Фізіка. 11 клас

Для рэалізацыі кіруемай ланцуговай рэакцыі створаны асобыя прылады — ядзерныя рэактары, якія дазваляюць атрымліваць электраэнергію ў прамысловых маштабах. Як гэта адбываецца? Якую будову мае ядзерны рэактар? Якія праблемы ён стварае для навакольнага асяроддзя?

Ланцуговая рэакцыя можа быць кіруемай і некіруемай (ядзерны выбух). Для кіравання ланцуговай рэакцыяй неабходна вельмі дакладна кантраляваць працэс размнажэння нейтронаў з дапамогай паглынальнікаў нейтронаў (мал. 223), робячы яго такім, каб лік нейтронаў у працэсе рэакцыі заставаўся практычна нязменным.

Вызначальную ролю ў кіраванні лан­цуговымі ядзернымі рэакцыямі ў рэактарах адыгрываюць запазняльныя нейтроны. Іх сярэдні час жыцця для  складае некалькі секунд. Гэта дае магчымасць для маніпулявання кіруючымі стрыжнямі з мэтай падтрымкі каэфіцыента размнажэння нейтронаў k = 1.

Ядзерны рэактар — гэта прылада, у якой адбываецца кіруемая ланцуговая ядзерная рэакцыя дзялення ядзер цяжкіх элементаў пад дзеяннем нейтронаў (мал. 224). Падчас рэакцыі вызваляецца энергія, якую можна выкарыстоўваць для вытворчасці электрычнай энергіі. 

Энергія, што вызвалілася пры дзяленні ядра, адносіцца асколкамі дзялення, нейтронамі, -квантамі і электронамі з антынейтрына, што іх суправаджаюць. У канчатковым выніку ўся энергія дзялення ядра, каля 200 МэВ, пераходзіць ва ўнутраную энергію, якая вылучаецца як у самім рэактары, так і ў матэрыялах вакол яго (у бетоннай абароне і інш.)

Ядзерны рэактар мае пяць асноўных складаемых частак, паказаных на малюнку 224. Спрошчаная (функцыянальная) схема ядзернага рэактара прыведзена на малюнку 225.

1. Актыўная зона, якая ўтрымлівае
ядзернае гаручае, змешчанае ў асобых цепла­вылучаючых элементах, ці цвэлах (па першых літарах словазлучэння). Цвэлы ўяўля­юць сабой вельмі доўгія трубкі, якія праходзяць праз усю актыўную зону рэактара. Менавіта ў іх адбываецца ланцуговая рэакцыя. Актыўная зона акружана адбівальнікам нейтронаў, які вяртае іх унутр актыўнай зоны для працягу рэакцыі.

Добрым адбівальнікам нейтронаў з’яўляецца берылій.

У якасці ядзернага гаручага выкарыстоўваюцца тры віды радые­актыўных ізатопаў: урану ,  і плутонію 

2. Запавольнік хуткіх нейтронаў (графіт, звычайная і цяжкая вада, берылій, аксід берылію, гідрыды металаў, арганічныя вадкасці). Сярэдняя энергія нейтронаў, якія з’яўляюцца ў рэактары, каля E ~ 2 МэВ. Калі энергія нейтронаў меншая за E ~ 0,1 МэВ, то іх называюць цеплавымі, паколькі іх скорасці блізкія да скорасці цеплавога руху, модуль якой . Калі энергія нейтронаў большая за 0,1 МэВ, а модуль іх скорасці , то нейтроны называюць хуткімі. Прамежкавы абсяг энергій належыць прамежкавым (рэзанансным) нейтронам. Запавольнік эфектыўна адбірае энергію ад хуткіх нейтронаў, якія нараджаюцца ў рэакцыі дзялення. (Успомніце сутыкненне двух цел аднолькавай масы.) Нейтроны запавольваюцца (адсюль і назва рэчыва — запавольнік) да энергій парадку доляў электронвольта. 

Пад дзеяннем павольных (цеплавых) нейтронаў дзеліцца толькі даволі рэдкі ў прыродзе ізатоп урану  у той час як значна больш распаўсюджаны ізатоп  паглынае цеплавыя нейтроны без дзялення на асколкі. Пры кожным акце дзялення  вылучаецца ў сярэднім W = 170 МэВ у выглядзе кінетычнай энергіі асколкаў, што разлятаюцца. Ізатопы , , што дзеляцца пад дзеяннем цеплавых нейтронаў, у прыродзе не сустракаюцца і атрымліваюцца штучна.

У рэактарах на хуткіх нейтронах выкарыстоўваюцца ўрана-плу­то­ніевы цыкл, у якім ядро  ператвараецца ў ядро  , і торыевы цыкл, у якім ядро ператвараецца ў ядро .

Ядры ізатопа  могуць дзяліцца толькі пад дзеяннем хуткіх ней­ронаў. Аднак асноўнай рэакцыяй пры ўзаемадзеянні з нейтронамі з’яўляецца захоп нейтрона, пасля якога яны самаадвольна ператвараюцца ў ядры ізатопа плутонію :

.

Атрыманы ізатоп  з’яўляецца практычна стабільным, паколькі яго перыяд паўраспаду T_1/2 = 24  400 гадоў. Плутоній  па здольнасці да ўзаемадзеяння з нейтронамі падобны да ізатопа ўрану  Пры захопе нейтрона ядро плутонію дзеліцца і выпускае ў сярэднім 2—3 нейтроны, здольныя падтрымліваць развіццё ланцуговай рэакцыі. 

Пад дзеяннем хуткіх нейтронаў ядро ізатопа торыю  таксама самаадвольна зведвае ланцужок распадаў, ператвараючыся ў ядро ізатопа :

.

Ізатоп урану  таксама з’яўляецца практычна стабільным, паколькі яго перыяд паўраспаду T_1/2 = 162  000 гадоў, але ён дзеліцца цеплавымі нейтронамі.

Такім чынам, захоп хуткіх нейтронаў ізатопамі і дазваляе ажыццяўляць узнаўленне ядзернага гаручага  і 

Ядзерны рэактар на хуткіх нейтронах выконвае адначасова дзве функцыі — вытворчасць энергіі і ўзнаўленне ядзернага гаручага. Менавіта таму ён называецца яшчэ рэактарам-размнажальнікам (брыдарам). Акрамя таго, у ім можна выкарыстоўваць у якасці гаручага не толькі рэдкі ў прыродзе ізатоп урану  , але і значна больш распаўсюджаны ізатоп урану 

У сувязі з тым, што запасы радыеактыўных ізатопаў, якія натуральна дзеляцца, абмежаваны, магчымасць ажыццяўлення працэсаў вытворчасці ядзернага гаручага  і  у рэактарах на хуткіх нейтронах мае прынцыповы характар для будучыні ядзернай энергетыкі. Акрамя таго, ядзерныя рэактары на цеплавых нейтронах здольны «спаліць» толькі (0,5—1) % урану . Прымяненне рэактара-размнажальніка дазваляе павялічыць эфектыўнасць выкарыстання гаручага ў дзясяткі разоў.

3. Сістэма ахалоджвання — цепланосьбіт (для адводу з актыўнай зоны рэактара вылучанай у ёй энергіі) — вада, газы, вадкі натрый. Вада награваецца сценкамі цвэлаў да тэмпературы t = 300 °C і пад ціскам парадку   (100 атм) выводзіцца з актыўнай зоны. Далей вада ператвараецца ў пару і накіроўваецца да паравых турбін для генерацыі электрычнай энергіі.

4. Сістэма рэгулявання — прылада для забеспячэння магчы­мас­ці кіравання ланцуговай рэакцыяй. У сістэме рэгулявання выкары­стоўваюцца паглынальнікі (стрыжні) з бору, г. зн. рэчыва, якое актыўна паглынае нейтроны. 

Калі стрыжні з паглынальнікам увесці ў актыўную зону, то каэфі­цыент размнажэння нейтронаў памяншаецца. І, наадварот, вывядзенне стрыжняў з актыўнай зоны павялічвае каэфіцыент размнажэння. Гэтым і дасягаецца кіраванне рэакцыяй. Звычайна гэта робіцца аўтаматычна. У няштатных сітуацыях прадугледжана экстранае спыненне ланцуговай рэакцыі, якое ажыццяўляецца скіданнем у актыўную зону спецыяльных аварыйных стрыжняў (стрыжняў бяспекі).

5. Сістэма бяспекі — абалонка з бетону з жалезным напаўняльнікам (для абароны навакольнай прасторы ад іанізуючага выпраменьвання кампанентаў паліва і прадуктаў ядзернай рэакцыі).

Ядзерныя рэактары адрозніваюцца па тыпе выкарыстоўваемага
ядзернага гаручага, запавольніка і цепланосьбіта.

Выпрацоўка электраэнергіі, заснаваная на выкарыстанні кіруемай ядзернай рэакцыі, ажыццяўляецца на атамных электрастанцыях (АЭС) (мал. 226).

Перавагі атамных электрастанцый:

1) не спажываюць кісларод і арганічнае паліва;

2) не забруджваюць навакольнае асяроддзе попелам, серай і іншымі прадуктамі згарання арганічнага паліва.

Небяспечныя фактары ўздзеяння АЭС на навакольнае асяроддзе:

1) радыеактыўныя адходы;

2) радыеактыўнае забруджванне мясцовасці;

3) небяспека экалагічных катастроф;

4) парушэнне цеплавога балансу ў наваколлі АЭС.

Усім вядома Чарнобыльская катастрофа, якая адбылася на 4-м блоку Чарнобыльскай атамнай станцыі ў красавіку 1986 г. У выніку парушэння тэхналагічных працэсаў адбылося пераграванне актыўнай зоны. Выбух, які адбыўся пасля гэтага, разбурыў абалонку рэактара. Вялікая колькасць радыеактыўных рэчываў была выкінута ў атмасферу. Кароткачасоваму забруджванню кароткажывучымі ізатопамі падвергліся велізарныя тэрыторыі. Доўгачасовае забруджванне зрабіла немагчымымі для пражывання тысячы квадратных кіламетраў тэрыторыі Беларусі, Расіі і Украіны, дзе выпалі найбольш небяспечныя нукліды стронцыю  (перыяд паўраспаду 27,7 года) і цэзію  (перыяд паўраспаду каля 30 гадоў). Нукліды  адкладаюцца ў касцявых тканках і касцявым мозгу — органе крывятварэння, што можа прывесці да развіцця рака крыві (лейкеміі) і касцей. Нукліды  якія трапляюць у арганізм галоўным чынам праз стрававальны тракт і дыхальныя шляхі, назапашваюцца ў асноўным у шкілетных мышцах, выпускае g-выпраменьванне, якое наносіць значныя пашкоджанні арганізму.