Принципот на работа на нуклеарниот реактор. „мирен“ атом Регулирање на брзината на нуклеарна фисија на тешки атоми

Назад напред

Внимание! Прегледите на слајдовите се само за информативни цели и може да не ги претставуваат сите карактеристики на презентацијата. Доколку сте заинтересирани за оваа работа, ве молиме преземете ја целосната верзија.

Цели на лекцијата:

• Образовни: ажурирање на постојното знаење; продолжи со формирањето на концептите: фисија на јадра на ураниум, нуклеарна верижна реакција, услови за нејзино појавување, критична маса; воведување нови концепти: нуклеарен реактор, главни елементи на нуклеарниот реактор, структура на нуклеарен реактор и принципот на неговата работа, контрола на нуклеарна реакција, класификација на нуклеарни реактори и нивна употреба;
• Образовни: продолжи да ги развива вештините за набљудување и извлекување заклучоци, како и развивање на интелектуалните способности и љубопитноста на учениците;
• Образовни: продолжи да развива став кон физиката како експериментална наука; негувајте совесен однос кон работата, дисциплина и позитивен став кон знаењето.

Тип на лекција:учење нов материјал.

Опрема:мултимедијална инсталација.

За време на часовите

1. Организациски момент.

Момчиња! Денес на лекцијата ќе ја повториме фисијата на јадрата на ураниум, нуклеарната верижна реакција, условите за нејзино појавување, критична маса, ќе научиме што е нуклеарен реактор, главните елементи на нуклеарниот реактор, структурата на нуклеарниот реактор и принципот на неговата работа, контрола на нуклеарна реакција, класификација на нуклеарни реактори и нивна употреба.

2. Проверка на изучениот материјал.

1. Механизмот на фисија на јадрата на ураниум.
2. Кажете ни за механизмот на нуклеарна верижна реакција.
3. Наведете пример за реакција на нуклеарна фисија на јадро на ураниум.
4. Што се нарекува критична маса?
5. Како се случува верижна реакција во ураниум ако неговата маса е помала од критична или поголема од критична?
6. Која е критичната маса на ураниум 295 Дали е можно да се намали критичната маса?
7. На кои начини можете да го промените текот на нуклеарната верижна реакција?
8. Која е целта на забавување на брзите неутрони?
9. Кои супстанции се користат како модератори?
10. Поради кои фактори може да се зголеми бројот на слободни неутрони во парче ураниум, а со тоа да се обезбеди можност за појава на реакција во него?

3. Објаснување на нов материјал.

Момци, одговорете на ова прашање: Кој е главниот дел од секоја нуклеарна централа? ( нуклеарен реактор)

Добро сторено. Значи, момци, сега да го разгледаме ова прашање подетално.

Историска референца.

Игор Василевич Курчатов е извонреден советски физичар, академик, основач и прв директор на Институтот за атомска енергија од 1943 до 1960 година, главен научен директор за атомскиот проблем во СССР, еден од основачите на употребата на нуклеарната енергија за мирољубиви цели. . Академик на Академијата на науките на СССР (1943). Првата советска атомска бомба беше тестирана во 1949 година. Четири години подоцна, првата хидрогенска бомба во светот беше успешно тестирана. И во 1949 година, Игор Василевич Курчатов започна да работи на проект за нуклеарна централа. Нуклеарната централа е предвесник на мирното користење на атомската енергија. Проектот беше успешно завршен: на 27 јули 1954 година, нашата нуклеарна централа стана прва во светот! Курчатов се радуваше и се забавуваше како дете!

Дефиниција за нуклеарен реактор.

Нуклеарен реактор е уред во кој се спроведува и одржува контролирана верижна реакција на фисија на одредени тешки јадра.

Првиот нуклеарен реактор бил изграден во 1942 година во САД под водство на Е.Ферми. Во нашата земја, првиот реактор е изграден во 1946 година под водство на И.В. Курчатов.

Главните елементи на нуклеарниот реактор се:

• нуклеарно гориво (ураниум 235, ураниум 238, плутониум 239);
• неутронски модератор (тешка вода, графит, итн.);
• течноста за ладење за отстранување на енергијата генерирана за време на работата на реакторот (вода, течен натриум, итн.);
• Контролни прачки (бор, кадмиум) - неутрони со висока апсорпција
• Заштитна обвивка што го блокира зрачењето (бетон со железен филер).

Принцип на работа нуклеарен реактор

Нуклеарното гориво се наоѓа во јадрото во форма на вертикални прачки наречени горивни елементи (елементи на гориво). Прачките за гориво се дизајнирани да ја регулираат моќноста на реакторот.

Масата на секоја шипка за гориво е значително помала од критичната маса, така што верижна реакција не може да се случи во една прачка. Започнува откако сите ураниумски прачки ќе бидат потопени во јадрото.

Јадрото е опкружено со слој супстанција што ги рефлектира неутроните (рефлектор) и заштитна обвивка од бетон што ги заробува неутроните и другите честички.

Отстранување на топлина од горивни ќелии. Течноста за ладење, водата, ја мие шипката, се загрева до 300°C при висок притисок и влегува во разменувачите на топлина.

Улогата на разменувачот на топлина е дека водата загреана на 300°C дава топлина на обичната вода и се претвора во пареа.

Контрола на нуклеарна реакција

Реакторот се контролира со помош на шипки кои содржат кадмиум или бор. Кога шипките се испружени од јадрото на реакторот, K > 1, и кога целосно се повлекуваат - К< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Бавен неутронски реактор.

Најефикасната фисија на јадрата на ураниум-235 се случува под влијание на бавните неутрони. Таквите реактори се нарекуваат бавни неутронски реактори. Секундарните неутрони произведени со реакција на фисија се брзи. Со цел нивната последователна интеракција со јадрата на ураниум-235 во верижната реакција да биде најефикасна, тие се забавуваат со воведување на модератор во јадрото - супстанца која ја намалува кинетичката енергија на неутроните.

Брз неутронски реактор.

Брзите неутронски реактори не можат да работат на природен ураниум. Реакцијата може да се одржува само во збогатена смеса која содржи најмалку 15% изотоп на ураниум. Предноста на брзите неутронски реактори е тоа што нивната работа произведува значителна количина на плутониум, кој потоа може да се користи како нуклеарно гориво.

Хомогени и хетерогени реактори.

Нуклеарните реактори, во зависност од релативната поставеност на горивото и модераторот, се делат на хомогени и хетерогени. Во хомоген реактор, јадрото е хомогена маса на гориво, модератор и течност за ладење во форма на раствор, мешавина или топење. Реактор во кој горивото во форма на блокови или склопови на гориво се става во модератор, формирајќи правилна геометриска решетка во него, се нарекува хетероген.

Претворање на внатрешната енергија на атомските јадра во електрична енергија.

Нуклеарниот реактор е главниот елемент на нуклеарната централа (NPP), која ја претвора топлинската нуклеарна енергија во електрична енергија. Конверзијата на енергија се случува според следнава шема:

• внатрешна енергија на јадрата на ураниум -
• кинетичка енергија на неутрони и нуклеарни фрагменти -
• внатрешна енергија на водата -
• внатрешна енергија на пареа -
• кинетичка енергија на пареа -
• кинетичка енергија на роторот на турбината и роторот на генераторот -
• Електрична енергија.

Употреба на нуклеарни реактори.

Во зависност од нивната намена, нуклеарните реактори можат да бидат енергетски реактори, конвертори и одгледувачи, истражувачки и повеќенаменски, транспортни и индустриски.

Нуклеарните реактори се користат за производство на електрична енергија во нуклеарни централи, бродски електрани, нуклеарни комбинирани централи за топлинска енергија и електрани и станици за снабдување со нуклеарна топлина.

Реакторите дизајнирани да произведуваат секундарно нуклеарно гориво од природен ураниум и ториум се нарекуваат конвертори или одгледувачи. Во реакторот со конвертор, секундарното нуклеарно гориво произведува помалку од првично потрошеното.

Во реактор за одгледување, се врши проширена репродукција на нуклеарно гориво, т.е. излегува повеќе отколку што е потрошено.

Истражувачките реактори се користат за проучување на процесите на интеракција на неутроните со материјата, проучување на однесувањето на материјалите на реакторот во интензивни полиња на неутронско и гама зрачење, радиохемиски и биолошки истражувања, производство на изотопи и експериментални истражувања во физиката на нуклеарните реактори.

Реакторите имаат различна моќност, стационарни или импулсни режими на работа. Повеќенаменски реактори се оние кои служат за неколку намени, како што се генерирање енергија и производство на нуклеарно гориво.

Еколошки катастрофи во нуклеарните централи

• 1957 – несреќа во Велика Британија
• 1966 година - делумно топење на јадрото по дефект на ладењето на реакторот во близина на Детроит.
• 1971 - многу загадена вода отиде во реката САД
• 1979 година - најголемата несреќа во САД
• 1982 година – ослободување на радиоактивна пареа во атмосферата
• 1983 година - страшна несреќа во Канада (радиоактивна вода течеше 20 минути - еден тон во минута)
• 1986 – несреќа во Велика Британија
• 1986 – несреќа во Германија
• 1986 – Нуклеарна централа Чернобил
• 1988 година – пожар во нуклеарна централа во Јапонија

Современите нуклеарни централи се опремени со компјутери, но претходно, дури и по несреќа, реакторите продолжија да работат, бидејќи немаше систем за автоматско исклучување.

4. Поправање на материјалот.

1. Како се нарекува нуклеарен реактор?
2. Што е нуклеарното гориво во реактор?
3. Која супстанца служи како модератор на неутрони во нуклеарен реактор?
4. Која е целта на неутронскиот модератор?
5. За што се користат контролните шипки? Како се користат?
6. Што се користи како течност за ладење во нуклеарните реактори?
7. Зошто е неопходно масата на секоја ураниумска прачка да биде помала од критичната маса?

5. Извршување на тестот.

1. Кои честички се вклучени во фисијата на јадрата на ураниумот?
   A. протони;
   B. неутрони;
   Б. електрони;
   G. јадра на хелиум.
2. Која маса на ураниум е критична?
   A. најголемата во која е можна верижна реакција;
   Б. која било маса;
   B. најмалиот при кој е можна верижна реакција;
   D. масата на која реакцијата ќе престане.
3. Која е приближната критична маса на ураниум 235?
   A. 9 kg;
   B. 20 kg;
   B. 50 kg;
   G. 90 kg.
4. Која од наведените супстанции може да се користи во нуклеарните реактори како модератори на неутрони?
   A. графит;
   Б. кадмиум;
   B. тешка вода;
   G. бор.
5. За да се случи нуклеарна верижна реакција во нуклеарна централа, факторот за множење на неутроните мора да биде:
   A. е еднакво на 1;
   B. повеќе од 1;
   V. помалку од 1.
6. Стапката на фисија на тешките атомски јадра во нуклеарните реактори е контролирана од:
   A. поради апсорпција на неутрони при спуштање на прачки со апсорбер;
   Б. поради зголемување на отстранувањето на топлината со зголемување на брзината на течноста за ладење;
   Б. преку зголемување на снабдувањето со електрична енергија на потрошувачите;
   G. со намалување на масата на нуклеарното гориво во јадрото при отстранување на прачки со гориво.
7. Какви енергетски трансформации се случуваат во нуклеарен реактор?
   Внатрешната енергија на атомските јадра се претвора во светлосна енергија;
   Внатрешната енергија на атомските јадра се претвора во механичка енергија;
   Внатрешната енергија на атомските јадра се претвора во електрична енергија;
   D. ниту еден од одговорите не е точен.
8. Во 1946 година, првиот нуклеарен реактор бил изграден во Советскиот Сојуз. Кој беше лидер на овој проект?
   A. S. Королев;
   B. I. Курчатов;
   В. Д. Сахаров;
   G. A. Прохоров.
9. Кој начин го сметате за најприфатлив за зголемување на доверливоста на нуклеарните централи и спречување на контаминација на надворешната средина?
   A. развој на реактори способни за автоматско ладење на јадрото на реакторот без оглед на волјата на операторот;
   Б. зголемување на писменоста на работата на нуклеарните централи, нивото на професионална подготвеност на операторите на нуклеарните централи;
   Б. развој на високоефикасни технологии за демонтирање нуклеарни централи и преработка на радиоактивен отпад;
   Г. локација на реакторите длабоко под земја;
   D. одбивање да се изгради и управува со нуклеарна централа.
10. Кои извори на загадување на животната средина се поврзани со работата на нуклеарните централи?
    А. индустрија за ураниум;
    Б. нуклеарни реактори од различни типови;
    Б. радиохемиска индустрија;
    Г. локации за преработка и депонирање на радиоактивен отпад;
    D. употреба на радионуклиди во националната економија;
    E. нуклеарни експлозии.

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

6. Резиме на лекцијата.

Што ново научивте на час денес?

Што ви се допадна на лекцијата?

Какви прашања имате?

ВИ БЛАГОДАРИМЕ ЗА ВАШАТА РАБОТА ВО ЧАСОТ!

Откако беше спроведена неконтролирана верижна реакција, која овозможи да се добие огромна количина на енергија, научниците поставија задача да спроведат контролирана верижна реакција. Суштината на контролираната верижна реакција лежи во способноста да се контролираат неутроните. Овој принцип успешно се применува во нуклеарните централи (НПП).

Енергијата на фисија на јадрата на ураниумот се користи во нуклеарните централи (НПП). Процесот на фисија на ураниумот е многу опасен. Затоа, нуклеарните реактори се опкружени со густи заштитни школки. Вообичаен тип на реактор е вода под притисок.

Течноста за ладење е вода. Студената вода влегува во реакторот под многу висок притисок, што го спречува неговото вриење.

Студената вода што минува низ јадрото на реакторот исто така делува како модератор - ги забавува брзите неутрони така што тие удираат во јадрата на ураниумот и предизвикуваат верижна реакција.

Нуклеарното гориво (ураниум) се наоѓа во јадрото во форма на шипки за склопување на гориво. Прачките за гориво во склопот се менуваат со контролни шипки, кои ја регулираат брзината на нуклеарната фисија со апсорпција на брзи неутрони.

Со фисија се ослободува голема количина на топлина. Загреаната вода го напушта јадрото под притисок со температура од 300°C и влегува во електраната во која се сместени генераторите и турбините.

Топлата вода од реакторот ја загрева водата од секундарното коло до вриење. Пареата се насочува кон лопатките на турбината и ја ротира. Ротирачкото вратило ја пренесува енергијата на генераторот. Во генераторот, механичката ротациона енергија се претвора во електрична енергија. Пареата се лади и водата се враќа назад во реакторот.

Како резултат на овие сложени процеси, нуклеарната централа произведува електрична струја.

Како што можете да видите, фисилниот изотоп се наоѓа во прачките за гориво лоцирани во јадрото на реакторот, формирајќи критична маса. Нуклеарната реакција се контролира со помош на контролни прачки направени од бор или кадмиум. Контролните прачки, како шипките за гориво, се наоѓаат во јадрото на реакторот и, како сунѓер што апсорбира вода, делуваат на неутроните, апсорбирајќи ги. Операторот на НПП, со прилагодување на бројот на контролните шипки во јадрото на реакторот, ја контролира брзината на нуклеарниот процес: тој го успорува со спуштање на контролните шипки во јадрото на реакторот; или го забрзува со подигање на прачките.

Се чини дека сè е прекрасно - нуклеарната енергија е неисцрпен високотехнолошки извор на електрична енергија и таа е иднината. Така мислеа луѓето до 26 август 1986 година. Несреќата во четвртиот блок на нуклеарната централа Чернобил сврте сè наопаку - „мирниот“ атом се покажа дека не е толку мирен ако се третира со презир.

За ова е напишано доста материјал. Овде ќе се даде квинтесенција (кондензирана суштина) на катастрофата.

Главните причини за несреќата на 4-та енергетска единица на нуклеарната централа Чернобил:

1. Недоволно осмислена програма за технолошки експеримент за трошење на турбогенератор;
2. Погрешни пресметки од страна на развивачите на нуклеарниот реактор RBMK, каде што значајна улога одигра недостатокот на оперативни информации во контролниот систем за резервата за реактивност во јадрото;
3. „Слободите“ на персоналот на нуклеарната централа што го спроведоа експериментот и дозволија отстапувања од прописите за работата што се изведува.

Сето ова заедно доведе до катастрофа. Меѓу специјалистите кои ги истражуваа настаните во Чернобил, имаше нешто како оваа формула: „Операторите успеаја да ја разнесат единицата, а реакторот им дозволи да го направат тоа“. Дел од вината во Чернобил лежи во речиси сите - и на физичарите кои вршат пресметки користејќи поедноставени модели, и на монтери кои безгрижно заваруваат шевови и на операторите кои си дозволуваат да ги игнорираат работните прописи.

Анатомија на несреќата во Чернобил накратко

1. Моќта на реакторот беше дозволено да се намали на многу мала вредност (приближно 1% од номиналната вредност). Ова е „лошо“ за реакторот, бидејќи паѓа во „јодната јама“ и започнува труењето со ксенон на реакторот. Според „нормалниот“ пристап, беше неопходно да се исклучи реакторот, но во овој случај експериментот за испуштање на турбината немаше да се спроведе, со сите административни последици што следеа. Како резултат на тоа, персоналот на нуклеарната централа Чернобил одлучи да ја зголеми моќноста на реакторот и да го продолжи експериментот.

2. Од горенаведениот материјал е јасно дека операторот на нуклеарна централа може да ја контролира брзината на нуклеарната реакција (моќта на реакторот) со поместување на контролните шипки во јадрото на реакторот. За да се зголеми моќта на реакторот (за да се заврши експериментот), скоро сите контролни шипки беа отстранети од јадрото на реакторот.

За да биде појасно за читателот кој не е запознаен со „нуклеарните суптилности“, можеме да ја дадеме следната аналогија со оптоварување суспендирано на пружина:

• Товарот (или поточно неговата позиција) е моќта на реакторот;
• Пружината е средство за контролирање на оптоварувањето (моќта на реакторот).
• Во нормална положба, оптоварувањето и пружината се во рамнотежа - оптоварувањето е на одредена висина, а пружината се протега за одредена количина.
• Кога прекина моќта на реакторот („јод јама“), товарот се спушти на земја (и отиде многу силно).
• За да го „извлече“ реакторот, операторот ја „повлече пружината“ (ги извади контролните шипки; но беше неопходно да се направи токму спротивното - вметнете ги сите прачки и исклучете го реакторот, т.е. ослободете ја пружината така што товарот паѓа на земја). Но, системот за оптоварување-пружина има одредена инерција и некое време откако операторот почна да ја влече пружината нагоре, товарот сè уште се движи надолу. И операторот продолжува да се повлекува.
• Конечно, оптоварувањето ја достигнува најниската точка и под влијание на (веќе пристојни) пролетни сили почнува да се движи нагоре - моќноста на реакторот почнува нагло да се зголемува. Товарот лета нагоре побрзо и побрзо (неконтролирана верижна реакција со ослободување на огромно количество топлина), а операторот веќе не може да направи ништо за да ја изгаси инерцијата на нагорното движење на товарот. Како резултат на тоа, товарот го погодува операторот во челото.

Да, операторите на нуклеарната централа во Чернобил, кои дозволија енергетската единица да експлодира, ја платија највисоката цена за нивната грешка - нивните животи.

Зошто персоналот на нуклеарната централа Чернобил постапил на овој начин? Една од причините беше фактот што системот за контрола на нуклеарниот реактор не му даваше на операторот оперативни информации за опасните процеси што се случуваат во реакторот.

Вака А.С.Дјатлов ја започнува својата книга „Чернобил. Како се случи“:

На 26 април 1986 година, во еден час, дваесет и три минути и четириесет секунди, надзорникот на смената на единицата бр. 4 на нуклеарната централа во Чернобил, Александар Акимов, наредил да се исклучи реакторот по завршувањето на извршената работа. пред исклучување на енергетската единица за планирани поправки. Командата беше издадена во мирна работна средина; централизираниот контролен систем не снима ниту еден итен или предупредувачки сигнал за отстапувања во параметрите на реакторот или сервисните системи. Операторот на реакторот Леонид Топтунов го извади капачето од копчето AZ, кое штити од случајно погрешно притискање, и го притисна копчето. На овој сигнал, 187 контролни шипки на реакторот почнаа да се движат надолу во јадрото. Светлата на позадинското осветлување на мнемоничката табла се запалија, а стрелките на индикаторите за положба на шипката почнаа да се движат. Александар Акимов, стоејќи половина свртен кон контролната табла на реакторот, го забележа ова, исто така виде дека „зајачињата“ на индикаторите за нерамнотежа AR „стрелаа налево“ (неговиот израз), како што треба, што значеше намалување на моќта на реакторот, свртена кон безбедносната табла, зад која набљудував во експериментот.
Но, тогаш се случи нешто што ни најлудата имагинација не можеше да го предвиди. По малото намалување, моќноста на реакторот одеднаш почна да се зголемува со сè поголема брзина и се појавија сигнали за тревога. Л. Топтунов извика за итно зголемување на моќта. Но, тој не можеше да направи ништо. Сè што можеше да направи е да го задржи копчето AZ, контролните шипки отидоа во активната зона. Тој нема други средства на располагање. И сите други исто така. А. Акимов остро извика: „Исклучи го реакторот! Тој скокна до контролната табла и ги исклучи електромагнетните спојки на погоните на контролната шипка. Дејството е точно, но бескорисно. На крајот на краиштата, логиката на CPS, односно сите нејзини елементи на логички кола, работеа правилно, прачките отидоа во зоната. Сега е јасно - по притискање на копчето АЗ немаше правилни постапки, немаше средства за спас. Другата логика не успеа!
Следуваа две силни експлозии со краток интервал. Прачките АЗ престанаа да се движат без да поминат ни половина пат. Немаа каде на друго место да одат.
Во еден час, дваесет и три минути и четириесет и седум секунди, реакторот беше уништен од напојување со помош на брзи неутрони. Ова е колапс, крајната катастрофа што може да се случи во енергетскиот реактор. Не го разбраа, не се подготвија, не беа обезбедени технички мерки за локализација на блокот и станицата...

Односно, неколку секунди пред катастрофата, персоналот не се ни посомневал во опасноста што се приближувала! Крајот на целата оваа апсурдна ситуација беше притискање на копчето за итни случаи, по што се случи експлозија - се тркате во автомобил и пред препрека ја притискате сопирачката, но автомобилот уште повеќе забрзува и удира во пречката. Да бидеме фер, треба да се каже дека притискањето на копчето за итни случаи не може да влијае на ситуацијата - само ја забрза неизбежната експлозија на реакторот за неколку моменти, но останува фактот - заштитата за итни случаи го разнела реакторот !

Влијанието на зрачењето врз луѓето

Зошто вештачките нуклеарни катастрофи (да не зборуваме за нуклеарното оружје) се толку опасни?

Покрај ослободувањето на колосални количества енергија, што доведува до големо уништување, нуклеарните реакции се придружени со радијација и, како последица на тоа, радијациона контаминација на областа.

Зошто зрачењето е толку штетно за живиот организам? Да не донесеше таква штета на сите живи суштества, тогаш сите одамна ќе заборавија на несреќата во Чернобил, а атомските бомби ќе беа фрлени лево-десно.

Зрачењето ги уништува клетките на живиот организам на два начина:

1. поради загревање (изгореница од зрачење);
2. поради јонизација на клетките (зрачна болест).

Радиоактивните честички и самото зрачење имаат висока кинетичка енергија. Зрачењето генерира топлина. Оваа топлина, слична на изгореници од сонце, предизвикува изгореници од зрачење, уништувајќи го телесното ткиво.

Неутронската нуклеарна реакција на фисија на тешки јадра, како што веќе беше забележано, е главната и централна реакција во нуклеарните реактори. Затоа, има смисла уште од самиот почеток да се запознаеме со физичките концепти на реакцијата на фисија и оние нејзини карактеристики кои на еден или друг начин оставаат свој белег на сите аспекти од животот и секојдневието на најкомплексниот технички комплекс, кој се нарекува Нуклеарна централа.

Идејата за фисија на јадрото на ураниум-235 во визуелните слики е дадена на Сл. 2.6.

Неутронско јадро со маса А Возбудено сложено јадро Фрагменти на фисија

Неутрони на фисија

Сл.2.6. Шематски приказ на 235 U нуклеарна фисија.

Врз основа на овој дијаграм, генерализираната „равенка“ на реакцијата на фисија (која е логична наместо строго математичка) може да се запише како:

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

- (F 1)* и (F 2)* - симболични ознаки возбуденфрагменти од фисија (индексот (*) во понатамошниот текст означува нестабилни, возбудени или радиоактивни елементи); фрагментот (F 1)* има маса A 1 и полнеж Z 1, фрагментот (F 2)* има маса A 2 и полнеж Z 2;

-  5 . 1 n се означени  5 неутрони на фисија се ослободуваат во просек во секој настан на фисија на јадрото на ураниум-235;

- ,  и  - -честички, -честички и -кванти, чии просечни броеви по чин на фисија на јадрото на ураниум-235 се еднакви на a, b и c, соодветно;

E е просечната количина на енергија ослободена во делот на фисија.

Да нагласиме уште еднаш: изразот напишан погоре не е равенка во строга смисла на зборот; туку, тоа е едноставно лесна за паметење форма на нотација која ги одразува главните карактеристики на реакцијата на неутронска фисија:

а) формирање на фрагменти од фисија;

б) формирање на нови слободни неутрони за време на фисија, што отсега натаму накратко ќе го нарекуваме фисија неутрони;

в) радиоактивност на фрагменти од фисија, што предизвикува нивна понатамошна трансформација во постабилни формации, што предизвикува голем број несакани ефекти - и позитивни, корисни и негативни, кои мора да се земат предвид при проектирање, изградба и работа на нуклеарни реактори;

г) ослободувањето на енергија за време на фисија е главното својство на реакцијата на фисија, што овозможува да се создаде енергичен нуклеарен реактор.

Секој од физичките процеси наведени погоре што ја придружуваат реакцијата на фисија игра одредена улога во реакторот и има своја практична значење. Затоа, ајде да ги запознаеме подетално.

2.2.1. Формирање на фрагменти од фисија.За еден чин на нуклеарна фисија може да се зборува како феномен до одреден степен случајно, имајќи на ум дека тешкото јадро на ураниум, кое се состои од 92 протони и 143 неутрони, во основа е способно да се подели на различен број фрагменти со различна атомска маса. Во овој случај, проценката на можноста за поделба на јадрото на 2, 3 или повеќе фрагменти може да се пристапи со веројатни мерки. Според податоците дадени во, веројатноста за поделба на јадрото на два фрагменти е повеќе од 98%, затоа, огромното мнозинство на фисии завршуваат со формирање на точно два фрагменти.

Спектроскопските студии на производите на фисија идентификуваа повеќе од 600 квалитативно различни фрагменти од фисија со различни атомски маси. И еве, во привидна несреќа, со голем број поделби, веднаш се појави една општа шемашто може накратко да се изрази на следниов начин:

Веројатноста за појава на фрагмент од одредена атомска маса при масовна фисија на одреден нуклид е строго дефинирана вредност карактеристична за овој фисилен нуклид.

Оваа количина обично се нарекува специфичен принос на фрагменти , означено со мала грчка буква  јас(гама) со подлога - симбол на хемискиот елемент чијшто овој фрагмент е јадрото, или симбол на изотоп.

На пример, во физичките експерименти е забележано дека фрагмент од ксенон-135 (135 Xe) се појавува во просек во три случаи на секои илјада фисија на 235 U јадра. Ова значи дека специфичниот принос од 135 Xe фрагменти е

 Xe= 3/1000 = 0,003 од сите поделби,

а во однос на еден настан на фисија на јадрото 235 U, вредноста  Xe = 0,003 = 0,3% - е веројатноста дека фисијата ќе резултира со формирање на фрагмент 135 Хех.

Јасна проценка на моделот на формирање на фрагменти од фисија со различни атомски маси е дадена преку кривите на специфичниот принос на фрагментите (сл. 2.7).

10

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

Ориз. 2.7. Специфични приноси на фрагменти од фисија со различни атомски маси

при фисија на 235 U (цврста линија) и 239 Pu (испрекината линија) јадра.

Природата на овие криви ни овозможува да го заклучиме следново:

а) Атомските маси на фрагменти формирани за време на фисија, во огромно мнозинство случаи, се наоѓаат во опсег од 70  165 amu. Специфичниот принос на полесни и потешки фрагменти е многу мал (не надминува 10 -4%).

б) Симетричната фисија на јадрата (т.е. фисија на два фрагменти со еднакви маси) се исклучително ретки: нивниот специфичен принос не надминува 0,01% за јадрата на ураниум-235 и 0,04% за јадрата на плутониум-239.

в) Најчесто се формираат белите дробовифрагменти со масени броеви во рамките на 83  104 аму. И тешкифрагменти со A = 128  149 часот наутро. (нивниот специфичен принос е 1% или повеќе).

г) Фисијата на 239 Pu под влијание на термички неутрони доведува до формирање на неколку потешкафрагменти во споредба со фрагменти од фисија од 235 U.

*) Во иднина, при проучување на кинетиката на реакторот и процесите на негово труење и згура, повеќе од еднаш ќе треба да се осврнеме на вредностите на специфичните приноси на многу фрагменти од фисија при изготвување диференцијални равенки што опишуваат физичките процеси во јадрото на реакторот.

Погодноста на оваа вредност е дека, знаејќи ја брзината на реакцијата на фисија (бројот на фисии по единица волумен на составот на горивото по единица време), лесно е да се пресмета брзината на формирање на какви било фрагменти од фисија, чија акумулација во реакторот на еден или друг начин влијае на неговата работа:

Стапка на генерирање на i-ти фрагмент =  јас  (брзина на реакција на фисија)

И уште една забелешка поврзана со формирањето на фрагменти од фисија. Фрагментите од фисија генерирани за време на фисија имаат високи кинетички енергии.Со пренесување на нивната кинетичка енергија за време на судири со атомите на медиумот за состав на горивото, на тој начин се фрагменти од фисија зголемување на просечното ниво на кинетичка енергија на атомите и молекулите,што во согласност со идеите на кинетичката теорија кај нас се перципира како зголемување на температуратасоставот на горивото или како создавање на топлина во него.

Најголем дел од топлината во реакторот се создава на овој начин.

Ова е одредена позитивна улога на формирањето на фрагменти во процесот на работа на реактор за нуклеарна енергија.

2.2.2. Производство на фисија неутрони.Клучниот физички феномен што го придружува процесот на фисија на тешките јадра е емисија на секундарни брзи неутрони од возбудени фрагменти од фисија,во спротивно повикани брзи неутрониили фисија неутрони.

Значењето на овој феномен (откриен од Ф. Жолиот-Кири и неговите колеги - Албано и Коварски - во 1939 година) е непобитен: Благодарение на него, за време на фисијата на тешките јадра, се појавуваат нови слободни неутрони кои ги заменуваат оние што ја предизвикале фисијата; овие нови неутрони можат да стапат во интеракција со други фисилни јадра во горивото и да предизвикаат нивна фисија, проследена со емисија на нови неутрони за фисија итн.Тоа е, поради формирањето на фисија неутрони, станува возможно организира процес на фисии кои рамномерно се следат едни со други во времето без дотур на слободни неутрони до медиумот што содржи гориво од надворешен извор. Во таква испорака, едноставно кажано, не е потребно, се додека се најдат „алатките“ со кои се врши нуклеарна фисија овде, токму во оваа средина, во врзана состојба во фисилни јадра; за да се „стават во акција“ врзаните неутрони, тие треба само да се ослободат, односно јадрото мора да се подели на фрагменти, а потоа самите фрагменти ќе завршат сè: поради нивната возбудена состојба, тие ќе испуштаат „дополнителен неутрони од нивниот состав, попречувајќи ја нивната стабилност, а тоа ќе се случи во време од редот од 10 -15 - 10 -13 s, што се совпаѓа по редослед на големина со времето кога сложеното јадро останува во возбудена состојба. Оваа коинциденција ја покрена идејата дека се појавуваат неутрони со фисија не од возбудени фрагменти од фисија презаситени со неутрони по крајот на фисијата, туку директно во тој краток временски период во кој се случува нуклеарна фисија.Тоа е, не послечин на поделба, и за време наовој чин, како истовремено со уништување на јадрото. Од истата причина, овие неутрони често се нарекуваат брзи неутрони.

Анализата на можни комбинации на протони и неутрони во стабилни јадра со различни атомски маси (сетете се на дијаграмот на стабилни јадра) и нивната споредба со квалитативниот состав на производите на фисија покажа дека веројатноста за формирањеодржлив Има многу малку фрагменти за време на фисија.Ова значи дека огромното мнозинство на фрагменти се раѓаат нестабилнаи може да емитира еден, два, три или уште повеќе „дополнителни“ неутрони на фисија за нивната стабилност, и јасно е дека секој специфичен возбуден фрагмент мора да емитува свој, строго дефиниран,бројот на фисиски неутрони „дополнителен“ за неговата стабилност.

Но, бидејќи секој фрагмент со голем број фисии има строго дефиниран специфичен принос, тогаш со одреден голем број фисии, ќе биде одреден и бројот на фрагменти од фисија од секој формиран тип, и, следствено, бројот на неутрони на фисија што се емитуваат од фрагменти од секој тип, исто така, ќе бидат одредени, и тоа значи дека нивниот вкупен број исто така ќе биде сигурен. Поделувајќи го вкупниот број на неутрони произведени во фисиите со бројот на фисии во кои се произведени, треба да добиеме просечен број на фисија неутрони емитирани во еден настан на фисија, што врз основа на горенаведеното резонирање исто така треба да биде строго дефинирано и константа за секој тип на фисилен нуклид.Оваа физичка константа на фисилен нуклид е означена  .

Според податоците од 1998 година (вредноста на оваа константа периодично се ажурира врз основа на резултатите од анализата на физичките експерименти низ целиот свет) при фисија под влијание на топлинските неутрони

За ураниум-235  5 = 2.416,

За плутониум-239  9 = 2.862,

За плутониум-241  1 = 2,938, итн.

Корисна е последната забелешка: вредноста на константата  значително зависи од големината на кинетичката енергија на неутроните што предизвикуваат фисија и, како што се зголемува, таа се зголемува приближно правопропорционално со E.

За двата најважни фисилни нуклиди, приближните зависности (E) се опишани со емпириски изрази:

За ураниум-235  5 (Д) = 2.416 + 0.1337 Е;

За плутониум-239  9 (Д) = 2.862 + 0.1357 Е.

*) Неутронската енергија E е супституирана во [MeV].

Така, вредноста на константата , пресметана со помош на овие емпириски формули, при различни енергии на неутрони може да ги достигне следните вредности:

Значи, првата карактеристика на фисиските неутрони емитирани за време на фисијата на специфичните фисилни нуклиди е вродена просечен број на неутрони на фисија произведени во настан на фисија .

Факт е дека за сите фисилни нуклиди  > 1, создава предуслов за изводливост синџир реакција на неутронска фисија. Јасно е дека за да се спроведе самоодржлива верижна реакција на фисијапотребно е да се создадат услови така што еденод  неутрони добиени во чинот на фисија дефинитивно повиканследната поделба на друго јадро, и одмор ( - 1) неутрони некако исклучени од процесот на нуклеарна фисија.Во спротивно, интензитетот на поделбите со време ќе се зголеми како лавина (што се случува во атомска бомба).

Бидејќи сега е познато дека вредноста на константата  се зголемува со зголемување на енергијата на неутроните кои предизвикуваат фисија, се поставува логично прашање: со која кинетичка енергија роденфисија неутрони?

Одговорот на ова прашање го дава втората карактеристика на неутроните на фисија, наречена енергетски спектар на фисија неутронии ја претставува функцијата на дистрибуција на неутроните на фисија над нивните кинетички енергии.

Ако во единица (1 cm3) волумен на медиумот се појави во одреден временски момент nфисија неутрони на сите можни енергии, тогаш нормализиран енергетски спектаре функција од количината на енергија E, чија вредност при која било одредена вредност на E покажува колкав дел (пропорција) од сите овие неутрони се неутрони со енергии од елементарниот интервал dE во близина на енергијата E. Со други зборови, зборуваме за изразот

Распределбата на енергијата на неутроните на фисија е опишана сосема точно Спектрална функција на Ват(Ват):

n(Е) = 0.4839
, (2.2.2)

чија графичка илустрација е сл.2.8. на следната страница.

Спектарот на Ват покажува дека, иако неутроните на фисија се произведуваат со многу различни енергии, лежат во многу широк опсег, повеќето неутрони имаат почетна енергија,еднаква на Е nv = 0,7104 MeV, што одговара на максимумот на спектралната функција на Ват. Во смисла, оваа вредност е најверојатната енергија на неутроните на фисија.

Друга количина што го карактеризира енергетскиот спектар на неутроните на фисија е просечна енергија на фисија неутрони , односно количината на енергија што би ја имал секој неутрон на фисија кога вкупната реална енергија на сите неутрони на фисија би била подеднакво поделена меѓу нив:

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

Со замена на изразот (2.2.2) во (2.2.3) се добива вредноста на просечната енергија на неутроните на фисија

Е ср = 2,0 MeV

И ова значи дека речиси сесе раѓаат фисија неутрони брзо(односно со енергиите Е > 0.1 MeV). Но, се произведуваат неколку брзи неутрони со релативно високи кинетички енергии (помалку од 1%), иако забележлив број на фисија неутрони се појавуваат со енергии до 18 - 20 MeV.

0 1 2 3 4 5 E, MeV

Сл.2.8. Енергетскиот спектар на неутроните на фисија е вати спектар.

Неутронските спектри на фисија за различни фисилни нуклиди се разликуваат едни од други малку. Да речеме, за нуклидите 235 U и 239 Pu за кои првенствено сме заинтересирани, вредностите на просечните енергии на неутроните на фисија (корегирани врз основа на резултатите од физичките експерименти):

E av = 1,935 MeV - за 235 U и E av = 2,00 MeV - за 239 Pu

Вредноста на просечната енергија на спектарот на фисија неутрони се зголемува со зголемување на енергијата на неутроните што предизвикуваат фисија, но ова зголемување е незначително(барем во опсег од 10 - 12 MeV). Ова ни овозможува да го игнорираме и приближно да го пресметаме енергетскиот спектар на неутроните на фисија униформа за различни нуклеарни горива и за реактори со различен спектар (брз, среден и термички).

За ураниум-238, и покрај прагот на неговата фисија, спектарот на фисија неутрони исто така практично се совпаѓа со изразот(2.2.2), и зависноста на просечниот број на фисија неутрони  8 од енергијата на неутроните кои предизвикуваат фисија - исто така практично линеарнопри енергии над прагот ( Е П = 1.1 MeV):

 8 (Д) = 2.409 + 0.1389Е. (2.2.4)

2.2.3. Радиоактивност на фрагменти од фисија.Веќе беше кажано дека се идентификувани околу 600 видови на фрагменти од фисија, кои се разликуваат по маса и протонски полнеж, и дека практично Сите тие се раѓаатмногу возбуден .

Работата дополнително се усложнува со фактот што тие носат значителна возбуда и после емисија на фисија неутрони. Затоа, во природна желба за стабилност, тие продолжуваат да „отфрлаат“ вишок енергија над нивото на основната состојба додека не се достигне ова ниво.

Ова празнење се врши со последователна емисија на фрагменти од сите видови радиоактивно зрачење (алфа, бета и гама зрачење), а за различни фрагменти се јавуваат различни видови на радиоактивно распаѓање во различни секвенци и (поради разлики во вредностите на константи на распаѓање ) се протегаат во различни степени во времето.

Така, во оперативен нуклеарен реактор, не само процесот заштедирадиоактивни фрагменти, но и процесот на нивно континуирано трансформација: познат е голем број синџирипоследователни трансформации, што на крајот доведува до формирање на стабилни јадра, но сите овие процеси бараат различни времиња, за некои синџири - многу кратки, а за други - прилично долги.

Затоа, радиоактивното зрачење не само што ја придружува реакцијата на фисија во работејќиреактор, но исто така се испуштаат од горивото долго време откако ќе се исклучи.

Овој фактор, прво, предизвикува посебен вид физичка опасност - опасност изложеност на персоналот,сервисирање на инсталацијата на реакторот, накратко наведен како опасност од радијација. Ова ги принудува дизајнерите на реакторската постројка да се грижат за нејзината околина. биолошка заштита,ставете го во простории изолирани од околината и преземете низа други мерки за елиминирање на можноста од опасна изложеност на луѓе и радиоактивна контаминација на животната средина.

Второ, по исклучувањето на реакторот, сите видови радиоактивно зрачење, иако се намалуваат во интензитетот, продолжуваат да комуницираат со материјалите од јадрото и, како и самите фрагменти од фисија во почетниот период на нивното слободно постоење, ја пренесуваат својата кинетичка енергија во атомите на средината на јадрото, зголемување на нивната просечна кинетичка енергија.Тоа е во реакторот откако ќе се случи неговото исклучување топлина на распаѓање .

Лесно е да се разбере дека моќта на ослободување на преостаната топлина во реакторот во моментот на исклучување е директно пропорционална на бројот на фрагменти акумулирани за време на работата на реакторот во тој момент, а стапката на неговото опаѓање последователно се одредува со полуживот на овие фрагменти. Од кажаното следува друго негативенфактор поради радиоактивноста на фрагментите од фисија - потребадолгорочниладење јадрото на реакторот по исклучувањетосо цел да се отстрани преостанатата топлина, а тоа е поврзано со значителна потрошувачка на електрична енергија и животниот век на моторот на циркулационата опрема.

Така, формирањето на радиоактивни фрагменти за време на фисија во реактор е главно феномен негативен, но... секој облак има сребрена облога!

Во радиоактивните трансформации на фрагменти од фисија може да се види и позитивенаспект дека нуклеарните реактори буквално го должат своето постоење . Факт е дека од голема разновидност на фрагменти од фисија, постојат околу 60 типови кои, по првото -распаѓање, стануваат неутроактивен , способен да емитува т.н заостануваатнеутрони. Релативно малку одложени неутрони се емитираат во реакторот (приближно 0,6% од вкупниот број на генерирани неутрони), но благодарение на нивното постоење е можно безбедно управување нуклеарен реактор; Во тоа ќе се увериме кога ја проучуваме кинетиката на нуклеарниот реактор.

2.2.4. Ослободување на енергија за време на фисија.Реакцијата на нуклеарна фисија во физиката е една од јасните потврди на хипотезата на А. Ајнштајн за односот помеѓу масата и енергијата, која во однос на нуклеарната фисија е формулирана на следниов начин:

Количината на енергија ослободена за време на нуклеарната фисија е директно пропорционална со големината на масовниот дефект, а коефициентот на пропорционалност во оваа врска е квадратот на брзината на светлината:

Е=  мс 2

За време на нуклеарната фисија, вишокот (дефект) на маса се дефинира како разлика во збирот на останатите маси на почетните производи од реакцијата на фисија (т.е. јадро и неутрон) и добиените производи од нуклеарна фисија (фрагменти од фисија, фисија неутрони и други микрочестички испуштени и за време на процесот на фисија и по него).

Спектроскопската анализа овозможи да се одреди поголемиот дел од производите на фисија и нивните специфични приноси. Врз основа на ова се покажа дека не е толку тешко да се пресмета приватенголемината на масовните дефекти за различни резултати од фисија на јадрата на ураниум-235, и од нив - пресметајте просечната количина на енергија ослободена во една фисија, што се покажа дека е блиску до

mc 2 = 200 MeV

Доволно е да се спореди оваа вредност со енергијата ослободена во чинот на еден од најендотермните хемискиреакции - реакции на оксидација на ракетното гориво (вредност помала од 10 eV) - да се разбере дека на ниво на микроскопски објекти (атоми, јадра) 200 MeV - многу висока енергија: таа е најмалку осум реда на величина (100 милиони пати) поголема од енергијата добиена од хемиски реакции.

Енергијата на фисија се троши од волуменот каде што настанала нуклеарната фисија преку различни материјали носители: фрагменти од фисија, неутрони на фисија, - и -честички, -кванти, па дури и неутрина и антинеутрина.

Распределбата на енергијата на фисија помеѓу носачите на материјалот за време на фисијата на 235 U и 239 Pu јадра е дадена во Табела 2.1.

Табела 2.1. Распределба на енергијата на фисија на јадрата на ураниум-235 и плутониум-239 помеѓу производите на фисија.

Различни компоненти на енергијата на фисија се трансформираат во топлина не во исто време.

Првите три компоненти се претвораат во топлина за време помало од 0,1 s (сметајќи од моментот на поделба), и затоа се нарекуваат моментални извори на ослободување на топлина.

- и -зрачењето од производите на фисија се емитуваат од возбудени фрагменти со најразновидните полуживоти(од неколку делови од секундата до неколку десетици дена, ако се земат предвид само фрагментите со забележлив специфичен принос), а со тоа и процесот споменат погоре топлина на распаѓање, што е токму предизвикано од радиоактивни емисии од производите на фисија, може да трае десетици дена откако реакторот ќе се исклучи.

*) Според многу груби проценки, моќта на преостанатата топлина во реакторот по неговото исклучување се намалува во првата минута - за 30-35%; по првиот час од исклучувањето на реакторот, тоа е приближно 30% од моќноста на кој реакторот работеше пред исклучување, а по првиот ден паркирање - приближно 25 проценти. Јасно е дека запирање на присилното ладење на реакторот во такви услови не доаѓа предвид, бидејќи Дури и краткорочното прекинување на циркулацијата на течноста за ладење во јадрото е полн со опасност од термичко уништување на елементите на горивото. Само по неколку дена принудно ладење на реакторот, кога моќта на преостанатата топлина ќе се намали на нивото на течноста за ладење отстранета поради природната конвекција, може да се запре циркулационото средство на примарното коло.

Второто практично прашање за инженер: каде и кој дел од енергијата на фисија се претвора во топлина во реакторот? - бидејќи ова се должи на потребата да се организира балансирано отстранување на топлина од неговите различни внатрешни делови, дизајнирани во различни технолошки дизајни.

Состав на гориво, кој содржи фисилни нуклиди, се содржи во запечатени школки кои го спречуваат ослободувањето на формираните фрагменти од составот на горивото на горивните елементи (елементите на горивото) во течноста за ладење што ги лади. И, ако фрагментите од фисија во работниот реактор не ги напуштат елементите на горивото, јасно е дека кинетичката енергија на фрагментите и слабо продорните -честички се претвораат во топлина внатре во шипките за гориво.

Енергиите на неутроните на фисија и -зрачењето се трансформираат во топлина само во елементите на горивото делумно: продорната способност на неутроните и -зрачењето генерира привлекувањенајголемиот дел од нивната почетна кинетичка енергија од нивните родни места.

Познавањето на точната вредност на енергијата на фисија и нејзиниот удел во добиената топлина во елементите на горивото е од големо практично значење, што овозможува да се пресмета друга практично важна карактеристика т.н. специфично волуметриско ослободување на топлина во гориво за шипки за гориво (q v).

На пример, ако се знае дека во 1 cm 3 од составот на горивото на елементот за гориво, во 1 s Р ѓ фисија на јадрата на ураниум-235, тогаш е очигледно: количината на топлинска енергија што се создава секоја секунда во оваа единица волумен (= топлинска моќност од 1 cm 3 гориво) е специфичното волуметриско ослободување на топлина (или енергетскиот интензитет) гориво, и оваа вредност ќе биде еднаква на:

q v = 0.9 .  Е . Р ѓ (2.2.5)

Уделот на енергијата на фисија која се добива во форма на топлина надвор од горивните елементи во јадрото на реакторот зависи од неговиот тип и дизајн и лежи во (6  9)% од вкупната енергија на фисија. (На пример, за VVER-1000 оваа вредност е приближно 8,3%, а за RBMK-1000 е околу 7%).

Така, учеството на вкупното ослободување на топлина во волуменот на јадрото од вкупната енергија на фисија е 0,96  0,99, т.е. со техничка прецизност се совпаѓа со вкупната енергија на фисија.

Оттука, уште една техничка карактеристика на јадрото на реакторот:

- просечен енергетски интензитет на јадрото(q v) az - топлинска моќност добиена по единица волумен на јадрото:

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

Бидејќи енергијата е 1 MeVво системот SI одговара на 1.602. 10 -13 Ј, тогаш вредноста на енергетскиот интензитет на јадрото на реакторот:

(q v) az  3.204. 10 -11 Р ѓ .

Затоа, ако е позната вредноста на просечниот енергетски интензитет над волуменот на јадрото, тогаш топлинска моќ на реактороточигледно ќе биде:

П стр= (q v) az. В аз 3.204. 10–11 . Р ѓ . В аз [В] (2.2.7)

Топлинската моќ на реакторот е директно пропорционална просечна брзина

реакции на фисија во неговото јадро.

Практична последица : Дали сакате реакторот да работипостојано ниво на моќност? -Создадете услови во него така што ќе дојде до реакција на фисија во нејзината активна зона со постојана просечна брзина со текот на времето.Дали треба да ја зголемите (намалите) моќноста на реакторот? - Најдете начини соодветно да ја зголемите (или намалите) брзината на реакцијатаде ленија.Ова е примарното значење на контролирањето на моќноста на нуклеарниот реактор.

Разгледаните врски и заклучоци изгледаат очигледни само во наједноставниот случај, кога компонентата на горивото во реакторот е еден ураниум-235. Сепак, повторување на образложението за реактор со повеќекомпонентасоставот на горивото, лесно е да се потврди пропорционалноста на просечната стапка на реакција на фисија и топлинската моќност на реакторот во најопшт случај.

Така, топлинската моќ на реакторот и дистрибуција на топлина во неговото јадросе директно пропорционални со распределбата на стапката на реакција на фисија над волуменот на составот на горивото на јадрото на реакторот.

Но, од кажаното е јасно и дека стапката на реакција на фисија мора да биде поврзан со бројот на слободни неутрони во средината на јадрото, бидејќи токму тие (слободните неутрони) предизвикуваат реакции на фисија, зрачење, расејување и други неутронски реакции. Со други зборови, брзината на реакцијата на фисија, ослободувањето на енергија во јадрото и топлинската моќност на реакторот мора јасно да бидат поврзани со карактеристики на неутронското полево својот волумен.

Шематскиот дијаграм на нуклеарен реактор кој користи термички (бавни) неутрони е прикажан на сл. 5.1, овде 1 - контролни прачки, 2 - биолошка заштита, 3 - термичка заштита, 4 - модератор, 5 - нуклеарно гориво (прачки за гориво).

Кога неутронот ќе го погоди јадрото на изотопот на ураниум 235, тој се дели на два дела и се испуштаат неколку (2,5-3) нови секундарни неутрони.. За да може верижна реакција да се одржи во нуклеарен реактор, неопходно е масата на нуклеарното гориво во јадрото на реакторот да не биде помала од критична. Реакторот мора да ја содржи оваа количина 235 Uтака што, во просек, барем еден од добиените неутрони во секој настан на фисија може да го предизвика следниот настан на фисија пред да го напушти јадрото на реакторот.

Слика 5.1. Шематски дијаграм на термички неутронски нуклеарен реактор

Ако бројот на неутрони се одржува константен, тогаш реакцијата на фисија ќе има стационарен карактер. Колку е повисоко нивото на стабилна состојба на бројот на постоечки неутрони, толку е поголема моќноста на реакторот. Моќноста од 1 MW одговара на верижна реакција во која за 1 секунда се случуваат 3 10 16 поделби.

Ако бројот на неутрони се зголеми, ќе се случи термичка експлозија, а ако се намали, реакцијата ќе престане. Стапката на реакција е контролирана користејќи контролни шипки 1.

Сегашната состојба на нуклеарниот реактор може да се окарактеризира како ефикасна неутронски фактор на множењеили реактивност, кои се меѓусебно поврзани со врската:

Следниве вредности се типични за овие количини:

· - верижната реакција се зголемува со текот на времето, реакторот е во суперкритична состојба, неговата реактивност;

· , - бројот на нуклеарни фисии е константен, реакторот е во стабилна критична состојба.

Нуклеарниот реактор може да работи со дадена моќност долго време само ако има резерва за реактивност на почетокот на работата. За време на работата на нуклеарниот реактор, поради акумулација на фрагменти од фисија во горивото, се менува неговиот изотопски и хемиски состав и се формираат трансураниумски елементи, главно Pu. Процесите што се случуваат во реакторот ја намалуваат можноста за верижна реакција на фисија на атомски јадра.

За одржување и спроведување на верижна реакција, неопходно е да се ограничи апсорпцијата на неутроните од материјалите што го опкружуваат јадрото на реакторот. Ова се постигнува со употреба на материјали (за биолошка 2 и термална 3 заштита) кои барем делумно (идеално 50%) рефлектираат неутрони, т.е. не ги апсорбира. Од особена важност е изборот на течноста за ладење што се користи за пренос на топлина од јадрото до турбината.

Неутроните произведени како резултат на фисија може да бидат брзи (со голема брзина) или бавни (термички). Веројатност за фаќање бавен неутрон од јадро 235 Uа неговото последователно разделување е поголемо од она на брз неутрон. Затоа, прачките за гориво 5 се опкружени со специјални модератори 4, кои ги забавуваат неутроните, слабо ги апсорбираат. За да се намали истекувањето на неутроните од реакторот, тој е опремен со рефлектор. Најчесто користени модератори и рефлектори се графит, тешки ( D2O), обична вода итн.

Бројот на стационарни постоечки неутрони го одредува бројот на формирани фрагменти од нуклеарна фисија, кои летаат во различни насоки со огромна брзина. Сопирањето на фрагменти доведува до загревање на горивото и ѕидовите на шипките за гориво. За да се отстрани оваа топлина, реакторот се напојува течноста за ладење, чие загревање е целта на реакторот. Често истата супстанција, на пример обична вода, ги извршува функциите течноста за ладење, модератор и рефлектор. Водата се доставува до реакторот користејќи главни циркулациони пумпи(MCP).