të ndarjes ashtu edhe pas tij).

Analiza spektroskopike bëri të mundur përcaktimin e shumicës së produkteve të ndarjes dhe rendimentit të tyre specifik. Mbi këtë bazë doli të ishte jo aq e vështirë për t'u llogaritur private madhësia e defekteve në masë për rezultate të ndryshme të ndarjes së bërthamave të uraniumit-235, dhe prej tyre - llogaritni sasia mesatare e energjisë së çliruar në një ndarje të vetme, e cila rezultoi të jetë afër

mc 2 = 200 MeV

Mjafton të krahasohet kjo vlerë me energjinë e çliruar në veprimin e një prej më endotermikëve kimike reaksionet - reaksionet e oksidimit të karburantit të raketës (vlera më e vogël se 10 eV) - për të kuptuar se në nivelin e objekteve mikroskopike (atomeve, bërthamave) 200 MeV - energji shumë të lartë: është të paktën tetë renditje të madhësisë (100 milionë herë) më e madhe se energjia e marrë nga reaksionet kimike.

Energjia e ndarjes shpërndahet nga vëllimi ku ka ndodhur ndarja bërthamore përmes materialeve të ndryshme transportuesit: fragmentet e ndarjes, neutronet e ndarjes, - dhe -grimcat, -kuantet dhe madje neutrinot dhe antineutrinot.

Shpërndarja e energjisë së zbërthimit ndërmjet bartësve të materialit gjatë zbërthimit të bërthamave 235 U dhe 239 Pu është dhënë në tabelën 2.1.

Tabela 2.1. Shpërndarja e energjisë së zbërthimit të bërthamave të uraniumit-235 dhe plutonium-239 ndërmjet produkteve të ndarjes.

Transportuesit e energjisë së ndarjes		Plutonium-239
1. Energjia kinetike e fragmenteve të ndarjes
2. Energjia kinetike e neutroneve të ndarjes
3. Energjia e gama kuanteve të menjëhershme
4. Energjia e -kuanteve nga produktet e zbërthimit
5. Energjia kinetike e -rrezatimi i fragmenteve
6. Energjia antineutrino

Komponentë të ndryshëm të energjisë së ndarjes shndërrohen në nxehtësi jo në të njëjtën kohë.

Tre komponentët e parë kthehen në nxehtësi në një kohë më të vogël se 0,1 s (duke llogaritur nga momenti i ndarjes), dhe për këtë arsye quhen burime të menjëhershme të çlirimit të nxehtësisë.

- dhe -rrezatimet nga produktet e ndarjes emetohen nga fragmente të ngacmuara me gjysëmjet më të ndryshme(nga disa fraksione të sekondës deri në disa dhjetëra ditë, nëse marrim parasysh vetëm fragmentet me rendiment specifik i dukshëm), dhe rrjedhimisht procesi i përmendur më sipër nxehtësia e kalbjes, e cila shkaktohet pikërisht nga emetimet radioaktive nga produktet e ndarjes, mund të zgjasë dhjetëra ditë pasi reaktori të jetë mbyllur.

*) Sipas vlerësimeve shumë të përafërta, fuqia e lëshimit të nxehtësisë së mbetur në reaktor pas mbylljes së tij zvogëlohet në minutën e parë - me 30-35%; pas orës së parë të mbylljes së reaktorit, është afërsisht 30% e fuqisë në të cilin reaktori funksiononte para mbylljes, dhe pas parkimit të ditës së parë - afërsisht 25 përqind. Është e qartë se ndalimi i ftohjes së detyruar të reaktorit në kushte të tilla nuk bëhet fjalë, sepse Edhe një ndërprerje afatshkurtër e qarkullimit të ftohësit në bërthamë është e mbushur me rrezikun e shkatërrimit termik të elementeve të karburantit. Vetëm pas disa ditësh ftohjeje të detyruar të reaktorit, kur fuqia e lëshimit të nxehtësisë së mbetur zvogëlohet në nivelin e ftohësit të hequr për shkak të konvekcionit natyror, mund të ndalet qarkullimi i qarkut primar.

Pyetja e dytë praktike për një inxhinier: ku dhe cila pjesë e energjisë së zbërthimit shndërrohet në nxehtësi në reaktor? - pasi kjo është për shkak të nevojës për të organizuar një heqje të ekuilibruar të nxehtësisë nga pjesët e ndryshme të brendshme të saj, të dizajnuara në dizajne të ndryshme teknologjike.

Përbërja e karburantit, i cili përmban nuklide të zbërthyeshme, përmbahet në predha të mbyllura që pengojnë lëshimin e fragmenteve të formuara nga përbërja e karburantit të elementëve të karburantit (elementet e karburantit) në ftohësin që i ftoh ato. Dhe, nëse fragmentet e ndarjes në një reaktor që funksionon nuk largohen nga elementët e karburantit, është e qartë se energjitë kinetike të fragmenteve dhe grimcat  që depërtojnë dobët shndërrohen në nxehtësi. brenda shufrave të karburantit.

Energjitë e neutroneve të ndarjes dhe rrezatimit  shndërrohen në nxehtësi vetëm brenda elementeve të karburantit pjesërisht: aftësia depërtuese e neutroneve dhe -rrezatimit gjeneron tërheqje pjesën më të madhe të energjisë së tyre kinetike fillestare nga vendlindja e tyre.

Njohja e vlerës së saktë të energjisë së ndarjes dhe pjesës së saj të nxehtësisë që rezulton brenda elementëve të karburantit ka një rëndësi të madhe praktike, duke e lejuar njeriun të llogarisë një karakteristikë tjetër praktikisht të rëndësishme të quajtur Lëshimi specifik vëllimor i nxehtësisë në karburantin e shufrës së karburantit (q v).

Për shembull, nëse dihet se në 1 cm 3 të përbërjes së karburantit të një elementi karburanti, në 1 s. R f ndarjet e bërthamave të uranium-235, atëherë është e qartë: sasia e energjisë termike e gjeneruar çdo sekondë në këtë vëllim njësi (= fuqia termike prej 1 cm 3 karburant) është lëshimi specifik vëllimor i nxehtësisë (ose intensiteti i energjisë) karburant, dhe kjo vlerë do të jetë e barabartë me:

q v = 0.9 .  E . R f (2.2.5)

Pjesa e energjisë së zbërthimit të marrë në formën e nxehtësisë jashtë elementeve të karburantit në bërthamën e reaktorit varet nga lloji dhe dizajni i tij dhe shtrihet brenda (6  9)% të energjisë totale të ndarjes. (Për shembull, për VVER-1000 kjo vlerë është afërsisht 8.3%, dhe për RBMK-1000 është rreth 7%).

Kështu, pjesa e çlirimit total të nxehtësisë në vëllimin e bërthamës së energjisë totale të ndarjes është 0,96  0,99, d.m.th. me saktësi teknike përkon me energjinë totale të ndarjes.

Prandaj një tjetër karakteristikë teknike e bërthamës së reaktorit:

- intensiteti mesatar i energjisë i bërthamës(q v) az - fuqia termike e marrë për njësi vëllimi të bërthamës:

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

Meqenëse energjia është 1 MeV në sistemin SI korrespondon me 1.602. 10 -13 J, atëherë vlera e intensitetit të energjisë së bërthamës së reaktorit:

(q v) az  3,204 . 10 -11 R f .

Prandaj, nëse dihet vlera e intensitetit mesatar të energjisë mbi vëllimin e bërthamës, atëherë fuqia termike e reaktorit padyshim që do të jetë:

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

Fuqia termike e reaktorit është drejtpërdrejt proporcionale Shpejtësia mesatare

reaksionet e ndarjes në thelbin e saj.

Pasoja praktike : Dëshironi që reaktori të punojëniveli konstant i fuqisë? - Krijoni kushte në të të tilla që të ndodhë reaksioni i ndarjes në zonën e tij aktive me një shpejtësi mesatare konstante me kalimin e kohës. A keni nevojë për të rritur (ulur) fuqinë e reaktorit? - Gjeni mënyra për të rritur (ose ulur) shpejtësinë e reagimit në përputhje me rrethanat de lenia. Ky është kuptimi kryesor i kontrollit të fuqisë së një reaktori bërthamor.

Marrëdhëniet dhe përfundimet e konsideruara duken të qarta vetëm në rastin më të thjeshtë, kur përbërësi i karburantit në reaktor është një uranium-235. Megjithatë, duke përsëritur arsyetimin për një reaktor me shumëkomponente Përbërja e karburantit, është e lehtë të verifikohet proporcionaliteti i shkallës mesatare të reaksionit të ndarjes dhe fuqisë termike të reaktorit në rastin më të përgjithshëm.

Kështu, fuqia termike e reaktorit dhe shpërndarja e nxehtësisë në thelbin e saj janë drejtpërdrejt proporcionale me shpërndarjen e shkallës së reaksionit të ndarjes mbi vëllimin e përbërjes së karburantit të bërthamës së reaktorit.

Por nga sa u tha është gjithashtu e qartë se shkalla e reaksionit të ndarjes duhet të lidhet me numrin e neutroneve të lira në mjedisin bërthamë, pasi janë ato (neutronet e lira) që shkaktojnë reaksione të ndarjes, kapje rrezatuese, shpërndarje dhe reaksione të tjera neutronike. Me fjalë të tjera, shpejtësia e reaksionit të ndarjes, lirimi i energjisë në bërthamë dhe fuqia termike e reaktorit duhet të lidhen qartë me Karakteristikat e fushës së neutronit në vëllimin e tij.

Pasi u krye një reaksion zinxhir i pakontrolluar, i cili bëri të mundur marrjen e një sasie gjigante energjie, shkencëtarët vendosën detyrën e zbatimit të një reaksioni zinxhir të kontrolluar. Thelbi i një reaksioni zinxhir të kontrolluar qëndron në aftësinë për të kontrolluar neutronet. Ky parim është zbatuar me sukses në termocentralet bërthamore (NPP).

Energjia e ndarjes së bërthamave të uraniumit përdoret në termocentralet bërthamore (NPP). Procesi i ndarjes së uraniumit është shumë i rrezikshëm. Prandaj, reaktorët bërthamorë janë të rrethuar nga predha të dendura mbrojtëse. Një lloj i zakonshëm i reaktorit është uji nën presion.

Ftohësi është ujë. Uji i ftohtë hyn në reaktor nën presion shumë të lartë, gjë që e pengon atë të vlojë.

Uji i ftohtë që kalon nëpër bërthamën e reaktorit vepron gjithashtu si një moderator - duke ngadalësuar neutronet e shpejta në mënyrë që ato të godasin bërthamat e uraniumit dhe të shkaktojnë një reaksion zinxhir.

Karburanti bërthamor (uraniumi) ndodhet në bërthamë në formën e shufrave të montimit të karburantit. Shufrat e karburantit në montim alternojnë me shufra kontrolli, të cilat rregullojnë shkallën e ndarjes bërthamore duke thithur neutrone të shpejta.

Fisioni lëshon një sasi të madhe nxehtësie. Uji i ngrohur largohet nga bërthama nën presion me një temperaturë prej 300ºC dhe hyn në termocentralin, ku janë vendosur gjeneratorët dhe turbinat.

Uji i nxehtë nga reaktori ngroh ujin e qarkut dytësor në një valë. Avulli drejtohet te tehet e turbinës dhe e rrotullon atë. Boshti rrotullues transferon energjinë te gjeneratori. Në gjenerator, energjia rrotulluese mekanike shndërrohet në energji elektrike. Avulli ftohet dhe uji kthehet përsëri në reaktor.

Si rezultat i këtyre proceseve komplekse, një termocentral bërthamor prodhon rrymë elektrike.

Siç mund ta shihni, izotopi i zbërthyer ndodhet në shufrat e karburantit të vendosura në bërthamën e reaktorit, duke formuar një masë kritike. Reaksioni bërthamor kontrollohet duke përdorur shufra kontrolli të bëra nga bor ose kadmium. Shufrat e kontrollit, si shufrat e karburantit, janë të vendosura në bërthamën e reaktorit dhe, si një sfungjer që thith ujin, veprojnë mbi neutronet, duke i thithur ato. Operatori i NPP, duke rregulluar numrin e shufrave të kontrollit në bërthamën e reaktorit, kontrollon shpejtësinë e procesit bërthamor: ai e ngadalëson atë duke ulur shufrat e kontrollit në bërthamën e reaktorit; ose e shpejton duke ngritur shufrat.

Duket se gjithçka është e mrekullueshme - energjia bërthamore është një burim i pashtershëm i teknologjisë së lartë të energjisë elektrike dhe është e ardhmja. Kështu menduan njerëzit deri më 26 gusht 1986. Aksidenti në njësinë e katërt të termocentralit bërthamor të Çernobilit ktheu gjithçka përmbys - atomi "paqësor" doli të ishte jo aq paqësor nëse trajtohej me përbuzje.

Për këtë është shkruar mjaft material. Këtu do të jepet kuintesenca (esenca e kondensuar) e fatkeqësisë.

Shkaqet kryesore të aksidentit të njësisë së 4-të të energjisë të termocentralit bërthamor të Çernobilit:

1. Një program jo mjaftueshëm i menduar mirë për një eksperiment teknologjik mbi prishjen e një turbogjeneratori;
2. Llogaritjet e gabuara nga zhvilluesit e reaktorit bërthamor RBMK, ku një rol të rëndësishëm luajti mungesa e informacionit operacional në sistemin e kontrollit për rezervën e reaktivitetit në bërthamë;
3. "Liritë" e personelit të centralit bërthamor që kreu eksperimentin dhe lejuan devijime nga rregulloret për punën që po kryhej.

E gjithë kjo së bashku çoi në katastrofë. Midis specialistëve që hetonin ngjarjet në Çernobil, kishte diçka si kjo formulë: "Operatorët arritën të hidhnin në erë njësinë dhe reaktori i lejoi ata ta bënin atë". Një pjesë e fajit të Çernobilit qëndron tek pothuajse të gjithë - dhe tek fizikanët që kryejnë llogaritjet duke përdorur modele të thjeshtuara, dhe tek instaluesit që saldojnë pa kujdes qepjet dhe tek operatorët që i lejojnë vetes të shpërfillin rregulloret e punës.

Anatomia e aksidentit të Çernobilit me pak fjalë

1. Fuqia e reaktorit u lejua të ulet në një vlerë shumë të vogël (afërsisht 1% e vlerës nominale). Kjo është "e keqe" për reaktorin, sepse ai bie në "gropë të jodit" dhe fillon helmimi me ksenon i reaktorit. Sipas qasjes "normale", ishte e nevojshme mbyllja e reaktorit, por në këtë rast nuk do të ishte kryer eksperimenti i prishjes së turbinës, me të gjitha pasojat administrative që pasuan. Si rezultat, personeli i NPP-së së Çernobilit vendosi të rrisë fuqinë e reaktorit dhe të vazhdojë eksperimentin.

2. Nga materiali i mësipërm është e qartë se operatori i një centrali bërthamor mund të kontrollojë shpejtësinë e reaksionit bërthamor (fuqia e reaktorit) duke lëvizur shufrat e kontrollit në bërthamën e reaktorit. Për të rritur fuqinë e reaktorit (për të përfunduar eksperimentin), pothuajse të gjitha shufrat e kontrollit u hoqën nga bërthama e reaktorit.

Për ta bërë më të qartë për lexuesin që nuk është i njohur me "hollëzat bërthamore", mund të japim analogjinë e mëposhtme me një ngarkesë të pezulluar në një susta:

• Ngarkesa (ose më mirë pozicioni i saj) është fuqia e reaktorit;
• Susta është një mjet për të kontrolluar ngarkesën (fuqia e reaktorit).
• Në pozicionin normal, ngarkesa dhe susta janë në ekuilibër - ngarkesa është në një lartësi të caktuar, dhe susta shtrihet me një sasi të caktuar.
• Kur fuqia e reaktorit dështoi ("gropa e jodit"), ngarkesa zbriti në tokë (dhe shkoi shumë fort).
• Për të "tërhequr" reaktorin, operatori "tërhoqi sustën" (tërhoqi shufrat e kontrollit; por ishte e nevojshme të bëhej pikërisht e kundërta - futni të gjitha shufrat dhe mbyllni reaktorin, d.m.th., lëshoni pranverën në mënyrë që ngarkesa bie në tokë). Por sistemi ngarkesë-sustë ka njëfarë inercie dhe për ca kohë pasi operatori filloi të tërhiqte sustën lart, ngarkesa vazhdon të lëvizë poshtë. Dhe operatori vazhdon të tërhiqet.
• Më në fund, ngarkesa arrin pikën më të ulët dhe nën ndikimin e forcave të pranverës (tashmë të mirë) ajo fillon të lëvizë lart - fuqia e reaktorit fillon të rritet ndjeshëm. Ngarkesa fluturon lart gjithnjë e më shpejt (një reaksion zinxhir i pakontrolluar me lëshimin e një sasie të madhe nxehtësie), dhe operatori nuk mund të bëjë më asgjë për të shuar inercinë e lëvizjes lart të ngarkesës. Si rezultat, ngarkesa godet operatorin në ballë.

Po, operatorët e termocentralit bërthamor të Çernobilit, të cilët lejuan që njësia e energjisë të shpërthejë, paguan çmimin më të lartë për gabimin e tyre - jetën e tyre.

Pse veproi në këtë mënyrë personeli i NPP-së së Çernobilit? Një nga arsyet ishte fakti se sistemi i kontrollit të reaktorit bërthamor nuk i siguronte operatorit informacion operacional për proceset e rrezikshme që ndodhnin në reaktor.

Kështu e fillon librin e tij A.S. Dyatlov "Çernobili. Si ndodhi":

Më 26 prill 1986, në një orë, njëzet e tre minuta, dyzet sekonda, mbikëqyrësi i turnit të njësisë nr. 4 të termocentralit bërthamor të Çernobilit, Alexander Akimov, urdhëroi mbylljen e reaktorit pas përfundimit të punës së kryer. përpara se të fikni njësinë e energjisë për riparimet e planifikuara. Komanda u lëshua në një mjedis të qetë pune; sistemi i centralizuar i kontrollit nuk regjistron një sinjal të vetëm emergjence ose paralajmërimi për devijimet në parametrat e reaktorit ose sistemeve të shërbimit. Operatori i reaktorit Leonid Toptunov hoqi kapakun nga butoni AZ, i cili mbron nga shtypja e gabuar aksidentale, dhe shtypi butonin. Në këtë sinjal, 187 shufra kontrolli të reaktorit filluan të lëviznin poshtë në bërthamë. Dritat e dritës së prapme në tabelën mnemonike u ndezën dhe shigjetat e treguesve të pozicionit të shufrës filluan të lëvizin. Alexander Akimov, duke qëndruar gjysmë i kthyer në panelin e kontrollit të reaktorit, e vuri re këtë, gjithashtu pa që "lepurushët" e treguesve të çekuilibrit AR "shihën në të majtë" (shprehja e tij), siç duhej të ishte, që nënkuptonte një ulje të fuqia e reaktorit, u kthye në panelin e sigurisë, pas të cilit vura re në eksperiment.
Por më pas ndodhi diçka që as imagjinata më e egër nuk mund ta parashikonte. Pas një rënie të lehtë, fuqia e reaktorit filloi të rritet papritmas me një shpejtësi gjithnjë në rritje dhe u shfaqën sinjale alarmi. L. Toptunov bërtiti për një rritje urgjente të pushtetit. Por ai nuk ishte në gjendje të bënte asgjë. Gjithçka që ai mund të bënte ishte të mbante të shtypur butonin AZ, shufrat e kontrollit hynë në zonën aktive. Ai nuk ka mjete të tjera në dispozicion. Dhe të gjithë të tjerët gjithashtu. A. Akimov bërtiti ashpër: "Mbyllni reaktorin!" Ai u hodh në panelin e kontrollit dhe çaktivizoi kthetrat elektromagnetike të disqeve të shufrës së kontrollit. Veprimi është i saktë, por i padobishëm. Në fund të fundit, logjika CPS, domethënë të gjithë elementët e saj të qarqeve logjike, funksionuan si duhet, shufrat hynë në zonë. Tani është e qartë - pas shtypjes së butonit AZ nuk kishte veprime të sakta, nuk kishte asnjë mjet shpëtimi. Logjika tjetër dështoi!
Me një interval të shkurtër pasuan dy shpërthime të fuqishme. Shufrat AZ ndaluan së lëvizuri pa kaluar as gjysmën e rrugës. Nuk kishin ku të shkonin tjetër.
Në një orë, njëzet e tre minuta, dyzet e shtatë sekonda, reaktori u shkatërrua nga një rritje e energjisë duke përdorur neutrone të shpejtë. Ky është një kolaps, fatkeqësia përfundimtare që mund të ndodhë në një reaktor të energjisë. Ata nuk e kuptuan, nuk u përgatitën për të, nuk u dhanë masa teknike për lokalizimin në bllok dhe stacion…

Domethënë, pak sekonda para katastrofës, personeli as që dyshoi për rrezikun që po afrohej! Fundi i gjithë kësaj situate absurde ishte shtypja e butonit të urgjencës, pas së cilës ndodhi një shpërthim - ju jeni duke garuar në një makinë dhe para një pengese shtypni frenimin, por makina përshpejton edhe më shumë dhe përplaset në pengesë. Për të qenë të drejtë, duhet thënë se shtypja e butonit të urgjencës nuk mund të ndikojë në asnjë mënyrë në situatë - vetëm përshpejtoi shpërthimin e pashmangshëm të reaktorit për disa momente, por fakti mbetet - mbrojtja emergjente shpërtheu reaktorin !

Ndikimi i rrezatimit tek njerëzit

Pse katastrofat bërthamore të shkaktuara nga njeriu (për të mos përmendur armët bërthamore) janë kaq të rrezikshme?

Krahas çlirimit të sasive kolosale të energjisë, e cila çon në shkatërrime të mëdha, reaksionet bërthamore shoqërohen me rrezatim dhe, si pasojë, ndotje nga rrezatimi të zonës.

Pse rrezatimi është kaq i dëmshëm për një organizëm të gjallë? Nëse nuk do të kishte sjellë një dëm të tillë për të gjitha gjallesat, atëherë të gjithë do ta kishin harruar aksidentin e Çernobilit shumë kohë më parë dhe bombat atomike do të ishin hedhur majtas e djathtas.

Rrezatimi shkatërron qelizat e një organizmi të gjallë në dy mënyra:

1. për shkak të ngrohjes (djegie nga rrezatimi);
2. për shkak të jonizimit të qelizave (sëmundja nga rrezatimi).

Grimcat radioaktive dhe vetë rrezatimi kanë energji të lartë kinetike. Rrezatimi gjeneron nxehtësi. Kjo nxehtësi, e ngjashme me një djegie nga dielli, shkakton një djegie nga rrezatimi, duke shkatërruar indet e trupit.

Diagrami skematik i një reaktori bërthamor që përdor neutrone termike (të ngadalta) është paraqitur në figurën 5.1, këtu 1 - shufra kontrolli, 2 - mbrojtje biologjike, 3 - mbrojtje termike, 4 - moderator, 5 - karburant bërthamor (shkopinj karburanti).

Kur një neutron godet bërthamën e izotopit të uraniumit 235, ai ndahet në dy pjesë dhe disa (2.5-3) neutrone të reja dytësore emetohen.. Në mënyrë që një reaksion zinxhir të mbahet në një reaktor bërthamor, është e nevojshme që masa e karburantit bërthamor në bërthamën e reaktorit të jetë jo më pak se kritike. Reaktori duhet të përmbajë këtë sasi 235U në mënyrë që, mesatarisht, të paktën një nga neutronet që rezultojnë në çdo ngjarje të ndarjes mund të shkaktojë ngjarjen tjetër të ndarjes përpara se të largohet nga bërthama e reaktorit.

Figura 5.1. Diagrami skematik i një reaktori bërthamor termik neutron

Nëse numri i neutroneve mbahet konstant, atëherë reaksioni i ndarjes do të ketë karakter stacionar. Sa më i lartë të jetë niveli i gjendjes së qëndrueshme të numrit të neutroneve ekzistuese, aq më e madhe është fuqia e reaktorit. Një fuqi prej 1 MW korrespondon me një reaksion zinxhir në të cilin 3 10 16 ndarje ndodhin në 1 sekondë.

Nëse numri i neutroneve rritet, do të ndodhë një shpërthim termik; nëse zvogëlohet, reaksioni do të ndalet. Shpejtësia e reagimit kontrollohet duke përdorur shufra kontrolli 1.

Gjendja aktuale e një reaktori bërthamor mund të karakterizohet si efikase faktori i shumëzimit të neutronit ose reaktivitet, të cilat janë të ndërlidhura nga marrëdhënia:

Vlerat e mëposhtme janë tipike për këto sasi:

· - reaksioni zinxhir rritet me kalimin e kohës, reaktori është në gjendje superkritike, reaktiviteti i tij;

· , - numri i ndarjeve bërthamore është konstant, reaktori është në gjendje kritike të qëndrueshme.

Një reaktor bërthamor mund të funksionojë me një fuqi të caktuar për një kohë të gjatë vetëm nëse ka një rezervë reaktiviteti në fillim të funksionimit. Gjatë funksionimit të një reaktori bërthamor, për shkak të akumulimit të fragmenteve të ndarjes në karburant, përbërja izotopike dhe kimike e tij ndryshon dhe formohen elementë transuranium, kryesisht Pu. Proceset që ndodhin në reaktor zvogëlojnë mundësinë e një reaksioni zinxhir të ndarjes së bërthamave atomike.

Për të ruajtur dhe zbatuar një reaksion zinxhir, është e nevojshme të kufizohet thithja e neutroneve nga materialet që rrethojnë bërthamën e reaktorit. Kjo arrihet duke përdorur materiale (për mbrojtje biologjike 2 dhe termike 3) që të paktën pjesërisht (idealisht 50%) pasqyrojnë neutronet, d.m.th. nuk i përthithën ato. Me rëndësi të veçantë është zgjedhja e ftohësit që përdoret për të transferuar nxehtësinë nga bërthama në turbinë.

Neutronet e prodhuara si rezultat i ndarjes mund të jenë të shpejtë (me shpejtësi të lartë) ose të ngadaltë (termike). Probabiliteti i kapjes së një neutroni të ngadaltë nga një bërthamë 235U dhe ndarja e tij e mëvonshme është më e madhe se ajo e një neutroni të shpejtë. Prandaj, shufrat e karburantit 5 janë të rrethuar nga moderatorë të veçantë 4, të cilët ngadalësojnë neutronet, duke i thithur dobët ato. Për të zvogëluar rrjedhjen e neutronit nga reaktori, ai është i pajisur me një reflektor. Moderatorët dhe reflektorët më të përdorur janë grafiti, i rëndë ( D2O), uji i zakonshëm etj.

Numri i neutroneve ekzistuese stacionare përcakton numrin e fragmenteve të ndarjes bërthamore të formuara, të cilat fluturojnë larg në drejtime të ndryshme me shpejtësi të madhe. Frenimi i fragmenteve çon në ngrohjen e karburantit dhe muret e shufrave të karburantit. Për të hequr këtë nxehtësi, reaktori ushqehet ftohës, ngrohja e të cilit është qëllimi i reaktorit. Shpesh e njëjta substancë, për shembull uji i zakonshëm, kryen funksionet ftohës, moderator dhe reflektor. Uji furnizohet në reaktor duke përdorur pompat kryesore të qarkullimit(MCP).