Ядерный реактор

Тема: Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер

Урок 59. Ядерный реактор

Ерюткин Евгений Сергеевич

 

Тема урока посвящена вопросам производства энергии в результате деления ядер урана и называется: «Ядерный реактор». Это устройство, которое служит для получения ядерной энергии. Во-первых, давайте вспомним: когда мы говорили о реакциях деления ядра урана, мы отмечали, что в результате реакции образуются различные излучение и осколки. И те базовые принципы, на которых создается ядерный реактор, мы тоже определили. Это управляемость реакции и безопасность. Итак, поговорим о том, как устроен ядерный реактор, какие реакции там протекают и что при этом происходит.

Условия протекания реакции деления урана

Условия протекания реакции:

замедление нейтронов достаточное процентное содержание изотопов ²³⁵U управление количеством нейтронов, участвующих в реакции

Вы знаете: чтобы протекала ядерная реакция хотя бы с одним ядром, в это ядро должен попасть медленный нейтрон. Что такое медленный нейтрон? Медленный нейтрон – это такой нейтрон, скорость которого сравнима со скоростью теплового движения молекул газа при нормальных условиях. Такие нейтроны называются медленными (или тепловыми). Следовательно, нейтроны, полученные каким-либо способом, мы должны обязательно замедлить. Сделать их скорости такими, чтобы они могли подойти вплотную к ядрам урана-235 и начать взаимодействовать. Кроме этого, нам обязательно нужно подготовить уран так, чтобы там было достаточное количество изотопов ²³⁵U. В природном уране, который добывается на рудниках, составная часть ²³⁵U очень небольшая. Его содержится всего лишь только 0,7%. Чтобы началась цепная реакция в таком образце, надо, чтобы процент содержания ²³⁵U был значительно больше. Считается, что процент обогащенного урана должен составлять 10% и выше. С таким содержанием уже можно говорить о начале цепной реакции. Важно помнить еще: чтобы реакция была управляемой, число нейтронов, появляющихся в единицу времени, должно быть величиной постоянной. Все, что мы сейчас обсудили, – это и есть основные положения, которые используются при создании ядерного реактора.

Схема реакции

На схеме изображено ядро урана-235, в которое попадает медленный нейтрон. В результате попадания начинают меняться размер и форма ядра, наступает деление. В результате деления образуются осколки и нейтроны.

Рис.1. Деление ядра урана-235 с образованием нейтронов

Эти нейтроны обладают большой скоростью, и их в очередной раз надо обязательно замедлить. Мы ставим замедлитель, проходя через который нейтроны уменьшают скорость. Понятно, что один из этих нейтронов может быть задержан. Он может взаимодействовать и задержаться в каком-то веществе, которое ему встретится. Два других вступят во взаимодействие с другими ядрами урана, дальше опять нужен замедлитель и т.д. Процесс, о котором мы говорим, не должен быть лавинообразным.

Устройство ядерного реактора

Итак, мы рассмотрели теоретические аспекты работы реактора, теперь давайте ознакомимся с его устройством. Главная часть любого реактора – активная зона. В активной зоне происходят реакции деления. Там выделяется наибольшее количество тепла. Кроме того, в активной зоне реактора обязательно должен находиться замедлитель, как раз та самая часть, которая уменьшает скорость нейтронов, позволив им взаимодействовать с другими ядрами. Кроме этого, при работе реактора обязательно присутствует утечка нейтронов из активной зоны; чтобы повысить безопасность и вместе с тем увеличить возможность нейтронов оставаться в активной зоне нужен отражатель. Нельзя забывать, что во время ядерных реакций образуется большое количество теплоты, которое необходимо все время непрерывно отводить. Для этой цели через активную зону обязательно пропускают теплоноситель. Мы рассмотрели общие вопросы, теперь посмотрим на схеме, из чего и как, из каких частей состоит ядерный реактор.

Рис.2. Принципиальная схема ядерного реактора

Обратите внимание, что именно в активной зоне располагаются стержни с горючим. Это те стержни, которые наполнены обогащенным ураном, и именно тогда, когда этих стержней достаточное количество в активной зоне, начинается ядерная реакция. Кроме этого, для обеспечения безопасности и регулировки реакции обязательно сюда помещается стержень, а чаще всего это пластины, которые выполнены из элемента бора. Бор очень хорошо поглощает нейтроны, поэтому, вдвигая и выдвигая регулятор, мы можем регулировать количество нейтронов в активной зоне. Обязательно – отражатель, который не дает нейтронам покинуть активную зону, возвращает их обратно. Как правило, отражатель выполняется из бериллия. И следующее – это теплоноситель, который прокачивается через активную зону и отводит тепло. В большинстве случаев теплоносителем является вода, причем чаще всего тяжелая вода. Она также выполняет функцию замедлителя, обратите внимание. Замедлителем может быть тяжелая вода, вода, которая содержит изотопы водорода – дейтерий, тритий, а также углерод. Углерод тоже достаточно хороший замедлитель. Теплоноситель должен все время двигаться внутри, отводить тепло, и это должен быть замкнутый цикл.

Конечно, такого рода рисунок – это только принципиальная схема. На самом деле устройство атомного реактора гораздо сложнее, потому что мы должны полностью исключить присутствие человека там, где происходят все эти действия. Теплоноситель, отнимая тепло от активной зоны, сам обладает большой энергией и отдает свою энергию в теплообменники другому носителю тепла. В результате такой двойной передачи тепла образуется перегретый пар под высоким давлением и при высокой температуре, который потом поступает в турбины на электростанциях для вырабатывания электроэнергии.

Рис. 3. Передача тепла от реактора в генератор

Естественно, вся активная зона защищена очень толстым слоем специального бетона, который преграждает путь к радиоактивным излучениям.

История ядерных реакторов

Мы рассмотрели первый вид ядерного реактора. Первый ядерный реактор был пущен в 1942 году в США под руководством Энрико Ферми. Первая управляемая реакция была произведена там же. В СССР, в России, первый ядерный реактор был пущен в 1946 году.

Различные виды современных реакторов

На сегодняшний день существует несколько видов ядерных реакторов. Сейчас используются в основном реакторы двух типов, так называемые гомогенные, когда теплоноситель, замедлитель и ядерное горючее находятся вместе, как бы в перемешанном виде, в активной зоне. И гетерогенные. Что это за реакторы? Это те, в которых отдельно находится горючее в определенных либо пластинах, либо стержнях, а теплоноситель, замедлитель отдельно находится в активной зоне. У такого типа и у иного типа реакторов есть свои преимущества и недостатки.

Особый интерес представляют реакции, которые протекают в реакторах на быстрых нейтронах, где реакция протекает уже не с ²³⁵U, а с ²³⁸U, с изотопами, ядрами ²³⁸U. Но здесь есть одна существенная деталь. Активная зона реактора на быстрых нейтронах очень мала. С этим связана сложность отвода тепла от активной зоны. Поэтому на сегодняшний день реакторов на быстрых нейтронах не так много, но они существуют, за ними будущее. Хотелось бы отметить, что, помимо использования энергии, которая получается в результате реакций деления, на сегодняшний день разрабатывается возможность промышленного получения энергии в результате термоядерного синтеза. О термоядерном синтезе мы поговорим на будущих уроках.

Список дополнительной литературы

1. Кикоин И.К., Кикоин А.К. Физика: Учебник для 9 класса средней школы. М.: «Просвещение»
2. Китайгородский А.И. Физика для всех. Фотоны и ядра. Книга 4. М.: Наука
3. Мякишев Г.Я., Синякова А.З. Физика. Оптика Квантовая физика. 11 класс: учебник для углубленного изучения физики. М.: Дрофа

Задание к уроку

1. При каком значении коэффициента размножения нейтронов происходит цепная ядерная реакция в атомной бомбе? А в ядерном реакторе?
2. Для замедления быстрых нейтронов можно использовать, например, тяжёлую воду или углерод. В каком из этих замедлителей нейтрон испытает большее число столкновений, пока его скорость не снизится до тепловой?
3. Толщина h слоя перекрытия, ослабляющего данное ионизирующее излучение в 2 раза, носит название толщины половинного ослабления. Доказать, что слой толщиной H = nh ослабляет излучение в 2ⁿ раз.