Гайд по ядерным реакторам
В этом гайде я расскажу вам о процессах, происходящих в ядерном реакторе, об устройстве реакторов.
.
Что такое ядерный реактор? Заглянем в научно-технический словарь за определением этого словосочетания. Там написано: «ЯДЕРНЫЙ РЕАКТОР - устройство, в котором КОНТРОЛИРУЕМАЯ (это важный пункт) реакция деления атомного ядра (или синтеза ядер) используется для выработки энергии или для производства радиоактивных веществ». За разъяснениями немного углубимся в ядерную физику.
Атом состоит из трёх видов частиц – нейтронов, протонов и электронов. В ядре атомы находятся только протоны и нейтроны. Протоны обладают положительным зарядом, нейтроны не обладают зарядом. Ядра атомов после Висмута (обозначается как Bi, 83 номер в таблице Менделеева) являются нестабильными и распадаются со временем, при этом испускают частицы и излучение, то есть они радиоактивны. В ядерных реакторах и бомбах используется в основном уран (92 номер в таблице) и его изотопы (изотопы – атомы элементов, отличающиеся по количеству нейтронов в ядре, а отсюда и разница в массе). В основном применяются изотопы уран-238 (99,3% в природном уране, период полураспада почти 4,5 миллиарда лет) и уран-235 (примерно 0,7% в природном уране, период полураспада около 700 миллионов лет). Используется также торий, оружейный и реакторный плутоний
При взаимодействии ядер этих или других тяжёлых элементов с нейтронами, первоначальное ядро расщепляется на несколько ядер, близких по массе к изначальному, при этом также высвобождается огромное количество энергии. При делении ядра урана-238 высвобождается порядка 200 МэВ (Мега-электроВольт), это примерно 10 в минус одиннадцатой степени Джоулей. Это энергия, выделяющаяся в результате распада лишь одного ядра урана, а в результате того, что в самом образце их много больше, то выделяющаяся энергия будет значительной.
Как контролировать такие процессы на недоступном для рук уровне? Главной задачей является слежение за тем, чтобы количество нейтронов лавинообразно не нарастало. При распаде урана-238 расходуется 1 нейтрон, а образуется 2 или 3. Если не контролировать процесс «размножения» нейтронов, произойдёт ядерный взрыв (в этом и состоит принцип действия ядерной бомбы). Существует такой параметр, как коэффициент размножения нейтронов (грубо говоря, это отношение числа задействованных в ядерных реакциях нейтронов к числу образовавшихся нейтронов). Необходимо постоянно придерживать его примерно на уровне единицы. Если k < 1, реакция затухнет, если k > 1, цепная реакция быстро нарастает.
Для этих целей в реакторе используются замедлители (отсутствуют в реакторах на быстрых нейтронах) и поглотители нейтронов. В качестве замедлителей используются небезызвестные графитовые стержни, бор, бериллий, обычная вода (H2O), дейтериевая вода (так называемая «тяжёлая вода», формула D2O, где D – нерадиоактивный изотоп водорода с массовым числом 2).
Замедлители нейтронов призваны уменьшить энергию нейтронов, образующихся при ядерных реакциях. Если скорость нейтронов будет слишком высокой, то вероятность захвата ядром урана этого нейтрона будет чрезвычайно мала. Если снизить его скорость, то вероятность реакции заметно возрастёт.
Поглотители нейтронов используются для поддержания коэффициента размножения нейтронов на одном уровне. Они поглощают излишек нейтронов. Обычно для этих целей используются кадмий, бор, используются некоторые редкоземельные металлы (европий, эрбий, самарий и другие). В экстренных ситуациях предусмотрено экстренное сбрасывание стержней с поглотителями нейтронов в активную зону реактора для предотвращения взрыва. В этот момент все реакции в реакторе останавливаются. После такого замедления реактор нужно «раскочегаривать» заново.
Принцип действия ядерного реактора
Итак, мы познакомились с основами ядерных реакций с участием тяжёлых элементов, неплохо бы теперь узнать о том, как действует ядерный реактор. Место, где происходят ядерные реакции называется «активной зоной реактора». Находящаяся там дистиллированная вода (называется водой первого контура) нагревается, после чего отдаёт своё тепло воде второго контура, не соприкасаясь с ней. Вода второго контура, превращаясь в пар, вращает турбину, которая приводит в действие электрогенератор. Он и вырабатывает электрический ток.
Термоядерные реакторы
Это одна из крайне перспективных отраслей науки. Термоядерные реакторы, в случае появления, обещают практически неограниченный выход энергии. Однако как вы могли догадаться, есть некоторые сложности с их созданием.
Термоядерные реакции, или термоядерный синтез – реакция, при которой ядра более лёгких элементов сталкиваются вместе, образуя ядро более тяжёлого элемента. При этом образуется колоссальное количество энергии. Впервые термоядерную реакцию удалось осуществить при подрыве экспериментальной бомбы "Иви Майк" 1 ноября 1952 года, мощность составила около 10-12 мегатонн в тротиловом эквиваленте. 30 октября 1961 года была взорвана крупнейшая в истории 58-мегатонная водородная бомба, «Царь-бомба». Несмотря на успешное проведение испытания (к слову, ударная волна трижды обогнула земной шар) бомба не поступила на вооружение. Оружие действительно страшное.
В чём проблема создания термоядерных реакторов если уже были успешные испытания термоядерных бомб? Проблема в проведении управляемого синтеза. Для термоядерной реакции нужна огромная температура (многие миллионы градусов) и огромное давление (как в центре Солнца, где, собственно, и происходит непрерывная термоядерная реакция). Достичь такой температуры и поддерживать её не так просто, для этих целей предполагается использовать плазму. Установкой для удержания плазмы является ТОКАМАК (образовано первыми буквами слов «тороидальная камера с магнитными катушками»). Это камера в форме бублика. В ней при помощи магнитного поля предполагается удерживать плазму (никакой материал не выдержит температуры в миллионы градусов), таким образом создавая условия для протекания термоядерного синтеза. Температура и давление нужны для преодоления кулоновского барьера. Вспомним, что в ядре находятся положительно и нейтрально заряженные частицы, в целом же ядро атома имеет положительный заряд. Одноимённые заряды (с одним знаком) отталкиваются, разноимённые притягиваются. Чтобы преодолеть это взаимодействие и нужны такие экстремальные условия. Ведутся наработки по проведению «Холодного термоядерного синтеза», то есть осуществление реакции без значительного нагрева веществ.
Это основы ядерной энергетики, благодарю за внимание и надеюсь на оценку моего труда.
