Raskete tuumade lõhustumise kiiruse reguleerimine. Tuumareaktori tööpõhimõte. Tšernobõli avarii anatoomia lühidalt

Termilisi (aeglasi) neutroneid kasutava tuumareaktori skemaatiline diagramm on näidatud joonisel 5.1, siin 1 - juhtvardad, 2 - bioloogiline kaitse, 3 - termiline kaitse, 4 - moderaator, 5 - tuumkütus (kütusevardad).

Kui neutron tabab uraani 235 isotoobi tuuma, jaguneb see kaheks osaks ja eraldub mitu (2,5-3) uut sekundaarset neutronit.. Ahelreaktsiooni säilitamiseks tuumareaktoris on vajalik, et tuumakütuse mass reaktori südamikus ei oleks väiksem kui kriitiline. Reaktor peab sisaldama seda kogust 235U nii et keskmiselt võib vähemalt üks tekkiv neutron igas lõhustumises põhjustada järgmise lõhustumise sündmuse enne, kui see reaktori südamikust lahkub.

Joonis 5.1. Termilise neutronite tuumareaktori skemaatiline diagramm

Kui neutronite arv hoitakse konstantsena, on lõhustumisreaktsioonil statsionaarne iseloom. Mida kõrgem on olemasolevate neutronite arvu püsiseisundi tase, seda suurem on reaktori võimsus. Võimsus 1 MW vastab ahelreaktsioonile, kus 1 sekundi jooksul toimub 3 10 16 jaotust.

Kui neutronite arv suureneb, toimub termiline plahvatus, kui see väheneb, siis reaktsioon peatub. Reaktsiooni kiirust kontrollitakse kontrollvarraste abil 1.

Tuumareaktori hetkeseisu võib iseloomustada kui tõhusat neutronite korrutustegur või reaktsioonivõime, mis on omavahel seotud suhtega:

Nende koguste jaoks on tüüpilised järgmised väärtused:

· - ahelreaktsioon ajas suureneb, reaktor on ülekriitilises olekus, selle reaktsioonivõime;

· , - tuuma lõhustumiste arv on konstantne, reaktor on stabiilses kriitilises olekus.

Tuumareaktor saab antud võimsusel pikka aega töötada ainult siis, kui tal on töö alguses reaktiivsusreserv. Tuumareaktori töötamise käigus lõhustumisfragmentide kuhjumise tõttu kütuses muutub selle isotoopne ja keemiline koostis ning tekivad transuraanelemendid, peamiselt Pu. Reaktoris toimuvad protsessid vähendavad aatomituumade lõhustumise ahelreaktsiooni võimalust.

Ahelreaktsiooni säilitamiseks ja rakendamiseks on vaja piirata neutronite neeldumist reaktori südamikku ümbritsevate materjalide poolt. See saavutatakse, kasutades materjale (bioloogilise 2 ja termilise 3 kaitse jaoks), mis vähemalt osaliselt (ideaaljuhul 50%) peegeldavad neutroneid, s.t. ei võtnud neid endasse. Eriti oluline on jahutusvedeliku valik, mida kasutatakse soojuse ülekandmiseks südamikust turbiinile.

Lõhustumise tulemusena tekkivad neutronid võivad olla kiired (suure kiirusega) või aeglased (termilised). Aeglase neutroni kinnipüüdmise tõenäosus tuuma poolt 235U ja selle järgnev lõhenemine on suurem kui kiire neutroni oma. Seetõttu on kütusevardad 5 ümbritsetud spetsiaalsete moderaatoritega 4, mis aeglustavad neutroneid, neelates neid nõrgalt. Reaktorist neutronite lekke vähendamiseks on see varustatud reflektoriga. Kõige sagedamini kasutatavad moderaatorid ja helkurid on grafiit, rasked ( D2O), tavaline vesi jne.

Statsionaarsete olemasolevate neutronite arv määrab moodustunud tuuma lõhustumise fragmentide arvu, mis lendavad tohutu kiirusega erinevatesse suundadesse. Kildude pidurdamine viib kütuse ja kütusevarraste seinte kuumenemiseni. Selle soojuse eemaldamiseks toidetakse reaktorisse jahutusvedelik, mille kütmine on reaktori eesmärk. Sageli täidab ülesandeid sama aine, näiteks tavaline vesi jahutusvedelik, moderaator ja reflektor. Vesi tarnitakse reaktorisse kasutades peamised tsirkulatsioonipumbad(MCP).

Nagu juba märgitud, on neutronite tuumareaktsioon raskete tuumade lõhustumisel tuumareaktorite peamine ja keskne reaktsioon. Seetõttu on algusest peale mõttekas tutvuda lõhustumisreaktsiooni füüsikaliste kontseptsioonidega ja selle tunnustega, mis ühel või teisel viisil jätavad jälje kõige keerukama tehnilise kompleksi elu ja igapäevaelu kõikidesse aspektidesse. nimetatakse tuumaelektrijaamaks.

Idee uraan-235 tuuma lõhustumisest visuaalsetel piltidel on toodud joonisel 2.6.

Neutronituum massiga A Ergastatud liittuum Lõhustumisfragmendid

Lõhustumise neutronid

Joon.2.6. 235 U tuuma lõhustumise skemaatiline esitus.

Selle diagrammi põhjal saab üldistatud lõhustumisreaktsiooni "võrrandi" (mis on pigem loogiline kui rangelt matemaatiline) kirjutada järgmiselt:

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

- (F 1)* ja (F 2)* - sümboolsed tähised erutatud lõhustumisfragmendid (indeks (*) tähistab edaspidi ebastabiilseid, ergastatud või radioaktiivseid elemente); fragmendi (F 1)* mass on A 1 ja laeng Z 1, fragmendil (F 2)* on mass A 2 ja laeng Z 2;

-  5 . 1 n tähistatakse  uraan-235 tuuma iga lõhustumise korral eraldub keskmiselt 5 lõhustumisneutronit;

- ,  ja  - -osakesed, -osakesed ja -kvandid, mille keskmine arv uraan-235 tuuma lõhustumisakti kohta on vastavalt a, b ja c;

E on keskmine lõhustumisaktis vabanev energia hulk.

Rõhutame veel kord: ülalkirjeldatud väljend ei ole võrrand selle sõna otseses tähenduses; pigem on see lihtsalt kergesti meeldejääv tähistus, mis peegeldab neutronite lõhustumise reaktsiooni põhijooni:

a) lõhustumisfragmentide moodustumine;

b) uute vabade neutronite tekkimine lõhustumise käigus, mida me edaspidi lühidalt nimetame lõhustumise neutronid;

c) lõhustumisfragmentide radioaktiivsus, mis põhjustab nende edasist muutumist stabiilsemateks moodustisteks, mis põhjustab mitmeid kõrvalmõjusid - nii positiivseid, kasulikke kui ka negatiivseid, mida tuleb tuumareaktorite projekteerimisel, ehitamisel ja käitamisel arvestada;

d) energia vabanemine lõhustumise ajal on lõhustumisreaktsiooni peamine omadus, mis võimaldab luua energiline tuumareaktor.

Kõik ülalloetletud füüsikalised protsessid, mis kaasnevad lõhustumisreaktsiooniga, mängivad reaktoris teatud rolli ja neil on oma praktilised omadused. tähenduses. Seetõttu tutvume nendega üksikasjalikumalt.

2.2.1. Lõhustumisfragmentide teke.Ühest tuumalõhustumise aktist võib teatud piirini rääkida kui nähtusest juhuslik, pidades meeles, et raske uraani tuum, mis koosneb 92 prootonist ja 143 neutronist, on põhimõtteliselt võimeline jagunema erinevaks arvuks erineva aatommassiga fragmentideks. Sel juhul saab hinnata võimalust jagada tuum 2, 3 või enamaks fragmendiks tõenäosuslike meetmetega. Tuuma kaheks fragmendiks jagunemise tõenäosus on toodud andmetel üle 98%, seetõttu lõppeb valdav enamus lõhustumist täpselt kahe fragmendi moodustumisega.

Lõhustumisproduktide spektroskoopilised uuringud on tuvastanud enam kui 600 kvalitatiivselt erinevat erineva aatommassiga lõhustumisfragmenti. Ja siin, näilises õnnetuses, suure hulga diviisidega, tekkis kohe üks üldine muster mida võib lühidalt väljendada järgmiselt:

Teatud aatommassiga fragmendi ilmnemise tõenäosus konkreetse nukliidi massilise lõhustumise ajal on sellele lõhustuvale nukliidile iseloomulik rangelt määratletud väärtus.

Seda kogust nimetatakse tavaliselt spetsiifilise fragmendi saagis , mida tähistatakse väikese kreeka tähega  i(gamma) alaindeksiga - selle keemilise elemendi sümbol, mille tuum on see fragment, või isotoobi sümbol.

Näiteks füüsikalistes katsetes on registreeritud, et ksenoon-135 fragment (135 Xe) ilmub keskmiselt kolmel juhul iga tuhande 235 U tuuma lõhustumise kohta. See tähendab, et 135 Xe fragmendi erisaagis on

 Xe= 3/1000 = 0,003 kõigist jaotustest,

ja 235 U tuuma ühe lõhustumise korral on väärtus  Xe = 0,003 = 0,3% tõenäosus, et lõhustumise tulemusena moodustub fragment 135 Heh.

Selge hinnangu erineva aatommassiga lõhustumisfragmentide tekkemustrile annavad fragmentide erisaagise kõverad (joon. 2.7).

10

70 80 90 100 110 120 130 140 150 A, a.m.u.

Riis. 2.7. Erineva aatommassiga lõhustumisfragmentide erisaagised

235 U (pidev joon) ja 239 Pu (katkendjoon) tuumade lõhustumise ajal.

Nende kõverate olemus võimaldab meil järeldada järgmist:

a) Lõhustumisel tekkinud fragmentide aatommassid jäävad valdaval enamusel juhtudel vahemikku 70  165 amu. Kergemate ja raskemate kildude erisaagis on väga väike (ei ületa 10 -4%).

b) Tuumade sümmeetriline lõhustumine (st lõhustumine kaheks võrdse massiga fragmendiks) on äärmiselt haruldane: nende erisaagis ei ületa uraan-235 tuumade puhul 0,01% ja plutoonium-239 tuumade puhul 0,04%.

c) Kõige sagedamini moodustatud kopsud fragmendid massinumbritega vahemikus 83  104 amu. Ja raske fragmendid, mille A = 128  149 a.m.u. (nende erisaagis on 1% või rohkem).

d) 239 Pu lõhustumine termiliste neutronite mõjul põhjustab mitme raskem fragmente võrreldes 235 U lõhustumise fragmendiga.

*) Tulevikus peame reaktori kineetikat ning selle mürgitamise ja räbu tekkeprotsesse uurides diferentsiaalvõrrandite koostamisel rohkem kui korra lähtuma paljude lõhustumise fragmentide erisaagiste väärtustest. füüsikalised protsessid reaktori südamikus.

Selle väärtuse mugavus seisneb selles, et teades lõhustumisreaktsiooni kiirust (lõhustumiste arv kütuse koostise ruumalaühiku kohta ajaühikus), on lihtne arvutada mis tahes lõhustumisfragmentide moodustumise kiirust, mille kogunemine reaktoris mõjutab ühel või teisel viisil selle tööd:

I-nda fragmendi genereerimiskiirus =  i  (lõhustumisreaktsiooni kiirus)

Ja veel üks märkus, mis on seotud lõhustumisfragmentide tekkega. Lõhustumise käigus tekkinud lõhustumisfragmentidel on kõrged kineetilised energiad. Kandes üle oma kineetilise energia kokkupõrgete ajal kütuse koostiskeskkonna aatomitega, lõhustuvad fragmendid tõsta aatomite ja molekulide keskmist kineetilise energia taset, mida kineetilise teooria ideede kohaselt meie tajume kui temperatuuri tõus kütuse koostis või kuidas soojuse teke selles.

Suurem osa reaktoris olevast soojusest tekib sel viisil.

See on fragmentide moodustumise teatud positiivne roll tuumareaktori tööprotsessis.

2.2.2. Lõhustumisneutronite tootmine. Raskete tuumade lõhustumise protsessiga kaasnev peamine füüsikaline nähtus on sekundaarsete kiirete neutronite emissioon ergastatud lõhustumisfragmentide poolt, muidu helistas kiired neutronid või lõhustumise neutronid.

Selle nähtuse tähtsus (avastanud F. Joliot-Curie ja tema kolleegid - Albano ja Kowarski - aastal 1939) on vaieldamatu: just tänu sellele ilmuvad raskete tuumade lõhustumise ajal uued vabad neutronid, mis asendavad need, mis lõhustumise põhjustasid; need uued neutronid võivad suhelda teiste kütuses olevate lõhustuvate tuumadega ja põhjustada nende lõhustumist, millele järgneb uute lõhustuvate neutronite emissioon jne. See tähendab, et tänu lõhustumisneutronite moodustumisele saab see võimalikuks korraldada Ajaliselt üksteisele ühtlaselt järgnev lõhustumise protsess ilma kütust sisaldavasse keskkonda välisest allikast vabade neutronite tarnimiseta. Sellise tarne korral lihtsalt öeldes ei ole vajalik, senikaua, kuni asuvad “tööriistad”, mille abil tuumalõhustumine toimub siin, selles keskkonnas, seotud olekus lõhustuvates tuumades; seotud neutronite “käivitamiseks” tuleb need vaid vabaks teha, see tähendab, et tuum tuleb jagada kildudeks ja siis teevad killud ise kõik: oma ergastatud oleku tõttu kiirgavad nad “lisa”. ” neutronid nende koostisest, häirides nende stabiilsust, ja see juhtub 10 -15 - 10 -13 s suurusjärgus aja jooksul, mis langeb suurusjärgus kokku ajaga, mil liittuum jääb ergastatud olekusse. See kokkusattumus tekitas idee, et tekkivad lõhustumise neutronid mitte ergastatud lõhustumisfragmentidest, mis on neutronitega üleküllastunud pärast lõhustumise lõppu, vaid vahetult selle lühikese aja jooksul, mille jooksul tuumalõhustumine toimub. See ei ole pärast jagamise akt ja ajal see tegu justkui samaaegselt tuuma hävitamisega. Samal põhjusel nimetatakse neid neutroneid sageli kiired neutronid.

Prootonite ja neutronite võimalike kombinatsioonide analüüs erineva aatommassiga stabiilsetes tuumades (meenutagem stabiilsete tuumade diagrammi) ja nende võrdlemine lõhustumisproduktide kvalitatiivse koostisega näitas, et moodustumise tõenäosusjätkusuutlik Lõhustumisel tekib väga vähe fragmente. See tähendab, et valdav enamus fragmente sünnib ebastabiilne ja võivad oma stabiilsuse tagamiseks emiteerida ühte, kahte, kolme või isegi enamat "lisa" lõhustumise neutronit ning on selge, et iga konkreetne ergastatud fragment peab kiirgama teie enda, rangelt määratletud, lõhustumise neutronite "ekstra" arv selle stabiilsuse tagamiseks.

Kuid kuna igal suure lõhustumise arvuga fragmendil on rangelt määratletud spetsiifiline saagis, siis teatud suure lõhustumise arvu korral on kindel ka igat tüüpi lõhustumisfragmentide arv ja sellest tulenevalt ka lõhustumisneutronite arv. iga tüübi fragmendid on samuti kindlad ja see tähendab, et ka nende koguarv on kindel. Jagades lõhustumisel tekkinud neutronite koguarvu nende lõhustumiste arvuga, mille käigus need tekkisid, peaksime saama ühe lõhustumissündmuse jooksul emiteeritud lõhustumisneutronite keskmine arv, mis ülaltoodud arutluskäigust lähtuvalt tuleks samuti rangelt määratleda ja konstantne iga lõhustuva nukliidi tüübi jaoks. See lõhustuva nukliidi füüsikaline konstant on määratud  .

Vastavalt 1998. aasta andmetele (selle konstandi väärtust ajakohastatakse perioodiliselt kogu maailmas tehtud füüsikaliste katsete analüüsi tulemuste põhjal) lõhustumise ajal termiliste neutronite mõjul

Uraan-235 jaoks  5 = 2.416,

Plutoonium-239 jaoks  9 = 2.862,

Plutoonium-241 jaoks  1 = 2,938 jne.

Kasulik on viimane märkus: konstandi  väärtus sõltub oluliselt lõhustumist põhjustavate neutronite kineetilise energia suurusest ja viimase suurenedes suureneb see ligikaudu otseses proportsioonis E-ga.

Kahe kõige olulisema lõhustuva nukliidi puhul kirjeldatakse ligikaudseid sõltuvusi (E) empiiriliste avaldiste abil:

Uraan-235 jaoks  5 (E) = 2.416 + 0.1337 E;

Plutoonium-239 jaoks  9 (E) = 2.862 + 0.1357 E.

*) Neutronite energia E on asendatud [MeV]-ga.

Seega võib nende empiiriliste valemite abil arvutatud konstandi  väärtus erinevatel neutronite energiatel jõuda järgmiste väärtusteni:

Seega on spetsiifiliste lõhustuvate nukliidide lõhustumisel eralduvate neutronite esimene omadus lõhustumisel tekkivate neutronite keskmine arv .

See on tõsiasi, et kõigi lõhustuvate nukliidide puhul  > 1, loob eelduse teostatavusele kett neutronite lõhustumise reaktsioon. On selge, et rakendada isemajandav lõhustumise ahelreaktsioon on vaja luua tingimused selleks üks lõhustumise aktis saadud  neutronitest kindlasti helistas teise tuuma järgmine jagunemine ja puhata ( - 1) neutronid kuidagi tuuma lõhustumise protsessist välja jäetud. Vastasel juhul suureneb jagunemiste intensiivsus aja jooksul nagu laviin (mis juhtub aatompomm).

Kuna nüüdseks on teada, et konstandi väärtus  suureneb koos lõhustumist põhjustavate neutronite energia suurenemisega, tekib loogiline küsimus: millise kineetilise energiaga sündinud lõhustumise neutronid?

Sellele küsimusele annab vastuse teine ​​​​lõhustumisneutronite tunnus, nn Lõhustumisneutronite energiaspekter ja kujutab lõhustumise neutronite jaotusfunktsiooni nende kineetilise energia järgi.

Kui ühikus (1 cm3) ilmuvad mingil vaadeldaval ajahetkel söötme maht n siis kõigi võimalike energiatega lõhustumisneutronid normaliseeritud energiaspekter on funktsioon energiahulgast E, mille väärtus iga konkreetse E väärtuse juures näitab kui suur osa (osa) kõigist neist neutronitest on neutronid, mille energia on elementaarintervalli dE energia lähedal E. Teisisõnu, me räägime väljendist

Lõhustumisneutronite energiajaotust kirjeldatakse üsna täpselt Wati spektraalfunktsioon(vatt):

n(E) = 0.4839
, (2.2.2)

mille graafiline illustratsioon on joonisel 2.8. järgmisel lehel.

Watti spekter näitab, et kuigi lõhustumise neutroneid toodetakse väga erineva energiaga, on need väga laias vahemikus, enamikul neutronitel on algenergia,võrdne E nv = 0,7104 MeV, mis vastab Wati spektraalfunktsiooni maksimumile. Tähenduses on see väärtus lõhustumise neutronite kõige tõenäolisem energia.

Teine lõhustumise neutronite energiaspektrit iseloomustav suurus on lõhustumise neutronite keskmine energia , st energia hulk, mis oleks igal lõhustumise neutronil, kui kõigi lõhustumise neutronite tegelik koguenergia jagataks nende vahel võrdselt:

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

Avaldise (2.2.2) asendamine (2.2.3) annab lõhustumise neutronite keskmise energia väärtuse

E kolmap = 2,0 MeV

Ja see tähendab seda peaaegu kõik sünnivad lõhustumise neutronid kiire(st energiatega E > 0.1 MeV). Kuid suhteliselt kõrge kineetilise energiaga kiireid neutroneid toodetakse vähe (alla 1%), kuigi ilmneb märgatav hulk lõhustumisneutroneid energiaga kuni 18–20 MeV.

0 1 2 3 4 5 E, MeV

Joon.2.8. Lõhustumisneutronite energiaspekter on vattide spekter.

Erinevate lõhustuvate nukliidide lõhustumisneutronite spektrid erinevad üksteisest veidi. Oletame, et meid huvitavate nukliidide 235 U ja 239 Pu puhul on lõhustumise neutronite keskmiste energiate väärtused (parandatud füüsikaliste katsete tulemuste põhjal):

E av = 1,935 MeV – 235 U puhul ja E av = 2,00 MeV – 239 Pu puhul

Lõhustumisneutronite spektri keskmise energia väärtus suureneb koos neutronite energia suurenemisega, põhjustades lõhustumist, kuid see suurenemine on ebaoluline(vähemalt vahemikus 10 - 12 MeV). See võimaldab meil seda ignoreerida ja ligikaudselt arvutada lõhustumise neutronite energiaspekter ühtne erinevatele tuumkütustele ja erineva spektriga (kiire-, vahe- ja soojus-) reaktoritele.

Uraan-238 puhul kattub lõhustumise neutronite spekter, hoolimata selle lõhustumise läviväärtusest, praktiliselt ka avaldisega(2.2.2) ja lõhustumise neutronite keskmise arvu sõltuvust  8 lõhustumist põhjustavate neutronite energiast - ka praktiliselt lineaarne künnist ületavate energiate juures ( E P = 1.1 MeV):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Lõhustumise fragmentide radioaktiivsus. On juba öeldud, et on tuvastatud umbes 600 tüüpi lõhustumisfragmente, mis erinevad massi ja prootonilaengu poolest ning et praktiliselt Kõik nad sünnivadväga põnevil .

Asja teeb veelgi keerulisemaks asjaolu, et need kannavad endas märkimisväärset põnevust ja pärast lõhustumise neutronite emissioon. Seetõttu jätkavad nad stabiilsuse loomulikus soovis üleliigse energia "heitmist" põhioleku tasemest kõrgemale, kuni see tase on saavutatud.

See heide toimub igat tüüpi radioaktiivse kiirguse (alfa-, beeta- ja gammakiirguse) fragmentide järjestikuse emissiooni teel ning erinevate fragmentide puhul toimub erinevat tüüpi radioaktiivne lagunemine erinevates järjestustes ja (väärtuste erinevuste tõttu). lagunemiskonstantidest ) on ajas erineval määral venitatud.

Seega töötavas tuumareaktoris mitte ainult protsess säästud radioaktiivsed killud, aga ka nende pideva protsessi muutumine: suur hulk on teada ketid järjestikused transformatsioonid, mis lõppkokkuvõttes viivad stabiilsete tuumade moodustumiseni, kuid kõik need protsessid nõuavad erinevat aega, mõnede ahelate jaoks - väga lühike ja teiste jaoks - üsna pikk.

Seetõttu ei kaasne radioaktiivne kiirgus mitte ainult lõhustumisreaktsiooniga töötavad reaktorisse, kuid neid eraldub kütus ka pikka aega pärast selle sulgemist.

See tegur tekitab esiteks füüsilise ohu - ohu personali kokkupuude, reaktoripaigaldise teenindamine, lühidalt viidatud kui kiirgusoht. See sunnib reaktorijaamade projekteerijaid hoolitsema selle keskkonna eest. bioloogiline kaitse, asetage see keskkonnast eraldatud ruumidesse ja rakendage mitmeid muid meetmeid, et välistada inimeste ohtliku kokkupuute ja keskkonna radioaktiivse saastumise võimalus.

Teiseks, pärast reaktori seiskamist jätkab igat tüüpi radioaktiivne kiirgus, kuigi intensiivsus väheneb, vastastikmõju südamiku materjalidega ja, nagu lõhustumisfragmendid ise nende vaba eksisteerimise algperioodil, edastab oma kineetilise energia keskse keskkonna aatomid, suurendades nende keskmist kineetilist energiat. See on reaktoris pärast selle seiskamist lagunemissoojus .

On lihtne mõista, et jääksoojuse eraldumise võimsus reaktoris seiskamise hetkel on otseselt võrdeline sel hetkel reaktori töötamise ajal kogunenud fragmentide arvuga ja selle languse kiiruse määrab hiljem nende fragmentide poolestusajad. Öeldust järeldub teine negatiivne lõhustumisfragmentide radioaktiivsusest tingitud tegur - vajaduspikaajalinejahtumine reaktori südamik pärast seiskamist jääksoojuse eemaldamiseks ning see on seotud märkimisväärse elektritarbimise ja tsirkulatsiooniseadmete mootori tööeaga.

Seega on radioaktiivsete fragmentide teke reaktoris lõhustumise käigus nähtus peamiselt negatiivne, aga... igal pilvel on hõbedane vooder!

Lõhustumisfragmentide radioaktiivsetes muundumistes võib samuti näha positiivne tuumareaktorid sõna otseses mõttes võlgnevad oma olemasolu . Fakt on see, et suurest hulgast lõhustumisfragmentidest on umbes 60 tüüpi, mis pärast esimest -lagunemist muutuvad neutronaktiivne , mis on võimeline kiirgama nn mahajäänud neutronid. Viivisneutroneid eraldub reaktoris suhteliselt vähe (umbes 0,6% genereeritud neutronite koguarvust), kuid just tänu nende olemasolule on see võimalik ohutu juhtimine tuumareaktor; Selles veendume tuumareaktori kineetikat uurides.

2.2.4. Energia vabanemine lõhustumise ajal. Tuuma lõhustumise reaktsioon füüsikas on üks selgeid kinnitusi A. Einsteini hüpoteesile massi ja energia seostest, mis tuuma lõhustumise suhtes on sõnastatud järgmiselt:

Tuuma lõhustumisel vabanev energia hulk on otseselt võrdeline massidefekti suurusega ja selle suhte proportsionaalsuskoefitsient on valguse kiiruse ruut:

E=  mс 2

Tuuma lõhustumise ajal on massi liig (defekt) defineeritud kui lõhustumisreaktsiooni algproduktide (st tuuma ja neutroni) ülejäänud masside ja tuumalõhustumisproduktide (lõhustumisfragmendid, lõhustumine) summa erinevus. neutronid ja muud mikroosakesed, mis eralduvad nii lõhustumise käigus kui ka pärast teda).

Spektroskoopiline analüüs võimaldas määrata suurema osa lõhustumisproduktidest ja nende erisaagised. Selle põhjal selgus, et seda pole nii keeruline arvutada privaatne massidefektide suurus uraan-235 tuumade lõhustumise erinevate tulemuste korral ja nende põhjal arvutada ühe lõhustumise käigus vabanenud keskmine energiahulk, mis osutus lähedaseks

mc 2 = 200 MeV

Piisab, kui võrrelda seda väärtust ühe kõige endotermilisema toimel vabaneva energiaga keemiline reaktsioonid - raketikütuse oksüdatsioonireaktsioonid (väärtus alla 10 eV) - mõista, et mikroskoopiliste objektide (aatomite, tuumade) tasemel 200 MeV - väga kõrge energiaga: see on vähemalt kaheksa suurusjärku (100 miljonit korda) suurem kui keemiliste reaktsioonide käigus saadud energia.

Lõhustumisenergia hajub ruumist, kus tuuma lõhustumine toimus, erinevate materjalide kaudu kandjad: lõhustumisfragmendid, lõhustumisneutronid, - ja -osakesed, -kvandid ja isegi neutriinod ja antineutriinod.

Lõhustumisenergia jaotus materjalikandjate vahel 235 U ja 239 Pu tuumade lõhustumisel on toodud tabelis 2.1.

Tabel 2.1. Uraan-235 ja plutoonium-239 tuumade lõhustumisenergia jaotus lõhustumisproduktide vahel.

Lõhustumisenergia kandjad		Plutoonium-239
1. Lõhustumisfragmentide kineetiline energia
2. Lõhustumisneutronite kineetiline energia
3. Hetkeliste gamma kvantide energia
4. Lõhustumisproduktide -kvantide energia
5. Fragmentide -kiirguse kineetiline energia
6. Antineutriino energia

Lõhustumisenergia erinevad komponendid muundatakse soojuseks mitte samal ajal.

Kolm esimest komponenti muutuvad soojuseks ajaga, mis on alla 0,1 s (loendades jagamise hetkest) ja seetõttu nn. vahetu soojuseralduse allikad.

Lõhustumisproduktide - ja -kiirgust kiirgavad ergastatud killud kõige erinevamad poolestusajad(mõnest sekundi murdosast mitmekümne päevani, kui võtta arvesse ainult fragmente koos märgatav spetsiifiline saagikus) ja seega ka ülalmainitud protsessi lagunemissoojus, mis on põhjustatud just lõhustumisproduktide radioaktiivsetest emissioonidest, võib kesta kümneid päevi pärast reaktori sulgemist.

*) Väga umbkaudsete hinnangute kohaselt väheneb jääksoojuse eraldumise võimsus reaktoris pärast selle seiskamist esimesel minutil - 30-35%, pärast esimest tundi pärast reaktori seiskamist on see ligikaudu 30% võimsusest. mille juures reaktor töötas enne seiskamist ja pärast esimest parkimispäeva - ligikaudu 25 protsenti. On selge, et reaktori sundjahutuse peatamine sellistel tingimustel ei tule kõne allagi, sest Isegi jahutusvedeliku ringluse lühiajaline peatumine südamikus on täis kütuseelementide termilise hävimise ohtu. Alles pärast mitmepäevast reaktori sundjahutamist, kui jääksoojuse vabanemise võimsus väheneb loomuliku konvektsiooni tõttu eemaldatud jahutusvedeliku tasemele, saab primaarringi tsirkulatsioonivahendid peatada.

Teine praktiline küsimus insenerile: kus ja milline osa lõhustumisenergiast muundub reaktoris soojuseks? - kuna see on tingitud vajadusest korraldada tasakaalustatud soojuse eemaldamine selle erinevatest sisemistest osadest, mis on kavandatud erinevates tehnoloogilistes konstruktsioonides.

Kütuse koostis, mis sisaldab lõhustuvaid nukliide, on suletud kestades, mis takistavad kütuseelementide (kütuseelementide) kütuse koostisest moodustunud fragmentide sattumist neid jahutavasse jahutusvedelikku. Ja kui töötavas reaktoris lõhustumisfragmendid kütuseelementidest ei lahku, on selge, et fragmentide ja nõrgalt läbistavate -osakeste kineetilised energiad muundatakse soojuseks. kütusevarraste sees.

Lõhustumisneutronite ja -kiirguse energiad muunduvad soojuseks ainult kütuseelementide sees osaliselt: neutronite läbitungimisvõime ja -kiirgus tekitab kaasahaaramine suurema osa oma esialgsest kineetilisest energiast nende sünnikohtadest.

Lõhustumisenergia täpse väärtuse ja selle osakaalu kütuseelementide sees tekkivas soojuses on suur praktiline tähtsus, mis võimaldab arvutada veel ühe praktiliselt olulise tunnuse nn. erimahuline soojuseraldus kütusevarda kütuses (q v).

Näiteks kui on teada, et 1 cm 3 kütuseelemendi kütuse koostises, 1 s R f uraan-235 tuumade lõhustumist, siis on ilmne: igas sekundis tekkiv soojusenergia hulk selles ruumalaühikus (= 1 cm 3 kütuse soojusvõimsus) on erimahuline soojuseraldus (või energia intensiivsus) kütust ja see väärtus on võrdne:

q v = 0.9 .  E . R f (2.2.5)

Väljastpoolt reaktori südamiku kütuseelemente soojuse kujul vastuvõetud lõhustumisenergia osa sõltub selle tüübist ja konstruktsioonist ning jääb (6  9)% piiresse kogu lõhustumise energiast. (Näiteks VVER-1000 puhul on see väärtus ligikaudu 8,3% ja RBMK-1000 puhul ligikaudu 7%).

Seega on soojuse summaarse eraldumise osatähtsus tuumamahus kogu lõhustumise energiast 0,96  0,99, s.o. tehnilise täpsusega langeb kokku kogu lõhustumise energiaga.

Siit tuleneb veel üks reaktori südamiku tehniline omadus:

- südamiku keskmine energiaintensiivsus(q v) az – soojusvõimsus, mis on saadud südamiku ruumalaühiku kohta:

(q v) az = (0,96–0,99)  E . R f   E . R f (2.2.6)

Kuna energia on 1 MeV SI-süsteemis vastab see 1,602-le. 10-13 J, siis reaktori südamiku energiaintensiivsuse väärtus:

(q v) az  3,204 . 10-11 R f .

Seega, kui on teada keskmise energiaintensiivsuse väärtus südamiku mahu ulatuses, siis reaktori soojusvõimsus ilmselgelt saab olema:

K lk= (q v) az. V az 3.204. 10–11 . R f . V az [W] (2.2.7)

Reaktori soojusvõimsus on otseselt võrdeline keskmine kiirus

lõhustumisreaktsioonid selle tuumas.

Praktiline tagajärg : Kas soovite, et reaktor töötakspüsiv võimsustase? - Looge selles tingimused, et selle aktiivses tsoonis toimuks lõhustumisreaktsioon püsiva keskmise kiirusega aja jooksul. Kas peate reaktori võimsust suurendama (vähendama)? - Leidke viise, kuidas vastavalt reaktsioonikiirust suurendada (või vähendada). de leniya. See on tuumareaktori võimsuse juhtimise peamine tähendus.

Vaadeldud seosed ja järeldused tunduvad ilmsed vaid kõige lihtsamal juhul, kui reaktoris on kütusekomponendiks üks uraan-235. Kuid korrates reaktori arutluskäiku mitmekomponentne kütuse koostis, on kõige üldisemal juhul lihtne kontrollida keskmise lõhustumisreaktsiooni kiiruse ja reaktori soojusvõimsuse proportsionaalsust.

Seega on reaktori soojusvõimsus ja soojusjaotus selle südamikus on otseselt proportsionaalsed lõhustumisreaktsiooni kiiruse jaotusega reaktori südamiku kütuse koostise mahus.

Kuid öeldu põhjal on ka selge, et lõhustumisreaktsiooni kiirus peab olema seotud vabade neutronite arvuga tuumakeskkonnas, kuna need (vabad neutronid) põhjustavad lõhustumisreaktsioone, kiirguse püüdmist, hajumist ja muid neutronreaktsioone. Teisisõnu, lõhustumisreaktsiooni kiirus, energia vabanemine südamikus ja reaktori soojusvõimsus peavad olema selgelt seotud neutronvälja omadused oma mahus.

Pärast kontrollimatu ahelreaktsiooni läbiviimist, mis võimaldas saada hiiglaslikku energiahulka, seadsid teadlased ülesandeks rakendada kontrollitud ahelreaktsiooni. Kontrollitud ahelreaktsiooni olemus seisneb võimes juhtida neutroneid. Seda põhimõtet on edukalt rakendatud tuumaelektrijaamades.

Uraani tuumade lõhustumisenergiat kasutatakse tuumaelektrijaamades (TUJ). Uraani lõhustumisprotsess on väga ohtlik. Seetõttu on tuumareaktorid ümbritsetud tihedate kaitsekestadega. Levinud reaktoritüüp on survevesi.

Jahutusvedelik on vesi. Külm vesi siseneb reaktorisse väga kõrge rõhu all, mis ei lase sellel keeda.

Reaktori südamikku läbiv külm vesi toimib ka moderaatorina – aeglustab kiireid neutroneid nii, et need tabavad uraani tuumasid ja põhjustavad ahelreaktsiooni.

Tuumakütus (uraan) paikneb südamikus kütusesõlme varraste kujul. Kütusevardad komplektis vahelduvad juhtvarrastega, mis reguleerivad tuuma lõhustumise kiirust kiireid neutroneid neelates.

Lõhustumisel eraldub suur hulk soojust. Kuumutatud vesi väljub südamikust rõhu all temperatuuriga 300? C ja siseneb elektrijaama, kus asuvad generaatorid ja turbiinid.

Reaktorist tulev kuum vesi soojendab sekundaarahela vee keemiseni. Aur suunatakse turbiini labadele ja pöörab seda. Pöörlev võll kannab energiat generaatorile. Generaatoris muundatakse mehaaniline pöörlemisenergia elektrienergiaks. Aur jahtub ja vesi naaseb reaktorisse.

Nende keerukate protsesside tulemusena toodab tuumaelektrijaam elektrivoolu.

Nagu näete, paikneb lõhustuv isotoop reaktori südamikus asuvates kütusevarrastes, moodustades kriitilise massi. Tuumareaktsiooni juhitakse boorist või kaadmiumist valmistatud kontrollvarraste abil. Juhtvardad, nagu ka kütusevardad, asuvad reaktori südamikus ja toimivad nagu vett imav käsn neutronitele, neelates neid. TEJ operaator, reguleerides reaktori südamikus olevate juhtvarraste arvu, juhib tuumaprotsessi kiirust: ta aeglustab seda, langetades juhtvardad reaktori südamikusse; või kiirendab seda vardaid tõstes.

Näib, et kõik on imeline – tuumaenergia on ammendamatu kõrgtehnoloogiline elektrienergia allikas ja see on tulevik. Nii arvati kuni 26. augustini 1986. Tšernobõli tuumaelektrijaama neljanda ploki õnnetus pööras kõik pea peale - “rahulik” aatom osutus mitte nii rahulikuks, kui seda põlglikult kohelda.

Selle kohta on kirjutatud päris palju materjali. Siin antakse katastroofi kvintessents (kondenseeritud olemus).

Tšernobõli tuumaelektrijaama 4. energiaploki õnnetuse peamised põhjused:

1. Ebapiisavalt läbimõeldud programm turbogeneraatori ammendumise tehnoloogiliseks eksperimendiks;
2. RBMK tuumareaktori arendajate valearvestused, kus olulist rolli mängis juhtimissüsteemi operatiivinformatsiooni puudumine südamiku reaktiivsusreservi kohta;
3. Katse läbi viinud tuumaelektrijaama personali “vabadused” ja lubanud kõrvalekaldeid tehtava töö eeskirjadest.

Kõik see kokku viis katastroofini. Tšernobõli sündmusi uurinud spetsialistide seas oli midagi sellist: "operaatoritel õnnestus agregaat õhku lasta ja reaktor lubas neil seda teha". Osa Tšernobõli süüst on peaaegu kõigil - ja füüsikutel, kes teevad arvutusi lihtsustatud mudelite abil, ja paigaldajatel, kes keevitavad õmblusi hooletult, ja operaatoritel, kes lubavad endal tööreegleid eirata.

Tšernobõli avarii anatoomia lühidalt

1. Reaktori võimsusel lasti langeda väga väikeseks (ca 1% nimiväärtusest). See on reaktorile “halb”, sest see kukub “joodiauku” ja algab reaktori ksenoonimürgitus. “Tavalise” lähenemise kohaselt oli reaktor vaja välja lülitada, kuid sel juhul poleks turbiini allakäigukatset koos kõigi sellest tulenevate administratiivsete tagajärgedega tehtud. Selle tulemusena otsustasid Tšernobõli TEJ töötajad reaktori võimsust suurendada ja katset jätkata.

2. Ülaltoodud materjalist on selge, et tuumaelektrijaama operaator saab juhtida tuumareaktsiooni kiirust (reaktori võimsust), liigutades juhtvardaid reaktori südamikusse. Reaktori võimsuse suurendamiseks (eksperimendi lõpuleviimiseks) eemaldati reaktori südamikust peaaegu kõik kontrollvardad.

Et lugejale, kes "tuumapeensustega" kursis pole, oleks arusaadavam, võime tuua järgmise analoogia vedrule riputatud koormusega:

• Koormus (õigemini selle asend) on reaktori võimsus;
• Vedru on koormuse (reaktori võimsuse) juhtimise vahend.
• Tavaasendis on koormus ja vedru tasakaalus - koormus on teatud kõrgusel ja vedru on teatud määral venitatud.
• Kui reaktori võimsus katkes ("joodikaev"), langes koormus maapinnale (ja läks väga tugevalt).
• Reaktori “välja tõmbamiseks tõmbas operaator vedru” (tõmbas juhtvardad välja; aga tuli teha just vastupidi – sisestada kõik vardad ja reaktor välja lülitada, st vabastada vedru nii, et koorem langeb maapinnale). Kuid koormus-vedrusüsteemil on teatav inerts ja mõnda aega pärast seda, kui operaator hakkas vedru üles tõmbama, liigub koorem ikka allapoole. Ja operaator jätkab tõmbamist.
• Lõpuks jõuab koormus madalaima punktini ja (juba korralike) vedrujõudude mõjul hakkab see ülespoole liikuma - reaktori võimsus hakkab järsult kasvama. Koormus lendab aina kiiremini ülespoole (kontrollimatu ahelreaktsioon tohutu hulga soojuse eraldumisega) ja operaator ei saa enam midagi ette võtta, et koorma ülespoole liikumise inertsi kustutada. Selle tulemusena tabab koorem operaatori otsaesist.

Jah, Tšernobõli tuumajaama operaatorid, kes lasid jõuplokil plahvatada, maksid oma eksimuse – oma elu – eest kõrgeima hinna.

Miks Tšernobõli TEJ töötajad nii käitusid? Üheks põhjuseks oli asjaolu, et tuumareaktori juhtimissüsteem ei andnud operaatorile operatiivset teavet reaktoris toimuvate ohtlike protsesside kohta.

Nii alustab oma raamatut A.S. Djatlov "Tšernobõli. Kuidas see juhtus":

26. aprillil 1986 kell üks tund, kakskümmend kolm minutit ja nelikümmend sekundit andis Tšernobõli tuumaelektrijaama 4. bloki vahetuse ülem Aleksandr Akimov korralduse reaktori töö lõpetamisel sulgeda. enne toiteploki väljalülitamist plaaniliseks remondiks. Käsk anti rahulikus töökeskkonnas, tsentraliseeritud juhtimissüsteem ei salvesta ainsatki häda- ega hoiatussignaali kõrvalekallete kohta reaktori või teenindussüsteemide parameetrites. Reaktori operaator Leonid Toptunov eemaldas AZ-nupult korgi, mis kaitseb juhusliku eksliku vajutamise eest, ja vajutas nuppu. Selle signaali peale hakkas 187 reaktori juhtvarrast südamikusse liikuma. Mälestusplaadil süttisid taustvalgustuse tuled ja varda asendi indikaatorite nooled hakkasid liikuma. Seda jälgis poolpööratult reaktori juhtpaneeli poole seisev Aleksander Akimov, kes nägi samuti, et AR tasakaalustamatuse indikaatorite "jänkud" "noolisid vasakule" (tema väljend), mis tähendab, et reaktori võimsus, pöördus turvapaneeli poole, mille taga katses jälgisin.
Siis aga juhtus midagi, mida isegi kõige pöörasem kujutlusvõime ei osanud ennustada. Pärast kerget langust hakkas reaktori võimsus ühtäkki aina suuremal kiirusel kasvama ja ilmusid häiresignaalid. L. Toptunov karjus erakorralisest võimutõusust. Kuid ta ei suutnud midagi teha. Ta ei saanud teha muud, kui hoida AZ nuppu all, juhtvardad läksid aktiivsesse tsooni. Tema käsutuses pole muid vahendeid. Ja ka kõik teised. A. Akimov karjus teravalt: "Pane reaktor kinni!" Ta hüppas juhtpaneelile ja vabastas juhtvarda ajamite elektromagnetilised sidurid. Tegevus on õige, kuid kasutu. Lõppude lõpuks töötas CPS-i loogika, see tähendab kõik selle loogiliste ahelate elemendid, õigesti, vardad läksid tsooni. Nüüd on selge - pärast AZ-nupu vajutamist polnud õigeid toiminguid, polnud päästevahendeid. Muu loogika ebaõnnestus!
Järgnesid kaks võimsat plahvatust lühikese vahega. AZ vardad lakkasid liikumisest, ilma et oleks isegi poolel teel. Neil polnud enam kuhugi minna.
Kell üks tund, kakskümmend kolm minutit ja nelikümmend seitse sekundit hävis reaktor kiirete neutronite abil võimsuse suurenemise tõttu. See on kokkuvarisemine, ülim katastroof, mis elektrireaktoris juhtuda võib. Nad ei saanud sellest aru, nad ei valmistunud selleks, blokis ja jaamas ei pakutud tehnilisi meetmeid lokaliseerimiseks...

See tähendab, et mõni sekund enne katastroofi ei osanud töötajad lähenevat ohtu isegi kahtlustada! Kogu selle absurdse olukorra lõpp oli hädanupu vajutamine, misjärel toimus plahvatus - kihutad autos ja takistuse ees vajutad pidurit, aga auto kiirendab veelgi ja põrkab vastu takistust. Ausalt öeldes olgu öeldud, et hädaabinupu vajutamine ei saanud olukorda kuidagi mõjutada – see vaid kiirendas reaktori vältimatut plahvatust mõne hetke võrra, kuid fakt jääb faktiks – avariikaitse lasi reaktori õhku !

Kiirguse mõju inimesele

Miks on inimtegevusest tingitud tuumakatastroofid (tuumarelvadest rääkimata) nii ohtlikud?

Lisaks kolossaalsete energiakoguste vabanemisele, mis toob kaasa suurt hävingut, kaasneb tuumareaktsioonidega kiirgus ja selle tagajärjel piirkonna kiirgussaaste.

Miks on kiirgus elusorganismile nii kahjulik? Kui see poleks toonud sellist kahju kõigile elusolenditele, oleks kõik Tšernobõli avarii juba ammu unustanud ja aatomipomme oleks visatud vasakule ja paremale.

Kiirgus hävitab elusorganismi rakke kahel viisil:

1. kuumenemise tõttu (kiirguspõletus);
2. rakkude ionisatsiooni tõttu (kiirgushaigus).

Radioaktiivsetel osakestel ja kiirgusel endal on kõrge kineetiline energia. Kiirgus tekitab soojust. See päikesepõletusega sarnane kuumus põhjustab kiirguspõletust, hävitades kehakude.