Ядерный реактор. Применение ядерной энергетики

Ядерным (или атомным) реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.

Ядерными реакциями называют превращения атомных ядер при взаимодействии с другими ядрами, элементарными частицами или квантами.

Цепной ядерной реакцией называется реакция, при которой частицы, вызывающие её (нейтроны) вновь образуются как продукт этой реакции.

Для течения цепной реакции необходимо лишь, чтобы среднее число освобождённых нейтронов в данной массе урана не уменьшалось с течением времени.

Это условие будет выполнено, если коэффициент размножения нейтронов К≥1.

Коэффициентом размножения нейтронов называют отношение числа нейтронов в каком – либо «поколении» к числу нейтронов предшествующего «поколения».

Если К≥1, ядерная реакция протекает

Если К<1, ядерная реакция невозможна

Коэффициент размножения нейтронов характеризуется следующими факторами:

1. Захватом медленных нейтронов ядрами с последующим делением и захватом быстрых нейтронов ядрами и также с последующим делением

2. Захватом нейтронов ядрами урана без деления

3. Захватом нейтронов продуктами деления, замедлителем и конструктивными элементами установки

4. Вылетом нейтронов из делящегося вещества наружу.

Лишь первый процесс сопровождается увеличением числа нейтронов.

Все остальные процессы приводят к убыли нейтронов.

Основные элементы ядерного реактора:

1) ядерное горючее (,, и др.);

2) замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.);

3) теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.);

4) Устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее

пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор вещества, которые хорошо поглощают нейтроны).

Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции.

При выдвинутых из активной зоны реактора стержнях k>1.

При полностью вдвинутых стержнях k<1.

Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей γ-излучение и нейтроны. Оболочку выполняют из бетона с железным наполнителем.

Критическая масса - наименьшая масса делящегося вещества, при которой может протекать цепная ядерная реакция.

Схема процессов в ядерном реакторе:

Ядра урана (особенно изотопа) наиболее эффективно захватывают медленные нейтроны.

Вероятность захвата медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых.

Образование плутония

Важное значение имеет не вызывающий деления захват нейтронов ядрами урана. В результате цепочки радиоактивных превращений образуется плутоний

Важнейшее свойство плутония состоит в том, что он делится под влиянием медленных нейтронов также как и изотоп

После захвата нейтрона образуется радиоактивный изотоп

с периодом полураспада 23 минуты.

Распад происходит с испусканием электрона и образованием первого трансуранового элемента- нептуния

+

Нептуний β- радиоактивен с периодом полураспада около двух дней. В процессе распада нептуния образуется следующий трансурановый элемент - плутоний

+