Вопрос 1

Я́дерный реа́ктор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Составными частями любого ядерного реактора являются: активная зона с ядерным топливом, обычно окруженная отражателем нейтронов, теплоноситель, система регулирования цепной реакции, радиационная защита, система дистанционного управления. Основной характеристикой ядерного реактора является его мощность.

Природа ионизирующего излучения

Наиболее значимы следующие типы ионизирующего излучения:

Коротковолновое электромагнитное излучение (поток фотонов высоких энергий):

• рентгеновское излучение;

• гамма-излучение.

• Потоки частиц:

  • бета-частиц (электронов и позитронов);

  • альфа-частиц (ядер атома гелия-4);

  • нейтронов;

  • протонов, других ионов, мюонов и др.;

  • осколков деления (тяжёлых ионов, возникающих при делении ядер).

Устройство, в котором происходит управляемая цепная реакция деления ядер, называется ядерным реактором. В качестве делящегося вещества (ядерного топлива) применяют уран и плутоний (получаемый искусственно радиоактивный элемент с порядковым номером Z=94). Ядерные реакторы используются для выработки энергии, для получения искусственных радиоактивных изотопов (в том числе трансурановых элементов, т. е. элементов с Z>92) и как источники мощных пучков нейтронов. Рассмотрим эти применения. Как источник энергии ядерный реактор замечателен малым расходом топлива. Деление 1 г 235U по теплообразованию равноценно сжиганию нескольких тонн каменного угля. Это делает особенно перспективным применение реакторов в пунктах, удаленных от залежей угля и нефти, а также на транспорте — на кораблях, подводных лодках, самолетах. В СССР сооружен ряд крупных атомных теплоэлектростанций, построено несколько ледоколов с атомными двигателями, имеются атомные подводные лодки.

Вопрос 2.

В группу альтернативных ВИЭ включают солнечную, ветровую и геотермальную энергию, энергию приливов, течений, морских волн, энергию воды, преобразуемую в электрическую на микро-ГЭС, а также энергию биомассы, используемую для получения моторного топлива, тепловой и электрической энергии альтернативными способами (не сжиганием!) Основное преимущество ВИЭ перед другими источниками — их возобновляемость, экологичность, широкая распространенность и доступность. В случае необходимости эти источники могут работать автономно, снабжая энергией потребителей, не подсоединенных к централизованным энергосетям. Другими стимулами для внедрения альтернативных источников энергии являются безопасность поставок, постоянный рост цен на традиционные виды топлива и, конечно, научно-технический прогресс. Энергия солнца,ветра,приливная станция. атомная энергия будут по-прежнему составлять основу мировой энергетики.

Вопрос 3.

Я́дерная реа́кция — процесс образования новых ядер или частиц при столкновениях ядер или частиц. Впервые ядерную реакцию наблюдал Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота, она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, имеющих пробег в газе больше пробега α-частиц и идентифицированных как протоны. Ядерной реакцией принято называть процесс и результат взаимодействия ядер с различными ядерными частицами (альфа-, бета-частицами, протонами, нейтронами, гамма-квантами и т.д.).

Для понимания физических процессов в ядерном реакторе, наиболее важен класс нейтрон-ных ядерных реакций, то есть реакций, инициируемых нейтронами.

Нейтронные реакции - это процесс и результат взаимодействия свободных нейтронов с атомными ядрами.

Радиационный захват. Возбуждённое составное ядро оказывается способным удер-жать в своём составе проникший в него нейтрон, а избыток энергии сверх ближайшего уровня устойчивости - "сбросить" в виде испускаемого γ-кванта электромагнитного излучения. Таким образом, результатом подобного взаимодействия нейтрона с ядром является захват нейтрона исходным ядром, сопровождающийся испусканием γ-радиации, благодаря чему этот тип нейтронной реакции и получил название реакции радиационного захвата. К реакциям радиационного захвата склонны в различной степени все без исключения из-вестные нуклиды. Наиболее склонные к радиационному захвату сорта атомных ядер называют поглотителями нейтронов. Например, бор-10 (¹⁰B), самарий-149 (¹⁴⁹Sm), ксенон-135 (¹³⁵Xe), европий (Eu), кадмий (Cd), гадолиний (Gd) - все это сильные поглотители нейтронов. Уран-235 (²³⁵U), основной топливный компонент подавляющего большинства ядерных реакторов, а также плутоний-239 (²³⁹Pu), являю-щийся вторичным ядерным топливом, воспроизводимым в реакторах, - также являются достаточ-но сильными поглотителями нейтронов.

Рассеяние. При неспособности возбуждённого составного ядра удержать в своем со-ставе проникший в него нейтрон природное стремление ядра к устойчивости может быть реализо-вано путем "выталкивания" из ядра захваченного или любого другого нейтрона, равноценного за-хваченному по квантовым свойствам. Таким образом, и до, и после взаимодействия нейтрона с ядром имеются свободный нейтрон и одно и то же ядро, и единственным результатом такого взаимодействия является лишь то, что кинетические энергии исходного и испущенного нейтронов неодинаковы: энергия испускаемого нейтрона в подавляющем большинстве случаев оказывается ниже энергии исходного нейтрона. Кроме того, направления движения исходного и испускаемого нейтронов также неодинаковы. Внешне такое взаимодействие выглядит не как ядерное, а скорее как обычное механическое соударение нейтрона с ядром, в результате которого нейтрон передает ядру часть своей кинетиче-ской энергии, меняя при этом свою скорость и направление движения.

Многократно повторяемые акты таких соударений в классической механике, как известно, называют рассеяниями. По аналогии с механическими рассеяниями нейтронные реакции подобно-го типа называют реакциями рассеяния.Склонностью к реакции рассеяния, как и склонностью к радиационному захвату, обладают все (без исключения) известные нуклиды, хотя и в различной степени. Для реакторщика важно знать, ядра каких элементов наделены Природой этой склонностью к рассеянию, поскольку в тепловом реакторе за счёт реакций рассеяния идёт процесс уменьшения кинетической энергии нейтронов при их перемещении в среде активной зоны. Этот процесс ко-ротко именуется замедлением нейтронов. Поэтому ядра - хорошие рассеиватели нейтронов, - об-ладающие пониженной склонностью к радиационному захвату, как правило, оказываются хоро-шими замедлителями нейтронов.

Например, ядра атомов водорода (¹Н), дейтерия (²D), бериллия (⁹Be), углерода (¹²С), кисло-рода (¹⁶О), циркония (⁹¹Zr) и ряд других ядер со слабыми захватными свойствами и сильно выра-женной склонностью к рассеянию являются хорошими замедлителями рождаемых в реакторе бы-стрых нейтронов.

Реакция деления. Третий способ выхода возбуждённого составного ядра в более ус-тойчивые образования - деление его на две, три или даже более протонно-нейтронных комбина-ции, называемые осколками деления.

В отличие от реакций радиационного захвата и рассеяния, к делению склонны далеко не все известные ядра, а лишь некоторые (главным образом, чётно-нечётные) ядра тяжёлых элементов. Вот некоторые из них:

²³³U, ²³⁵U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu, ²⁵¹Cf, ..Наиболее важным из перечисленных нуклидов является уран-235 - основное топливо боль-шинства существующих ядерных реакторов. Уран-235 делится нейтронами любых кинетических энергий, но лучше всего – нейтронами с малыми энергиями. Вторым по значимости делящимся нуклидом является плутоний-239 - вторичное топливо в урановых реакторах, воспроизводящееся в процессе их работы. Как и уран-235, плутоний-239 де-лится нейтронами любых кинетических энергий, но наиболее эффективно – тепловыми нейтрона-ми. Третьим по значению делящимся нуклидом является чётно-чётный изотоп урана - уран-238 (²³⁸U). Чётное число нейтронов в его ядре даёт более устойчивую комбинацию, чем нечётное их число, благодаря чему деление урана-238 имеет пороговый характер: для инициации деления ядер ²³⁸U годны не любые нейтроны, а лишь нейтроны с энергиями выше Е_п = 1.1 МэВ. Ядерный реактор, по существу, конструируется и строится ради осуществления самоподдерживающейся цепной реакции деления требуемой интенсивности, а реакции радиационного захвата и рассеяния оказываются либо вынужденно необходимыми, либо просто неизбежными, идущими параллельно и одновременно с реакцией деления, сопутствующими ей.