ГРУППА  101.  ФИЗИКА.  ТЕМА « ДЕЛЕНИЕ ЯДЕР УРАНА, ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР»

  Пожалуй, ни для кого не секрет, что атомные электростанции (АЭС) - это самые мощные источники для получения энергии в наши дни. По количеству выделенной энергии они сильно превосходят гидроэлектростанции (ГЭС) и тем более превосходят угольные электростанции. Еще один большой плюс АЭС в том, что производство получается практически безотходным. Однако, мало кто знает, как работает АЭС. Что ж, давайте разбираться!

Немного о ядерном реакторе

Непосредственно энергию получают в ядерных реакторах, находящихся на территории  АЭС. Энергия выделяется за счет химической реакции, протекающей в реакторе - реакции деления ядер урана-235. Уран-235 - это разновидность радиоактивного элемента урана. Место, где протекает деление ядер, называется активной зоной реактора. На самом деле, в активной зоне находится смесь, состоящая из урана-235 и урана-238. Просто в природном виде уран находится именно в виде смеси атомов урана-235 и урана-238. Такое решение позволяет избежать очистки урана-235 от урана-238 и тем самым удешевляет выработку энергии. Но что происходит с атомами урана в активной зоне?

Ядерное деление

Атом урана-235 делится при облучении нейтронами (маленькими тяжелыми частицами). Именно так и была проведена первая реакция ядерного деления. В реакторах используется контролируемая реакция деления урана. Нейтрон на большой скорости врезается в ядро атома урана, раскалывая его на две части и выбивая другие нейтроны. Эти нейтроны вылетают на огромной скорости и врезаются в соседние ядра урана, выбивая нейтроны и из них. Таким образом, чем больше ядер урана поделилось, тем больше их еще поделитс я. Так запускается цепная реакция. 

Схема реакции деления атомов урана-235

Снова о ядерном реакторе

Но как можно контролировать подобную цепную реакцию? Ведь в случае неконтролируемого деления выделение энергии также будет неконтролируемым, и реактор перегреется. Дело в том, что уран-238, также находящийся в активной зоне реактора, не принимает участия в делении. Однако, он способен захватывать некоторые выделяющиеся нейтроны - в частности те, которые вылетают на слишком большой скорости. Медленные же нейтроны уран-238 не поглощает. Но с уменьшением числа быстрых

 нейтронов реакция будет сама замедляться. Это предотвращают использованием специальных графитовых стержней. Проходя через графит, нейтроны замедляются настолько, чтобы не быть захваченными атомами урана-238; но при этом они еще способы выбивать другие нейтроны из атомов урана-235. А для контроля за скоростью реакции используют стержни из бора, элемента, хорошо поглощающего нейтроны. Если реакция ускоряется, то эти стержни вводят в активную зону, и они поглощают нейтроны, тем самым замедляя реакцию. И наоборот, если реакция замедлилась, стержни из бора вынимают из активной зоны, количество нейтронов в ней увеличивается, и реакция ускоряется. Температуру реактора также позволяет контролировать вода, охлаждая его из резервуаров в случае перегрева.

Вид на стержни из бора в активной зоне реактора сверху

Получение электроэнергии

Как говорилось ранее, при делении ядер урана-235 выделяется много энергии. Она выделяется в виде теплоты, которая на АЭС передается газовому потоку, который, нагреваясь, повышает температуру воды в резервуаре. Вода закипает, превращаясь в пар. Водяной пар подают в турбину и таким образом получают электроэнергию - как на ГЭС.

Схема строения АЭС

Таким образом, на АЭС осуществляется получение электроэнергии через деление ядер урана-235.

Физические принципы работы:

Текущее состояние ядерного реактора можно охарактеризовать эффективным коэффициентом размножения нейтронов k или реактивностью p, которые связаны следующим соотношением:

Для этих величин характерны следующие значения:

k > 1 — цепная реакция нарастает во времени, реактор находится в надкритичном состоянии, его реактивность p > 0;

k < 1 — реакция затухает, реактор — подкритичен, p < 0;

k = 1, p = 0 — число делений ядер постоянно, реактор находится в стабильном критическом состоянии.

Условие критичности ядерного реактора:

 ω - есть доля полного числа образующихся в реакторе нейтронов, поглощённых в активной зоне реактора, или вероятность избежать нейтрону утечки из конечного объёма.

k₀ — коэффициент размножения нейтронов в активной зоне бесконечно больших размеров.

“Мирный атом”.

Человек использует энергию атомного ядра уже пятьдесят лет. Это до сих пор гораздо сложнее, чем топить печку углем или сжигать бензин в двигателе внутреннего сгорания.

“Я до сих пор изумляюсь, когда смотрю на ядерный реактор”. Нильс Бор (Москва, 1961 г.)

В мельчайших частичках вещества – ядрах атомов – скрыта колоссальная энергия. Судите сами. В ядерном реакторе, который поставляет электричество для круглосуточного свечения 10 миллионов стоваттных лампочек, за год работы исчезает всего 1 килограмм ядерного горючего из нескольких десятков тонн. Казалось бы, вот оно – энергетическое изобилие.

Доля АЭС в мире.

История ядерной энергетики охватывает период более полувека, и за это время она уже стала традиционной отраслью энергетики, в настоящее время доля выработки электроэнергии на АЭС во многих странах достигает довольно больших значений. Сейчас в мире насчитывается 437 энергетических реакторов общей мощностью 370,035 ГВт и 61 в стадии сооружения.

Доля АЭС в общей выработке электроэнергии по странам в %

Франция	87 (будет закрыта по требованию ЕС)
Бельгия	75
Словакия	60
Швеция	47 (принято решение до 2010 года закрыть все АЭС)
Украина	45 (наложен мораторий на строительство АЭС, либо программы заморожены)
Венгрия	43
Словения	42
Швейцария	40 (наложен мораторий на строительство АЭС, либо программы заморожены)
Болгария	37

Ленинградская АЭС (ЛАЭС) расположена в Ленинградской области, в 80 км западнее Санкт-Петербурга на побережье Финского залива Балтийского моря в г. Сосновый Бор.

Начало строительства Ленинградской АЭС — сентябрь 1967 года. Первый энергоблок введён в эксплуатацию в 1973 году, последующие — в 1975, 1979 и 1981 годах.

Конец эксплуатации – 2019 (блок 1) – 2026 (блок 4).

Станция юридически является филиалом ОАО “Российский концерн по производству электрической и тепловой энергии на атомных станциях „Росэнергоатом“” с 1 апреля 2002 года.

Станция включает в себя 4 энергоблока электрической мощностью 1000 МВт каждый. На Ленинградской АЭС установлены водо-графитовые реакторы РБМК-1000 канального типа на тепловых нейтронах.

Авария на Чернобыльской АЭС— разрушение 26 апреля 1986 года четвёртого энергоблока Чернобыльской атомной электростанции, расположенной на территории Украинской ССР (ныне — Украина). Разрушение носило взрывной характер, реактор был полностью разрушен, и в окружающую среду было выброшено большое количество радиоактивных веществ. Авария расценивается как крупнейшая в своём роде за всю историю атомной энергетики, как по предполагаемому количеству погибших и пострадавших от её последствий людей, так и по экономическому ущербу. 31 человек погиб в течение первых трех месяцев после аварии; отдалённые последствия облучения, выявленные за последующие 15 лет, стали причиной гибели от 60 до 80 человек. 134 человека перенесли лучевую болезнь той или иной степени тяжести, более 115 тыс. человек из 30-километровой зоны были эвакуированы. Для ликвидации последствий были мобилизованы значительные ресурсы, более 600 тыс. человек участвовали в ликвидации последствий аварии.

В отличие от бомбардировок Хиросимы и Нагасаки, взрыв напоминал очень мощную “грязную бомбу” — основным поражающим фактором стало радиоактивное заражение.

Последствия Аварии. Непосредственно во время взрыва на четвёртом энергоблоке погиб только один человек (Валерий Ходемчук), ещё один скончался утром от полученных травм (Владимир Шашенок). Впоследствии, у 134 сотрудников ЧАЭС и членов спасательных команд, находившихся на станции во время взрыва, развилась лучевая болезнь, 28 из них умерли в течение следующих нескольких месяцев.

По данным Российского государственного медико-дозиметрического регистра за прошедшие годы среди российских ликвидаторов с дозами облучения выше 100 мЗв (это около 60 тыс. человек) несколько десятков смертей могли быть связаны с облучением. Всего за 20 лет в этой группе от всех причин, не связанных с радиацией, умерло примерно 5 тысяч ликвидаторов.

В результате аварии из сельскохозяйственного оборота было выведено около 5 млн га земель, вокруг АЭС создана 30-километровая зона отчуждения, уничтожены и захоронены (закопаны тяжёлой техникой) сотни мелких населённых пунктов.

Ни для кого не секрет, что важную роль в обеспечении безопасной эксплуатации АЭС играет целый комплекс систем безопасности. 

В зависимости от выполняемых функций,   системы безопасности АЭС раздеяются на:   защитные,  локализующие, управляющие и обеспечивающие.

Главные задачи, возникающие при эксплуатации  АЭС, - обеспечение радиационной безопасности и ликвидация радиоактивных отходов.

 

ОТВЕТЬТЕ НА ВОПРОСЫ АНКЕТЫ:

1.     Знаете ли вы, что такое атомная электростанция?

2.     Какие атомные электростанции вы знаете?

3.     Слышали ли вы когда-нибудь о Чернобыльской аварии?

                 4.     Кто-либо из ваших родственников принимал участие в устранении последствий аварии на Чернобыльской АЭС

5.     Знаете ли вы что такое атомный реактор?

6.     Как вы думаете безопасно ли использование АЭС? Объясните свою точку зрения.

 Выполните тест " Деление ядер урана"

1. Какие частицы вызывают деление ядер урана ₉₂²³⁵U?

1) Протоны
2) Электроны
3) α-частицы
4) Нейтроны

2. Какое(-ие) утверждение(-я) верно(-ы)?

А: в результате деления ядра урана образуются два новых ядра, почти равных по массе
Б: в результате деления ядра урана излучается несколько нейтронов

1) только А
2) только Б
3) и А,и Б
4) ни А, ни Б

3. Для возникновения цепной реакции при делении тяжелых ядер наиболее существенно соотношение числа образующихся в ядерной реакции и поглощаемых в системе

1) γ-квантов
2) нейтронов
3) протонов
4) электронов

4. Какая ядерная реакция может быть использована для получения цепной реакции деления?

1) ₉₆²⁴³Cm + ₀¹n → ₀¹n + ₄₂¹⁰⁸Mo + ₅₄¹³²Xe
2) ₆¹²Cm → ₃⁶Li + ₃⁶Li
3) ₉₀²²⁷Th + ₀¹n → ₄₉¹²⁹In + ₄₁⁹⁹Nb
4) ₉₆²⁴³Cm → ₄₃¹⁰⁸Tc + ₅₃¹⁴¹I

5. В результате столкновения ядра урана с частицей произо­шло деление ядра урана, сопровождающееся излучением γ-кванта в соответствии с уравнением

_X^YZ + ₉₂²³⁸U → ₃₆⁹⁴Kr + ₅₆¹³⁹Ba + 3₀¹n + 5_γ

Ядро урана столкнулось с

1) протоном
2) электроном
3) нейтроном
4) α-частицей

6. Чему приблизительно равна критическая масса урана ₉₂²³⁵U?

1) 9 кг
2) 20 кг
3) 50 кг
4) 90 кг

7. Какие преобразования энергии происходят в ядерном реакторе?

1) Внутренняя энергия атомных ядер превращается в све­товую энергию
2) Внутренняя энергия атомных ядер превращается в меха­ническую энергию
3) Внутренняя энергия атомных ядер превращается в элек­трическую энергию
4) Среди ответов нет правильного

8. В 1946 г. в Советском Союзе был построен первый ядерный реактор. Кто был руководителем этого проекта?

1) С. Королев
2) И. Курчатов
3) Д. Сахаров
4) А. Прохоров

9. Какое(-ие) утверждение(-я) верно(-ы)?

А: вода в ядерном реакторе служит замедлителем нейтронов
Б: вода в ядерном реакторе служит теплоносителем

1) только А
2) только Б
3) и А,и Б
4) ни А, ни Б

10. Регулирование скорости ядерного деления тяжелых атомов в ядерных реакторах атомных электростанций осуществляется

1) за счет поглощения нейтронов при опускании стержней с поглотителем
2) за счет увеличения теплоотвода при увеличении скоро­сти теплоносителя
3) за счет увеличения отпуска электроэнергии потребителям
4) за счет уменьшения массы ядерного топлива в активной зоне при вынимании стержней с топливом