"tinch" atom. Yadro reaktorining ishlash printsipi Yangi materialni tushuntirish

Orqaga oldinga

Diqqat! Slaydni oldindan ko'rish faqat ma'lumot uchun mo'ljallangan va taqdimotning barcha xususiyatlarini aks ettirmasligi mumkin. Agar siz ushbu ish bilan qiziqsangiz, to'liq versiyasini yuklab oling.

Dars maqsadlari:

• Tarbiyaviy: mavjud bilimlarni yangilash; tushunchalarni shakllantirishni davom ettirish: uran yadrolarining bo'linishi, yadro zanjiri reaktsiyasi, uning paydo bo'lish shartlari, kritik massa; yangi tushunchalarni kiritish: yadro reaktori, yadro reaktorining asosiy elementlari, yadro reaktorining tuzilishi va uning ishlash prinsipi, yadro reaksiyasini boshqarish, yadro reaktorlarining tasnifi va ulardan foydalanish;
• Tarbiyaviy: kuzatish va xulosa chiqarish ko‘nikmalarini rivojlantirishni davom ettirish, shuningdek, o‘quvchilarning intellektual qobiliyatlari va qiziquvchanligini rivojlantirish;
• Tarbiyaviy: fizikaga eksperimental fan sifatida munosabatni rivojlantirishni davom ettirish; mehnatga vijdonan munosabat, intizom, bilimga ijobiy munosabatni tarbiyalash.

Dars turi: yangi materialni o'rganish.

Uskunalar: multimedia o'rnatish.

Darslar davomida

1. Tashkiliy moment.

Yigitlar! Bugun darsda biz uran yadrolarining bo'linishini, yadro zanjiri reaktsiyasini, uning paydo bo'lish shartlarini, kritik massani takrorlaymiz, yadro reaktori nima ekanligini, yadro reaktorining asosiy elementlari, yadro reaktorining tuzilishini bilib olamiz. va uning ishlash prinsipi, yadro reaksiyasini boshqarish, yadro reaktorlarining tasnifi va ulardan foydalanish.

2. O'rganilgan materialni tekshirish.

1. Uran yadrolarining bo'linish mexanizmi.
2. Yadro zanjiri reaksiyasining mexanizmi haqida gapirib bering.
3. Uran yadrosining yadro parchalanish reaksiyasiga misol keltiring.
4. Kritik massa deb nimaga aytiladi?
5. Uranning massasi kritikdan kichik yoki kritikdan katta bo'lsa, unda zanjir reaktsiyasi qanday sodir bo'ladi?
6. Uran 295 kritik massasi qancha?Kritik massani kamaytirish mumkinmi?
7. Yadro zanjiri reaktsiyasining borishini qanday usullar bilan o'zgartirish mumkin?
8. Tez neytronlarni sekinlashtirishdan maqsad nima?
9. Moderator sifatida qanday moddalar ishlatiladi?
10. Qaysi omillar tufayli uran bo'lagidagi erkin neytronlar sonini ko'paytirish va shu bilan unda reaksiya yuzaga kelishi mumkinligini ta'minlash mumkin?

3. Yangi materialni tushuntirish.

Bolalar, bu savolga javob bering: Har qanday atom elektr stantsiyasining asosiy qismi nima? ( yadro reaktori)

Juda qoyil. Shunday qilib, bolalar, endi bu masalani batafsil ko'rib chiqaylik.

Tarixiy ma'lumotnoma.

Igor Vasilyevich Kurchatov - taniqli sovet fizigi, akademik, 1943-1960 yillarda Atom energiyasi institutining asoschisi va birinchi direktori, SSSRda atom muammosi bo'yicha bosh ilmiy direktor, atom energiyasidan tinchlik maqsadlarida foydalanish asoschilaridan biri. . SSSR Fanlar akademiyasi akademigi (1943). Sovet Ittifoqining birinchi atom bombasi 1949 yilda sinovdan o'tkazildi. To'rt yil o'tgach, dunyodagi birinchi vodorod bombasi muvaffaqiyatli sinovdan o'tkazildi. Va 1949 yilda Igor Vasilyevich Kurchatov atom elektr stantsiyasi loyihasi ustida ish boshladi. Atom elektr stansiyasi atom energiyasidan tinch maqsadlarda foydalanishning jarchisidir. Loyiha muvaffaqiyatli yakunlandi: 1954 yil 27 iyulda bizning atom elektr stansiyamiz dunyoda birinchi bo'ldi! Kurchatov boladek quvondi va zavqlandi!

Yadro reaktorining ta'rifi.

Yadro reaktori - bu muayyan og'ir yadrolarning bo'linishining boshqariladigan zanjirli reaktsiyasi amalga oshiriladigan va saqlanadigan qurilma.

Birinchi yadro reaktori 1942 yilda AQSHda E. Fermi boshchiligida qurilgan. Mamlakatimizda birinchi reaktor 1946 yilda I.V.Kurchatov rahbarligida qurilgan.

Yadro reaktorining asosiy elementlari:

• yadro yoqilg'isi (uran 235, uran 238, plutoniy 239);
• neytron moderatori (og'ir suv, grafit va boshqalar);
• reaktorning ishlashi paytida hosil bo'lgan energiyani (suv, suyuq natriy va boshqalar) olib tashlash uchun sovutish suvi;
• Boshqaruv tayoqchalari (bor, kadmiy) - yuqori yutuvchi neytronlar
• Radiatsiyani bloklaydigan himoya qobig'i (temir plomba bilan beton).

Ishlash printsipi yadro reaktori

Yadro yoqilg'isi yonilg'i elementlari (yoqilg'i elementlari) deb ataladigan vertikal novdalar shaklida yadroda joylashgan. Yoqilg'i tayoqlari reaktor quvvatini tartibga solish uchun mo'ljallangan.

Har bir yonilg'i tayog'ining massasi kritik massadan sezilarli darajada kamroq, shuning uchun bitta novda zanjir reaktsiyasi sodir bo'lmaydi. U barcha uran tayoqchalari yadroga botirilgandan keyin boshlanadi.

Yadro neytronlarni aks ettiruvchi moddalar qatlami (reflektor) va neytronlarni va boshqa zarralarni ushlab turadigan betonning himoya qobig'i bilan o'ralgan.

Yoqilg'i xujayralaridan issiqlikni olib tashlash. Sovutish suvi, suv, novda yuviladi, yuqori bosimda 300 ° S ga qadar isitiladi va issiqlik almashinuvchilariga kiradi.

Issiqlik almashtirgichning roli shundaki, 300 ° C gacha qizdirilgan suv oddiy suvga issiqlik beradi va bug'ga aylanadi.

Yadro reaktsiyasini nazorat qilish

Reaktor kadmiy yoki bor o'z ichiga olgan novdalar yordamida boshqariladi. Rodlar reaktor yadrosidan uzatilganda K > 1, toʻliq tortilganda esa K.< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Sekin neytron reaktori.

Uran-235 yadrolarining eng samarali bo'linishi sekin neytronlar ta'sirida sodir bo'ladi. Bunday reaktorlar sekin neytron reaktorlari deb ataladi. Bo'linish reaktsiyasi natijasida hosil bo'lgan ikkilamchi neytronlar tezdir. Zanjir reaktsiyasidagi uran-235 yadrolari bilan keyingi o'zaro ta'siri eng samarali bo'lishi uchun ular yadroga moderatorni - neytronlarning kinetik energiyasini kamaytiradigan moddani kiritish orqali sekinlashadi.

Tez neytron reaktori.

Tez neytron reaktorlari tabiiy uranda ishlay olmaydi. Reaksiya faqat kamida 15% uran izotopini o'z ichiga olgan boyitilgan aralashmada saqlanishi mumkin. Tez neytronli reaktorlarning afzalligi shundaki, ularning ishlashi natijasida yadro yoqilg'isi sifatida foydalanish mumkin bo'lgan katta miqdordagi plutoniy hosil bo'ladi.

Gomogen va geterogen reaktorlar.

Yadro reaktorlari yoqilg'i va moderatorning nisbiy joylashishiga qarab bir jinsli va geterogenga bo'linadi. Bir hil reaktorda yadro eritma, aralashma yoki eritma ko'rinishidagi yoqilg'i, moderator va sovutish suvining bir hil massasidir. Bloklar yoki yonilg'i agregatlari ko'rinishidagi yoqilg'i moderatorga joylashtirilgan, unda muntazam geometrik panjara hosil qiluvchi reaktor heterojen deb ataladi.

Atom yadrolarining ichki energiyasini elektr energiyasiga aylantirish.

Yadro reaktori issiqlik yadro energiyasini elektr energiyasiga aylantiradigan atom elektr stantsiyasining (AES) asosiy elementi hisoblanadi. Energiyani aylantirish quyidagi sxema bo'yicha amalga oshiriladi:

• uran yadrolarining ichki energiyasi -
• neytronlar va yadro parchalarining kinetik energiyasi -
• suvning ichki energiyasi -
• bug'ning ichki energiyasi -
• bug'ning kinetik energiyasi -
• turbina rotori va generator rotorining kinetik energiyasi -
• Elektr energiyasi.

Yadro reaktorlaridan foydalanish.

Maqsadiga ko'ra yadro reaktorlari quvvat reaktorlari, konvertorlar va selektsionerlar, tadqiqot va ko'p maqsadli, transport va sanoat bo'lishi mumkin.

Yadro energetika reaktorlari atom elektr stansiyalarida, kema elektr stansiyalarida, atom issiqlik va issiqlik elektr stantsiyalarida va atom issiqlik ta'minoti stantsiyalarida elektr energiyasini ishlab chiqarish uchun ishlatiladi.

Tabiiy uran va toriydan ikkilamchi yadro yoqilg'isini ishlab chiqarish uchun mo'ljallangan reaktorlar konvertorlar yoki selektsionerlar deb ataladi. Konverter reaktorida ikkilamchi yadro yoqilg'isi dastlab iste'mol qilinganidan kamroq ishlab chiqaradi.

Selektsion reaktorda yadro yoqilg'isini kengaytirilgan ko'paytirish amalga oshiriladi, ya'ni. sarflanganidan ko'proq bo'ladi.

Tadqiqot reaktorlari neytronlarning materiya bilan oʻzaro taʼsiri jarayonlarini oʻrganish, neytron va gamma nurlanishning intensiv sohalarida reaktor materiallarining harakatini oʻrganish, radiokimyoviy va biologik tadqiqotlar, izotoplar olish, yadro reaktorlari fizikasi boʻyicha eksperimental tadqiqotlar uchun ishlatiladi.

Reaktorlar turli xil quvvatlarga ega, statsionar yoki impulsli ish rejimlariga ega. Ko'p maqsadli reaktorlar energiya ishlab chiqarish va yadro yoqilg'isini ishlab chiqarish kabi bir nechta maqsadlarga xizmat qiladigan reaktorlardir.

Atom elektr stansiyalaridagi ekologik ofatlar

• 1957 yil - Buyuk Britaniyadagi baxtsiz hodisa
• 1966 yil - Detroyt yaqinidagi reaktor sovib ketganidan keyin yadro qisman erishi.
• 1971 yil - AQSh daryosiga juda ko'p ifloslangan suv tushdi
• 1979 yil - AQShdagi eng yirik avariya
• 1982 yil - atmosferaga radioaktiv bug'ning chiqishi
• 1983 yil - Kanadada dahshatli avariya (radioaktiv suv 20 daqiqa davomida oqib chiqdi - daqiqada bir tonna)
• 1986 yil - Buyuk Britaniyadagi baxtsiz hodisa
• 1986 yil - Germaniyadagi baxtsiz hodisa
• 1986 yil - Chernobil atom elektr stantsiyasi
• 1988 yil - Yaponiyadagi atom elektr stantsiyasida yong'in

Zamonaviy atom elektr stantsiyalari shaxsiy kompyuterlar bilan jihozlangan, ammo ilgari avariya sodir bo'lganidan keyin ham reaktorlar ishlashda davom etgan, chunki avtomatik o'chirish tizimi mavjud emas edi.

4. Materialni mahkamlash.

1. Yadro reaktori nima deb ataladi?
2. Reaktordagi yadro yoqilg'isi nima?
3. Yadro reaktorida qanday modda neytron moderatori vazifasini bajaradi?
4. Neytron moderatorining maqsadi nima?
5. Boshqaruv novdalari nima uchun ishlatiladi? Ular qanday ishlatiladi?
6. Yadro reaktorlarida sovutuvchi sifatida nima ishlatiladi?
7. Nima uchun har bir uran tayoqchasining massasi kritik massadan kam bo'lishi kerak?

5. Testning bajarilishi.

1. Uran yadrolarining parchalanishida qanday zarralar ishtirok etadi?
   A. protonlar;
   B. neytronlar;
   B. elektronlar;
   G. geliy yadrolari.
2. Uranning qaysi massasi muhim?
   A. zanjir reaktsiyasi mumkin bo'lgan eng katta;
   B. har qanday massa;
   B. zanjir reaktsiyasi mumkin bo'lgan eng kichik;
   D. reaksiya toʻxtab qoladigan massa.
3. Uran 235 ning taxminiy kritik massasi qancha?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   B. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Quyidagi moddalardan qaysi biri yadroviy reaktorlarda neytron moderatori sifatida ishlatilishi mumkin?
   A. grafit;
   B. kadmiy;
   B. og'ir suv;
   G. bor.
5. Atom elektr stansiyasida zanjirli yadro reaktsiyasi sodir bo'lishi uchun neytronlarni ko'paytirish koeffitsienti quyidagilar bo'lishi kerak:
   A. 1 ga teng;
   B. 1 dan ortiq;
   V. 1 dan kam.
6. Yadro reaktorlarida og'ir atom yadrolarining bo'linish tezligi quyidagilar bilan boshqariladi:
   A. tayoqchalarni absorber bilan tushirganda neytronlarning yutilishi hisobiga;
   B. sovutish suvi tezligining oshishi bilan issiqlikni olib tashlashning ortishi tufayli;
   B. iste'molchilarni elektr energiyasi bilan ta'minlashni ko'paytirish orqali;
   G. yonilgʻi bilan tayoqlarni olib tashlashda yadrodagi yadro yoqilgʻisi massasini kamaytirish orqali.
7. Yadro reaktorida qanday energiya o'zgarishlari sodir bo'ladi?
   A. atom yadrolarining ichki energiyasi yorugʻlik energiyasiga aylanadi;
   B. atom yadrolarining ichki energiyasi mexanik energiyaga aylanadi;
   B. atom yadrolarining ichki energiyasi elektr energiyasiga aylanadi;
   D. javoblarning hech biri to'g'ri emas.
8. 1946 yilda Sovet Ittifoqida birinchi yadro reaktori qurildi. Ushbu loyihaning rahbari kim edi?
   A. S. Korolev;
   B. I. Kurchatov;
   V. D. Saxarov;
   G. A. Proxorov.
9. Atom elektr stansiyalarining ishonchliligini oshirish va tashqi muhit ifloslanishining oldini olishning qaysi usulini eng maqbul deb hisoblaysiz?
   A. operatorning xohishidan qat'iy nazar, reaktor yadrosini avtomatik ravishda sovutish imkoniyatiga ega bo'lgan reaktorlarni ishlab chiqish;
   B. AESdan foydalanish savodxonligini, AES operatorlarining kasbiy tayyorgarlik darajasini oshirish;
   B. atom elektr stansiyalarini demontaj qilish va radioaktiv chiqindilarni qayta ishlashning yuqori samarali texnologiyalarini ishlab chiqish;
   D. reaktorlarning er ostidagi joylashuvi;
   D. atom elektr stansiyasini qurish va ishlatishdan bosh tortish.
10. Atom elektr stansiyalarining ishlashi bilan atrof-muhitni ifloslantiruvchi qanday manbalar bog'liq?
    A. uran sanoati;
    B. har xil turdagi yadro reaktorlari;
    B. radiokimyo sanoati;
    D. radioaktiv chiqindilarni qayta ishlash va utilizatsiya qilish joylari;
    D. xalq xoʻjaligida radionuklidlardan foydalanish;
    E. yadroviy portlashlar.

Javoblar: 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. Darsning xulosasi.

Bugun sinfda nimani yangi o'rgandingiz?

Dars sizga nima yoqdi?

Qanday savollaringiz bor?

DARSDAGI ISHLARINGIZ UCHUN RAHMAT!

Og'ir yadrolarning bo'linishining neytron yadro reaktsiyasi, yuqorida aytib o'tilganidek, yadro reaktorlarida asosiy va markaziy reaktsiya hisoblanadi. Shuning uchun, eng murakkab texnik kompleksning hayoti va kundalik hayotining barcha jabhalarida u yoki bu tarzda o'z izini qoldiradigan bo'linish reaktsiyasining fizik tushunchalari va uning xususiyatlari bilan tanishish boshidanoq mantiqiydir. atom elektr stansiyasi deb ataladi.

Vizual tasvirlarda uran-235 yadrosining bo'linishi haqidagi g'oya 2.6-rasmda keltirilgan.

Massaning neytron yadrosi A qo'zg'atilgan birikma yadrosi Bo'linish bo'laklari

Bo'linish neytronlari

2.6-rasm. 235 U yadro parchalanishining sxematik tasviri.

Ushbu diagrammaga asoslanib, umumlashtirilgan bo'linish reaktsiyasi "tenglamasi" (bu qat'iy matematik emas, balki mantiqiy) quyidagicha yozilishi mumkin:

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

- (F 1)* va (F 2)* - ramziy belgilar hayajonlangan parchalanish fragmentlari (bundan buyon matnda indeks (*) beqaror, qo'zg'aluvchan yoki radioaktiv elementlarni bildiradi); fragment (F 1)* massasi A 1 va zaryadi Z 1, fragment (F 2)* massasi A 2 va zaryad Z 2;

-  5. 1 n belgilangan  Uran-235 yadrosining har bir boʻlinish hodisasida oʻrtacha 5 ta boʻlinish neytronlari ajralib chiqadi;

- ,  va  - -zarralar, -zarralar va -kvantlar, ularning o'rtacha soni uran-235 yadrosining bo'linish aktida mos ravishda a, b va c ga teng;

E - parchalanish aktida chiqarilgan energiyaning o'rtacha miqdori.

Yana bir bor ta'kidlaymiz: yuqorida yozilgan ifoda so'zning qat'iy ma'nosida tenglama emas; balki neytron boʻlinish reaksiyasining asosiy xususiyatlarini aks ettiruvchi yozuvning oddiygina esda qoladigan shaklidir:

a) parchalanish bo'laklarini hosil qilish;

b) bo'linish jarayonida yangi erkin neytronlarning hosil bo'lishi, biz bundan keyin qisqacha nomlaymiz parchalanish neytronlari;

v) parchalanish bo'laklarining radioaktivligi, bu ularning yanada barqaror qatlamlarga aylanishiga olib keladi, bu esa bir qator nojo'ya ta'sirlarga olib keladi - ijobiy, foydali va salbiy, ular yadro reaktorlarini loyihalash, qurish va ishlatishda hisobga olinishi kerak;

d) bo'linish jarayonida energiyaning ajralib chiqishi bo'linish reaktsiyasining asosiy xususiyati bo'lib, uni yaratishga imkon beradi baquvvat yadro reaktori.

Yuqorida sanab o'tilgan bo'linish reaktsiyasi bilan birga keladigan fizik jarayonlarning har biri reaktorda ma'lum rol o'ynaydi va o'zining amaliy xususiyatlariga ega. ma'nosi. Shuning uchun, keling, ular bilan batafsilroq tanishamiz.

2.2.1. Bo'linish bo'laklarining shakllanishi. Yadro bo'linishining yagona aktini ma'lum darajada hodisa sifatida aytish mumkin. tasodifiy 92 proton va 143 neytrondan tashkil topgan og'ir uran yadrosi asosan turli atom massalariga ega bo'lgan har xil miqdordagi bo'laklarga bo'linishga qodir ekanligini yodda tutgan holda. Bunday holda, yadroni 2, 3 yoki undan ortiq bo'laklarga bo'lish imkoniyatini baholashga ehtimollik choralari bilan yondashish mumkin. Berilgan ma'lumotlarga ko'ra, yadroning ikki bo'lakka bo'linish ehtimoli 98% dan ortiq, shuning uchun bo'linishlarning aksariyati aniq ikkita bo'lakning shakllanishi bilan yakunlanadi.

Bo'linish mahsulotlarini spektroskopik tadqiqotlar turli atom massalariga ega bo'lgan 600 dan ortiq sifat jihatidan har xil bo'linish qismlarini aniqladi. Va bu erda, ko'rinadigan baxtsiz hodisada, ko'p sonli bo'linishlar bilan darhol bittasi paydo bo'ldi umumiy naqsh qisqacha quyidagicha ifodalanishi mumkin:

Muayyan nuklidning massa bo'linishi paytida ma'lum bir atom massasining bo'lagining paydo bo'lish ehtimoli ushbu parchalanuvchi nuklidga xos bo'lgan qat'iy belgilangan qiymatdir.

Bu miqdor odatda deyiladi o'ziga xos fragment rentabelligi , kichik yunoncha harf bilan belgilangan  i(gamma) pastki belgisi bilan - bu parcha yadro bo'lgan kimyoviy elementning belgisi yoki izotopning ramzi.

Masalan, fizik tajribalarda ksenon-135 (135 Xe) fragmenti 235 U yadrolarning har ming bo'linishida o'rtacha uch holatda paydo bo'lishi qayd etilgan. Bu shuni anglatadiki, 135 Xe fragmentining o'ziga xos rentabelligi

 Xe= 3/1000 = barcha bo'linmalarning 0,003,

va 235 U yadrosining bir bo'linish hodisasiga nisbatan qiymati  Xe = 0,003 = 0,3% - bo'ladi. parchalanish natijasida parcha hosil bo'lish ehtimoli 135 Heh.

Turli atom massalarining bo'linish bo'laklarining hosil bo'lish qonuniyatiga aniq baho bo'laklarning o'ziga xos hosildorligi egri chiziqlari bilan berilgan (2.7-rasm).

10

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

Guruch. 2.7. Har xil atom massalarining bo'linish qismlarining o'ziga xos hosilalari

235 U (qattiq chiziq) va 239 Pu (chiziq chiziq) yadrolarining bo'linishi paytida.

Ushbu egri chiziqlarning tabiati quyidagi xulosaga kelishimizga imkon beradi:

a) Bo'linish jarayonida hosil bo'lgan bo'laklarning atom massalari, aksariyat hollarda, 70  165 amu oralig'ida bo'ladi. Yengilroq va og'irroq bo'laklarning o'ziga xos hosildorligi juda kichik (10 -4% dan oshmaydi).

b) Yadrolarning simmetrik boʻlinishi (yaʼni massalari teng boʻlgan ikki boʻlakka boʻlinishi) juda kam uchraydi: ularning solishtirma unumi uran-235 yadrolari uchun 0,01% dan, plutoniy-239 yadrolari uchun 0,04% dan oshmaydi.

c) Ko'pincha shakllanadi o'pka 83  104 amu ichida massa raqamlari bo'lgan parchalar. Va og'ir A = 128  149 a.m.u bo'lgan parchalar. (ularning o'ziga xos rentabelligi 1% yoki undan ko'p).

d) 239 Pu ning termal neytronlar ta'sirida bo'linishi bir nechta hosil bo'lishiga olib keladi. qattiqroq fragmentlar 235 U bo'linish fragmentlari bilan solishtirganda.

*) Kelajakda reaktorning kinetikasini va uning zaharlanishi va shlaklanishi jarayonlarini o'rganayotganda, biz ko'plab bo'linish bo'laklarining o'ziga xos hosildorligi qiymatlariga bir necha bor murojaat qilishimiz kerak bo'ladi: reaktor yadrosidagi fizik jarayonlar.

Ushbu qiymatning qulayligi shundaki, parchalanish reaktsiyasi tezligini (vaqt birligidagi yoqilg'i tarkibining birlik hajmiga bo'linishlar soni) bilib, to'planishi har qanday bo'linish bo'laklarining hosil bo'lish tezligini hisoblash oson. reaktorda u yoki bu tarzda uning ishlashiga ta'sir qiladi:

I-chi fragmentning hosil bo'lish tezligi =  i  (bo'linish reaktsiyasi tezligi)

Va bo'linish bo'laklarining shakllanishi bilan bog'liq yana bir eslatma. Bo'linish paytida hosil bo'lgan bo'linish bo'laklari mavjud yuqori kinetik energiya. Yoqilg'i tarkibi muhitining atomlari bilan to'qnashuv paytida ularning kinetik energiyasini o'tkazish orqali parchalanish parchalari sodir bo'ladi. atomlar va molekulalarning kinetik energiyasining o'rtacha darajasini oshirish; kinetik nazariya g'oyalariga muvofiq, biz tomonidan qabul qilinadi harorat oshishi yoqilg'i tarkibi yoki qanday qilib unda issiqlik hosil bo'lishi.

Reaktordagi issiqlikning katta qismi shu tarzda hosil bo'ladi.

Bu yadroviy energetika reaktorining ishlash jarayonida parchalar hosil bo'lishining ma'lum ijobiy rolidir.

2.2.2. Parchalanish neytronlarini ishlab chiqarish. Og'ir yadrolarning bo'linish jarayoni bilan birga keladigan asosiy jismoniy hodisa qo'zg'aluvchan bo'linish qismlari tomonidan ikkilamchi tez neytronlarning emissiyasi, aks holda chaqirdi tezkor neytronlar yoki parchalanish neytronlari.

Bu hodisaning ahamiyati (F. Jolio-Kyuri va uning hamkasblari tomonidan kashf etilgan - Albano va Kovarski - 1939 yilda) shubhasizdir: uning tufayli og'ir yadrolarning bo'linishi paytida parchalanishni keltirib chiqargan yangi erkin neytronlar paydo bo'ladi; bu yangi neytronlar yoqilg'i tarkibidagi boshqa bo'linuvchi yadrolar bilan o'zaro ta'sir qilishi va ularning bo'linishiga olib kelishi mumkin, keyin esa yangi bo'linuvchi neytronlarning chiqishi va hokazo. Ya'ni, bo'linish neytronlarining shakllanishi tufayli bu mumkin bo'ladi tashkil qilish tashqi manbadan yoqilg'i o'z ichiga olgan muhitga erkin neytronlarni etkazib bermasdan, bir vaqtning o'zida bir xilda bir-biriga ergashadigan bo'linish jarayoni. Bunday yetkazib berishda oddiy qilib aytganda, Hojati yo'q, modomiki, yadroviy bo'linish amalga oshiriladigan "asboblar" topilgan mana, shu muhitda, parchalanuvchi yadrolarda bog'langan holatda; Bog'langan neytronlarni "harakatga solish" uchun ularni faqat bo'shatish kerak, ya'ni yadro bo'laklarga bo'linishi kerak, shundan so'ng bo'laklarning o'zi hamma narsani tugatadi: hayajonlangan holati tufayli ular "qo'shimcha" chiqaradilar. ” neytronlarni ularning tarkibidan ajratib, ularning barqarorligiga xalaqit beradi va bu 10 -15 - 10 -13 s gacha bo'lgan vaqt oralig'ida sodir bo'ladi, bu kattalik tartibida birikma yadrosi qo'zg'aluvchan holatda qoladigan vaqtga to'g'ri keladi. Bu tasodif parchalanish neytronlarining paydo bo'lishi haqidagi fikrni keltirib chiqardi bo'linish tugaganidan keyin neytronlar bilan o'ta to'yingan qo'zg'aluvchan bo'linish bo'laklaridan emas, balki to'g'ridan-to'g'ri yadro bo'linishi sodir bo'ladigan qisqa vaqt ichida. Ya'ni, yo'q keyin bo'linish akti va davomida bu harakat, xuddi yadroning yo'q qilinishi bilan bir vaqtda. Xuddi shu sababga ko'ra, bu neytronlar ko'pincha chaqiriladi tezkor neytronlar.

Har xil atom massalarining barqaror yadrolarida proton va neytronlarning mumkin bo'lgan birikmalarini tahlil qilish (barqaror yadrolar diagrammasini eslang) va ularni parchalanish mahsulotlarining sifat tarkibi bilan taqqoslash shuni ko'rsatdiki, shakllanish ehtimolibarqaror Bo'linish paytida juda kam bo'laklar mavjud. Bu fragmentlarning katta qismi tug'ilganligini anglatadi beqaror va ularning barqarorligi uchun bir, ikki, uch yoki undan ko'p "qo'shimcha" bo'linish neytronlarini chiqarishi mumkin va har bir o'ziga xos qo'zg'aluvchan bo'lak chiqarishi kerakligi aniq. o'zingizning, qat'iy belgilangan, uning barqarorligi uchun "qo'shimcha" bo'linish neytronlari soni.

Ammo ko'p sonli bo'linishlarga ega bo'lgan har bir fragment qat'iy belgilangan o'ziga xos rentabellikka ega bo'lganligi sababli, ma'lum miqdordagi bo'linishlar bilan hosil bo'lgan har bir turdagi bo'linish bo'laklari soni ham aniq bo'ladi va shuning uchun ular tomonidan chiqariladigan bo'linish neytronlari soni. har bir turdagi bo'laklar ham aniq bo'ladi, va, Bu ularning umumiy soni ham aniq bo'ladi, degan ma'noni anglatadi. Bo'linishlarda hosil bo'lgan neytronlarning umumiy sonini ular hosil bo'lgan bo'linishlar soniga bo'linib, biz olishimiz kerak. Bir parchalanish hodisasida chiqariladigan bo'linish neytronlarining o'rtacha soni, yuqoridagi fikrga asoslanib, shuningdek, qat'iy belgilanishi kerak va bo'linadigan nuklidlarning har bir turi uchun doimiy. Bu parchalanuvchi nuklidning fizik konstantasi belgilanadi  .

1998 yilgi ma'lumotlarga ko'ra (bu doimiyning qiymati butun dunyo bo'ylab fizik tajribalar tahlili natijalariga ko'ra vaqti-vaqti bilan yangilanadi) termal neytronlar ta'sirida bo'linish paytida

Uran-235 uchun  5 = 2.416,

Plutoniy-239 uchun  9 = 2.862,

Plutoniy-241 uchun  1 = 2.938 va boshqalar.

Oxirgi eslatma foydalidir: doimiy  qiymati boʻlinishga olib keladigan neytronlarning kinetik energiyasining kattaligiga sezilarli darajada bogʻliq boʻlib, ikkinchisi oshgani sayin, u taxminan E ga toʻgʻri proportsional ravishda ortadi.

Ikki eng muhim boʻlinuvchi nuklidlar uchun (E) ga yaqin bogʻliqliklar empirik ifodalar bilan tavsiflanadi:

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

Plutoniy-239 uchun  9 (E) = 2.862 + 0.1357 E.

*) Neytron energiyasi E [MeV] da almashtiriladi.

Shunday qilib, turli neytron energiyalarida ushbu empirik formulalar yordamida hisoblangan  doimiysining qiymati quyidagi qiymatlarga yetishi mumkin:

Shunday qilib, o'ziga xos bo'linuvchi nuklidlarning bo'linishi paytida chiqariladigan bo'linish neytronlarining birinchi xarakteristikasi o'ziga xos xususiyatdir. parchalanish hodisasida hosil bo'lgan bo'linish neytronlarining o'rtacha soni .

Bu barcha parchalanadigan nuklidlar uchun haqiqatdir  > 1, fizibilite uchun zarur shart-sharoit yaratadi zanjir neytron bo'linish reaktsiyasi. Amalga oshirish aniq o'z-o'zidan barqaror bo'linish zanjiri reaktsiyasi shunday sharoit yaratish kerak bitta parchalanish aktida olingan  neytronlardan albatta chaqiriladi boshqa yadroning keyingi bo'linishi va dam olish ( - 1) neytronlar qandaydir tarzda yadro bo'linish jarayonidan tashqarida. Aks holda, bo'linishlarning intensivligi vaqt o'tishi bilan qor ko'chkisi kabi kuchayadi (bu shunday bo'ladi). atom bombasi).

Hozirda doimiyning qiymati ma'lum bo'lgani uchun  parchalanishni keltirib chiqaradigan neytronlarning energiyasi ortib borishi bilan mantiqiy savol tug'iladi: qanday kinetik energiya bilan tug'ilgan parchalanish neytronlari?

Bu savolga javob bo'linish neytronlarining ikkinchi xarakteristikasi deb ataladi parchalanish neytronlarining energiya spektri va bo'linish neytronlarining kinetik energiyalari bo'yicha taqsimlanish funktsiyasini ifodalaydi.

Muhit hajmining birligida (1 sm3) vaqtning ma'lum bir momentida paydo bo'lsa n barcha mumkin bo'lgan energiyalarning bo'linish neytronlari, keyin normallashtirilgan energiya spektri E energiya miqdorining funktsiyasi bo'lib, uning qiymati E ning har qanday ma'lum qiymatida ko'rsatiladi Bu barcha neytronlarning qaysi qismi (ulushi) energiyaga yaqin dE elementar intervalli neytronlardir? E. Boshqacha aytganda, biz ifoda haqida gapiramiz

Bo'linish neytronlarining energiya taqsimoti juda aniq tasvirlangan Vattning spektral funktsiyasi(Vatt):

n(E) = 0.4839
, (2.2.2)

grafik tasviri 2.8-rasm. keyingi sahifada.

Vatt spektri shuni ko'rsatadiki, bo'linish neytronlari juda keng diapazonda joylashgan juda boshqacha energiya bilan ishlab chiqarilgan bo'lsa ham, ko'pchilik neytronlar boshlang'ich energiyaga ega,ga teng E nv = 0,7104 MeV, Vattning spektral funksiyasining maksimaliga mos keladi. Ma'nosi shundaki, bu qiymat parchalanish neytronlarining eng ehtimoliy energiyasi.

Bo'linish neytronlarining energiya spektrini tavsiflovchi yana bir miqdor parchalanish neytronlarining o'rtacha energiyasi , ya'ni, agar barcha bo'linish neytronlarining umumiy haqiqiy energiyasi ular o'rtasida teng taqsimlanganda, har bir bo'linish neytroniga ega bo'ladigan energiya miqdori:

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

(2.2.2) ifodani (2.2.3) ga almashtirish neytronlarning bo‘linish energiyasining o‘rtacha qiymatini beradi.

E Chorshanba = 2,0 MeV

Va bu shuni anglatadiki deyarli hamma narsa parchalanish neytronlari tug'iladi tez(ya'ni energiya bilan E > 0.1 MeV). Ammo nisbatan yuqori kinetik energiyaga ega bo'lgan bir nechta tez neytronlar (1% dan kam) hosil bo'ladi, garchi bo'linish neytronlarining sezilarli soni 18-20 gacha bo'lgan energiya bilan paydo bo'ladi. MeV.

0 1 2 3 4 5 E, MeV

2.8-rasm. Parchalanish neytronlarining energiya spektri Vatt spektridir.

Turli bo'linuvchi nuklidlar uchun bo'linish neytron spektrlari bir-biridan farq qiladi biroz. Aytaylik, bizni birinchi navbatda qiziqtiradigan 235 U va 239 Pu nuklidlari uchun bo'linish neytronlarining o'rtacha energiya qiymatlari (fizik tajribalar natijalari asosida tuzatilgan):

E av = 1,935 MeV - 235 U uchun va E av = 2,00 MeV - 239 Pu uchun

Bo'linish neytronlari spektrining o'rtacha energiyasining qiymati Neytronlarning bo'linishini keltirib chiqaradigan energiya ortishi bilan ortadi, ammo bu o'sish ahamiyatsiz(kamida 10 - 12 MeV oralig'ida). Bu bizga uni e'tiborsiz qoldirish va bo'linish neytronlarining energiya spektrini taxminan hisoblash imkonini beradi turli xil yadroviy yoqilg'ilar va turli spektrli (tezkor, oraliq va termal) reaktorlar uchun bir xil.

Uran-238 uchun, bo'linishning chegaraviy xususiyatiga qaramay, bo'linish neytronlarining spektri ham ifoda bilan deyarli mos keladi.(2.2.2) va bo'linish neytronlarining o'rtacha soniga bog'liqligi  8 parchalanishga olib keladigan neytronlarning energiyasidan - ham amaliy chiziqli chegaradan yuqori energiyalarda ( E P = 1.1 MeV):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Bo'linish bo'laklarining radioaktivligi. Aytgancha, massa va proton zaryadiga ko'ra bir-biridan farq qiluvchi 600 ga yaqin bo'linish bo'laklari aniqlangan va amalda Hammasi ular tug'iladijuda hayajonli .

Ular sezilarli hayajon va ko'tarib, deb aslida bilan masala yanada murakkablashadi keyin parchalanish neytronlarining emissiyasi. Shuning uchun, barqarorlikka bo'lgan tabiiy istakda, ular bu darajaga etgunga qadar, asosiy holat darajasidan yuqoriroq ortiqcha energiyani "tashlashda" davom etadilar.

Ushbu razryad radioaktiv nurlanishning barcha turlari (alfa, beta va gamma nurlanish) qismlarini ketma-ket chiqarish orqali amalga oshiriladi va har xil bo'laklar uchun radioaktiv parchalanishning har xil turlari turli ketma-ketlikda va (qiymatlardagi farqlar tufayli) sodir bo'ladi. yemirilish konstantalarining ) vaqt bo'yicha turli darajalarga cho'zilgan.

Shunday qilib, ishlaydigan yadro reaktorida nafaqat jarayon tejash radioaktiv parchalar, balki ularning uzluksizligi jarayoni transformatsiya: katta raqam ma'lum zanjirlar ketma-ket o'zgarishlar, natijada barqaror yadrolarning shakllanishiga olib keladi, ammo bu jarayonlarning barchasi turli vaqtlarni talab qiladi, ba'zi zanjirlar uchun - juda qisqa, boshqalari uchun - juda uzoq.

Shuning uchun radioaktiv nurlanish nafaqat parchalanish reaktsiyasiga hamroh bo'ladi ishlaydi reaktor, lekin u yopilgandan keyin ham uzoq vaqt davomida yoqilg'i tomonidan chiqariladi.

Bu omil, birinchi navbatda, jismoniy xavfning alohida turini - xavfni keltirib chiqaradi xodimlarga ta'sir qilish, reaktor o'rnatishga xizmat ko'rsatish, qisqacha deb ataladi radiatsiya xavfi. Bu reaktor zavodi dizaynerlarini uning atrof-muhitini ta'minlashga majbur qiladi. biologik himoya, uni atrof-muhitdan ajratilgan xonalarga joylashtirish va odamlarga xavfli ta'sir qilish va atrof-muhitning radioaktiv ifloslanishi ehtimolini bartaraf etish uchun bir qator boshqa choralarni ko'rish.

Ikkinchidan, reaktor yopilgandan so'ng, radioaktiv nurlanishning barcha turlari, garchi intensivligi pasaygan bo'lsa ham, yadro materiallari bilan o'zaro ta'sir qilishda davom etadi va bo'linish bo'laklarining o'zlari erkin mavjudligining dastlabki davridagi kabi, kinetik energiyasini yadro muhitining atomlari, ularning o'rtacha kinetik energiyasini oshiradi. Ya'ni yopilgandan keyin reaktorda parchalanish issiqligi .

O'chirish paytida reaktorda qoldiq issiqlikni chiqarish quvvati o'sha paytda reaktorning ishlashi paytida to'plangan bo'laklar soniga to'g'ridan-to'g'ri proportsional ekanligini tushunish oson va uning pasayish tezligi keyinroq aniqlanadi. bu parchalarning yarim yemirilish davri. Aytilganlardan boshqasi kelib chiqadi salbiy parchalanish bo'laklarining radioaktivligi bilan bog'liq omil - zaruriyatUzoq muddatsovutish yopilgandan keyin reaktor yadrosi qoldiq issiqlikni olib tashlash uchun, va bu elektr energiyasining sezilarli iste'moli va aylanma uskunaning motor muddati bilan bog'liq.

Shunday qilib, reaktorda bo'linish paytida radioaktiv parchalarning paydo bo'lishi, asosan, hodisadir. salbiy, lekin... har bir bulutda kumush astar bor!

Bo'linish bo'laklarining radioaktiv o'zgarishlarida ham ko'rish mumkin ijobiy Yadro reaktorlari tom ma'noda mavjudligiga qarzdor . Gap shundaki, bo'linish bo'laklarining ko'p xilma-xilligidan 60 ga yaqin turi borki, ular birinchi -parchalanishdan keyin neytronaktiv , deb atalmish chiqarishga qodir orqada qolish neytronlar. Reaktorda nisbatan oz miqdorda kechiktirilgan neytronlar chiqariladi (hosil qilingan neytronlarning umumiy sonining taxminan 0,6%), ammo ularning mavjudligi tufayli bu mumkin bo'ladi. xavfsiz boshqaruv yadroviy reaktor; Bunga biz yadroviy reaktor kinetikasini o'rganayotganda amin bo'lamiz.

2.2.4. Bo'linish paytida energiyaning chiqishi. Fizikadagi yadro boʻlinish reaksiyasi A. Eynshteynning massa va energiya oʻrtasidagi bogʻliqlik haqidagi gipotezasining aniq tasdigʻlaridan biri boʻlib, u yadro boʻlinishiga nisbatan quyidagicha ifodalanadi:

Yadro bo'linishi paytida ajralib chiqadigan energiya miqdori massa nuqsonining kattaligiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir va bu munosabatdagi proportsionallik koeffitsienti yorug'lik tezligining kvadratidir:

E=  ms 2

Yadro bo'linishi paytida massaning ortiqcha (nuqsoni) bo'linish reaktsiyasining boshlang'ich mahsulotlari (ya'ni, yadro va neytron) va yadro bo'linishi natijasida hosil bo'lgan mahsulotlar (bo'linish bo'laklari, bo'linish) qolgan massalari yig'indisidagi farq sifatida aniqlanadi. neytronlar va boshqa mikrozarralar bo'linish jarayonida ham, undan keyin ham chiqariladi).

Spektroskopik tahlil parchalanish mahsulotlarining ko'pchiligini va ularning o'ziga xos hosildorligini aniqlash imkonini berdi. Shu asosda hisoblash unchalik qiyin emasligi ma'lum bo'ldi xususiy Uran-235 yadrolarining bo'linishining turli natijalari uchun massa nuqsonlarining kattaligi va ulardan hisoblang ga yaqin bo'lgan bitta bo'linishda chiqarilgan o'rtacha energiya miqdori

mc 2 = 200 MeV

Bu qiymatni eng endotermiklardan birining harakatida chiqarilgan energiya bilan solishtirish kifoya kimyoviy reaktsiyalar - raketa yoqilg'isining oksidlanish reaktsiyalari (qiymati 10 eV dan kam) - mikroskopik ob'ektlar (atomlar, yadrolar) darajasida 200 ekanligini tushunish. MeV - juda yuqori energiya: u kimyoviy reaksiyalar natijasida olingan energiyadan kamida sakkiz marta (100 million marta) kattaroqdir.

Bo'linish energiyasi turli xil moddalar orqali yadro bo'linishi sodir bo'lgan hajmdan tarqaladi tashuvchilar: parchalanish bo'laklari, bo'linish neytronlari, - va -zarralar, -kvantlar va hatto neytrinolar va antineytrinolar.

235 U va 239 Pu yadrolarining boʻlinishi vaqtida material tashuvchilar oʻrtasida boʻlinish energiyasining taqsimlanishi 2.1-jadvalda keltirilgan.

2.1-jadval. Uran-235 va plutoniy-239 yadrolarining bo'linish energiyasining bo'linish mahsulotlari o'rtasida taqsimlanishi.

Bo'linish energiya tashuvchilari		Plutoniy-239
1. Bo'linish bo'laklarining kinetik energiyasi
2. Parchalanish neytronlarining kinetik energiyasi
3. Bir lahzali gamma kvantlarning energiyasi
4. Bo‘linish mahsulotlaridan -kvantlarning energiyasi
5. -parchalar nurlanishining kinetik energiyasi
6. Antineytrino energiyasi

Bo'linish energiyasining turli komponentlari issiqlikka aylanadi bir vaqtning o'zida emas.

Birinchi uchta komponent 0,1 s dan kamroq vaqt ichida issiqlikka aylanadi (bo'linish paytidan boshlab) va shuning uchun deyiladi. zudlik bilan issiqlik chiqarish manbalari.

Bo'linish mahsulotlaridan - va -nurlanishlar qo'zg'atilgan bo'laklar bilan chiqariladi. eng xilma-xil yarim yemirilish davri(agar biz faqat bo'laklarni hisobga olsak, soniyaning bir necha qismidan bir necha o'n kungacha. sezilarli o'ziga xos hosil), va shuning uchun yuqorida aytib o'tilgan jarayon parchalanish issiqligi, aniq bo'linish mahsulotlarining radioaktiv chiqindilari tufayli yuzaga keladi, reaktor yopilgandan keyin o'nlab kun davom etishi mumkin.

*) Juda qo'pol hisob-kitoblarga ko'ra, reaktor o'chirilgandan keyin qoldiq issiqlikni chiqarish quvvati birinchi daqiqada - 30-35% ga kamayadi; reaktor o'chirilgan birinchi soatdan keyin u quvvatning taxminan 30% ni tashkil qiladi. reaktor yopilishdan oldin ishlagan va birinchi kundan keyin to'xtash - taxminan 25 foiz. Bunday sharoitda reaktorni majburiy sovutishni to'xtatish haqida gap bo'lmasligi aniq, chunki Hatto yadrodagi sovutish suvi aylanishining qisqa muddatli to'xtab qolishi ham yonilg'i elementlarini termal yo'q qilish xavfi bilan to'la. Faqatgina reaktorni bir necha kun majburiy sovutishdan so'ng, qoldiq issiqlik chiqarish quvvati tabiiy konvektsiya tufayli chiqarilgan sovutish suvi darajasiga tushganda, birlamchi konturning aylanish vositalarini to'xtatish mumkin.

Muhandis uchun ikkinchi amaliy savol: reaktorda parchalanish energiyasining qayerda va qaysi qismi issiqlikka aylanadi? - chunki bu turli xil texnologik dizaynlarda ishlab chiqilgan turli xil ichki qismlardan muvozanatli issiqlik olib tashlashni tashkil qilish zarurati bilan bog'liq.

Yoqilg'i tarkibi, bo'linadigan nuklidlarni o'z ichiga olgan, yonilg'i elementlarining (yoqilg'i elementlari) yonilg'i tarkibidan hosil bo'lgan parchalarni ularni sovutadigan sovutish suviga chiqarishga to'sqinlik qiluvchi muhrlangan qobiqlarda mavjud. Va agar ishlaydigan reaktorda bo'linish bo'laklari yonilg'i elementlarini tark etmasa, bo'laklarning va zaif kirib boradigan -zarralarning kinetik energiyalari issiqlikka aylanishi aniq. yonilg'i tayoqlari ichida.

Parchalanish neytronlari va -nurlanish energiyalari faqat yoqilg'i elementlari ichida issiqlikka aylanadi. qisman: neytronlarning kirib borish qobiliyati va -nurlanish hosil qiladi jalb qilish boshlang'ich kinetik energiyasining katta qismi tug'ilgan joylaridan.

Bo'linish energiyasining aniq qiymatini va uning yonilg'i elementlari ichidagi hosil bo'lgan issiqlikdagi ulushini bilish katta amaliy ahamiyatga ega bo'lib, boshqa bir amaliy muhim xususiyatni hisoblash imkonini beradi. yonilg'i novdasi yoqilg'ida o'ziga xos hajmli issiqlik chiqishi (q v).

Masalan, agar yoqilg'i elementining yonilg'i tarkibining 1 sm 3 qismida, 1 s. R f uran-235 yadrolarining bo'linishi aniq bo'ladi: bu birlik hajmida har soniyada hosil bo'ladigan issiqlik energiyasining miqdori (= 1 sm 3 yoqilg'ining issiqlik quvvati) o'ziga xos hajmli issiqlik chiqishi (yoki) energiya intensivligi) yoqilg'i va bu qiymat quyidagilarga teng bo'ladi:

q v = 0.9 .  E . R f (2.2.5)

Reaktor yadrosida yonilg'i elementlaridan tashqarida issiqlik shaklida olingan bo'linish energiyasining ulushi uning turi va dizayniga bog'liq bo'lib, umumiy bo'linish energiyasining (6  9)% ichida yotadi. (Masalan, VVER-1000 uchun bu qiymat taxminan 8,3%, RBMK-1000 uchun esa taxminan 7% ni tashkil qiladi).

Shunday qilib, umumiy bo'linish energiyasining yadro hajmida umumiy issiqlik chiqarishning ulushi 0,96  0,99 ni tashkil qiladi, ya'ni. texnik aniqlik bilan umumiy bo'linish energiyasiga to'g'ri keladi.

Demak, reaktor yadrosining yana bir texnik tavsifi:

- yadroning o'rtacha energiya intensivligi(q v) az - yadro hajmi birligiga olinadigan issiqlik quvvati:

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

Chunki energiya 1 ga teng MeV SI tizimida u 1,602 ga to'g'ri keladi. 10-13 J, keyin reaktor yadrosining energiya intensivligi qiymati:

(q v) az  3.204 . 10 -11 R f .

Shuning uchun, agar yadro hajmi bo'yicha o'rtacha energiya intensivligining qiymati ma'lum bo'lsa, u holda reaktorning issiqlik quvvati bo'lishi aniq:

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

Reaktorning issiqlik quvvati to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir o'rtacha tezlik

uning yadrosida bo'linish reaktsiyalari.

Amaliy natija : Reaktor ishlashini xohlaysizmi?doimiy quvvat darajasi? - Unda shunday sharoit yaratingki, uning faol zonasida bo'linish reaktsiyasi sodir bo'ladi vaqt davomida doimiy o'rtacha tezlik bilan. Reaktor quvvatini oshirish (kamaytirish) kerakmi? - Reaksiya tezligini mos ravishda oshirish (yoki kamaytirish) usullarini toping de leniya. Bu yadro reaktorining quvvatini boshqarishning asosiy ma'nosidir.

Ko'rib chiqilgan munosabatlar va xulosalar eng oddiy holatda, reaktordagi yoqilg'i komponenti bitta uran-235 bo'lsa, aniq ko'rinadi. Biroq, bilan reaktor uchun fikrni takrorlash ko'p komponentli Yoqilg'i tarkibi, o'rtacha bo'linish reaktsiyasi tezligining mutanosibligini va eng umumiy holatda reaktorning issiqlik quvvatini tekshirish oson.

Shunday qilib, reaktorning issiqlik quvvati va uning yadrosida issiqlik taqsimoti reaktor yadrosining yoqilg'i tarkibi hajmiga bo'linish reaktsiyasi tezligining taqsimlanishiga to'g'ridan-to'g'ri proportsionaldir.

Ammo aytilganlardan bo'linish reaktsiyasining tezligi ham aniq yadro muhitidagi erkin neytronlar soniga bog'liq bo'lishi kerak, chunki ular (erkin neytronlar) bo'linish reaktsiyalarini, radiatsiyaviy tutilishni, tarqalishini va boshqa neytron reaktsiyalarini keltirib chiqaradi. Boshqacha qilib aytganda, bo'linish reaktsiyasining tezligi, yadrodagi energiyaning chiqishi va reaktorning issiqlik quvvati aniq bog'liq bo'lishi kerak. Neytron maydonining xususiyatlari uning hajmida.

Katta miqdordagi energiyani olish imkonini beradigan nazoratsiz zanjir reaktsiyasi amalga oshirilgandan so'ng, olimlar boshqariladigan zanjir reaktsiyasini amalga oshirish vazifasini qo'ydilar. Boshqariladigan zanjirli reaksiyaning mohiyati neytronlarni boshqarish qobiliyatidadir. Bu tamoyil atom elektr stantsiyalarida (AES) muvaffaqiyatli qo'llanilmoqda.

Uran yadrolarining parchalanish energiyasi atom elektr stansiyalarida (AES) ishlatiladi. Uranning parchalanish jarayoni juda xavflidir. Shuning uchun yadroviy reaktorlar zich himoya qobiqlari bilan o'ralgan. Reaktorning keng tarqalgan turi bosimli suvdir.

Sovutgich suvdir. Sovuq suv reaktorga juda yuqori bosim ostida kiradi, bu uning qaynashiga to'sqinlik qiladi.

Reaktor yadrosidan o'tadigan sovuq suv ham moderator vazifasini bajaradi - tez neytronlarni sekinlashtiradi, ular uran yadrolariga tegib, zanjirli reaktsiyaga sabab bo'ladi.

Yadro yoqilg'isi (uran) yadroda yonilg'i yig'uvchi novdalar shaklida joylashgan. Yig'madagi yonilg'i tayoqchalari tez neytronlarni o'zlashtirib, yadro bo'linish tezligini tartibga soluvchi boshqaruv tayoqlari bilan almashtiriladi.

Bo'linish katta miqdorda issiqlik chiqaradi. Isitilgan suv 300 ° C haroratli bosim ostida yadrodan chiqib, generatorlar va turbinalar joylashgan elektr stantsiyasiga kiradi.

Reaktordan issiq suv ikkilamchi kontaktlarning zanglashiga olib keladigan suvni isitadi. Bug 'turbina pichoqlariga yo'naltiriladi va uni aylantiradi. Aylanadigan mil energiyani generatorga o'tkazadi. Generatorda mexanik aylanish energiyasi elektr energiyasiga aylanadi. Bug' soviydi va suv reaktorga qaytadi.

Ushbu murakkab jarayonlar natijasida atom elektr stansiyasi elektr tokini ishlab chiqaradi.

Ko'rib turganingizdek, parchalanuvchi izotop reaktor yadrosida joylashgan yonilg'i novdalarida joylashgan bo'lib, kritik massa hosil qiladi. Yadro reaktsiyasi bor yoki kadmiydan tayyorlangan nazorat tayoqchalari yordamida boshqariladi. Yoqilg'i tayoqchalari kabi boshqaruv majmuasi reaktor yadrosida joylashgan bo'lib, suvni yutuvchi shimgich kabi, neytronlarga ta'sir qiladi va ularni o'zlashtiradi. AES operatori reaktor yadrosidagi boshqaruv rodlari sonini sozlash orqali yadroviy jarayonning tezligini nazorat qiladi: u reaktor yadrosiga boshqaruv rodlarini tushirish orqali uni sekinlashtiradi; yoki tayoqlarni ko'tarish orqali uni tezlashtiradi.

Ko'rinishidan, hamma narsa ajoyib - atom energetikasi tuganmas yuqori texnologiyali elektr energiyasi manbai va bu kelajak. Odamlar 1986-yil 26-avgustgacha shunday fikrda edilar. Chernobil AESning to'rtinchi blokidagi avariya hamma narsani ostin-ustun qilib yubordi - agar "tinch" atomga nafrat bilan munosabatda bo'lish unchalik tinch emas edi.

Bu haqda juda ko'p materiallar yozilgan. Bu erda falokatning kvintessensiyasi (kondensatsiyalangan mohiyati) beriladi.

Chernobil AESning 4-energoblokidagi avariyaning asosiy sabablari:

1. Turbogeneratorning ishlamay qolishi bo'yicha texnologik eksperiment uchun yetarlicha o'ylanmagan dastur;
2. RBMK yadro reaktorini ishlab chiquvchilarning noto'g'ri hisob-kitoblari, bunda yadrodagi reaktivlik zahirasi haqida boshqaruv tizimida operatsion ma'lumotlarning yo'qligi muhim rol o'ynadi;
3. Eksperimentni o'tkazgan va amalga oshirilayotgan ish qoidalaridan chetga chiqishga yo'l qo'ygan atom elektr stantsiyasi xodimlarining "erkinliklari".

Bularning barchasi birgalikda halokatga olib keldi. Chernobildagi voqealarni o'rganayotgan mutaxassislar orasida quyidagi formula mavjud edi: "Operatorlar blokni portlatishga muvaffaq bo'lishdi va reaktor ularga buni amalga oshirishga ruxsat berdi". Chernobil aybining bir qismi deyarli hammada - soddalashtirilgan modellar yordamida hisob-kitoblarni amalga oshiradigan fiziklarda, tikuvlarni beparvolik bilan payvandlovchi montajchilarda va mehnat qoidalariga e'tibor bermaslikka imkon beradigan operatorlarda.

Chernobil avariyasi anatomiyasi qisqacha

1. Reaktor quvvatini juda kichik qiymatga (nominal qiymatdan taxminan 1%) kamaytirishga ruxsat berildi. Bu reaktor uchun "yomon", chunki u "yod chuquriga" tushadi va reaktorning ksenon bilan zaharlanishi boshlanadi. "Oddiy" yondashuvga ko'ra, reaktorni o'chirish kerak edi, ammo bu holda turbinaning ishlamay qolishi tajribasi o'tkazilmagan bo'lar edi, bu esa barcha ma'muriy oqibatlarga olib keladi. Natijada Chernobil AES xodimlari reaktor quvvatini oshirishga va tajribani davom ettirishga qaror qilishdi.

2. Yuqoridagi materialdan ko'rinib turibdiki, atom elektr stansiyasi operatori boshqaruv sterjenlarini reaktor yadrosiga o'tkazish orqali yadro reaktsiyasi tezligini (reaktor quvvatini) boshqarishi mumkin. Reaktorning quvvatini oshirish uchun (tajribani yakunlash uchun) reaktor yadrosidan deyarli barcha boshqaruv rodlari olib tashlandi.

"Yadroviy nozikliklar" bilan tanish bo'lmagan o'quvchi uchun buni aniqroq qilish uchun biz bahorda to'xtatilgan yuk bilan quyidagi o'xshashlikni keltirishimiz mumkin:

• Yuk (aniqrog'i uning pozitsiyasi) reaktorning kuchi;
• Bahor yukni (reaktor quvvatini) nazorat qilish vositasidir.
• Oddiy holatda yuk va kamon muvozanatda - yuk ma'lum bir balandlikda, bahor esa ma'lum miqdorda cho'ziladi.
• Reaktor quvvati ishlamay qolganda ("yod chuquri"), yuk erga tushdi (va juda kuchli ketdi).
• Reaktorni "tashqariga chiqarish" uchun operator "prujkani tortib oldi" (boshqaruv novdalarini tortib oldi; lekin buning teskarisini qilish kerak edi - barcha novdalarni joylashtiring va reaktorni o'chiring, ya'ni bahorni bo'shatib qo'ying). yuk erga tushadi). Ammo yuk-prujka tizimi biroz inertsiyaga ega va operator buloqni yuqoriga ko'tara boshlaganidan keyin bir muncha vaqt o'tgach, yuk hali ham pastga qarab harakat qiladi. Va operator tortishda davom etmoqda.
• Nihoyat, yuk eng past nuqtaga etadi va (allaqachon munosib) bahor kuchlari ta'sirida u yuqoriga qarab harakatlana boshlaydi - reaktorning kuchi keskin o'sa boshlaydi. Yuk tezroq va tezroq yuqoriga uchadi (ko'p miqdorda issiqlik chiqishi bilan nazoratsiz zanjir reaktsiyasi) va operator yukning yuqoriga qarab harakatlanishining inertsiyasini o'chirish uchun endi hech narsa qila olmaydi. Natijada, yuk operatorning peshonasiga tushadi.

Ha, energetika blokining portlashiga yo‘l qo‘ygan Chernobil AES operatorlari o‘z xatosi uchun eng yuqori bahoni – jonlarini to‘lashdi.

Nega Chernobil AES xodimlari shunday harakat qilishdi? Buning sabablaridan biri yadro reaktorini boshqarish tizimi operatorga reaktorda sodir bo‘layotgan xavfli jarayonlar haqida operativ ma’lumot bermagani edi.

A.S.Dyatlov kitobini shunday boshlaydi "Chernobil. Bu qanday sodir bo'ldi":

1986 yil 26 aprelda bir soat, yigirma uch daqiqa, qirq soniyada Chernobil AESning 4-sonli blokining smena boshlig'i Aleksandr Akimov amalga oshirilgan ishlar tugashi bilan reaktorni o'chirishni buyurdi. rejalashtirilgan ta'mirlash uchun quvvat blokini o'chirishdan oldin. Buyruq tinch ish muhitida berilgan, markazlashtirilgan boshqaruv tizimi reaktor yoki xizmat ko'rsatish tizimlari parametrlaridagi og'ishlar haqida birorta ham favqulodda yoki ogohlantirish signalini qayd etmaydi. Reaktor operatori Leonid Toptunov tasodifiy xato bosishdan himoya qiluvchi AZ tugmachasidan qopqoqni olib tashladi va tugmani bosdi. Ushbu signalda 187 ta reaktorni boshqarish novdalari yadroga pastga tusha boshladi. Mnemonik doskadagi orqa yorug'lik chiroqlari yondi va novda joylashuvi ko'rsatkichlarining o'qlari harakatlana boshladi. Aleksandr Akimov reaktorning boshqaruv paneliga yarim o'girilib, buni kuzatdi, shuningdek, AR nomutanosiblik ko'rsatkichlarining "quyonlari" "chapga" ag'darilganini (uning ifodasi) ko'rdi, bu esa reaktorning pasayishini anglatardi. reaktor quvvati xavfsizlik paneliga o'girildi, uning ortida men tajribada kuzatdim.
Ammo keyin bir narsa yuz berdiki, hatto eng dahshatli tasavvur ham bashorat qila olmagan. Bir oz pasayishdan so'ng, reaktor quvvati to'satdan tobora ortib borayotgan tezlikda o'sa boshladi va signal signallari paydo bo'ldi. L.Toptunov favqulodda kuchayishi haqida baqirdi. Ammo u hech narsa qila olmadi. Uning qo'lidan kelganicha, AZ tugmachasini bosib ushlab turish edi, boshqaruv tayoqlari faol zonaga o'tdi. Uning ixtiyorida boshqa imkoni yo'q. Va boshqalar ham. A. Akimov keskin qichqirdi: “Reaktorni yoping!” U boshqaruv paneliga sakrab tushdi va boshqaruv rodlari uzatmalarining elektromagnit muftalarini quvvatsizlantirdi. Amal to'g'ri, ammo foydasiz. Axir, CPS mantig'i, ya'ni mantiqiy sxemalarning barcha elementlari to'g'ri ishladi, novdalar zonaga kirdi. Endi aniq - AZ tugmachasini bosgandan so'ng, hech qanday to'g'ri harakatlar, najot vositalari yo'q edi. Boshqa mantiq muvaffaqiyatsizlikka uchradi!
Qisqa interval bilan ikkita kuchli portlash sodir bo'ldi. AZ tayoqlari yarim yo'lga ham bormasdan harakatni to'xtatdi. Ularning boshqa boradigan joyi yo'q edi.
Bir soat, yigirma uch daqiqa, qirq yetti soniyada, tezkor neytronlar yordamida reaktor quvvatning uzilishi natijasida vayron bo'ldi. Bu qulash, reaktorda sodir bo'lishi mumkin bo'lgan eng katta falokat. Ular buni tushunishmadi, bunga tayyorgarlik ko'rishmadi, blok va stansiyada mahalliylashtirish bo'yicha texnik choralar ko'rilmagan ...

Ya'ni, ofatdan bir necha soniya oldin, xodimlar yaqinlashib kelayotgan xavf haqida shubha ham qilmadilar! Bu bema'ni vaziyatning oxiri favqulodda vaziyat tugmachasini bosish edi, shundan so'ng portlash sodir bo'ldi - siz mashinada poyga qilasiz va to'siq oldida siz tormozni bosasiz, lekin mashina yanada tezlashadi va to'siqqa urilib ketadi. Adolat uchun aytish kerakki, favqulodda vaziyat tugmachasini bosish vaziyatga hech qanday ta'sir ko'rsata olmaydi - bu reaktorning muqarrar portlashini bir necha daqiqaga tezlashtirdi, ammo haqiqat saqlanib qolmoqda - favqulodda himoya reaktorni portlatib yubordi !

Radiatsiyaning odamlarga ta'siri

Nega texnogen yadroviy falokatlar (yadro qurollari haqida gapirmasa ham) shunchalik xavfli?

Katta halokatga olib keladigan ulkan energiyaning chiqishi bilan bir qatorda, yadroviy reaktsiyalar radiatsiya va natijada hududning radiatsiyaviy ifloslanishi bilan birga keladi.

Nega radiatsiya tirik organizm uchun shunchalik zararli? Agar u barcha tirik mavjudotlarga bunday zarar keltirmaganida edi, unda hamma Chernobil avariyasini allaqachon unutgan bo'lardi, atom bombalari o'ngga va chapga tashlangan bo'lar edi.

Radiatsiya tirik organizm hujayralarini ikki yo'l bilan yo'q qiladi:

1. isitish tufayli (radiatsiya kuyishi);
2. hujayralarning ionlanishi (radiatsiya kasalligi) tufayli.

Radioaktiv zarralar va nurlanishning o'zi yuqori kinetik energiyaga ega. Radiatsiya issiqlik hosil qiladi. Quyosh yonishiga o'xshash bu issiqlik radiatsiya kuyishiga olib keladi va tana to'qimalarini yo'q qiladi.

Termal (sekin) neytronlar yordamida yadro reaktorining sxematik diagrammasi 5.1-rasmda ko'rsatilgan, bu erda 1 - boshqaruv sterjenlari, 2 - biologik himoya, 3 - issiqlik himoyasi, 4 - moderator, 5 - yadro yoqilg'isi (yoqilg'i shtangalari).

Neytron uran 235 izotopining yadrosiga urilganda u ikki qismga bo'linadi va bir necha (2,5-3) yangi ikkilamchi neytronlar chiqariladi.. Yadro reaktorida zanjir reaktsiyasi davom etishi uchun reaktor yadrosidagi yadro yoqilg'isining massasi kritik darajadan kam bo'lmasligi kerak. Reaktorda bu miqdor bo'lishi kerak 235 U shunday qilib, o'rtacha har bir bo'linish hodisasida hosil bo'lgan neytronlardan kamida bittasi reaktor yadrosidan chiqib ketishidan oldin keyingi bo'linish hodisasini keltirib chiqarishi mumkin.

5.1-rasm. Termal neytronli yadro reaktorining sxematik diagrammasi

Agar neytronlar soni doimiy bo'lsa, bo'linish reaktsiyasi statsionar xarakterga ega bo'ladi. Mavjud neytronlar sonining barqaror holat darajasi qanchalik yuqori bo'lsa, reaktorning kuchi shunchalik katta bo'ladi. 1 MVt quvvat 1 soniyada 3 10 16 bo'linish sodir bo'lgan zanjirli reaktsiyaga to'g'ri keladi.

Agar neytronlar soni ko'paysa, termal portlash sodir bo'ladi, agar u kamaysa, reaktsiya to'xtaydi. Reaktsiya tezligi nazorat qilinadi nazorat tayoqchalari yordamida 1.

Yadro reaktorining hozirgi holatini samarali deb tavsiflash mumkin neytronlarni ko'paytirish omili yoki munosabat bilan o'zaro bog'langan reaktivlik:

Ushbu miqdorlar uchun quyidagi qiymatlar xosdir:

· - zanjir reaktsiyasi vaqt o'tishi bilan kuchayadi, reaktor o'ta kritik holatda, uning reaktivligi;

· , - yadro parchalanish soni doimiy, reaktor barqaror kritik holatda.

Yadro reaktori ish boshlanishida reaktivlik zahirasiga ega bo'lsagina ma'lum quvvatda uzoq vaqt ishlashi mumkin. Yadro reaktorining ishlashi davomida yoqilg'ida bo'linish bo'laklarining to'planishi tufayli uning izotopik va kimyoviy tarkibi o'zgaradi va transuranik elementlar, asosan, Pu hosil bo'ladi. Reaktorda sodir bo'ladigan jarayonlar atom yadrolarining bo'linishining zanjirli reaktsiyasi ehtimolini kamaytiradi.

Zanjirli reaktsiyani saqlab turish va amalga oshirish uchun reaktor yadrosini o'rab turgan materiallar tomonidan neytronlarning yutilishini cheklash kerak. Bunga kamida qisman (ideal 50%) neytronlarni aks ettiruvchi materiallardan (biologik 2 va termal 3 himoya qilish uchun) erishiladi, ya'ni. ularni o'zlashtirmadi. Issiqlikni yadrodan turbinaga o'tkazish uchun ishlatiladigan sovutish suvini tanlash alohida ahamiyatga ega.

Bo'linish natijasida hosil bo'lgan neytronlar tez (yuqori tezlik) yoki sekin (termik) bo'lishi mumkin. Sekin neytronni yadro tomonidan tutib olish ehtimoli 235 U va uning keyingi bo'linishi tez neytronnikidan kattaroqdir. Shuning uchun yonilg'i tayoqchalari 5 maxsus moderatorlar 4 bilan o'ralgan bo'lib, ular neytronlarni sekinlashtiradi, ularni zaif singdiradi. Reaktordan neytron oqishini kamaytirish uchun u reflektor bilan jihozlangan. Eng ko'p ishlatiladigan moderatorlar va reflektorlar grafit, og'ir ( D2O), oddiy suv va boshqalar.

Mavjud statsionar neytronlarning soni turli yo'nalishlarda juda katta tezlikda uchib ketadigan yadro parchalanish qismlarining sonini aniqlaydi. Parchalarning tormozlanishi yonilg'i va yonilg'i novdalarining devorlarini isitishga olib keladi. Bu issiqlikni olib tashlash uchun reaktor oziqlanadi sovutish suvi, isitilishi reaktorning maqsadi hisoblanadi. Ko'pincha bir xil modda, masalan, oddiy suv, funktsiyalarni bajaradi sovutish suvi, moderator va reflektor. yordamida reaktorga suv beriladi asosiy aylanma nasoslar(MCP).