重原子の核分裂速度の制御。 「平和な」原子。 原子力発電所における環境災害
制御されない連鎖反応が実行され、膨大な量のエネルギーを得ることが可能になった後、科学者は制御された連鎖反応を実行するという課題を設定しました。 制御された連鎖反応の本質は、中性子を制御する能力です。 この原理は原子力発電所 (NPP) にうまく適用されています。
ウラン原子核の核分裂エネルギーは原子力発電所 (NPP) で使用されます。 ウランの核分裂プロセスは非常に危険です。 したがって、原子炉は高密度の保護シェルで囲まれています。 一般的なタイプの加圧水型原子炉。
熱媒体は水です。 冷水非常に高圧下で反応器に入り、沸騰を防ぎます。
原子炉の炉心を通過する冷水は減速材としても機能し、高速中性子を減速させてウラン核に衝突させ、連鎖反応を引き起こします。
核燃料（ウラン）は燃料集合体棒の形で炉心にあります。 集合体内の燃料棒は、高速中性子を吸収することで核分裂の速度を制御する制御棒と交互に配置されています。
分割によりリリース たくさんの熱。 加熱された水は、300℃の温度で加圧されて炉心を出て、発電機とタービンを収容する発電所に入ります。
原子炉からの熱水は二次回路水を加熱して沸騰させます。 蒸気はタービンの翼に送られて回転します。 回転シャフトはエネルギーを発電機に伝達します。 発電機では、回転の機械エネルギーが電気エネルギーに変換されます。 蒸気は冷却され、水は反応器に戻されます。
これらの複雑なプロセスの結果、原子力発電所は電気を生成します。
ご覧のとおり、核分裂性同位体は炉心にある燃料棒の中に存在し、臨界質量を形成しています。 核反応はホウ素またはカドミウムで作られた制御棒によって制御されます。 制御棒は燃料棒と同様に炉心に位置し、水を吸収するスポンジのように中性子に作用して中性子を吸収します。 原子力発電所の運転者は、炉心の中の制御棒の数を調整することによって、核プロセスの速度を制御します。制御棒を炉心内に降ろすことによって核プロセスの速度を低下させます。 または加速 - ロッドを上げる。
すべてがうまくいっているように思えるかもしれません。原子力エネルギーは無尽蔵のハイテク電源であり、未来はそれに属しています。 1986 年 8 月 26 日以前、人々はそう考えていました。 チェルノブイリ原子力発電所の第 4 ブロックの事故はすべてをひっくり返しました。「平和な」原子は、軽蔑的に扱われると、それほど平和ではないことが判明しました。
これについては多くの資料が書かれています。 ここに大惨事の真髄（圧縮された本質）が与えられるだろう。
チェルノブイリ原子力発電所の第 4 発電機の事故の主な原因は次のとおりです。
- タービン発電機のランアウトに関する技術実験の計画が十分に練られていなかった。
- 核開発者の誤算 RBMKリアクターここで重要な役割を果たしたのは、制御システムの炉心の反応度余裕に関する運用情報の欠如でした。
- 実験を実施し、実施されている作業の規定からの逸脱を許可した原子力発電所職員の「自由」。
これらすべてが重なって災害を引き起こしました。 チェルノブイリの事件を調査している専門家の中には、次のような公式がありました。 「オペレーターはブロックを爆破することに成功したが、原子炉はそれを許可した」。 チェルノブイリの断層の一部は、ほぼすべての人にあり、単純化されたモデルを使用して計算を実行する物理学者、継ぎ目を不用意に溶接する組立業者、作業スケジュールを無視するオペレータにあります。
チェルノブイリ事故を簡単に分析する
1. 原子炉出力を非常に小さな値 (公称値の約 1%) まで下げることが許可されました。 これは原子炉にとって「悪い」ものであり、それは「ヨウ素ピット」に落ちて原子炉のキセノン被毒が始まるからである。 「通常」によれば、原子炉を停止する必要がありましたが、この場合、タービンの振れに関する実験は実行されず、そこから生じるすべての管理上の影響がありました。 その結果、チェルノブイリの職員は原子炉の出力を増加して実験を継続することを決定しました。
2. 上に提示した資料から、原子力発電所の運転者は制御棒を炉心に移動させることによって核反応速度 (原子炉出力) を制御できることがわかります。 原子炉の出力を高めるため（実験を完了するため）、ほぼすべての制御棒が炉心から取り外されました。
「核の微妙な点」に詳しくない読者にわかりやすくするために、ばねに吊り下げられた荷物を例にして次のような例えを立てることができます。
- 負荷 (あるいはその位置) はリアクターの出力です。
- バネは負荷（リアクトルの力）を制御する手段です。
- 通常の位置では、おもりとバネは平衡状態にあります。おもりは一定の高さにあり、バネは一定量だけ伸びています。
- 原子炉の電源の故障（「ヨウ素ピット」）により、貨物は地面に落ちました（そして非常に強く進みました）。
- 原子炉を「引き抜く」には、オペレーターは「バネを引いた」（制御棒を引き抜いた）必要がありましたが、その逆、すべての棒を挿入して原子炉を遮断する、つまり、負荷がかかるようにバネを解放する必要がありました。地面に落ちます）。 ただし、負荷とスプリングのシステムには慣性があり、オペレーターがスプリングを引き上げ始めた後もしばらくの間は、負荷は依然として下降します。 そしてオペレーターは引き上げ続けます。
- 最後に、負荷は最低点に達し、（すでに適切な）バネ力の影響を受けて上向きに移動し始めます。原子炉の出力は急激に増加し始めます。 積荷はますます速く上向きに飛行し（大量の熱の放出を伴う制御不能な連鎖反応）、オペレーターはもはや積荷の上方への動きの慣性を消すために何もできなくなります。 その結果、荷重が作業者の額に当たります。
そうです、発電装置の爆発を許したチェルノブイリ原子力発電所の運転員たちは、自らの過ちに対して最高の代償、つまり自らの命を支払ったのです。
チェルノブイリ原子力発電所の職員はなぜこのような行動を取ったのでしょうか? その理由の 1 つは、原子炉制御システムが原子炉内で発生する危険なプロセスに関する運用情報をオペレーターに提供しなかったという事実でした。
A.S.ディアトロフはこのように著書を始めています 「チェルノブイリ。どうだった？」:
1986 年 4 月 26 日、1 時間 23 分 40 秒、チェルノブイリ 4 号機の当直監督者アレクサンダー・アキモフは、発電装置の停止前に行われた作業の終了時に原子炉を停止するよう命令した。計画された修理。 この指令は穏やかな作業環境で行われ、集中制御システムは原子炉やサービスシステムのパラメータの逸脱に関する緊急信号や警告信号を何一つ記録していない。 原子炉操作員のレオニード・トプトゥノフは、誤押しを防ぐAZボタンのキャップを外し、ボタンを押した。 この合図とともに、原子炉の 187 本の制御棒が炉心へ下降し始めました。 ニーモニックパネルのバックライトランプが点灯し、ロッドポジションインジケーターの矢印が動き始めました。 アレクサンダー・アキモフは、原子炉制御盤に向かって半分向きを変えて立っており、これを観察し、AR不均衡指標の「ウサギ」が当然のように「左に傾いた」（彼の表情）ことにも気づきました。原子炉の出力は安全パネルに向けられ、その背後で実験で観察されました。
しかしその後、最も自由な空想でも予測できなかったことが起こりました。 原子炉の出力がわずかに減少した後、突然、これまで以上の速度で増加し始め、警報が現れました。 L.トプトゥノフは緊急の権力強化について叫んだ。 しかし、彼にできることは何もありませんでした。 彼はできる限りのことをしました - 彼はAZボタンを押し続け、CPSロッドがコアに入りました。 彼が自由に使えるリソースは他にありません。 はい、そして他の皆さんも同様です。 A.アキモフは「原子炉を止めろ！」と鋭く叫んだ。 彼はコンソールに飛び乗って、CPS ロッドドライブの電磁クラッチの電源を切りました。 アクションは正しいですが、役に立ちません。 結局のところ、CPS ロジック、つまり論理回路のすべての要素が正しく動作し、ロッドがゾーンに入りました。 今、それは明らかです - AZボタンを押した後、正しい行動はなく、救いの手段はありませんでした。 他のロジックが失敗しました。
短い間隔をおいて、2回の強力な爆発が続いた。 AZロッドは半分手前で動かなくなった。 彼らには他に行くところがありませんでした。
1 時間 23 分 47 秒で、原子炉は即時中性子の出力増加によって破壊されました。 これは崩壊であり、発電炉で起こり得る究極の大惨事です。 彼らはそれを理解しておらず、その準備もしておらず、街区や駅での位置特定のための技術的対策は提供されていません...
つまり、災害発生の数秒前には、スタッフは迫り来る危険についてさえ疑っていなかったのです。 この不条理な状況全体の終結は、緊急ボタンが押された後、爆発が発生したことでした。車に急いで乗り込み、障害物の手前でブレーキを踏みましたが、車はさらに加速して障害物に衝突しました。 公平を期すために、緊急ボタンを押してももはや状況に影響を与えることはできないと言わなければなりません。それは避けられない原子炉の爆発をほんの一瞬加速しただけですが、事実は変わりません。 緊急保護装置が原子炉を爆破した !
放射線の人体への影響
人為的な核災害（核兵器は言うまでもありません）はなぜそれほど危険なのでしょうか？
核反応は、多大な破壊をもたらす膨大な量のエネルギーを放出することに加えて、放射線を伴い、その結果、地域が放射線汚染されます。
なぜ放射線は生物にとってこれほど有害なのでしょうか? もしそれがすべての生き物にこれほどの害を及ぼさないなら、誰もがチェルノブイリ事故のことをとっくに忘れ、原爆が左右に投げ込まれていたでしょう。
放射線は、次の 2 つの方法で生体の細胞を破壊します。
- 加熱（放射線熱傷）によるもの。
- 細胞のイオン化（放射線障害）が原因です。
放射性粒子や放射線自体は高い運動エネルギーを持っています。 放射線は熱を発生させます。 この熱は、日焼けと同様に、放射線による火傷を引き起こし、体の組織を破壊します。
すでに述べたように、重原子核の中性子核分裂反応は原子炉における主要かつ中心的な反応です。 したがって、最初から核分裂反応の物理的概念とその特徴の物理的概念を知ることは理にかなっています。これらの概念は、何らかの形で生活のあらゆる側面と、最も複雑な技術複合体の生活に痕跡を残します。いわゆる原子力発電所。
図2.6は、ウラン235原子核の核分裂を視覚画像で示しています。
中性子 質量 A の原子核 励起された化合物原子核 核分裂片
核分裂中性子
図2.6。 235 U の核分裂の模式図。
この図に基づいて、核分裂反応の一般化された「方程式」 (厳密に数学的というより論理的) は次のように書くことができます。
235 U + 1 n (236 U) * (F 1)* + (F 2)* + 5. 1 n + a + b + c + E
- (F 1)* および (F 2)* - 記号 興奮した核分裂フラグメント（以下、添字（*）は不安定元素、励起元素、または放射性元素を示します）。 フラグメント (F 1) * は質量 A 1 と電荷 Z 1 を持ち、フラグメント (F 2) * は質量 A 2 と電荷 Z 2 を持ちます。
- 5 。 1 n は、ウラン 235 原子核の各核分裂行為で平均して放出される 5 個の核分裂中性子を示します。
- 、、および - -粒子、-粒子、および -量子。ウラン 235 原子核の核分裂 1 回あたりの平均数は、それぞれ a、b、c です。
E は、核分裂の際に放出されるエネルギーの平均量です。
もう一度強調しておきますが、上に書いた式は厳密な意味では方程式ではありません。 これはむしろ、覚えやすく、中性子核分裂反応の主な特徴を反映した単なる表記形式です。
a) 核分裂破片の形成。
b) 核分裂中の新しい自由中性子の形成。これを今後簡単に呼びます。 核分裂中性子。
c) 核分裂破片の放射能。これにより、核分裂破片はさらに安定した地層に変化します。これにより、一連の 副作用- 原子炉を設計、建設、運転する際には、肯定的、有用、否定的の両方を考慮する必要があります。
d) 核分裂中のエネルギーの放出 - 核分裂反応の主な特性。 エネルギー 原子炉。
核分裂反応に伴う上記の各物理プロセスは、原子炉内で特定の役割を果たし、独自の実際的な役割を果たします。 意味。 それでは、それらについて詳しく見てみましょう。
2.2.1. 核分裂破片の形成。核分裂という単一の行為をある程度まで現象として語ることができる ランダム 92 個の陽子と 143 個の中性子からなるウランの重い原子核は、基本的に異なる原子量を持つ異なる数の破片に分裂することができることを念頭に置いています。 この場合、核分裂が 2 つ、3 つ、またはそれ以上の破片になる可能性の評価には、確率論的な手法を使用できます。 与えられたデータによると、核分裂が 2 つの断片に変化する確率は 98% 以上であり、したがって、核分裂の大部分はちょうど 2 つの断片の形成で終了します。
核分裂生成物の分光学的研究により、異なる原子質量を持つ 600 以上の質的に異なる核分裂フラグメントが確立されています。 そしてここで、偶然のように見えますが、多数の部門があり、 原則、これは次のように簡単に表現できます。
特定の核種の質量分裂中に特定の原子質量の断片が出現する確率は、この核分裂性核種に固有の厳密に定義された値です。
この量はと呼ばれます フラグメント収量 、小さなギリシャ文字で示されます 私(ガンマ) 下付き文字 - 化学元素の記号、その核がこのフラグメントであるか、または同位体の記号。
たとえば、物理実験では、235 U 原子核の 1,000 回の分裂ごとに、平均して 3 つのケースでキセノン 135 (135 Xe) のフラグメントが出現することが記録されました。 これは、 135 Xe フラグメントの比収量が
ゼ= 3/1000 = すべての分割の 0.003、
そして、235 U の核分裂の 1 回の行為に関連して、値 Xe = 0.003 = 0.3% - は次のようになります。 分裂が破片の形成で終わる確率 135 へー。
さまざまな原子質量の核分裂フラグメントの形成パターンの明確な評価は、フラグメントの比収率の曲線によって得られます (図 2.7)。
10
70 80 90 100 110 120 130 140 150 A、アム
米。 2.7. 異なる原子質量の核分裂フラグメントの比収量
235 U (実線) と 239 Pu (破線) の核分裂。
これらの曲線の性質から、次のように結論付けることができます。
a) 核分裂中に形成される破片の原子質量は、ほとんどの場合、70 165 a.mu の範囲内にあります。 より軽いフラグメントとより重いフラグメントの比収率は非常に小さいです (10 -4% を超えません)。
b) 対称核分裂 (つまり、等しい質量の 2 つの破片への核分裂) は非常にまれです。その比収率は、ウラン 235 核では 0.01%、プルトニウム 239 核では 0.04% を超えません。
c) 最も頻繁に形成される 肺質量数が 83 ≦ 104 a.m.u 以内のフラグメント そして 重い A = 128 149 a.m. のフラグメント (比収率は1%以上)。
d) 熱中性子の作用下での 239 Pu の核分裂により、いくつかの原子が形成されます。 重い 235 U の分裂フラグメントと比較したフラグメント。
*) 将来、原子炉の動力学とその被毒とスラグのプロセスを研究する際、物理的性質を記述する微分方程式を作成する際に、多くの核分裂破片の比収量の値に何度も目を向ける必要があるでしょう。炉心内のプロセス。
この値の便利な点は、核分裂反応速度 (単位時間当たりの燃料組成物の単位体積あたりの核分裂の数) がわかっていれば、核分裂破片の形成速度、つまり核分裂破片の蓄積速度を計算するのが簡単であることです。リアクターは何らかの形でその動作に影響を与えます。
i 番目のシャードの生成率 = 私 (核分裂反応速度)
そして、核分裂破片の形成に関連するもう 1 つの発言。 核分裂中に発生する核分裂片は、 高い運動エネルギー。燃料組成物の媒体の原子との衝突中に運動エネルギーを伝達することにより、核分裂はそれによって破砕されます。 原子や分子の運動エネルギーの平均レベルを増加させ、運動理論の考えによれば、それは私たちによって次のように認識されます。 温度上昇燃料の組成または方法 その中での放熱。
反応器内の熱のほとんどはこの方法で生成されます。
これは、原子炉の作動過程における破片の形成の一定の積極的な役割です。
2.2.2. 核分裂中性子の形成。重い原子核の分裂過程に伴う重要な物理現象は次のとおりです。 励起された核分裂フラグメントによる二次高速中性子の放出、さもないと 呼ばれた 即発中性子または 核分裂中性子。
この現象の重要性（共同研究者であるアルバーノとキュリーによって発見された） コヴァルスキー - 1939 年）には議論の余地がありません。 重い原子核の分裂中に、新しい自由中性子が核分裂を引き起こした中性子に取って代わるように見えるのは彼のおかげです。 これらの新しい中性子は、燃料内の他の核分裂性原子核と相互作用し、それらを核分裂させ、新しい核分裂中性子の放出などを引き起こす可能性があります。つまり、核分裂中性子の形成により、次のことが可能になります。 整理する 外部源から自由中性子を燃料含有媒体に供給することなく、時間内に均一に次々に起こる核分裂のプロセス。 このような配信では、簡単に言えば、 必要はありません核分裂を行うための「道具」が発見され次第、 ここ、まさにこの環境で、核分裂性核内の結合状態。 結合した中性子を「使用」するには、結合した中性子を解放するだけで済みます。つまり、原子核が断片に分割され、その後断片自体がすべてを完了します。励起状態により、中性子は「余分な」中性子を放出します。さらに、これは 10 -15 ～ 10 -13 秒程度の時間で起こり、励起状態で複合核が費やす時間とほぼ一致します。 この偶然により、核分裂中性子が現れるという考えが生まれました。 核分裂の終了後に中性子で過飽和になった励起された核分裂破片からではなく、核分裂が起こるその短期間に直接発生します。それは違います 後分割行為、そして その間この行為は、あたかも核の破壊と同時に行われるかのように行われます。 同じ理由で、これらの中性子はしばしば次のように呼ばれます。 即時中性子。
さまざまな原子質量の安定核内で考えられる陽子と中性子の組み合わせの分析 (安定核の図を思い出してください) と、それらを核分裂生成物の定性的組成と比較した結果、次のことがわかりました。 形成確率持続可能な 核分裂時の破片は非常に小さいです。そしてこれは、大部分の断片が生まれることを意味します 不安定なそして、安定性のために「余分な」1、2、3、あるいはそれ以上の核分裂中性子を放出することができ、さらに、特定の励起された各フラグメントが放出しなければならないことは明らかです。 独自の、厳密に定義された核分裂中性子の数はその安定性にとって「余分」です。
しかし、多数の核分裂を伴う各破片には厳密に定義された特定の収量があるため、特定の多数の核分裂があれば、形成される各タイプの核分裂破片の数も一定になり、その結果、放出される核分裂中性子の数も決まります。それぞれの種類の断片の数も確実ですが、これは、その総数も確実であることを意味します。 核分裂で受け取った中性子の総数を、それらが受け取られた核分裂の数で割ることにより、次の式を取得する必要があります。 1回の核分裂事象で放出される核分裂中性子の平均数、上記の推論に基づいて、これも厳密に定義する必要があります。 核分裂性核種の種類ごとに一定です。核分裂性核種のこの物理定数は次のように表されます。 .
1998 年のデータによる（この定数の値は、世界中の物理実験の分析結果に基づいて定期的に更新されます） 熱中性子の作用による核分裂
ウラン235の場合 5 = 2.416,
プルトニウム 239 の場合 9 = 2.862,
プルトニウム241の場合 1 = 2.938 など
最後の注記が役に立ちます: 定数 の値 本質的に、核分裂を引き起こす中性子の運動エネルギーの値に依存し、後者の成長に伴って、E にほぼ正比例して増加します。
2 つの最も重要な核分裂性核種の近似依存性 (E) は、次の経験式で記述されます。
ウラン235の場合 5 (ホ) = 2.416 + 0.1337 E;
プルトニウム 239 の場合 9 (ホ) = 2.862 + 0.1357 E.
*) [MeV]には中性子エネルギーEが代入されます。
したがって、これらの経験式によって計算される定数 の値は、さまざまな中性子エネルギーで次の値に達する可能性があります。
したがって、特定の核分裂性核種の核分裂中に放出される核分裂中性子の最初の特徴は、これらの核種の特徴です。 核分裂イベントで生成される核分裂中性子の平均数 .
事実は、すべての核分裂性核種について、 > 1、実現可能性の前提条件を作成します 鎖 中性子核分裂反応。 実装するには明らかに 自立的な核分裂連鎖反応～のための条件を作り出す必要がある 1つ核分裂の行為で得られる中性子から 確かに呼ばれた別の原子核の次の分裂、そして 休む ( - 1) どういうわけか中性子 核分裂から除外されます。そうしないと、時間の分断の強度が雪崩のように増大することになります（これが実際に起こることです） 原爆).
定数の値がわかっているので、 核分裂を引き起こす中性子のエネルギーが増加すると、どのような運動エネルギーが必要かという論理的な疑問が生じます。 生まれる核分裂中性子？
この質問に対する答えは、核分裂中性子の 2 番目の特性によって与えられます。 核分裂中性子エネルギースペクトルそして、運動エネルギーに対する核分裂中性子の分布関数を表します。
ある時点での媒体の単位 (1 cm 3) 体積の場合、 n考えられるすべてのエネルギーの核分裂中性子、 正規化されたエネルギースペクトルはエネルギー値 E の関数であり、その値は E の特定の値に対して次のようになります。 これらすべての中性子のどの部分（割合）が、エネルギーに近い基本間隔 dE のエネルギーを持つ中性子であるか E. つまり、次の式について話しているのです。
核分裂中性子のエネルギー分布が非常に正確に記述されています ワットのスペクトル関数（ワット）：
n(E)
=
0.4839
,
(2.2.2)
その図解は図 2.8 です。 次のページで。
ワットスペクトルは、核分裂中性子がさまざまなエネルギーで生成され、非常に広範囲に存在することを示しています。 ほとんどの中性子は初期エネルギーを持っています,に等しい E NV = 0.7104MeV、ワットスペクトル関数の最大値に対応します。 意味的には、この値は次のようになります。 最も可能性の高い核分裂中性子エネルギー。
核分裂中性子のエネルギースペクトルを特徴付けるもう 1 つの量は次のとおりです。 平均核分裂中性子エネルギー 、つまり、すべての核分裂中性子の実質エネルギーの合計がそれらの間で均等に分割された場合に、各核分裂中性子が持つエネルギー量です。
E av = E n(E) dE / n(E) dE (2.2.3)
式(2.2.2)の(2.2.3)に代入すると、核分裂中性子の平均エネルギーの値が得られます。
E 結婚した = 2.0 MeV
そして、これが意味するのは、 ほとんど全て核分裂中性子が生成される 速い(つまり、エネルギーを使って E > 0.1 MeV）。 しかし、比較的高い運動エネルギー (1% 未満) を持つ高速中性子はほとんどありませんが、最大 18 ～ 20 のエネルギーを持つ顕著な量の核分裂中性子が現れます。 MeV.
0 1 2 3 4 5 Å、MeV
図2.8。 核分裂中性子のエネルギースペクトルはワットスペクトルです。
異なる核分裂性核種の核分裂中性子スペクトルは互いに異なります わずかに。 私たちにとって主に関心のある核種 235U と 239Pu について、核分裂中性子の平均エネルギー (物理実験の結果に従って補正) を考えてみましょう。
E av = 1.935 MeV - 235 U の場合、および E av = 2.00 MeV - 239 Pu の場合
核分裂中性子スペクトルの平均エネルギーの値 核分裂を引き起こす中性子のエネルギーとともに増加しますが、この増加は無視できるほどです(少なくとも 10 ～ 12 MeV の範囲内)。 これにより、それを考慮せずに核分裂中性子のエネルギースペクトルを近似的に計算することが可能になります。 これは、異なる核燃料および異なるスペクトル（高速、中間、および熱）原子炉に共通です。
ウラン 238 の場合、その核分裂の閾値の性質にもかかわらず、核分裂中性子スペクトルも次の式と実質的に一致します。(2.2.2)、および核分裂中性子の平均数の依存性 8 核分裂を引き起こす中性子のエネルギーから - こちらもほぼ直線的閾値を超えるエネルギーでは ( E P = 1.1 MeV):
8 (ホ) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)
2.2.3. 核分裂破片の放射能。すでに、質量や陽子電荷の異なる約600種類の核分裂片が確立されていると言われており、実用上は 全て 彼らは生まれます非常に興奮 .
彼らがかなりの興奮と興奮をもたらしているという事実によって、問題はさらに複雑になります。 後 核分裂中性子の放出。 したがって、安定性を求める自然な努力の中で、基底状態のレベルに到達するまで、このレベルを超えて過剰なエネルギーを「放出」し続けます。
このリセットは、あらゆる種類の放射性放射線 (アルファ線、ベータ線、ガンマ線) のフラグメントを連続的に放出することによって実行され、異なるフラグメントに対して行われます。 異なる種類放射性崩壊は異なる順序で進行し、(崩壊定数 の値の違いにより) 時間の経過はさまざまな程度に延長されます。
したがって、稼働中の原子炉では、プロセスだけでなく、 累積放射性断片だけでなく、それらの継続的なプロセスも含めて、 変換: 多数が知られている 鎖しかし、これらのプロセスはすべて、非常に小さい鎖もあれば、非常に長い鎖もあるなど、異なる時間を必要とします。
したがって、放射性放射線は核分裂反応を伴うだけではありません。 働く原子炉から放出されるだけでなく、停止後も長期間にわたって燃料によっても放出されます。
この要因は、第一に、特別な種類の物理的危険、つまり危険を引き起こします。 人的暴露、原子炉プラントの保守、略称 放射線の危険。 このため、原子炉プラントの設計者は、その環境を整える必要があります。 生物学的防御、環境から隔離された部屋に置き、人々の危険な被ばくや放射性汚染の可能性を排除するために他の多くの措置を講じます。 環境.
第二に、原子炉の停止後、あらゆる種類の放射性放射線は、強度は減少するものの、引き続き炉心の物質と相互作用し、自由存在の初期の核分裂破片自体と同様に、その運動エネルギーを炉心へ伝達します。コア媒体の原子、 平均運動エネルギーを増加させます。あれは 停止後の原子炉内 崩壊熱 .
停止時の原子炉内残留熱放出力は、その瞬間までに原子炉運転中に蓄積された破片の数に正比例し、将来の減少率が決まることは容易に理解できます。これらの断片の半減期によって決まります。 これまでに語られたことから、別のことが続く ネガティブ核分裂破片の放射能による要因 - 必要性長さ減衰 停止後の炉心残留熱を除去するため、循環装置の電力やモーターリソースを大幅に消費します。
したがって、原子炉内での核分裂中の放射性破片の形成は主に現象です。 ネガティブ、しかし...希望の兆しはありません。
核分裂破片の放射性変化では、次のことも見ることができます。 ポジティブ原子炉の文字通りの側面 彼らの存在に感謝している . 実際のところ、多数の核分裂破片のうち、最初の 崩壊の後、 中性子活動中 いわゆるを放出することができます 遅れている中性子。 原子炉内で放出される遅延中性子は比較的少ない (生成される中性子の総数の約 0.6%) が、遅延中性子が存在するからこそ、 安全管理 原子炉; 原子炉の動力学を研究するときにこれを検証します。
2.2.4. 核分裂中のエネルギーの放出。物理学における核分裂反応は、質量とエネルギーの関係に関する A. アインシュタインの仮説を明確に裏付けるものの 1 つであり、この仮説は核分裂に関連して次のように定式化されます。
核分裂中に放出されるエネルギー量は質量欠陥に直接比例し、この関係における比例係数は光速度の 2 乗です。
E= マック 2
核分裂中の質量の過剰（欠陥）は、初期核分裂反応生成物（原子核と中性子）の静止質量の合計と、結果として生じる核分裂生成物（核分裂片、核分裂中性子）の差として定義されます。 、および他の微粒子は核分裂の過程とその後の両方で放出されました）。
分光分析により、ほとんどの核分裂生成物とその比収率を確立することが可能になりました。 これに基づいて計算することはそれほど難しくありませんでした プライベートウラン 235 原子核の核分裂のさまざまな結果に対する質量欠陥の大きさ、およびそれらから計算します。 1 回の核分裂で放出されるエネルギーの平均値は、次の値に近いことが判明しました。
マック 2 = 200MeV
この値を、最も吸熱性の高い物質の作用時に放出されるエネルギーと比較するだけで十分です。 化学薬品反応 - ロケット燃料の酸化反応 (10 eV 未満) - ミクロ世界の物体 (原子、原子核) のレベルで理解する 200 MeV - とても大きなエネルギー: 化学反応によって生成されるエネルギーより少なくとも 8 桁 (1 億倍) 大きい。
核分裂エネルギーは、原子核の分裂が起こった体積からさまざまな物質を介して放散されます。 キャリア: 核分裂フラグメント、核分裂中性子、- および - 粒子、-量子、さらにはニュートリノや反ニュートリノ。
235 U 原子核と 239 Pu 原子核の核分裂中の物質担体間の核分裂エネルギーの分布を表 2.1 に示します。
表2.1。 ウラン 235 およびプルトニウム 239 の核分裂生成物間の核分裂エネルギーの分布。
|
核分裂エネルギーキャリア |
プルトニウム 239 |
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1. 核分裂破片の運動エネルギー | ||
|
2. 核分裂中性子の運動エネルギー | ||
|
3. プロンプトガンマ量子のエネルギー | ||
|
4. 核分裂生成物からの-量子のエネルギー | ||
|
5. 破片の-放射線の運動エネルギー | ||
|
6. 反ニュートリノエネルギー | ||
核分裂エネルギーのさまざまな成分が熱に変換されます 同時にではありません。
最初の 3 つの成分は (核分裂の瞬間から数えて) 0.1 秒未満で熱に変わるため、次のように呼ばれます。 瞬間熱源.
核分裂生成物の および 放射線は、励起された破片によって放出されます。 半減期が異なる(数分の一秒から数十日まで、 顕著な特定の出力)、したがって上記のプロセスは 余熱これはまさに核分裂生成物の放射性物質の放出によるもので、原子炉が停止した後も数十日間続く可能性があります。
*) 非常に大まかな推定によると、原子炉停止後の原子炉内の残留熱の出力は最初の 1 分間で 30 ～ 35% 減少し、原子炉停止の最初の 1 時間以降は、原子炉停止時の出力の約 30% になります。原子炉は停止前と初日の駐車後に稼働しました - 約 25 パーセント。 このような状況下で原子炉の強制冷却を停止することは問題外であることは明らかです。 炉心内の冷却材循環が短期間中断されただけでも、燃料要素が熱破壊される危険が伴います。 原子炉を数日間強制冷却した後、残留熱発生率が冷却材の自然対流によって除去されるレベルまで低下したときにのみ、一次回路の循環手段を停止できます。
エンジニアに対する 2 番目の実際的な質問: 原子炉内のどこで、どの部分の核分裂エネルギーが熱に変換されるか? - これは、さまざまな技術設計で設計されたさまざまな内部部品からバランスのとれた熱除去を組織する必要があるためです。
燃料組成核分裂性核種を含む燃料は、燃料要素（燃料棒）の燃料組成から生じた破片が燃料要素を冷却する冷却材に流出するのを防ぐ密封シェルに収められています。 そして、作動中の原子炉内の核分裂破片が燃料棒から離れない場合、破片と弱く貫通する粒子の運動エネルギーが熱に変換されることは明らかです。 燃料棒の内部.
核分裂中性子と 放射線のエネルギーは、燃料要素の内部でのみ熱に変換されます。 部分的に: 中性子の透過力と 放射線が生成する 持ち越す彼らの初期の運動エネルギーのほとんどは、彼らの出生地から得られます。
核分裂エネルギーの正確な値と、その結果として燃料要素内で発生する熱の割合を知ることは、実用上非常に重要です。これにより、次の実用上重要な特性を計算できるようになります。 燃料棒の比体積熱放出 (q v).
たとえば、燃料要素の燃料組成が 1 cm 3 にあることがわかっている場合、1 秒で R f ウラン 235 原子核の核分裂を考えれば、それは明らかです。この単位体積で毎秒生成される熱エネルギーの量 (= 燃料 1 cm 3 の熱出力) が比体積熱放出 (または エネルギー強度) 燃料、この値は次と等しくなります。
q v = 0.9 . E . R f (2.2.5)
炉心の燃料要素の外側で熱として得られる核分裂エネルギーの割合は、その種類と設計によって異なり、総核分裂エネルギーの (6 × 9)% の範囲内に収まります。 (たとえば、VVER-1000 の場合、この値は約 8.3% に等しく、RBMK-1000 の場合は約 7% に相当します)。
したがって、炉心体積内の総熱放出が総核分裂エネルギーに占める割合は、0.96 0.99 になります。 技術的な精度で は総核分裂エネルギーと一致します。
したがって、原子炉炉心の別の技術的特徴は次のとおりです。
- コアの平均出力強度(q v) az - 炉心の単位体積当たりに受け取られる熱出力:
(q v) az = (0.96-0.99) E . R f E . R f (2.2.6)
1のエネルギーですから MeV SI 系では 1.602 に相当します。 10-13 J、次に炉心のエネルギー強度の値:
(q v) az 3.204 。 10-11 R f .
したがって、活性ゾーンの体積全体にわたる平均エネルギー密度の値がわかっている場合、 原子炉の熱出力明らかに次のようになります:
Q p= (q v) az. V az 3.204。 10–11 . R f . V az [火] (2.2.7)
原子炉の熱出力は次のように正比例します。 平均速度
活性領域での核分裂反応。
実際的な結果 : 原子炉を稼働させますか?一定の電力レベル? -活性領域での核分裂反応が進行するような条件を内部に作り出す 時間の経過とともに平均速度が一定になります。原子炉の出力を増やす（減らす）必要がありますか? - それに応じて反応速度を高める（または下げる）方法を見つけるデ レニヤ。これが原子炉の出力を制御する主な意味です。
考慮された比率と結論は、原子炉内の燃料成分が 1 つのウラン 235 である最も単純な場合にのみ明らかであるように見えます。 ただし、リアクターの推論を繰り返すと、 多成分燃料組成を考慮すると、最も一般的な場合における核分裂反応の平均速度と原子炉の熱出力の比例関係を検証するのは簡単です。
したがって、原子炉の熱出力と コア内の熱放出分布は、炉心の燃料組成の体積にわたる核分裂反応速度の分布に直接比例します。
しかし、これまで言われてきたことから、核分裂反応の速度が 炉心媒体の自由中性子の数に関連するはずです、核分裂反応、放射捕獲、散乱、その他の中性子反応を引き起こすのはそれら（自由中性子）であるためです。 言い換えれば、核分裂反応の速度、炉心内でのエネルギー放出、および原子炉の熱出力は、明らかに相関している必要があります。 中性子場の特性その範囲内で。
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レッスンの目的:
- 教育: 既存の知識を更新する。 ウラン原子核の分裂、核連鎖反応、その発生条件、臨界量などの概念の形成を続ける。 新しい概念を導入する: 原子炉、原子炉の主要要素、原子炉の設計とその動作原理、核反応の制御、原子炉の分類とその使用。
- 現像： 生徒の知的能力と好奇心を発展させるだけでなく、観察して結論を引き出す能力の形成を継続します。
- 教育: 実験科学としての物理学に対する態度の教育を継続すること。 仕事に対する誠実な態度、規律、知識に対する積極的な態度を養うこと。
レッスンタイプ:新しい教材を学ぶこと。
装置：マルチメディアインスタレーション。
授業中
1. 組織的な瞬間。
みんな！ 今日の授業では、ウラン核の分裂、核連鎖反応、その発生条件、臨界量を繰り返し、原子炉とは何か、原子炉の主要要素、原子炉の設計について学びます。原子炉とその動作原理、核反応の制御、原子炉の分類とその用途。
2. 学習した内容を確認する。
- ウラン原子核の核分裂のメカニズム。
- 核連鎖反応のメカニズムを説明します。
- ウラン原子核の核分裂反応を例に挙げてみましょう。
- クリティカルマスとは何ですか?
- ウランの質量が臨界未満または臨界を超えた場合、ウラン内で連鎖反応はどのように進行しますか?
- ウラン 295 の臨界質量はいくらですか。臨界質量を減らすことは可能ですか?
- どうすれば核連鎖反応の方向を変えることができるでしょうか?
- 高速中性子を減速させる目的は何ですか?
- 減速剤としてどのような物質が使用されていますか?
- どのような要因により、ウラン中の自由中性子の数が増加し、それによって反応が起こる可能性が確実になりますか?
3. 新素材の説明。
皆さん、この質問に答えてください: とは何ですか 主要部分原子力発電所はありますか？ ( 原子炉)
よくやった。 それでは皆さん、この問題についてさらに詳しく見ていきましょう。
歴史的な参考資料。
イーゴリ・ヴァシリエヴィチ・クルチャトフ - 優れたソビエトの物理学者、学者、研究所の創設者および初代所長 原子力 1943 年から 1960 年までソ連の原子力問題の科学的指導者として活躍し、平和目的での原子力利用の創始者の一人。 ソ連科学アカデミー会員（1943年）。 ソ連初の原子爆弾は 1949 年に実験されました。 4年後、世界初の水爆実験が成功した。 そして1949年に、イーゴリ・ヴァシリエヴィッチ・クルチャトフは原子力発電所のプロジェクトに取り組み始めました。 原子力発電所は原子力の平和利用の使者である。 プロジェクトは無事完了し、1954 年 7 月 27 日、私たちの原子力発電所は世界初となりました。 クルチャトフは子供のように喜び、楽しんでいました。
原子炉の定義。
原子炉は、いくつかの重い原子核の核分裂の制御された連鎖反応が実行および維持される装置です。
最初の原子炉は、E. フェルミの指導の下、1942 年に米国で建設されました。 我が国では、IV クルチャトフの指導の下、1946 年に最初の原子炉が建設されました。
原子炉の主な要素は次のとおりです。
- 核燃料（ウラン235、ウラン238、プルトニウム239）。
- 中性子減速材（重水、黒鉛など）。
- 原子炉の運転中に生成されるエネルギーを出力するための冷却材（水、液体ナトリウムなど）。
- 制御棒（ホウ素、カドミウム） - 中性子を強く吸収する
- 放射線を遅らせる保護シェル（鉄フィラー入りコンクリート）。
動作原理 原子炉
核燃料は、燃料要素（TVEL）と呼ばれる垂直棒の形で活性領域に存在します。 燃料棒は原子炉の出力を制御するように設計されています。
各燃料棒の質量は臨界質量よりもはるかに小さいため、1 本の燃料棒で連鎖反応が起こることはありません。 それはすべてのウラン棒の活性ゾーンに浸漬した後に始まります。
活性ゾーンは、中性子を反射する物質の層 (反射体) と、中性子やその他の粒子を捕捉するコンクリートの保護シェルで囲まれています。
からの放熱 燃料電池。 冷却剤 - 水でロッドを洗浄し、300℃に加熱します 高圧熱交換器に入ります。
熱交換器の役割 - 300℃に加熱された水は、普通の水に熱を放出し、蒸気に変わります。
核反応制御
反応器はカドミウムまたはホウ素を含むロッドによって制御されます。 炉心からロッドが伸びている状態では K > 1、ロッドが完全に収縮している状態では K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.
遅い中性子の原子炉。
ウラン 235 原子核の最も効率的な核分裂は、低速中性子の作用下で発生します。 このような原子炉は低速中性子炉と呼ばれます。 核分裂反応で生成される二次中性子は速いです。 その後の連鎖反応におけるウラン 235 原子核との相互作用を最も効果的にするために、中性子の運動エネルギーを減少させる物質である減速材を炉心に導入することで反応速度が遅くなります。
高速中性子炉。
高速中性子炉は天然ウランでは動作できません。 反応は少なくとも 15% のウラン同位体を含む濃縮混合物中でのみ維持できます。 高速中性子炉の利点は、その運転により大量のプルトニウムが生成され、核燃料として使用できることです。
均一リアクターと不均一リアクター。
原子炉は、燃料と減速材の相互配置に応じて、均一型原子炉と不均一型原子炉に分けられます。 均質原子炉では、炉心は溶液、混合物、または溶融物の形態の燃料、減速材、および冷却剤の均質な塊です。 原子炉は不均一原子炉と呼ばれ、ブロックまたは燃料集合体の形の燃料が減速材内に配置され、その中に規則的な幾何学的格子を形成します。
原子核の内部エネルギーを電気エネルギーに変換します。
原子炉は、熱核エネルギーを電気エネルギーに変換する原子力発電所 (NPP) の主要な要素です。 エネルギー変換は次のスキームに従って行われます。
- ウラン原子核の内部エネルギー -
- 中性子と原子核の破片の運動エネルギー -
- 水の内部エネルギー -
- 蒸気の内部エネルギー -
- 蒸気の運動エネルギー -
- タービンローターと発電機ローターの運動エネルギー -
- 電気エネルギー。
原子炉の使用。
原子炉は目的に応じて、電力用、変換器および増殖器、研究用および多目的、輸送用および産業用となります。
原子炉は、原子力発電所、船舶発電所、原子力複合熱発電所、および核熱供給所で発電するために使用されます。
天然ウランやトリウムから二次核燃料を製造するように設計された原子炉は、コンバーターまたはブリーダーと呼ばれます。 原子炉コンバーターでは、最初に消費された量よりも少ない量の二次核燃料が生成されます。
増殖炉では、核燃料の拡大再生産が行われます。 費やした以上に多くなることがわかります。
研究用原子炉は、中性子と物質の相互作用プロセスの研究、中性子線とガンマ線の強力な場における原子炉材料の挙動の研究、放射化学および生物学の研究、同位体の製造、原子炉の物理学における実験研究に使用されます。
原子炉には、 異なる力、定常またはパルス動作。 多目的原子炉は、発電や核燃料製造など複数の目的を果たす原子炉です。
原子力発電所における環境災害
- 1957年 - 英国での事故
- 1966年 - デトロイト近郊で原子炉冷却故障後の部分炉心溶融。
- 1971 - 大量の汚染水が米国の川に流入
- 1979年 - 最大の事故アメリカで
- 1982 - 放射性水蒸気の大気中への放出
- 1983年 - カナダでの恐ろしい事故（放射性水が20分間流出した - 毎分1トン）
- 1986年 - 英国での事故
- 1986年 - ドイツでの事故
- 1986 - チェルノブイリ原子力発電所
- 1988年 - 日本の原子力発電所で火災が発生
現代の原子力発電所には PC が装備されており、以前は、事故後も PC がなかったため、原子炉は運転を続けました。 自動システムシャットダウン。
4. 素材を固定します。
- 原子炉とは何ですか?
- 原子炉内の核燃料とは何ですか?
- 原子炉内で中性子減速材として機能する物質は何ですか?
- 中性子減速材の目的は何ですか?
- 制御棒は何のためにあるのでしょうか？ どのように使用されますか?
- 原子炉の冷却材として使用されるものは何ですか?
- 各ウラン棒の質量が臨界質量未満である必要があるのはなぜですか?
5. テストの実行。
- ウラン原子核の分裂に関与する粒子は何ですか?
A. 陽子。
B. 中性子。
B. 電子。
G.ヘリウム核。 - 重要なウランの質量は何ですか?
A. 連鎖反応が可能な最大値。
B. 任意の質量。
V. 連鎖反応が可能な最小値。
D. 反応が停止する質量。 - ウラン 235 のおおよその臨界質量はいくらですか?
A. 9kg。
B. 20kg;
B. 50kg;
G.90kg。 - 次の物質のうち、原子炉で中性子減速材として使用できるのはどれですか?
A. グラファイト;
B. カドミウム;
B. 重水。
G. bor. - 原子力発電所で核連鎖反応が起こるには、中性子増倍率が次のとおりである必要があります。
A. は 1 に等しい。
B. 1 つ以上。
V. 1未満。 - 原子炉内の重原子の核分裂率の制御は次のように行われます。
A. 吸収体で棒を下げるときの中性子の吸収によるもの。
B. 冷却剤の速度の増加に伴う熱除去の増加による。
B. 消費者への電力供給を増やすことによって。
G. 燃料棒を取り外す際に炉心内の核燃料の質量を減らすことによる。 - 原子炉ではどのようなエネルギー変換が起こりますか?
A. 原子核の内部エネルギーが光エネルギーに変換されます。
B. 原子核の内部エネルギーは次のように変換されます。 力学的エネルギー;
B. 原子核の内部エネルギーが電気エネルギーに変換される。
G. 答えの中に正解はありません。 - 1946 年にソビエト連邦で最初の原子炉が建設されました。 このプロジェクトのリーダーは誰ですか?
A.S.コロレフ。
B.I.クルチャトフ。
V.D.サハロフ。
G.A.プロホロフ。 - 原子力発電所の信頼性を高め、汚染を防ぐために最も適切な方法はどれだと思いますか 外部環境?
ア 運転者の意志に関係なく、炉心を自動的に冷却できる原子炉の開発。
B. 原子力発電所の運転に関するリテラシー、原子力発電所の運転員の専門的訓練のレベルを高める。
B. 原子力発電所の解体および放射性廃棄物処理のための高効率技術の開発。
D. 地下深くにある原子炉の位置。
E. 原子力発電所の建設と運転の拒否。 - 原子力発電所の運転に関連する環境汚染の原因は何ですか?
A. ウラン産業。
B. 原子炉 他の種類;
B. 放射化学産業。
D. 放射性廃棄物の処理および処分の場所。
E. 国民経済における放射性核種の使用。
E. 核爆発。
答え：1B; 2V; 3V; 4A、B; 5A; 6A; 7V;。 8B; 9B.V; 10 A、B、C、D、F。
6. レッスンの結果。
今日のレッスンで何を新しく学びましたか?
レッスンの何が気に入りましたか？
質問は何ですか?
レッスンお疲れ様でした！
