§ 40. Применение ядерной энергии. Ядерный реактор.

При коэффициенте размножения нейтронов близким к единице, цепная ядерная реакция становится управляемой, а энергию, освобождающуюся в этой реакции, можно использовать для получения электрической энергии

При делении каждого ядра урана освобождается огромная энергия. Эта цепная реакция будет протекать и являться источником энергии до тех пор, пока число порождаемых ею нейтронов не начнёт уменьшаться. Отношение числа нейтронов в одном каком-либо поколении цепной реакции к числу нейтронов предшествующего поколения называют коэффициентом размножения нейтронов, k. Если k > 1, то число делящихся ядер урана лавинообразно возрастает, температура урана и других близлежащих веществ резко увеличивается, достигая миллионов градусов, в результате чего образуется раскалённый газообразный шар, который, расширяясь, всё сжигает и разрушает вокруг. Это явление называют ядерным взрывом. Для осуществления ядерных взрывов изготовляют атомные бомбы. Первые атомные бомбы были сделаны в США и применены в 1945 году, когда их взрывы уничтожили японские города Хиросима и Нагасаки.

Если коэффициент размножения нейтронов равен 1, то число делящихся ядер урана остаётся постоянным, а значит, энергия, освобождаемая в единицу времени, при этой реакции тоже постоянна, и ядерного взрыва не происходит. Такую цепную реакцию называют управляемой, а устройство, в котором она осуществляется - ядерным реактором. Ядерный реактор позволяет использовать цепную реакцию деления тяжёлых ядер в мирных целях.

Рассмотрим работу ядерного реактора на медленных нейтронах, предназначенного для ядер , которые гораздо эффективнее делятся под действием, именно, медленных нейтронов. Энергия у большинства нейтронов, образовавшихся при делении ядер урана, составляет 1-2 МэВ, что гораздо больше, чем должно быть у медленных нейтронов. Поэтому, чтобы цепная реакция протекала, образующиеся при реакции нейтроны замедляют с помощью специальных веществ, называемых замедлителями. Хорошими замедлителями являются ядра атомов с малым массовым числом, не способные поглощать нейтроны. В качестве замедлителей в ядерном реакторе используют обычную воду, тяжёлую воду (D2O) и графит. Чтобы коэффициент размножения нейтронов в ядерном реакторе был близок к единице, используют поглотители - специальные вещества, поглощающие лишние нейтроны. В качестве поглотителей обычно применяют стержни, сделанные из соединений бора и кадмия.

Устройство ядерного реактора на медленных нейтронах, приводящего в движение турбину и электрогенератор атомной электростанции, показано на рис. 40. Управляемая цепная ядерная реакция протекает в активной зоне 1 реактора, заполненной замедлителем и ядерным горючим. Чтобы увеличить коэффициент отражения нейтронов, активную зону окружают отражателем нейтронов 2. Изменяя глубину погружения регулирующих стержней 3, сделанных из поглотителя нейтронов, поддерживают коэффициент размножения нейтронов, близким к единице. Защитой от радиоактивности, мощным источником которой является ядерный реактор, служит толстая оболочка из железобетона 4.

Отвод энергии, образующейся при ядерной реакции, осуществляется путём циркуляции теплоносителя 5 (воды или металла с низкой температурой плавления) между активной зоной и парогенератором 6. В парогенераторе эта энергия превращает воду в пар высокого давления 7, который затем вращает турбину 8 и электрогенератор 9. Из турбины пар поступает в конденсатор К, где превращается в воду, которую насос Н закачивают обратно в парогенератор.

Первая в мире атомная электростанция была построена в г. Обнинске (СССР) в 1954 г. Разработка и конструирование ядерных реакторов было проведено под руководством советского физика И.В. Курчатова.

Вопросы для повторения:

· Что называют коэффициентом размножения нейтронов?

· Какую цепную ядерную реакцию называют управляемой, и где она идёт?

· Что называют замедлителями и поглотителями нейтронов?

· Опишите устройство и работу реактора на медленных нейтронах.

Рис. 40. Схема устройства ядерного реактора атомной электростанции.