Ρύθμιση του ρυθμού πυρηνικής σχάσης βαρέων ατόμων. «ειρηνικό» άτομο. Περιβαλλοντικές καταστροφές σε πυρηνικούς σταθμούς

Αφού πραγματοποιήθηκε μια ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση, η οποία κατέστησε δυνατή την απόκτηση μιας γιγαντιαίας ποσότητας ενέργειας, οι επιστήμονες έθεσαν το καθήκον να πραγματοποιήσουν μια ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση. Η ουσία μιας ελεγχόμενης αλυσιδωτής αντίδρασης είναι η ικανότητα ελέγχου των νετρονίων. Αυτή η αρχή έχει εφαρμοστεί με επιτυχία σε πυρηνικούς σταθμούς (NPP).

Η ενέργεια σχάσης των πυρήνων ουρανίου χρησιμοποιείται σε πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής (NPP). Η διαδικασία σχάσης του ουρανίου είναι πολύ επικίνδυνη. Ως εκ τούτου, οι πυρηνικοί αντιδραστήρες περιβάλλονται από πυκνά προστατευτικά κελύφη. Ένας κοινός τύπος αντιδραστήρα νερού υπό πίεση.

Ο φορέας θερμότητας είναι το νερό. Κρύο νερόεισέρχεται στον αντιδραστήρα υπό πολύ υψηλή πίεση, γεγονός που τον εμποδίζει να βράσει.

Το κρύο νερό, που διέρχεται από τον πυρήνα του αντιδραστήρα, λειτουργεί επίσης ως επιβραδυντής - επιβραδύνει τα γρήγορα νετρόνια, έτσι ώστε να χτυπήσουν τους πυρήνες του ουρανίου και να προκαλέσουν μια αλυσιδωτή αντίδραση.

Το πυρηνικό καύσιμο (ουράνιο) βρίσκεται στον πυρήνα με τη μορφή ράβδων συναρμολόγησης καυσίμου. Οι ράβδοι καυσίμου στο συγκρότημα εναλλάσσονται με ράβδους ελέγχου που ρυθμίζουν τον ρυθμό της πυρηνικής σχάσης απορροφώντας γρήγορα νετρόνια.

Κυκλοφόρησε κατά τη διαίρεση ένας μεγάλος αριθμός απόθερμότητα. Το θερμαινόμενο νερό φεύγει από τον πυρήνα υπό πίεση σε θερμοκρασία 300°C και εισέρχεται στο εργοστάσιο παραγωγής ενέργειας, όπου στεγάζονται γεννήτριες και στρόβιλοι.

Το ζεστό νερό από τον αντιδραστήρα θερμαίνει το νερό του δευτερογενούς κυκλώματος μέχρι να βράσει. Ο ατμός στέλνεται στα πτερύγια του στροβίλου και τον περιστρέφει. Ο περιστρεφόμενος άξονας μεταφέρει ενέργεια στη γεννήτρια. Στη γεννήτρια, η μηχανική ενέργεια περιστροφής μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια. Ο ατμός ψύχεται και το νερό επιστρέφει πίσω στον αντιδραστήρα.

Ως αποτέλεσμα αυτών των πολύπλοκων διαδικασιών, ένας πυρηνικός σταθμός παράγει ηλεκτρική ενέργεια.

Όπως μπορείτε να δείτε, το σχάσιμο ισότοπο βρίσκεται στις ράβδους καυσίμου που βρίσκονται στον πυρήνα του αντιδραστήρα, σχηματίζοντας μια κρίσιμη μάζα. Η πυρηνική αντίδραση ελέγχεται από ράβδους ελέγχου από βόριο ή κάδμιο. Οι ράβδοι ελέγχου, όπως και οι ράβδοι καυσίμου, βρίσκονται στον πυρήνα του αντιδραστήρα και, σαν σφουγγάρι που απορροφά νερό, δρουν στα νετρόνια, απορροφώντας τα. Ο χειριστής του NPP, ρυθμίζοντας τον αριθμό των ράβδων ελέγχου στον πυρήνα του αντιδραστήρα, ελέγχει την ταχύτητα της πυρηνικής διεργασίας: την επιβραδύνει χαμηλώνοντας τις ράβδους ελέγχου στον πυρήνα του αντιδραστήρα. ή επιταχύνει - σηκώνοντας τις ράβδους.

Φαίνεται ότι όλα είναι καλά - η πυρηνική ενέργεια είναι μια ανεξάντλητη πηγή υψηλής τεχνολογίας ηλεκτρικής ενέργειας και το μέλλον της ανήκει. Έτσι ο κόσμος σκέφτηκε πριν από τις 26 Αυγούστου 1986. Το ατύχημα στο τέταρτο τετράγωνο του πυρηνικού σταθμού του Τσερνομπίλ ανέτρεψε τα πάντα - το "ειρηνικό" άτομο αποδείχθηκε ότι δεν ήταν τόσο ειρηνικό, αν αντιμετωπιζόταν με περιφρόνηση.

Έχει γραφτεί πολύ υλικό για αυτό. Εδώ θα δοθεί η πεμπτουσία (συμπιεσμένη ουσία) της καταστροφής.

Οι κύριες αιτίες του ατυχήματος της 4ης μονάδας ισχύος του πυρηνικού σταθμού του Τσερνομπίλ:

1. Ανεπαρκώς μελετημένο πρόγραμμα του τεχνολογικού πειράματος για την εξάντληση της στροβιλογεννήτριας.
2. Λανθασμένοι υπολογισμοί προγραμματιστών πυρηνικός αντιδραστήρας RBMK, όπου σημαντικό ρόλο έπαιξε η έλλειψη επιχειρησιακών πληροφοριών σχετικά με το περιθώριο αντιδραστικότητας στον πυρήνα του συστήματος ελέγχου·
3. Οι «ελευθερίες» του προσωπικού του NPP που διεξήγαγε το πείραμα και επέτρεψαν παρεκκλίσεις από τους κανονισμούς των εργασιών που εκτελούνται.

Όλα αυτά μαζί οδήγησαν στην καταστροφή. Μεταξύ των ειδικών που ερευνούσαν τα γεγονότα στο Τσερνόμπιλ, υπήρχε κάτι σαν αυτόν τον τύπο: «Οι χειριστές κατάφεραν να ανατινάξουν το μπλοκ και ο αντιδραστήρας τους επέτρεψε να το κάνουν». Μέρος του σφάλματος του Τσερνομπίλ ανήκει σχεδόν σε όλους - και στους φυσικούς που πραγματοποιούν υπολογισμούς χρησιμοποιώντας απλουστευμένα μοντέλα, στους συναρμολογητές που συγκολλούν απρόσεκτα τις ραφές και στους χειριστές που επιτρέπουν στον εαυτό τους να αγνοήσει το πρόγραμμα εργασίας.

Ανατομία του ατυχήματος του Τσερνομπίλ με λίγα λόγια

1. Επιτρεπόταν η μείωση της ισχύος του αντιδραστήρα σε πολύ μικρή τιμή (περίπου 1% της ονομαστικής τιμής). Αυτό είναι «κακό» για τον αντιδραστήρα, γιατί πέφτει στο «λάκκο ιωδίου» και αρχίζει η δηλητηρίαση με ξένον του αντιδραστήρα. Σύμφωνα με το "κανονικό" - ήταν απαραίτητο να κλείσει ο αντιδραστήρας, αλλά σε αυτήν την περίπτωση, το πείραμα για την εξάντληση της τουρμπίνας δεν θα είχε πραγματοποιηθεί, με όλες τις διοικητικές συνέπειες που απορρέουν από αυτό. Ως αποτέλεσμα, το προσωπικό του Τσερνομπίλ αποφάσισε να αυξήσει την ισχύ του αντιδραστήρα και να συνεχίσει το πείραμα.

2. Μπορεί να φανεί από το υλικό που παρουσιάστηκε παραπάνω ότι ο χειριστής του NPP μπορεί να ελέγξει τον ρυθμό πυρηνικής αντίδρασης (ισχύς αντιδραστήρα) μετακινώντας τις ράβδους ελέγχου στον πυρήνα του αντιδραστήρα. Για να αυξηθεί η ισχύς του αντιδραστήρα (για να ολοκληρωθεί το πείραμα), σχεδόν όλες οι ράβδοι ελέγχου αφαιρέθηκαν από τον πυρήνα του αντιδραστήρα.

Για να γίνει πιο σαφές για έναν αναγνώστη που δεν είναι εξοικειωμένος με τις "πυρηνικές λεπτότητες", η ακόλουθη αναλογία μπορεί να γίνει με ένα φορτίο που αναρτάται σε ένα ελατήριο:

• Το φορτίο (ή μάλλον η θέση του) είναι η ισχύς του αντιδραστήρα.
• Το ελατήριο είναι ένα μέσο ελέγχου του φορτίου (η ισχύς του αντιδραστήρα).
• Στην κανονική θέση, το βάρος και το ελατήριο βρίσκονται σε ισορροπία - το βάρος είναι σε ένα ορισμένο ύψος και το ελατήριο τεντώνεται κατά ένα ορισμένο ποσό.
• Με την αποτυχία της ισχύος του αντιδραστήρα ("λάκκο ιωδίου") - το φορτίο κατέβηκε στο έδαφος (και πήγε πολύ έντονα).
• Για να "βγάλει" τον αντιδραστήρα, ο χειριστής "τράβηξε το ελατήριο" (έβγαλε τις ράβδους ελέγχου, αλλά ήταν απαραίτητο ακριβώς το αντίθετο - να εισαγάγετε όλες τις ράβδους και να κλείσει τον αντιδραστήρα, δηλαδή να απελευθερώσει το ελατήριο έτσι ώστε το φορτίο πέφτει στο έδαφος). Όμως, το σύστημα φορτίου-ελατηρίου έχει κάποια αδράνεια και για κάποιο χρονικό διάστημα αφότου ο χειριστής άρχισε να τραβάει το ελατήριο προς τα πάνω, το φορτίο εξακολουθεί να κινείται προς τα κάτω. Και ο χειριστής συνεχίζει να σηκώνεται.
• Τέλος, το φορτίο φτάνει στο χαμηλότερο σημείο του και υπό την επίδραση (ήδη αξιοπρεπών) δυνάμεων ελατηρίου, αρχίζει να κινείται προς τα πάνω - η ισχύς του αντιδραστήρα αρχίζει να αυξάνεται απότομα. Το φορτίο πετά προς τα πάνω όλο και πιο γρήγορα (μια ανεξέλεγκτη αλυσιδωτή αντίδραση με απελευθέρωση τεράστιας ποσότητας θερμότητας) και ο χειριστής δεν μπορεί πλέον να κάνει τίποτα για να σβήσει την αδράνεια της ανοδικής κίνησης του φορτίου. Ως αποτέλεσμα, το φορτίο χτυπά τον χειριστή στο μέτωπο.

Ναι, οι χειριστές του πυρηνικού σταθμού του Τσερνομπίλ, που επέτρεψαν την έκρηξη της μονάδας ισχύος, πλήρωσαν το υψηλότερο τίμημα για το λάθος τους - τη ζωή τους.

Γιατί το προσωπικό του πυρηνικού σταθμού του Τσερνομπίλ ενήργησε με αυτόν τον τρόπο; Ένας από τους λόγους ήταν το γεγονός ότι το σύστημα ελέγχου πυρηνικού αντιδραστήρα δεν παρείχε στον χειριστή επιχειρησιακές πληροφορίες σχετικά με τις επικίνδυνες διεργασίες που συμβαίνουν στον αντιδραστήρα.

Έτσι ξεκινά το βιβλίο του ο A.S. Dyatlov "Τσέρνομπιλ. Πώς ήταν":

Στις 26 Απριλίου 1986, στις μία ώρα και είκοσι τρία λεπτά σαράντα δευτερόλεπτα, ο Alexander Akimov, ο επόπτης βάρδιας της μονάδας 4 του Τσερνομπίλ, διέταξε να κλείσει ο αντιδραστήρας στο τέλος των εργασιών που πραγματοποιήθηκαν πριν από το κλείσιμο της μονάδας ισχύος για τις προγραμματισμένες επισκευές. Η εντολή δόθηκε σε ήρεμο περιβάλλον εργασίας, το κεντρικό σύστημα ελέγχου δεν καταγράφει ούτε ένα σήμα έκτακτης ανάγκης ή προειδοποίησης σχετικά με την απόκλιση των παραμέτρων του αντιδραστήρα ή των συστημάτων υπηρεσίας. Ο χειριστής του αντιδραστήρα Leonid Toptunov αφαίρεσε το καπάκι από το κουμπί AZ, το οποίο αποτρέπει το τυχαίο λάθος πάτημα, και πάτησε το κουμπί. Σε αυτό το σήμα, 187 ράβδοι ελέγχου του αντιδραστήρα άρχισαν να κινούνται προς τα κάτω στον πυρήνα. Οι λάμπες οπίσθιου φωτισμού στο μνημονικό πίνακα άναψαν και τα βέλη των ενδείξεων θέσης της ράβδου άρχισαν να κινούνται. Ο Alexander Akimov, που στεκόταν μισογυρισμένος στον πίνακα ελέγχου του αντιδραστήρα, το παρακολούθησε, είδε επίσης ότι τα "κουνελάκια" των δεικτών ανισορροπίας AR "βήξαν προς τα αριστερά" (η έκφρασή του), όπως θα έπρεπε, πράγμα που σήμαινε μείωση της ισχύς αντιδραστήρα, στράφηκε στον πίνακα ασφαλείας, πίσω από τον οποίο παρατηρήθηκε στο πείραμα.
Τότε όμως συνέβη κάτι που ούτε η πιο αχαλίνωτη φαντασίωση δεν μπορούσε να προβλέψει. Μετά από μια μικρή μείωση, η ισχύς του αντιδραστήρα άρχισε ξαφνικά να αυξάνεται με ολοένα αυξανόμενο ρυθμό, εμφανίστηκαν συναγερμοί. Ο Λ. Τοπτούνοφ φώναξε για έκτακτη αύξηση της εξουσίας. Αλλά δεν μπορούσε να κάνει τίποτα. Έκανε ό,τι μπορούσε - κράτησε το κουμπί AZ, οι ράβδοι CPS μπήκαν στον πυρήνα. Δεν υπάρχουν άλλοι πόροι στη διάθεσή του. Ναι, και όλοι οι άλλοι επίσης. Ο Α. Ακίμοφ φώναξε απότομα: "Σβήστε τον αντιδραστήρα!" Πήδηξε στην κονσόλα και απενεργοποίησε τους ηλεκτρομαγνητικούς συμπλέκτες των οδηγών ράβδων CPS. Η ενέργεια είναι σωστή, αλλά άχρηστη. Εξάλλου, η λογική του CPS, δηλαδή όλα τα στοιχεία των λογικών κυκλωμάτων του, λειτούργησαν σωστά, οι ράβδοι μπήκαν στη ζώνη. Τώρα είναι σαφές - μετά το πάτημα του κουμπιού AZ δεν υπήρχαν σωστές ενέργειες, δεν υπήρχαν μέσα σωτηρίας. Άλλη λογική απέτυχε!
Ακολούθησαν δύο ισχυρές εκρήξεις με μικρό διάστημα. Οι ράβδοι AZ σταμάτησαν να κινούνται πριν προχωρήσουν στα μισά του δρόμου. Δεν είχαν πού αλλού να πάνε.
Σε μία ώρα, είκοσι τρία λεπτά, σαράντα επτά δευτερόλεπτα, ο αντιδραστήρας καταστράφηκε από μια ώθηση ισχύος στα άμεσα νετρόνια. Αυτή είναι μια κατάρρευση, η απόλυτη καταστροφή που μπορεί να συμβεί σε έναν αντιδραστήρα ισχύος. Δεν το κατάλαβαν, δεν το προετοιμάστηκαν, δεν παρέχονται τεχνικά μέτρα εντοπισμού στο μπλοκ και τον σταθμό ...

Δηλαδή λίγα δευτερόλεπτα πριν την καταστροφή το προσωπικό δεν υποψιάστηκε καν τον κίνδυνο που πλησίαζε! Το τέλος όλης αυτής της παράλογης κατάστασης ήταν το πάτημα του κουμπιού έκτακτης ανάγκης, μετά το οποίο σημειώθηκε μια έκρηξη - ορμάς σε ένα αυτοκίνητο και πατάς τα φρένα μπροστά από ένα εμπόδιο, αλλά το αυτοκίνητο επιταχύνει ακόμη περισσότερο και προσκρούει σε ένα εμπόδιο. Για να είμαστε δίκαιοι, πρέπει να πούμε ότι το πάτημα του κουμπιού έκτακτης ανάγκης δεν θα μπορούσε πλέον να επηρεάσει την κατάσταση - επιτάχυνε μόνο την αναπόφευκτη έκρηξη του αντιδραστήρα για μερικές στιγμές, αλλά το γεγονός παραμένει - Η προστασία έκτακτης ανάγκης ανατίναξε τον αντιδραστήρα !

Η επίδραση της ακτινοβολίας στον άνθρωπο

Γιατί οι ανθρωπογενείς πυρηνικές καταστροφές (για να μην αναφέρουμε τα πυρηνικά όπλα) είναι τόσο επικίνδυνες;

Εκτός από την απελευθέρωση τεράστιας ποσότητας ενέργειας, η οποία οδηγεί σε μεγάλες καταστροφές, οι πυρηνικές αντιδράσεις συνοδεύονται από ακτινοβολία και, κατά συνέπεια, ακτινοβολία της περιοχής.

Γιατί η ακτινοβολία είναι τόσο επιβλαβής για έναν ζωντανό οργανισμό; Αν δεν έφερνε τέτοια ζημιά σε όλα τα ζωντανά όντα, τότε όλοι θα είχαν από καιρό ξεχάσει το ατύχημα του Τσερνομπίλ και οι ατομικές βόμβες θα εκτοξευόντουσαν δεξιά και αριστερά.

Η ακτινοβολία καταστρέφει τα κύτταρα ενός ζωντανού οργανισμού με δύο τρόπους:

1. λόγω θέρμανσης (καύση ακτινοβολίας)?
2. λόγω ιοντισμού των κυττάρων (ραδιενέργεια).

Τα ραδιενεργά σωματίδια και η ίδια η ακτινοβολία έχουν υψηλή κινητική ενέργεια. Η ακτινοβολία παράγει θερμότητα. Αυτή η θερμότητα, κατ' αναλογία με ένα ηλιακό έγκαυμα, προκαλεί έγκαυμα από ακτινοβολία, καταστρέφοντας τους ιστούς του σώματος.

Η αντίδραση πυρηνικής σχάσης νετρονίων των βαρέων πυρήνων, όπως ήδη σημειώθηκε, είναι η κύρια και κεντρική αντίδραση στους πυρηνικούς αντιδραστήρες. Ως εκ τούτου, είναι λογικό από την αρχή να εξοικειωθούμε με τις φυσικές έννοιες της αντίδρασης σχάσης και με εκείνα τα χαρακτηριστικά της που με τον ένα ή τον άλλο τρόπο αφήνουν το σημάδι τους σε όλες τις πτυχές της ζωής και της ζωής του πιο περίπλοκου τεχνικού συγκροτήματος, το οποίο είναι που ονομάζεται πυρηνικός σταθμός ηλεκτροπαραγωγής.

Το Σχ. 2.6 δίνει μια ιδέα της σχάσης του πυρήνα του ουρανίου-235 σε οπτικές εικόνες.

Πυρήνας νετρονίων μάζας Α Διεγερμένος σύνθετος πυρήνας Θραύσματα σχάσης

νετρόνια σχάσης

Εικ.2.6. Σχηματική αναπαράσταση της πυρηνικής σχάσης 235 U.

Με βάση αυτό το διάγραμμα, η γενικευμένη "εξίσωση" για την αντίδραση σχάσης (η οποία είναι περισσότερο λογική παρά αυστηρά μαθηματική) μπορεί να γραφτεί ως:

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

- (F 1)* και (F 2)* - σύμβολα ενθουσιασμένοςθραύσματα σχάσης (εφεξής, ο δείκτης (*) υποδηλώνει ασταθή, διεγερμένα ή ραδιενεργά στοιχεία). ένα θραύσμα (F 1)* έχει μάζα A 1 και φορτίο Z 1 , ένα θραύσμα (F 2)* έχει μάζα A 2 και φορτίο Z 2 .

-  5 . Το 1 n υποδηλώνει  5 νετρόνια σχάσης που απελευθερώνονται κατά μέσο όρο σε κάθε πράξη σχάσης του πυρήνα του ουρανίου-235.

- ,  και  - -σωματίδια, -σωματίδια και -κβάντα, οι μέσοι αριθμοί των οποίων ανά πράξη σχάσης του πυρήνα του ουρανίου-235 είναι αντίστοιχα a, b και c.

E είναι η μέση ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται κατά την πράξη της σχάσης.

Τονίζουμε ξανά: η έκφραση που γράφτηκε παραπάνω δεν είναι εξίσωση με τη στενή έννοια της λέξης. είναι μάλλον απλώς μια μορφή σημειογραφίας που είναι εύκολο να θυμόμαστε και αντικατοπτρίζει τα κύρια χαρακτηριστικά της αντίδρασης σχάσης νετρονίων:

α) ο σχηματισμός θραυσμάτων σχάσης·

β) ο σχηματισμός νέων ελεύθερων νετρονίων κατά τη διάσπαση, που στο εξής θα ονομάζουμε εν συντομία νετρόνια σχάσης;

γ) η ραδιενέργεια των θραυσμάτων σχάσης, η οποία προκαλεί περαιτέρω μετασχηματισμούς τους σε πιο σταθερούς σχηματισμούς, εξαιτίας της οποίας μια σειρά από παρενέργειες- θετικά, χρήσιμα και αρνητικά, τα οποία πρέπει να λαμβάνονται υπόψη κατά το σχεδιασμό, την κατασκευή και τη λειτουργία πυρηνικών αντιδραστήρων·

δ) η απελευθέρωση ενέργειας κατά τη σχάση - η κύρια ιδιότητα της αντίδρασης σχάσης, η οποία σας επιτρέπει να δημιουργήσετε ενέργεια πυρηνικός αντιδραστήρας.

Κάθε μία από τις φυσικές διεργασίες που αναφέρονται παραπάνω, που συνοδεύει την αντίδραση σχάσης, παίζει συγκεκριμένο ρόλο στον αντιδραστήρα και έχει τη δική της πρακτική έννοια. Ας τους γνωρίσουμε λοιπόν πιο αναλυτικά.

2.2.1. Ο σχηματισμός θραυσμάτων σχάσης.Μπορεί κανείς να μιλήσει για μια μεμονωμένη πράξη πυρηνικής σχάσης ως φαινόμενο σε κάποιο βαθμό τυχαίος, έχοντας κατά νου ότι ο βαρύς πυρήνας του ουρανίου, που αποτελείται από 92 πρωτόνια και 143 νετρόνια, είναι θεμελιωδώς ικανός να διασπαστεί σε διαφορετικό αριθμό θραυσμάτων με διαφορετικές ατομικές μάζες. Σε αυτή την περίπτωση, η αξιολόγηση της πιθανότητας πυρηνικής σχάσης σε 2, 3 ή περισσότερα θραύσματα μπορεί να προσεγγιστεί με πιθανολογικά μέτρα. Σύμφωνα με τα δεδομένα που δίνονται, η πιθανότητα πυρηνικής σχάσης σε δύο θραύσματα είναι μεγαλύτερη από 98%, επομένως, η συντριπτική πλειοψηφία της σχάσης τελειώνει με το σχηματισμό ακριβώς δύο θραυσμάτων.

Οι φασματοσκοπικές μελέτες προϊόντων σχάσης έχουν δημιουργήσει περισσότερα από 600 ποιοτικά διαφορετικά θραύσματα σχάσης με διαφορετικές ατομικές μάζες. Και εδώ, σε φαινομενική τύχη, με μεγάλο αριθμό τμημάτων, ένα γενικός κανόνας,που μπορεί να εκφραστεί εν συντομία ως εξής:

Η πιθανότητα εμφάνισης ενός θραύσματος ορισμένης ατομικής μάζας κατά τη μαζική σχάση ενός συγκεκριμένου νουκλιδίου είναι μια αυστηρά καθορισμένη τιμή, χαρακτηριστική αυτού του σχάσιμου νουκλιδίου.

Αυτή η ποσότητα ονομάζεται απόδοση θραύσματος , που συμβολίζεται με ένα μικρό ελληνικό γράμμα  Εγώ(γάμα) με δείκτη - το σύμβολο του χημικού στοιχείου, ο πυρήνας του οποίου είναι αυτό το θραύσμα ή το σύμβολο του ισοτόπου.

Για παράδειγμα, σε φυσικά πειράματα, καταγράφηκε ότι ένα θραύσμα xenon-135 (135 Xe) κατά τη διάρκεια κάθε χιλίων σχάσεων 235 πυρήνων U εμφανίζεται κατά μέσο όρο σε τρεις περιπτώσεις. Αυτό σημαίνει ότι η ειδική απόδοση του θραύσματος 135 Xe είναι

 Xe= 3/1000 = 0,003 όλων των διαιρέσεων,

και σε σχέση με μία πράξη πυρηνικής σχάσης 235 U, η τιμή  Xe = 0,003 = 0,3% - είναι την πιθανότητα η σχάση να τελειώσει με το σχηματισμό θραύσματος 135 Χεχ.

Μια σαφής εκτίμηση των προτύπων σχηματισμού θραυσμάτων σχάσης διαφόρων ατομικών μαζών δίνεται από τις καμπύλες της ειδικής απόδοσης των θραυσμάτων (Εικ. 2.7).

10

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

Ρύζι. 2.7. Ειδικές αποδόσεις θραυσμάτων σχάσης διαφορετικών ατομικών μαζών

στη σχάση των 235 U (συμπαγής γραμμή) και 239 Pu (διακεκομμένη γραμμή).

Η φύση αυτών των καμπυλών μας επιτρέπει να συμπεράνουμε τα εξής:

α) Οι ατομικές μάζες των θραυσμάτων που σχηματίζονται κατά τη σχάση, στη συντριπτική πλειοψηφία των περιπτώσεων, βρίσκονται εντός 70  165 π.μ. Η ειδική απόδοση των ελαφρύτερων και βαρύτερων θραυσμάτων είναι πολύ μικρή (δεν υπερβαίνει το 10 -4%).

β) Η συμμετρική πυρηνική σχάση (δηλαδή η σχάση σε δύο θραύσματα ίσων μαζών) είναι εξαιρετικά σπάνια: η ειδική τους απόδοση δεν υπερβαίνει το 0,01% για τους πυρήνες του ουρανίου-235 και το 0,04% για τους πυρήνες του πλουτωνίου-239.

γ) Συχνότερα σχηματίζεται πνεύμονεςθραύσματα με μαζικούς αριθμούς εντός 83 104 π.μ. και βαρύςθραύσματα με Α = 128  149 π.μ. (η ειδική τους απόδοση είναι 1% ή περισσότερο).

δ) Η σχάση του 239 Pu υπό τη δράση θερμικών νετρονίων οδηγεί στο σχηματισμό πολλών πιο βαρύθραύσματα σε σύγκριση με θραύσματα σχάσης 235 U.

*) Στο μέλλον, κατά τη μελέτη της κινητικής του αντιδραστήρα και των διαδικασιών δηλητηρίασης και σκωρίας του, θα πρέπει περισσότερες από μία φορές να στραφούμε στις τιμές των ειδικών αποδόσεων πολλών θραυσμάτων σχάσης κατά τη σύνταξη διαφορικών εξισώσεων που περιγράφουν τη φυσική διεργασίες στον πυρήνα του αντιδραστήρα.

Η ευκολία αυτής της τιμής είναι ότι, γνωρίζοντας τον ρυθμό αντίδρασης σχάσης (τον αριθμό των σχάσεων ανά μονάδα όγκου της σύνθεσης του καυσίμου ανά μονάδα χρόνου), είναι εύκολο να υπολογιστεί ο ρυθμός σχηματισμού οποιωνδήποτε θραυσμάτων σχάσης, η συσσώρευση των οποίων στο ο αντιδραστήρας επηρεάζει κατά κάποιο τρόπο τη λειτουργία του:

Ρυθμός δημιουργίας του θραύσματος i-ου =  Εγώ  (ταχύτητα αντίδρασης σχάσης)

Και μια ακόμη παρατήρηση που σχετίζεται με το σχηματισμό θραυσμάτων σχάσης. Τα θραύσματα σχάσης που δημιουργούνται κατά τη σχάση έχουν υψηλές κινητικές ενέργειες.Μεταφέροντας την κινητική τους ενέργεια κατά τις συγκρούσεις με τα άτομα του μέσου της σύνθεσης του καυσίμου, τα θραύσματα σχάσης με αυτόν τον τρόπο αύξηση του μέσου επιπέδου κινητικής ενέργειας των ατόμων και των μορίων,η οποία, σύμφωνα με τις ιδέες της κινητικής θεωρίας, γίνεται αντιληπτή από εμάς ως άνοδος θερμοκρασίαςσύνθεση καυσίμου ή και τα δύο απαγωγή θερμότητας σε αυτό.

Το μεγαλύτερο μέρος της θερμότητας στον αντιδραστήρα παράγεται με αυτόν τον τρόπο.

Αυτός είναι ένας ορισμένος θετικός ρόλος του σχηματισμού θραυσμάτων στη διαδικασία εργασίας ενός αντιδραστήρα πυρηνικής ενέργειας.

2.2.2. Σχηματισμός νετρονίων σχάσης.Το βασικό φυσικό φαινόμενο που συνοδεύει τη διαδικασία σχάσης των βαρέων πυρήνων είναι εκπομπή δευτερογενών ταχέων νετρονίων από διεγερμένα θραύσματα σχάσης,σε διαφορετική περίπτωση που ονομάζεται άμεσο νετρόνιαή νετρόνια σχάσης.

Η σημασία αυτού του φαινομένου (ανακαλύφθηκε από τον F. Joliot-Curie με τους συνεργάτες - Albano και Kovarsky - το 1939) είναι αδιαμφισβήτητο: Είναι χάρη σε αυτόν που κατά τη διάρκεια της σχάσης των βαρέων πυρήνων, νέα ελεύθερα νετρόνια εμφανίζονται να αντικαθιστούν εκείνα που προκάλεσαν τη σχάση. Αυτά τα νέα νετρόνια μπορούν να αλληλεπιδράσουν με άλλους σχάσιμους πυρήνες του καυσίμου και να τους προκαλέσουν σχάση, συνοδευόμενη από την εκπομπή νέων νετρονίων σχάσης κ.λπ.Δηλαδή, λόγω του σχηματισμού νετρονίων σχάσης, καθίσταται δυνατή οργανώνω η διαδικασία των σχάσεων που ακολουθούν ομοιόμορφα η μία την άλλη στο χρόνο χωρίς να παρέχουν ελεύθερα νετρόνια στο μέσο που περιέχει το καύσιμο από εξωτερική πηγή. Σε μια τέτοια παράδοση, με απλά λόγια, όχι απαραίτητο, μόλις βρεθούν τα «εργαλεία» με τα οποία πραγματοποιείται η πυρηνική σχάση εδώ, σε αυτό ακριβώς το περιβάλλον, σε δεσμευμένη κατάσταση σε σχάσιμους πυρήνες. για να «χρησιμοποιήσουν» τα δεσμευμένα νετρόνια, χρειάζεται μόνο να απελευθερωθούν, δηλαδή ο πυρήνας χωρίζεται σε θραύσματα και στη συνέχεια τα ίδια τα θραύσματα θα τελειώσουν τα πάντα: λόγω της διεγερμένης κατάστασής τους, θα εκπέμπουν «επιπλέον» νετρόνια. από τη σύνθεσή τους, παρεμποδίζοντας τη σταθερότητά τους, επιπλέον, αυτό θα συμβεί σε χρόνο της τάξης των 10 -15 - 10 -13 s, που συμπίπτει κατά σειρά μεγέθους με το χρόνο που αφιερώνει ο σύνθετος πυρήνας σε διεγερμένη κατάσταση. Αυτή η σύμπτωση προκάλεσε την ιδέα ότι εμφανίζονται τα νετρόνια σχάσης όχι από διεγερμένα θραύσματα σχάσης υπερκορεσμένα με νετρόνια μετά το τέλος της σχάσης, αλλά απευθείας σε εκείνο το σύντομο χρονικό διάστημα κατά το οποίο συμβαίνει η πυρηνική σχάση.Αυτό δεν είναι μετάη πράξη της διαίρεσης, και στη διάρκειααυτή η πράξη, σαν ταυτόχρονα με την καταστροφή του πυρήνα. Για τον ίδιο λόγο, αυτά τα νετρόνια αναφέρονται συχνά ως άμεσο νετρόνια.

Μια ανάλυση πιθανών συνδυασμών πρωτονίων και νετρονίων σε σταθερούς πυρήνες διαφόρων ατομικών μαζών (θυμηθείτε το διάγραμμα σταθερών πυρήνων) και η σύγκρισή τους με την ποιοτική σύνθεση των προϊόντων σχάσης έδειξε ότι πιθανότητα σχηματισμούβιώσιμος θραύσματα κατά τη σχάση είναι πολύ μικρό.Και αυτό σημαίνει ότι η συντριπτική πλειοψηφία των θραυσμάτων γεννιέται ασταθήςκαι μπορεί να εκπέμπει ένα, δύο, τρία ή και περισσότερα νετρόνια σχάσης «περιττά» για τη σταθερότητά τους, επιπλέον, είναι σαφές ότι κάθε συγκεκριμένο διεγερμένο θραύσμα πρέπει να εκπέμπει δική, αυστηρά καθορισμένηο αριθμός των νετρονίων σχάσης «περιττός» για τη σταθερότητά του.

Επειδή όμως κάθε θραύσμα με μεγάλο αριθμό σχάσεων έχει μια αυστηρά καθορισμένη συγκεκριμένη απόδοση, τότε με έναν ορισμένο μεγάλο αριθμό σχάσης, ο αριθμός των σχηματισμένων θραυσμάτων σχάσης κάθε τύπου θα είναι επίσης σίγουρος και, κατά συνέπεια, ο αριθμός των νετρονίων σχάσης που εκπέμπονται από θραύσματα κάθε τύπου θα είναι επίσης βέβαιο, αλλά, Αυτό σημαίνει ότι ο συνολικός αριθμός τους θα είναι επίσης σίγουρος. Διαιρώντας τον συνολικό αριθμό των νετρονίων που λαμβάνονται στις σχάσεις με τον αριθμό των σχάσεων στις οποίες λαμβάνονται, πρέπει να λάβουμε μέσος αριθμός νετρονίων σχάσης που εκπέμπονται σε ένα γεγονός σχάσης, η οποία με βάση το παραπάνω σκεπτικό πρέπει επίσης να ορίζεται αυστηρά και σταθερά για κάθε είδος σχάσιμων νουκλεϊδίων.Αυτή η φυσική σταθερά του σχάσιμου νουκλιδίου συμβολίζεται  .

Σύμφωνα με δεδομένα του 1998 (η τιμή αυτής της σταθεράς ενημερώνεται περιοδικά με βάση τα αποτελέσματα της ανάλυσης φυσικών πειραμάτων σε όλο τον κόσμο) στη σχάση υπό τη δράση θερμικών νετρονίων

Για το ουράνιο-235  5 = 2.416,

Για το πλουτώνιο-239  9 = 2.862,

Για το πλουτώνιο-241  1 = 2.938 κ.λπ.

Χρήσιμη είναι η τελευταία παρατήρηση: η τιμή της σταθεράς  ουσιαστικά εξαρτάται από την τιμή της κινητικής ενέργειας των νετρονίων που προκαλούν σχάση και με την ανάπτυξη της τελευταίας αυξάνεται περίπου σε ευθεία αναλογία με το E.

Για τα δύο πιο σημαντικά σχάσιμα νουκλεΐδια, οι κατά προσέγγιση εξαρτήσεις (E) περιγράφονται με εμπειρικές εκφράσεις:

Για το ουράνιο-235  5 (ΜΙ) = 2.416 + 0.1337 μι;

Για το πλουτώνιο-239  9 (ΜΙ) = 2.862 + 0.1357 μι.

*) Η ενέργεια νετρονίων Ε αντικαθίσταται σε [MeV].

Έτσι, η τιμή της σταθεράς , που υπολογίζεται με αυτούς τους εμπειρικούς τύπους, σε διάφορες ενέργειες νετρονίων μπορεί να φτάσει τις ακόλουθες τιμές:

Έτσι, το πρώτο χαρακτηριστικό των νετρονίων σχάσης που εκπέμπονται κατά τη σχάση συγκεκριμένων σχάσιμων νουκλεϊδίων είναι το χαρακτηριστικό αυτών των νουκλεϊδίων μέσος αριθμός νετρονίων σχάσης που παράγονται σε ένα γεγονός σχάσης .

Γεγονός είναι ότι για όλα τα σχάσιμα νουκλεΐδια  > 1, δημιουργεί μια προϋπόθεση για τη σκοπιμότητα αλυσίδα αντίδραση σχάσης νετρονίων. Είναι σαφές ότι για να εφαρμοστεί αυτοσυντηρούμενη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσηςείναι απαραίτητο να δημιουργηθούν προϋποθέσεις για έναςαπό  νετρόνια που λαμβάνονται κατά την πράξη της σχάσης σίγουρα καλείταιη επόμενη διαίρεση ενός άλλου πυρήνα, και υπόλοιπο ( - 1) νετρόνια με κάποιο τρόπο εξαιρούνται από την πυρηνική σχάση.Διαφορετικά, η ένταση των διαιρέσεων στο χρόνο θα μεγαλώσει σαν χιονοστιβάδα (κάτι που συμβαίνει στο ατομική βόμβα).

Αφού είναι πλέον γνωστό ότι η τιμή της σταθεράς  αυξάνεται με την αύξηση της ενέργειας των νετρονίων που προκαλούν σχάση, τίθεται ένα λογικό ερώτημα: με ποια κινητική ενέργεια γεννημένοςνετρόνια σχάσης;

Η απάντηση σε αυτό το ερώτημα δίνεται από το δεύτερο χαρακτηριστικό των νετρονίων σχάσης, που ονομάζεται ενεργειακό φάσμα νετρονίων σχάσηςκαι αντιπροσωπεύει τη συνάρτηση κατανομής των νετρονίων σχάσης πάνω από τις κινητικές τους ενέργειες.

Εάν σε μια μονάδα (1 cm 3) όγκο του μέσου σε κάποια δεδομένη χρονική στιγμή, nνετρόνια σχάσης όλων των πιθανών ενεργειών, λοιπόν κανονικοποιημένο ενεργειακό φάσμαείναι συνάρτηση της ενεργειακής τιμής Ε, η τιμή της οποίας, για οποιαδήποτε συγκεκριμένη τιμή του Ε, δείχνει ποιο μέρος (κλάσμα) όλων αυτών των νετρονίων είναι νετρόνια με ενέργειες του στοιχειώδους διαστήματος dE κοντά στην ενέργειαΕ. Μιλάμε δηλαδή για την έκφραση

Η κατανομή ενέργειας των νετρονίων σχάσης περιγράφεται με μεγάλη ακρίβεια Φασματική συνάρτηση Watt(βάτ):

n(μι) = 0.4839
, (2.2.2)

γραφική απεικόνιση του οποίου είναι το σχ.2.8. στην επόμενη σελίδα.

Το φάσμα Watt δείχνει ότι, παρόλο που τα νετρόνια σχάσης παράγονται με μεγάλη ποικιλία ενεργειών, βρίσκονται σε ένα πολύ ευρύ φάσμα, Τα περισσότερα νετρόνια έχουν μια αρχική ενέργεια,ίσο με μι nv = 0,7104 MeV, που αντιστοιχεί στο μέγιστο της φασματικής συνάρτησης Watt. Το νόημα αυτής της τιμής είναι η πιο πιθανή ενέργεια νετρονίων σχάσης.

Μια άλλη ποσότητα που χαρακτηρίζει το ενεργειακό φάσμα των νετρονίων σχάσης είναι μέση ενέργεια νετρονίων σχάσης , δηλαδή, η ποσότητα ενέργειας που θα είχε κάθε νετρόνιο σχάσης εάν η συνολική πραγματική ενέργεια όλων των νετρονίων σχάσης διαιρούνταν εξίσου μεταξύ τους:

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

Η αντικατάσταση στο (2.2.3) της έκφρασης (2.2.2) δίνει την τιμή της μέσης ενέργειας των νετρονίων σχάσης

μι Νυμφεύω = 2,0 MeV

Και αυτό σημαίνει ότι σχεδόν όλοιπαράγονται νετρόνια σχάσης γρήγορα(δηλαδή με ενέργειες μι > 0.1 MeV). Υπάρχουν όμως λίγα γρήγορα νετρόνια με σχετικά υψηλές κινητικές ενέργειες (λιγότερο από 1%), αν και μια αξιοσημείωτη ποσότητα νετρονίων σχάσης εμφανίζεται με ενέργειες έως 18 - 20 MeV.

0 1 2 3 4 5 Е, MeV

Εικ.2.8. Το ενεργειακό φάσμα των νετρονίων σχάσης είναι το φάσμα Watt.

Τα φάσματα νετρονίων σχάσης για διαφορετικά σχάσιμα νουκλεΐδια διαφέρουν μεταξύ τους ελαφρώς. Ας πούμε, για τα νουκλίδια 235U και 239Pu που μας ενδιαφέρουν πρωτίστως, οι μέσες ενέργειες των νετρονίων σχάσης (διορθωμένες σύμφωνα με τα αποτελέσματα φυσικών πειραμάτων):

E av = 1,935 MeV - για 235 U και E av = 2,00 MeV - για 239 Pu

Η τιμή της μέσης ενέργειας του φάσματος νετρονίων σχάσης αυξάνεται με την ενέργεια των νετρονίων που προκαλούν σχάση, αλλά αυτή η αύξηση είναι αμελητέα(τουλάχιστον εντός της περιοχής 10 - 12 MeV). Αυτό καθιστά δυνατό να μην ληφθεί υπόψη και να υπολογιστεί κατά προσέγγιση το ενεργειακό φάσμα των νετρονίων σχάσης κοινά για διαφορετικά πυρηνικά καύσιμα και για διαφορετικού φάσματος (γρήγορο, ενδιάμεσο και θερμικό) αντιδραστήρες.

Για το ουράνιο-238, παρά την οριακή φύση της σχάσης του, το φάσμα νετρονίων σχάσης συμπίπτει επίσης πρακτικά με την έκφραση(2.2.2), και η εξάρτηση του μέσου αριθμού νετρονίων σχάσης  8 από την ενέργεια των νετρονίων που προκαλούν σχάση - επίσης σχεδόν γραμμικόσε ενέργειες πάνω από το κατώφλι ( μι Π = 1.1 MeV):

 8 (ΜΙ) = 2.409 + 0.1389μι. (2.2.4)

2.2.3. Ραδιενέργεια θραυσμάτων σχάσης.Έχει ήδη ειπωθεί ότι έχουν δημιουργηθεί περίπου 600 τύποι θραυσμάτων σχάσης, που διαφέρουν ως προς τη μάζα και το φορτίο πρωτονίων, και ότι πρακτικά όλα γεννιούνταιπολύ ενθουσιασμένοι .

Το θέμα περιπλέκεται περαιτέρω από το γεγονός ότι κουβαλούν μεγάλο ενθουσιασμό και μετά εκπομπή νετρονίων σχάσης. Ως εκ τούτου, στη φυσική τους προσπάθεια για σταθερότητα, συνεχίζουν να "εκφορτίζουν" την περίσσεια ενέργειας πάνω από το επίπεδο της βασικής κατάστασης μέχρι να επιτευχθεί αυτό το επίπεδο.

Αυτή η απελευθέρωση πραγματοποιείται με διαδοχική εκπομπή θραυσμάτων όλων των τύπων ραδιενεργής ακτινοβολίας (ακτινοβολία άλφα, βήτα και γάμμα) και σε διαφορετικά θραύσματα εμφανίζονται διαφορετικοί τύποι ραδιενεργού διάσπασης σε διαφορετικές ακολουθίες και (λόγω διαφορών στις τιμές των σταθερές αποσύνθεσης ) τεντώνονται σε διάφορους βαθμούς στο χρόνο.

Έτσι, σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα που λειτουργεί, όχι μόνο η διαδικασία συσσώρευσηραδιενεργά θραύσματα, αλλά και τη διαδικασία της συνεχούς τους μεταμόρφωση: ένας μεγάλος αριθμός είναι γνωστός αλυσίδεςδιαδοχικοί μετασχηματισμοί, που τελικά οδηγούν στο σχηματισμό σταθερών πυρήνων, αλλά όλες αυτές οι διαδικασίες απαιτούν διαφορετικούς χρόνους, για ορισμένες αλυσίδες - πολύ μικρές και για άλλες - αρκετά μεγάλες.

Επομένως, η ραδιενεργή ακτινοβολία δεν συνοδεύει μόνο την αντίδραση σχάσης εργαζόμενοςαντιδραστήρα, αλλά και εκπέμπεται από το καύσιμο για μεγάλο χρονικό διάστημα μετά τη διακοπή λειτουργίας του.

Αυτός ο παράγοντας, πρώτον, γεννά ένα ειδικό είδος σωματικού κινδύνου - τον κίνδυνο έκθεση του προσωπικού,που εξυπηρετεί το εργοστάσιο του αντιδραστήρα, συντομογραφία ως κίνδυνο ακτινοβολίας. Αυτό αναγκάζει τους σχεδιαστές του εργοστασίου του αντιδραστήρα να φροντίσουν για το περιβάλλον του. βιολογική άμυνα,τοποθετήστε το σε δωμάτια απομονωμένα από το περιβάλλον και λάβετε μια σειρά άλλων μέτρων για την εξάλειψη της πιθανότητας επικίνδυνης έκθεσης ανθρώπων και ραδιενεργής μόλυνσης περιβάλλον.

Δεύτερον, μετά τη διακοπή λειτουργίας του αντιδραστήρα, όλα τα είδη ραδιενεργών ακτινοβολιών, αν και μειώνονται σε ένταση, συνεχίζουν να αλληλεπιδρούν με τα υλικά του πυρήνα και, όπως τα ίδια τα θραύσματα σχάσης στην αρχική περίοδο της ελεύθερης ύπαρξής τους, μεταφέρουν την κινητική τους ενέργεια σε τα άτομα του μέσου πυρήνα, αυξάνοντας τη μέση κινητική τους ενέργεια.Αυτό είναι στον αντιδραστήρα μετά τη διακοπή λειτουργίας του θερμότητα αποσύνθεσης .

Είναι εύκολο να γίνει κατανοητό ότι η ισχύς της υπολειπόμενης απελευθέρωσης θερμότητας στον αντιδραστήρα τη στιγμή της διακοπής λειτουργίας είναι ευθέως ανάλογη με τον αριθμό των θραυσμάτων που έχουν συσσωρευτεί κατά τη λειτουργία του αντιδραστήρα μέχρι αυτή τη στιγμή και ο ρυθμός μείωσής του στο μέλλον καθορίζεται από τους χρόνους ημιζωής αυτών των θραυσμάτων. Από όσα ειπώθηκαν ακολουθεί ένα άλλο αρνητικόςπαράγοντας που οφείλεται στη ραδιενέργεια των θραυσμάτων σχάσης - χρειάζομαιμακρύςαπόσβεση πυρήνα του αντιδραστήρα μετά τη διακοπή λειτουργίαςπροκειμένου να αφαιρεθεί η υπολειπόμενη θερμότητα, και αυτό συνδέεται με σημαντική κατανάλωση ηλεκτρικής ενέργειας και πόρων κινητήρα του εξοπλισμού κυκλοφορίας.

Έτσι, ο σχηματισμός ραδιενεργών θραυσμάτων κατά τη σχάση σε έναν αντιδραστήρα είναι φαινόμενο κυρίως αρνητικός, αλλά ... δεν υπάρχει ασημική επένδυση!

Στους ραδιενεργούς μετασχηματισμούς των θραυσμάτων σχάσης, μπορεί επίσης να δει κανείς θετικόςπτυχή στην οποία κυριολεκτικά αφορούν οι πυρηνικοί αντιδραστήρες οφείλουν την ύπαρξή τους . Το γεγονός είναι ότι από έναν μεγάλο αριθμό θραυσμάτων σχάσης, υπάρχουν περίπου 60 τύποι τέτοιων που, μετά την πρώτη -αποσύνθεση, γίνονται ενεργό νετρόνιο ικανό να εκπέμψει τα λεγόμενα μόνωσηνετρόνια. Στον αντιδραστήρα εκπέμπονται σχετικά λίγα καθυστερημένα νετρόνια (περίπου 0,6% του συνολικού αριθμού των παραγόμενων νετρονίων), αλλά ακριβώς λόγω της ύπαρξής τους είναι δυνατό ασφαλής διαχείριση πυρηνικός αντιδραστήρας; Αυτό θα το επαληθεύσουμε όταν μελετήσουμε την κινητική ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

2.2.4. Η απελευθέρωση ενέργειας κατά τη σχάση.Η αντίδραση πυρηνικής σχάσης στη φυσική είναι μια από τις σαφείς επιβεβαιώσεις της υπόθεσης του Α. Αϊνστάιν για τη σχέση μεταξύ μάζας και ενέργειας, η οποία, σε σχέση με την πυρηνική σχάση, διατυπώνεται ως εξής:

Η ποσότητα ενέργειας που απελευθερώνεται κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης είναι ευθέως ανάλογη με το ελάττωμα της μάζας και ο παράγοντας αναλογικότητας σε αυτή τη σχέση είναι το τετράγωνο της ταχύτητας του φωτός:

Ε=  mc 2

Κατά τη διάρκεια της πυρηνικής σχάσης, η περίσσεια (ελάττωμα) μαζών ορίζεται ως η διαφορά μεταξύ του αθροίσματος των υπολοίπων μαζών των αρχικών προϊόντων αντίδρασης σχάσης (δηλαδή του πυρήνα και του νετρονίου) και των προϊόντων πυρηνικής σχάσης που προκύπτουν (θραύσματα σχάσης, νετρόνια σχάσης και άλλα μικροσωματίδια που εκπέμπονται τόσο στη διαδικασία σχάσης όσο και μετά από αυτόν).

Η φασματοσκοπική ανάλυση κατέστησε δυνατό τον προσδιορισμό των περισσότερων προϊόντων σχάσης και των ειδικών αποδόσεων τους. Σε αυτή τη βάση, δεν ήταν τόσο δύσκολο να υπολογιστεί ιδιωτικόςτο μέγεθος των ελαττωμάτων μάζας για διαφορετικά αποτελέσματα σχάσης πυρήνων ουρανίου-235 και από αυτά - υπολογίστε η μέση τιμή της ενέργειας που απελευθερώνεται σε μια μεμονωμένη σχάση, η οποία αποδείχθηκε ότι ήταν κοντά στο

mc 2 = 200 MeV

Αρκεί να συγκρίνουμε αυτή την τιμή με την ενέργεια που απελευθερώνεται στην πράξη ενός από τα πιο ενδόθερμα χημική ουσίααντιδράσεις - αντιδράσεις οξείδωσης καυσίμου πυραύλων (λιγότερο από 10 eV) - για να κατανοήσουμε ότι στο επίπεδο των αντικειμένων του μικροκόσμου (άτομα, πυρήνες) 200 MeV - πολύ μεγάλη ενέργεια: είναι τουλάχιστον οκτώ τάξεις μεγέθους (100 εκατομμύρια φορές) μεγαλύτερη από την ενέργεια που παράγεται από χημικές αντιδράσεις.

Η ενέργεια της σχάσης διαχέεται από τον όγκο όπου συνέβη η σχάση του πυρήνα, μέσω διαφόρων υλικών μεταφορείς: θραύσματα σχάσης, νετρόνια σχάσης, σωματίδια - και , -κβάντα ακόμα και νετρίνα και αντινετρίνα.

Η κατανομή της ενέργειας σχάσης μεταξύ υλικών φορέων κατά τη διάσπαση πυρήνων 235 U και 239 Pu δίνεται στον Πίνακα 2.1.

Πίνακας 2.1. Κατανομή της ενέργειας σχάσης των πυρήνων ουρανίου-235 και πλουτωνίου-239 μεταξύ προϊόντων σχάσης.

Φορείς Ενέργειας Διάσπασης		Πλουτώνιο-239
1. Κινητική ενέργεια θραυσμάτων σχάσης
2. Κινητική ενέργεια νετρονίων σχάσης
3. Ενέργεια άμεσων γάμμα κβαντών
4. Ενέργεια -κβαντών από προϊόντα σχάσης
5. Κινητική ενέργεια -ακτινοβολία θραυσμάτων
6. Ενέργεια αντινετρίνου

Διάφορα συστατικά της ενέργειας σχάσης μετατρέπονται σε θερμότητα όχι ταυτόχρονα.

Τα τρία πρώτα συστατικά μετατρέπονται σε θερμότητα σε λιγότερο από 0,1 s (μετρώντας από τη στιγμή της σχάσης) και επομένως ονομάζονται στιγμιαίες πηγές θερμότητας.

Οι ακτινοβολίες  και  των προϊόντων σχάσης εκπέμπονται από διεγερμένα θραύσματα με με διαφορετικούς χρόνους ημιζωής(από μερικά κλάσματα του δευτερολέπτου έως αρκετές δεκάδες ημέρες, αν λάβουμε υπόψη μόνο θραύσματα με αξιοσημείωτη συγκεκριμένη απόδοση), και επομένως η διαδικασία που αναφέρθηκε παραπάνω υπολειπόμενη θερμότητα, που οφείλεται ακριβώς στις ραδιενεργές εκπομπές προϊόντων σχάσης, μπορεί να διαρκέσει δεκάδες ημέρες μετά τη διακοπή λειτουργίας του αντιδραστήρα.

*) Σύμφωνα με πολύ πρόχειρες εκτιμήσεις, η ισχύς της υπολειπόμενης θερμότητας στον αντιδραστήρα μετά το κλείσιμό του μειώνεται το πρώτο λεπτό - κατά 30-35%, μετά την πρώτη ώρα της διακοπής λειτουργίας του αντιδραστήρα είναι περίπου το 30% της ισχύος στην οποία η ο αντιδραστήρας λειτούργησε πριν από το κλείσιμο, και μετά την πρώτη ημέρα στάθμευσης - περίπου 25 τοις εκατό. Είναι σαφές ότι η διακοπή της εξαναγκασμένης ψύξης του αντιδραστήρα υπό τέτοιες συνθήκες αποκλείεται, αφού ακόμη και μια βραχυπρόθεσμη διακοπή της κυκλοφορίας του ψυκτικού στον πυρήνα είναι γεμάτη με τον κίνδυνο θερμικής καταστροφής των στοιχείων καυσίμου. Μόνο μετά από αρκετές ημέρες αναγκαστικής ψύξης του αντιδραστήρα, όταν ο ρυθμός απελευθέρωσης υπολειπόμενης θερμότητας μειωθεί στο επίπεδο που αφαιρέθηκε λόγω της φυσικής μεταφοράς του ψυκτικού υγρού, το μέσο κυκλοφορίας του πρωτεύοντος κυκλώματος μπορεί να σταματήσει.

Η δεύτερη πρακτική ερώτηση για τον μηχανικό: πού και ποιο μέρος της ενέργειας της σχάσης μετατρέπεται σε θερμότητα στον αντιδραστήρα? - αφού αυτό οφείλεται στην ανάγκη οργάνωσης μιας ισορροπημένης απομάκρυνσης θερμότητας από τα διάφορα εσωτερικά του μέρη, σχεδιασμένα σε διάφορα τεχνολογικά σχέδια.

σύνθεση καυσίμου, το οποίο περιέχει σχάσιμα νουκλεΐδια, περιέχεται σε σφραγισμένα κελύφη που εμποδίζουν την έξοδο των θραυσμάτων που προκύπτουν από τη σύνθεση καυσίμου των στοιχείων καυσίμου (ράβδοι καυσίμου) στο ψυκτικό υγρό που τα ψύχει. Και, εάν τα θραύσματα σχάσης σε έναν αντιδραστήρα που λειτουργεί δεν εγκαταλείπουν τις ράβδους καυσίμου, είναι σαφές ότι οι κινητικές ενέργειες των θραυσμάτων και τα ασθενώς διεισδυτικά σωματίδια  μετατρέπονται σε θερμότητα μέσα σε ράβδους καυσίμου.

Οι ενέργειες των νετρονίων σχάσης και της ακτινοβολίας  μετατρέπονται σε θερμότητα μόνο μέσα στα στοιχεία καυσίμου εν μέρει: η διεισδυτική ισχύς των νετρονίων και η ακτινοβολία  δημιουργεί μεταφέρωτο μεγαλύτερο μέρος της αρχικής τους κινητικής ενέργειας από τις γενέτειρές τους.

Η γνώση της ακριβούς τιμής της ενέργειας σχάσης και του μεριδίου της στην προκύπτουσα θερμότητα μέσα στα στοιχεία καυσίμου έχει μεγάλη πρακτική σημασία, επιτρέποντάς σας να υπολογίσετε ένα άλλο πρακτικά σημαντικό χαρακτηριστικό, που ονομάζεται ειδική ογκομετρική απελευθέρωση θερμότητας σε ράβδους καυσίμου (q v).

Για παράδειγμα, εάν είναι γνωστό ότι σε 1 cm 3 της σύνθεσης καυσίμου ενός στοιχείου καυσίμου, σε 1 s R φά σχάση πυρήνων ουρανίου-235, είναι προφανές: η ποσότητα της θερμικής ενέργειας που παράγεται κάθε δευτερόλεπτο σε αυτόν τον όγκο μονάδας (= θερμική ισχύς 1 cm 3 καυσίμου) είναι η ειδική ογκομετρική απελευθέρωση θερμότητας (ή ενεργειακή ένταση) καύσιμο και αυτή η τιμή θα είναι ίση με:

q v = 0.9 .  μι . R φά (2.2.5)

Το μερίδιο της ενέργειας σχάσης που λαμβάνεται ως θερμότητα έξω από τα στοιχεία καυσίμου στον πυρήνα του αντιδραστήρα εξαρτάται από τον τύπο και το σχεδιασμό του και βρίσκεται εντός (6  9)% της συνολικής ενέργειας σχάσης. (Για παράδειγμα, για το VVER-1000 αυτή η τιμή είναι περίπου ίση με 8,3%, και για το RBMK-1000 - περίπου 7%).

Έτσι, το μερίδιο της συνολικής απελευθέρωσης θερμότητας στον όγκο του πυρήνα από τη συνολική ενέργεια σχάσης είναι 0,96  0,99, δηλ. με τεχνική ακρίβεια συμπίπτει με τη συνολική ενέργεια σχάσης.

Ως εκ τούτου - ένα άλλο τεχνικό χαρακτηριστικό του πυρήνα του αντιδραστήρα:

- μέση ένταση ισχύος του πυρήνα(q v) az - θερμική ισχύς που λαμβάνεται ανά μονάδα όγκου του πυρήνα:

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

Δεδομένου ότι η ενέργεια σε 1 MeVστο σύστημα SI αντιστοιχεί σε 1.602. 10-13 J, τότε η τιμή της ενεργειακής έντασης του πυρήνα του αντιδραστήρα:

(q v) az  3.204 . 10-11 R φά .

Επομένως, εάν είναι γνωστή η τιμή της ενεργειακής πυκνότητας που υπολογίζεται κατά μέσο όρο στον όγκο της ενεργής ζώνης, τότε θερμική ισχύς του αντιδραστήραπροφανώς θα είναι:

Q Π= (q v) αζ. V αζ 3.204. 10–11 . R φά . V αζ [Τρ] (2.2.7)

Η θερμική ισχύς του αντιδραστήρα είναι ευθέως ανάλογη με μέση ταχύτητα

αντιδράσεις σχάσης στην ενεργή ζώνη του.

Πρακτική συνέπεια : Θέλετε να δουλέψει ο αντιδραστήραςσταθερό επίπεδο ισχύος; -Δημιουργήστε συνθήκες σε αυτό ώστε να προχωρήσει η αντίδραση σχάσης στην ενεργό ζώνη του με σταθερή μέση ταχύτητα στο χρόνο.Χρειάζεται να αυξηθεί (μειωθεί) η ισχύς του αντιδραστήρα; - Βρείτε τρόπους να αυξήσετε (ή να μειώσετε) τον ρυθμό αντίδρασης ανάλογα de λενίγια.Αυτό είναι το πρωταρχικό νόημα του ελέγχου της ισχύος ενός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Οι εξεταζόμενες αναλογίες και συμπεράσματα φαίνονται προφανείς μόνο στην απλούστερη περίπτωση, όταν το συστατικό καυσίμου στον αντιδραστήρα είναι ένα ουράνιο-235. Ωστόσο, επαναλαμβάνοντας το σκεπτικό για τον αντιδραστήρα με πολλαπλών συστατικώνη σύνθεση του καυσίμου, είναι εύκολο να επαληθευτεί η αναλογικότητα του μέσου ρυθμού της αντίδρασης σχάσης και της θερμικής ισχύος του αντιδραστήρα στην πιο γενική περίπτωση.

Έτσι, η θερμική ισχύς του αντιδραστήρα και κατανομή της απελευθέρωσης θερμότητας στον πυρήνα τουείναι ευθέως ανάλογες με την κατανομή του ρυθμού αντίδρασης σχάσης στον όγκο της σύνθεσης του καυσίμου του πυρήνα του αντιδραστήρα.

Αλλά από όσα ειπώθηκαν είναι επίσης σαφές ότι ο ρυθμός της αντίδρασης σχάσης θα πρέπει να σχετίζεται με τον αριθμό των ελεύθερων νετρονίων στο μέσο του πυρήνα, αφού είναι αυτά (ελεύθερα νετρόνια) που προκαλούν αντιδράσεις σχάσης, σύλληψη ακτινοβολίας, σκέδαση και άλλες αντιδράσεις νετρονίων. Με άλλα λόγια, ο ρυθμός της αντίδρασης σχάσης, η απελευθέρωση ενέργειας στον πυρήνα και η θερμική ισχύς του αντιδραστήρα πρέπει να σχετίζονται σαφώς με χαρακτηριστικά πεδίου νετρονίωνστο πεδίο εφαρμογής του.

Πίσω μπροστά

Προσοχή! Η προεπισκόπηση της διαφάνειας είναι μόνο για ενημερωτικούς σκοπούς και ενδέχεται να μην αντιπροσωπεύει την πλήρη έκταση της παρουσίασης. Εάν ενδιαφέρεστε για αυτό το έργο, κατεβάστε την πλήρη έκδοση.

Στόχοι μαθήματος:

• Εκπαιδευτικός: επικαιροποίηση της υπάρχουσας γνώσης· Συνέχιση του σχηματισμού των εννοιών: σχάση πυρήνων ουρανίου, πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, συνθήκες εμφάνισής της, κρίσιμη μάζα. εισαγωγή νέων εννοιών: πυρηνικός αντιδραστήρας, τα κύρια στοιχεία ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, ο σχεδιασμός ενός πυρηνικού αντιδραστήρα και η αρχή της λειτουργίας του, ο έλεγχος μιας πυρηνικής αντίδρασης, η ταξινόμηση των πυρηνικών αντιδραστήρων και η χρήση τους.
• Ανάπτυξη: να συνεχίσει το σχηματισμό της ικανότητας παρατήρησης και εξαγωγής συμπερασμάτων, καθώς και ανάπτυξης των πνευματικών ικανοτήτων και της περιέργειας των μαθητών.
• Εκπαιδευτικός: να συνεχίσει την εκπαίδευση της στάσης απέναντι στη φυσική ως πειραματική επιστήμη. να καλλιεργήσουν μια ευσυνείδητη στάση για την εργασία, την πειθαρχία, μια θετική στάση στη γνώση.

Τύπος μαθήματος:εκμάθηση νέου υλικού.

Εξοπλισμός:εγκατάσταση πολυμέσων.

Κατά τη διάρκεια των μαθημάτων

1. Οργανωτική στιγμή.

Παιδιά! Σήμερα στο μάθημα θα επαναλάβουμε τη σχάση πυρήνων ουρανίου, μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση, τις συνθήκες εμφάνισής της, την κρίσιμη μάζα, θα μάθουμε τι είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας, τα κύρια στοιχεία ενός πυρηνικού αντιδραστήρα, ο σχεδιασμός ενός πυρηνικού αντιδραστήρα και την αρχή της λειτουργίας του, έλεγχος πυρηνικής αντίδρασης, ταξινόμηση πυρηνικών αντιδραστήρων και χρήση τους.

2. Έλεγχος του υλικού που μελετήθηκε.

1. Μηχανισμός σχάσης πυρήνων ουρανίου.
2. Περιγράψτε τον μηχανισμό μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης.
3. Δώστε ένα παράδειγμα αντίδρασης πυρηνικής σχάσης του πυρήνα του ουρανίου.
4. Τι ονομάζεται κρίσιμη μάζα;
5. Πώς προχωρά μια αλυσιδωτή αντίδραση στο ουράνιο εάν η μάζα του είναι μικρότερη από κρίσιμη, περισσότερο από κρίσιμη;
6. Ποια είναι η κρίσιμη μάζα του ουρανίου 295, είναι δυνατόν να μειωθεί η κρίσιμη μάζα;
7. Πώς μπορείτε να αλλάξετε την πορεία μιας πυρηνικής αλυσιδωτής αντίδρασης;
8. Ποιος είναι ο σκοπός της επιβράδυνσης των γρήγορων νετρονίων;
9. Ποιες ουσίες χρησιμοποιούνται ως συντονιστές;
10. Λόγω ποιων παραγόντων μπορεί να αυξηθεί ο αριθμός των ελεύθερων νετρονίων σε ένα κομμάτι ουρανίου, διασφαλίζοντας έτσι την πιθανότητα να συμβεί μια αντίδραση σε αυτό;

3. Επεξήγηση νέου υλικού.

Παιδιά, απαντήστε σε αυτή την ερώτηση: Ποιο είναι το κύριο μέρος κάθε πυρηνικού σταθμού; ( πυρηνικός αντιδραστήρας)

Μπράβο. Λοιπόν, παιδιά, ας σταθούμε τώρα σε αυτό το θέμα πιο αναλυτικά.

Αναφορά ιστορίας.

Igor Vasilyevich Kurchatov - ένας εξαιρετικός σοβιετικός φυσικός, ακαδημαϊκός, ιδρυτής και πρώτος διευθυντής του Ινστιτούτου ατομική ενέργειααπό το 1943 έως το 1960, επικεφαλής επιστημονικός ηγέτης του ατομικού προβλήματος στην ΕΣΣΔ, ένας από τους ιδρυτές της χρήσης της πυρηνικής ενέργειας για ειρηνικούς σκοπούς. Ακαδημαϊκός της Ακαδημίας Επιστημών της ΕΣΣΔ (1943). Η πρώτη σοβιετική ατομική βόμβα δοκιμάστηκε το 1949. Τέσσερα χρόνια αργότερα, η πρώτη βόμβα υδρογόνου στον κόσμο δοκιμάστηκε με επιτυχία. Και το 1949, ο Igor Vasilievich Kurchatov άρχισε να εργάζεται για το έργο ενός πυρηνικού σταθμού. Ο πυρηνικός σταθμός είναι ένας αγγελιοφόρος της ειρηνικής χρήσης της ατομικής ενέργειας. Το έργο ολοκληρώθηκε με επιτυχία: στις 27 Ιουλίου 1954, ο πυρηνικός μας σταθμός έγινε ο πρώτος στον κόσμο! Ο Κουρτσάτοφ χάρηκε και διασκέδασε σαν παιδί!

Ορισμός πυρηνικού αντιδραστήρα.

Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι μια συσκευή στην οποία πραγματοποιείται και διατηρείται μια ελεγχόμενη αλυσιδωτή αντίδραση σχάσης ορισμένων βαρέων πυρήνων.

Ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας κατασκευάστηκε το 1942 στις ΗΠΑ υπό την ηγεσία του Ε. Φέρμι. Στη χώρα μας, ο πρώτος αντιδραστήρας κατασκευάστηκε το 1946 υπό την ηγεσία του IV Kurchatov.

Τα κύρια στοιχεία ενός πυρηνικού αντιδραστήρα είναι:

• πυρηνικό καύσιμο (ουράνιο 235, ουράνιο 238, πλουτώνιο 239);
• συντονιστής νετρονίων (βαρύ νερό, γραφίτης κ.λπ.).
• ψυκτικό για την παραγωγή ενέργειας που παράγεται κατά τη λειτουργία του αντιδραστήρα (νερό, υγρό νάτριο κ.λπ.)·
• Ράβδοι ελέγχου (βόριο, κάδμιο) - απορροφούν έντονα νετρόνια
• Προστατευτικό κέλυφος που καθυστερεί την ακτινοβολία (μπετόν με πληρωτικό σιδήρου).

Λειτουργική αρχή πυρηνικός αντιδραστήρας

Το πυρηνικό καύσιμο βρίσκεται στην ενεργή ζώνη με τη μορφή κάθετων ράβδων που ονομάζονται στοιχεία καυσίμου (TVEL). Οι ράβδοι καυσίμου έχουν σχεδιαστεί για να ελέγχουν την ισχύ του αντιδραστήρα.

Η μάζα κάθε ράβδου καυσίμου είναι πολύ μικρότερη από την κρίσιμη μάζα, επομένως δεν μπορεί να συμβεί αλυσιδωτή αντίδραση σε μία ράβδο. Ξεκινά μετά τη βύθιση στην ενεργή ζώνη όλων των ράβδων ουρανίου.

Η ενεργή ζώνη περιβάλλεται από ένα στρώμα ουσίας που αντανακλά τα νετρόνια (ανακλαστήρας) και ένα προστατευτικό κέλυφος σκυροδέματος που παγιδεύει νετρόνια και άλλα σωματίδια.

Απομάκρυνση θερμότητας από κυψέλες καυσίμου. Το ψυκτικό - νερό πλένει τη ράβδο, θερμαίνεται στους 300 ° C σε υψηλή πίεσηεισέρχεται στους εναλλάκτες θερμότητας.

Ο ρόλος του εναλλάκτη θερμότητας - το νερό που θερμαίνεται στους 300 ° C, εκπέμπει θερμότητα στο συνηθισμένο νερό, μετατρέπεται σε ατμό.

Έλεγχος πυρηνικής αντίδρασης

Ο αντιδραστήρας ελέγχεται από ράβδους που περιέχουν κάδμιο ή βόριο. Με τις ράβδους εκτεινόμενες από τον πυρήνα του αντιδραστήρα, K > 1, και με τις ράβδους πλήρως ανασυρμένες, K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Αντιδραστήρας σε αργά νετρόνια.

Η πιο αποτελεσματική σχάση των πυρήνων του ουρανίου-235 συμβαίνει υπό τη δράση αργών νετρονίων. Τέτοιοι αντιδραστήρες ονομάζονται αργοί αντιδραστήρες νετρονίων. Τα δευτερεύοντα νετρόνια που παράγονται στην αντίδραση σχάσης είναι γρήγορα. Προκειμένου η επακόλουθη αλληλεπίδρασή τους με τους πυρήνες ουρανίου-235 σε μια αλυσιδωτή αντίδραση να είναι πιο αποτελεσματική, επιβραδύνονται με την εισαγωγή ενός συντονιστή στον πυρήνα - μια ουσία που μειώνει την κινητική ενέργεια των νετρονίων.

Γρήγορος αντιδραστήρας νετρονίων.

Οι αντιδραστήρες ταχέων νετρονίων δεν μπορούν να λειτουργήσουν με φυσικό ουράνιο. Η αντίδραση μπορεί να διατηρηθεί μόνο σε ένα εμπλουτισμένο μείγμα που περιέχει τουλάχιστον 15% του ισοτόπου ουρανίου. Το πλεονέκτημα των ταχέων αντιδραστήρων νετρονίων είναι ότι η λειτουργία τους παράγει σημαντική ποσότητα πλουτωνίου, το οποίο μπορεί στη συνέχεια να χρησιμοποιηθεί ως πυρηνικό καύσιμο.

Ομοιογενείς και ετερογενείς αντιδραστήρες.

Οι πυρηνικοί αντιδραστήρες, ανάλογα με την αμοιβαία διάταξη καυσίμου και συντονιστή, χωρίζονται σε ομοιογενείς και ετερογενείς. Σε έναν ομοιογενή αντιδραστήρα, ο πυρήνας είναι μια ομοιογενής μάζα καυσίμου, μέσου ελέγχου και ψυκτικού με τη μορφή διαλύματος, μείγματος ή τήγματος. Ένας αντιδραστήρας ονομάζεται ετερογενής, στον οποίο το καύσιμο με τη μορφή μπλοκ ή συγκροτημάτων καυσίμου τοποθετείται στον συντονιστή, σχηματίζοντας ένα κανονικό γεωμετρικό πλέγμα σε αυτόν.

Μετατροπή της εσωτερικής ενέργειας των ατομικών πυρήνων σε ηλεκτρική ενέργεια.

Ένας πυρηνικός αντιδραστήρας είναι το κύριο στοιχείο ενός πυρηνικού σταθμού (NPP), ο οποίος μετατρέπει τη θερμική πυρηνική ενέργεια σε ηλεκτρική ενέργεια. Η μετατροπή ενέργειας πραγματοποιείται σύμφωνα με το ακόλουθο σχήμα:

• εσωτερική ενέργεια των πυρήνων ουρανίου -
• κινητική ενέργεια νετρονίων και θραυσμάτων πυρήνων -
• εσωτερική ενέργεια του νερού -
• εσωτερική ενέργεια ατμού -
• κινητική ενέργεια ατμού -
• κινητική ενέργεια του ρότορα του στροβίλου και του ρότορα της γεννήτριας -
• Ηλεκτρική ενέργεια.

Χρήση πυρηνικών αντιδραστήρων.

Ανάλογα με το σκοπό, οι πυρηνικοί αντιδραστήρες είναι ηλεκτρικής ενέργειας, μετατροπείς και εκτροφείς, ερευνητικοί και πολλαπλών χρήσεων, μεταφορές και βιομηχανικοί.

Οι αντιδραστήρες πυρηνικής ενέργειας χρησιμοποιούνται για την παραγωγή ηλεκτρικής ενέργειας σε πυρηνικούς σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής, σε σταθμούς ηλεκτροπαραγωγής πλοίων, πυρηνικούς σταθμούς συνδυασμένης θερμότητας και ηλεκτροπαραγωγής, καθώς και σε σταθμούς παροχής πυρηνικής θερμότητας.

Οι αντιδραστήρες που έχουν σχεδιαστεί για την παραγωγή δευτερογενούς πυρηνικού καυσίμου από φυσικό ουράνιο και θόριο ονομάζονται μετατροπείς ή εκτροφείς. Στον αντιδραστήρα-μετατροπέα το δευτερεύον πυρηνικό καύσιμο σχηματίζεται λιγότερο από αυτό που καταναλώθηκε αρχικά.

Στον αντιδραστήρα αναπαραγωγής, πραγματοποιείται εκτεταμένη αναπαραγωγή πυρηνικού καυσίμου, δηλ. αποδεικνύεται περισσότερα από όσα δαπανήθηκαν.

Οι ερευνητικοί αντιδραστήρες χρησιμοποιούνται για τη μελέτη των διαδικασιών αλληλεπίδρασης νετρονίων με την ύλη, τη μελέτη της συμπεριφοράς των υλικών των αντιδραστήρων σε έντονα πεδία ακτινοβολίας νετρονίων και γάμμα, ραδιοχημική και βιολογική έρευνα, παραγωγή ισοτόπων, πειραματική έρευνα στη φυσική των πυρηνικών αντιδραστήρων.

Οι αντιδραστήρες έχουν διαφορετική ισχύ, σταθερή ή παλμική λειτουργία. Οι αντιδραστήρες πολλαπλών χρήσεων είναι αντιδραστήρες που εξυπηρετούν πολλαπλούς σκοπούς, όπως η παραγωγή ενέργειας και η παραγωγή πυρηνικών καυσίμων.

Περιβαλλοντικές καταστροφές σε πυρηνικούς σταθμούς

• 1957 - ατύχημα στο Ηνωμένο Βασίλειο
• 1966 - Μερική τήξη του πυρήνα μετά από αποτυχία ψύξης του αντιδραστήρα κοντά στο Ντιτρόιτ.
• 1971 - Πολύ μολυσμένο νερό μπήκε στον ποταμό των ΗΠΑ
• 1979 - μεγαλύτερο ατύχημαστις ΗΠΑ
• 1982 - απελευθέρωση ραδιενεργού ατμού στην ατμόσφαιρα
• 1983 - ένα τρομερό ατύχημα στον Καναδά (ραδιενεργό νερό έρεε για 20 λεπτά - ένας τόνος ανά λεπτό)
• 1986 - ατύχημα στο Ηνωμένο Βασίλειο
• 1986 - ατύχημα στη Γερμανία
• 1986 - Πυρηνικός σταθμός του Τσερνομπίλ
• 1988 - πυρκαγιά σε πυρηνικό εργοστάσιο στην Ιαπωνία

Οι σύγχρονοι πυρηνικοί σταθμοί είναι εξοπλισμένοι με υπολογιστή και νωρίτερα, ακόμη και μετά από ατύχημα, οι αντιδραστήρες συνέχισαν να λειτουργούν, καθώς δεν υπήρχε σύστημα αυτόματης διακοπής λειτουργίας.

4. Στερέωση του υλικού.

1. Τι είναι ένας πυρηνικός αντιδραστήρας;
2. Τι είναι το πυρηνικό καύσιμο σε έναν αντιδραστήρα;
3. Ποια ουσία χρησιμεύει ως μετριαστής νετρονίων σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα;
4. Ποιος είναι ο σκοπός ενός συντονιστή νετρονίων;
5. Σε τι χρησιμεύουν οι ράβδοι ελέγχου; Πώς χρησιμοποιούνται;
6. Τι χρησιμοποιείται ως ψυκτικό στους πυρηνικούς αντιδραστήρες;
7. Γιατί είναι απαραίτητο η μάζα κάθε ράβδου ουρανίου να είναι μικρότερη από την κρίσιμη μάζα;

5. Εκτέλεση δοκιμής.

1. Ποια σωματίδια συμμετέχουν στη σχάση των πυρήνων του ουρανίου;
   Α. πρωτόνια;
   Β. νετρόνια;
   Β. ηλεκτρόνια;
   G. πυρήνες ηλίου.
2. Ποια μάζα ουρανίου είναι κρίσιμη;
   Α. η μεγαλύτερη στην οποία είναι δυνατή μια αλυσιδωτή αντίδραση.
   Β. οποιαδήποτε μάζα.
   V. το μικρότερο στο οποίο είναι δυνατή μια αλυσιδωτή αντίδραση.
   Δ. τη μάζα στην οποία θα σταματήσει η αντίδραση.
3. Ποια είναι κατά προσέγγιση η κρίσιμη μάζα του ουρανίου 235;
   Α. 9 κιλά;
   Β. 20 κιλά;
   Β. 50 κιλά;
   Ζ. 90 κιλά.
4. Ποιες από τις παρακάτω ουσίες μπορούν να χρησιμοποιηθούν σε πυρηνικούς αντιδραστήρες ως επιβραδυντές νετρονίων;
   Α. γραφίτης;
   Β. κάδμιο;
   Β. βαρύ νερό.
   G. bor.
5. Για να συμβεί μια πυρηνική αλυσιδωτή αντίδραση σε ένα πυρηνικό εργοστάσιο, είναι απαραίτητο ο συντελεστής πολλαπλασιασμού νετρονίων να είναι:
   Α. ισούται με 1.
   Β. περισσότερα από 1;
   V. λιγότερο από 1.
6. Η ρύθμιση του ρυθμού σχάσης των πυρήνων βαρέων ατόμων σε πυρηνικούς αντιδραστήρες πραγματοποιείται:
   Α. λόγω της απορρόφησης νετρονίων κατά το κατέβασμα των ράβδων με απορροφητή.
   Β. λόγω αύξησης της απομάκρυνσης θερμότητας με αύξηση της ταχύτητας του ψυκτικού υγρού.
   Β. Με την αύξηση της παροχής ηλεκτρικής ενέργειας στους καταναλωτές.
   Ζ. με τη μείωση της μάζας του πυρηνικού καυσίμου στον πυρήνα κατά την αφαίρεση των ράβδων καυσίμου.
7. Ποιοι ενεργειακοί μετασχηματισμοί λαμβάνουν χώρα σε έναν πυρηνικό αντιδραστήρα;
   Α. Η εσωτερική ενέργεια των ατομικών πυρήνων μετατρέπεται σε φωτεινή ενέργεια.
   Β. η εσωτερική ενέργεια των ατομικών πυρήνων μετατρέπεται σε μηχανική ενέργεια;
   Β. Η εσωτερική ενέργεια των ατομικών πυρήνων μετατρέπεται σε ηλεκτρική ενέργεια.
   Ζ. δεν υπάρχει σωστή απάντηση μεταξύ των απαντήσεων.
8. Το 1946 κατασκευάστηκε ο πρώτος πυρηνικός αντιδραστήρας στη Σοβιετική Ένωση. Ποιος ήταν ο επικεφαλής αυτού του έργου;
   A. S. Korolev;
   B. I. Kurchatov;
   V. D. Sakharov;
   G. A. Prokhorov.
9. Ποιο τρόπο θεωρείτε τον καταλληλότερο για την αύξηση της αξιοπιστίας των πυρηνικών σταθμών και την πρόληψη της μόλυνσης του εξωτερικού περιβάλλοντος;
   Α. Ανάπτυξη αντιδραστήρων ικανών να ψύχουν αυτόματα τον πυρήνα του αντιδραστήρα, ανεξάρτητα από τη βούληση του χειριστή.
   Β. Αύξηση του αλφαβητισμού στη λειτουργία των ΠΝ, του επιπέδου επαγγελματικής κατάρτισης των χειριστών ΠΝ.
   Β. Ανάπτυξη τεχνολογιών υψηλής απόδοσης για τη διάλυση πυρηνικών σταθμών ηλεκτροπαραγωγής και την επεξεργασία ραδιενεργών αποβλήτων.
   Δ. τη θέση των αντιδραστήρων βαθιά υπόγεια.
   Ε. άρνηση κατασκευής και λειτουργίας πυρηνικών σταθμών.
10. Ποιες πηγές περιβαλλοντικής ρύπανσης συνδέονται με τη λειτουργία των πυρηνικών σταθμών;
    Α. βιομηχανία ουρανίου.
    Β. πυρηνικοί αντιδραστήρες ΔΙΑΦΟΡΕΤΙΚΟΙ ΤΥΠΟΙ;
    Β. ραδιοχημική βιομηχανία.
    Δ. Χώροι επεξεργασίας και διάθεσης ραδιενεργών αποβλήτων.
    Ε. χρήση ραδιονουκλεϊδίων στην εθνική οικονομία.
    Ε. πυρηνικές εκρήξεις.

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

6. Τα αποτελέσματα του μαθήματος.

Τι καινούργιο μάθατε στο μάθημα σήμερα;

Τι σας άρεσε στο μάθημα;

Ποιες είναι οι ερωτήσεις;

ΕΥΧΑΡΙΣΤΟΥΜΕ ΓΙΑ ΤΗ ΔΟΥΛΕΙΑ ΣΑΣ ΣΤΟ ΜΑΘΗΜΑ!