41. Физические основы ядерной энергетики. Ядерный реактор.

Это реакция деления наиболее тяжелых ядер на два ядра-осколка. При этом тяжелое ядро, захватив нейтрон, распадается на два ионизированных (положительно заряженных) ядра-осколка сравнимой массы. Под действием силы кулоновского отталкивания они разлетаются, в итоге некоторая часть внутриядерной энергии переходит в кинетическую энергию их полета. Пробег таких осколков в веществе невелик (микроны), поэтому при торможении происходит интенсивный нагрев сравнительно небольшого объема этого вещества. Локализовав цепную ядерную реакцию деления в таком объеме и предусмотрев систему теплосъема, можно использовать выделяющееся тепло, что и происходит на атомной электростанции

Атомное ядро (нуклид) – составная часть структуры атома, находящаяся в его центре, обладающая ничтожным, в сравнении с общим объемом атома, размером, но содержащая почти всю его массу и энергетические запасы.

Изотоп (какого-либо элемента) - атомы, имеющие в составе ядра одинаковое число протонов (поскольку речь идет об одном и том же элементе), но различное – нейтронов, отчего массы ядер, естественно, различаются.

Ядерный реактор - устройство для осуществления управляемой реакции деления и преобразования выделившейся при делении энергии в тепловую для дальнейшего использования. Главным условием нормальной работы ядерного реактора является контролируемый процесс деления урана и отвод избыточного тепла, образующегося при этом. При работе реактора в тепловыделяющих элементах (твэлах) в различных количествах выделяется теплота. Это связано прежде всего с торможением осколков деления, бета- и гамма- излучением их, а также ядер, испытывающих взаимодействие с нейронами, и, наконец, с замедлением быстрых нейронов. От реактора теплота отводится циркулирующим через него теплоносителем. Характерной особенностью реактора является остаточное тепловыделение после прекращения реакции деления, что требует отвода теплоты в течение длительного времени после остановки реактора. Главным элементом ядерного реактора является активная зона. В нем размещается ядерное топливо и осуществляется цепная реакция деления. Активная зона представляет собой совокупность определенным образом размещенных тепловыделяющих элементов, содержащих ядерное топливо. В реакторах на тепловых нейтронах используется замедлитель. Через активную зону прокачивается теплоноситель, охлаждающий тепловыделяющие элементы. В некоторых типах реакторов роль замедлителя и теплоносителя выполняет одно и то же вещество, например обычная или тяжелая вода.

В зависимости от назначения ядерные реакторы бывают энергетические, конверторы и размножители, исследовательские и многоцелевые, транспортные и промышленные.

42. Проблемы управляемого термоядерного синтеза.

Термоядерный синтез – процесс взаимодействия (слияния) легких ядер при высоких температурах с образованием более тяжелого ядра и выделением энергии.

Реакция синтеза заключается в следующем: два или больше атомных ядра в результате применения некоторой силы сближаются настолько, чтобы силы, действующие на таких расстояниях, преобладали над силами кулоновского отталкивания между одинаково заряженными ядрами, в результате чего формируется новое ядро. При создании нового ядра выделится большая энергия сильного взаимодействия. По известной формуле E=mc², высвободив энергию, система нуклонов потеряет часть своей массы. Атомные ядра, имеющие небольшой электрический заряд, проще свести на нужное расстояние, поэтому тяжелые изотопы водорода являются одними из лучших видов топлива для реакции синтеза. Для осуществления

самоподдерживающейся реакции ядерного синтеза необходимо и достаточно

соблюсти два условия.

1. Энергия участвующих в реакции ядер должна составлять не менее 10 кэВ. Чтобы пошел ядерный синтез, участвующие в реакции ядра должны попасть в поле ядерных сил, радиус действия которых 10-12-10-13 с.см.

2. Произведение концентрации реагирующих ядер на время удержания, в течение которого они сохраняют указанную энергию, должно быть не менее 1014 с.см-3. Это условие - так называемый критерий Лоусона. Однако техническая реализация данной физической задачи сталкивается с огромными трудностями. Ведь энергия 10 кэВ - это температура 100 миллионов градусов. Вещество при такой температуре удержать в течение даже долей секунды можно только в вакууме, изолировав его от стенок установки. В настоящее время решение проблемы управляемого синтеза развивается по двум главным направлениям: магнитное удержание плазмы (токамаки, стеллараторы и пр.) и инерциальное удержание (лазерный синтез).