§ 26. Ланцюгова ядерна реакція. Ядерний реактор

«. Попередні епохи отримали назву від певних матеріалів: була доба кам’яна, бронзова, залізна. Але жодної з них не було б, якби людина не знала вогню. Справжнє багатство світу — його енергія», — писав англійський радіохімік, лауреат Нобелівської премії Фредерік Содді (1877-1956) у своїй книзі «Матерія та енергія». XX ст. можна сміливо назвати атомним, адже саме в цьому столітті людина відкрила й почала приборкувати енергію атомного ядра. Про те, як допомагають дослідження з ядерної фізики забезпечувати людство енергією, ви дізнаєтесь із цього параграфа.

1. Дізнаємося про поділ важких ядер і ланцюгову ядерну реакцію

Наприкінці 1938 р. німецькі радіохіміки Отто Ган (1879-1968) і Фріц Штрасман (1902-1980) проводили досліди з опроміненням урану нейтронами. На превеликий подив учених, у ході дослідів було виявлено барій та деякі інші елементи середньої частини Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Пояснюючи несподівані для вчених того часу результати дослідів, австралійський радіохімік Ліза Мейтнер (1878-1968) і англійський фізик Отто Фріш (1904-1979) дійшли висновку, що ядро Урану (важке ядро), поглинаючи нейтрон, «лускає» — розпадається на більш легкі ядра.

Так було відкрито розщеплення ядра — поділ важкого атомного ядра на два (рідше три) ядра, які називають осколками поділу* (рис. 26.1).

* У 1945 р. за відкриття розщеплення важких атомних ядер О. Ган отримав Нобелівську премію з хімії.

Рис. 26.1. Схема поділу ядра Урану. Поглинаючи нейтрон (а), ядро Урану збуджується й набуває видовженої форми (б); поступово розтягуючись (в), нове нестійке ядро розпадається на два осколки (г)

• Розгляньте рис. 26.1 і поясніть, чому осколки розлітаються з величезною швидкістю. Підказка: ядерні сили (сили притягання, які утримують нуклони всередині ядра) є короткодіючими, а от електростатичні (кулонівські) сили — далекодіючими.

Якщо ви уважно розглянули схему на рис. 26.1, то, мабуть, звернули увагу на те, що під час розщеплення ядра Урану крім осколків поділу вивільняються нейтрони. Ці нейтрони можуть спричинити поділ інших ядер Урану, які в свою чергу також випустять нейтрони, що здатні викликати поділ наступних ядер, і т. д. Кількість ядер, що розщеплюються, буде швидко зростати — в урановому зразку відбуватиметься ланцюгова ядерна реакція поділу (рис. 26.2).

Рис. 26.2. Схематичне зображення ланцюгової ядерної реакції: під час одного акту поділу ядра Урану вивільняється 2 або 3 нейтрони, завдяки яким і розвивається ланцюгова ядерна реакція

Дуже важливим є той факт, що ланцюгова ядерна реакція супроводжується виділенням величезної кількості енергії. Під час поділу одного ядра Урану виділяється лише 3,2 • 10 -11 Дж енергії, проте якщо розпадуться всі ядра, що містяться, наприклад, в одному молі урану (235 г Урану; 6,02 • 10 23 ядер), енергія, яка виділиться, дорівнюватиме приблизно 19,2 • 10 12 Дж. Стільки ж енергії виділиться, якщо спалити, наприклад, 450 т нафти.

2. Знайомимося з будовою ядерного реактора

Ланцюгова реакція поділу, яка відбувається в урані та деяких інших речовинах, є основою для перетворення ядерної енергії на теплову й електричну. Згадайте: під час ланцюгової реакції безупинно з’являються нові й нові осколки поділу, які рухаються з великою швидкістю. Якщо урановий стрижень занурити в холодну воду, то осколки зіштовхуватимуться з молекулами води й віддаватимуть їм свою енергію. У результаті холодна вода нагріється або навіть перетвориться на пару. Саме так працює ядерний реактор, у якому ядерна енергія перетворюється на теплову.

Ядерний реактор — пристрій, призначений для здійснення керованої ланцюгової реакції поділу, яка завжди супроводжується виділенням енергії.

У ядерних реакторах (рис. 26.3) ядерне паливо (уран або плутоній) розміщують усередині так званих тепловидільних елементів (ТВЕЛів). Продукти поділу нагрівають оболонки ТВЕЛів, і ті передають енергію воді, яка в даному випадку є теплоносієм. Отримана енергія перетворюється далі на електричну (рис. 26.4) подібно до того, як це відбувається на звичайних теплових електростанціях.

Рис. 26.3. Схема будови ядерного реактора

Рис. 26.4. Принцип роботи атомної електростанції

Щоб керувати ланцюговою ядерною реакцією та унеможливити ймовірність вибуху, використовують регулюючі стрижні, виготовлені з матеріалу, що добре поглинає нейтрони. Так, якщо температура в реакторі збільшується, стрижні автоматично заглиблюються в проміжки між ТВЕЛами, в результаті кількість нейтронів, що вступають у реакцію, зменшується і ланцюгова реакція сповільнюється.

3. Дізнаємося про термоядерну реакцію

Ми з’ясували, що внаслідок поділу важких ядер утворюються елементи середньої частини Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва і виділяється енергія (рис. 26.5, а). Цю енергію називають ядерною, адже вона «схована» в ядрі атома. Зрозуміло, якби нам спало на думку знову з’єднати осколки поділу, то необхідно було б витратити таку саму енергію.

• Згадайте, на якому фундаментальному законі фізики ґрунтується останнє твердження.

А от якщо взяти ядра ізотопів легких елементів, наприклад ядро Дейтерію і ядро Тритію, то внаслідок їх з’єднання енергія буде виділятися* (рис. 26.5, б).

* Ця властивість пояснюється різною питомою енергією зв’язку атомних ядер, про яку ви дізнаєтесь, вивчаючи фізику в старшій школі.

Рис. 26.5. І розпад важких ядер (а), і синтез легких ядер (б) супроводжуються виділенням енергії

Реакцію злиття легких ядер у більш важкі, яка відбувається за дуже високих температур (понад 10 7 °С) і супроводжується виділенням енергії, називають термоядерним синтезом.

Високі температури, тобто великі кінетичні енергії ядер, потрібні для того, щоб подолати сили електричного відштовхування ядер (однойменно заряджених частинок). Без цього неможливо зблизити легкі ядра на такі відстані, на яких починають діяти ядерні сили притягання.

У природі термоядерні реакції відбуваються в надрах зір, де ізотопи Гідрогену перетворюються на Гелій (див. рис. 26.5, б). Так, за рахунок термоядерних реакцій, що відбуваються в надрах Сонця, воно щосекунди випромінює в космічний простір 3,8 • 10 26 Дж енергії. Це колосальна енергія — щоб стільки її отримати, потрібно спалити в тисячу разів більше вугілля, ніж мають усі відомі запаси на Землі.

Термоядерні реакції — це майже невичерпне джерело енергії. Фізики вже навчилися створювати умови для виникнення таких реакцій, а от їх використання в промисловому масштабі поки що залишається на рівні експериментів.

4. Учимося розв’язувати задачі

Задача. Визначте масу Урану-235, яку витрачає за добу реактор атомної електростанції, якщо вихідна електрична потужність відповідного блока електростанції становить 1000 МВт, а його ККД — 30 %. Маса одного ядра Урану-235 дорівнює 3,9 • 10 -25 кг, а під час кожного поділу виділяється 3,2 • 10 -11 Дж енергії.

Аналіз фізичної проблеми, пошук математичної моделі

Виходить, що навіть один блок атомної електростанції виробляє енергії більше, ніж споживає велике місто. Дійсно, за добу один блок атомної електростанції виробляє: Е_кор= Ρ_кор • t = 1000 МВт • 24 год = 24 000 МВт • год енергії, а, наприклад, Київ у літні місяці споживає за добу лише 300 МВт • год.

Підбиваємо підсумки

Поглинення нейтрона ядром Урану може спричинити розпад ядра. Ця реакція супроводжується звільненням нейтронів, які містяться в ядрі, а ті, у свою чергу, можуть спричинити поділ інших ядер Урану — відбуватиметься ланцюгова ядерна реакція, яка супроводжується виділенням величезної енергії. Процес перетворення ядерної енергії на теплову здійснюється в ядерних реакторах — пристроях, призначених для здійснення керованої ланцюгової реакції поділу.

Виділенням енергії супроводжується і процес синтезу деяких легких ядер. Така реакція отримала назву термоядерної, оскільки для її початку необхідна дуже висока температура. Термоядерні реакції синтезу відбуваються в надрах зір. Зараз вчені працюють над створенням термоядерних реакторів — пристроїв, призначених для отримання енергії за рахунок реакції термоядерного синтезу легких ядер, яка відбувається в плазмі за дуже високих температур (понад 10 7 °С).

Контрольні запитання

1. Які процеси відбуваються внаслідок поглинання нейтрона ядром Урану? 2. Опишіть механізм ланцюгової ядерної реакції. 3. Які перетворення енергії відбуваються в ядерних реакторах? 4. Як працює атомна електростанція? 5. Який процес називають термоядерним синтезом? 6. Звідки «беруть» енергію зорі?

Вправа № 26

1. У ясний сонячний день на кожний 1 м 2 відкритої горизонтальної поверхні щосекунди потрапляє 650 Дж сонячної енергії. Скільки сонячної енергії за годину потрапляє на дах будівлі, якщо площа даху дорівнює 100 м 2 ? Скільки (в кілограмах) сухих дров необхідно спалити, щоб отримати ту саму кількість енергії, що потрапляє на дах будівлі від Сонця (питома теплота згоряння сухих дров — 10 МДж/кг)? Поміркуйте, де вам можуть знадобитися подібні розрахунки.

2. Яку кількість енергії можна отримати від ділення 1 г Урану-235, якщо в ході поділу кожного ядра виділяється енергія, що дорівнює 3,2 • 10 -11 Дж?

3. Потужність реактора атомного криголама — 80 000 кВт. Споживання реактором Урану-235 становить 500 г на добу. Визначте ККД реактора.

4. Скористайтеся додатковими джерелами інформації та дізнайтеся, коли була здійснена перша керована ланцюгова ядерна реакція; коли і де було створено перший промисловий ядерний реактор; чи існують на нашій планеті місця, де відбувалася природна ланцюгова ядерна реакція.

Фізика і техніка в Україні

Інститут ядерних досліджень НАНУ (Київ) — провідна наукова установа в галузі ядерної фізики та атомної енергетики. Інститут був створений у 1970 р. на базі ядерних відділів Інституту фізики АН УРСР.

Засновником і першим директором інституту був академік НАНУ М. В. Пасічник. Згодом установу очолювали академік НАНУ О. Ф. Німець, академік НАНУ І. М. Вишневський, із 2015 р. директором інституту є член-кореспондент НАНУ Василь Іванович Слісенко.

Основні напрями роботи інституту — фундаментальні та прикладні дослідження з ядерної фізики низьких і середніх енергій, фізики реакторів, теорії ядра, ядерної спектроскопії, ядерної електроніки, радіаційної фізики, термоядерного синтезу, фізики плазми, а також взаємодії нейтронів, протонів, дейтронів, альфа-частинок та важких ядер із ядрами майже всіх елементів Періодичної системи хімічних елементів Д. І. Менделєєва.

Під керівництвом провідних учених в інституті склалися відомі наукові школи: з нейтронної фізики, фізики ядерних реакцій із зарядженими частинками, мікроскопічної теорії ядра, ядерної спектроскопії, неприскорювальної фізики елементарних частинок.

Науковці інституту відіграли визначну роль в усуненні наслідків аварії на Чорнобильській АЕС.

Скільки виробляє ядерний реактор

Утримання електроенергії з процесів ядерного поділу, безсумнівно, є великим аспектом сучасної енергетики. Ядерний реактор — пристрій, в якому відбувається керована ядерна реакція. Реактори є основним обладнанням атомних електростанцій, де атомна енергія перетворюється на електричну. Реактори є також одним із рухових елементів кораблів і підводних човнів.

Основи класифікації ядерних реакторів

Ядерні реактори можна розділити за низькою ознакою. Ось деякі з них:

• Енергія нейтронів, що викликають поділ:
• тепловий, що використовує теплові нейтрони або принаймні з енергією менше приблизно 100 еВ,
• реактор, який працює на швидких нейтронах з енергією переважно в межах 50-100 кеВ.
• Ядерне паливо (у вигляді металу, карбідів або оксидів, кераміки):
• реактор з природним ураном
• реактор зі збагаченим ураном
• реактор, що працює на 239 232 Pu,
• реактор, що працює на 232 Т (точніше 233 У).
• Розташування ядерного палива:
• гомогенний реактор,
• гетерогенний реактор.
• Модератор:
• водяний, реактор
• важководний реактор,
• реактор-сповільнювач берилію,
• графітовий, реактор
• реактор без сповільнювача (швидкий).
• Охолоджуюча рідина
• реактор, що охолоджується водою або іншою рідиною,
• газоохолоджувальний реактор (повітря, гелій, CO ₂ , дисоціюючий газ),
• слабометалевий реактор з охолодженням (рідкий натрій і його сплави, калій, вісмут).

Звертаємо увагу, що наведені вище підрозділи не єдині. Крім того, класифікацію можна виділити за матеріалом гільз, в який укладено паливо, за ступенем збагачення палива, за типом конструкції тепловиділяючих елементів та ін. Постійний технологічний розвиток забезпечує появу нових рішень і робить деякі зі згаданих реакторів лише історичного значення.

Реакторні покоління

Перше покоління ядерних реакторів включало всі ті, що були створені в 1950-1960-х роках. Водночас вони були прототипами для реакторів другого покоління. Конструкції перших ядерних реакторів були взяті з військових програм. Під час Другої світової війни вони в основному використовувалися для виробництва плутонію. Реактори першого покоління відрізнялися тим, що вони мали можливість перезавантажувати паливо під час його роботи реактора без необхідності зупинки. Це були графітові реактори. Як паливо використовувався природний або слабозбагачений уран. Охолоджувачами були вода або вуглекислий газ. Друге покоління ядерних реакторів (побудованих в основному з 1970 по 1990 рр.) поставило собі за мету ефективне виробництво електроенергії. Розширені в даний час реактори PWR або BWR належать до другого покоління. Наприкінці 1980-х років почалися дослідження щодо внесення ряду змін і вдосконалення в конструкцію та експлуатацію ядерних реакторів для виходу третього покоління . Це наступне покоління включає ядерні реактори, які модифіковані та вдосконалені для підвищення безпеки, а також зниження вартості будівництва та експлуатації електростанцій. Сучасний, конкурентний енергетичний ринок означає, що рішення, запроваджені з третім поколінням ядерних реакторів, зараз закінчуються. Четверте покоління ядерних реакторів включає абсолютно інноваційний підхід до виробництва ядерної енергії . Він враховує методи, які відрізняються від застосовуваних на даний момент рішень. Багато з них є водяними реакторами малої та середньої потужності з оригінальними конструкціями.

Ядерні реактори – поділ за конструкцією

Резервуарні реактори

Це часто найбільш використовувані реактори для енергетичних цілей. Активна зона реактора PWR розміщена в центрі резервуара під тиском з водяним басейном. Вода одночасно є теплоносієм і сповільнювачем. Гранули діоксиду урану, укладені в цирконієву (або нержавіючу) воду, є паливом для реактора PWR. Цей реактор має два контури. Перший контур — вода, яка омиває твел і передає тепло парогенератору. Після охолодження він повертається в реактор. У другому контурі пара, що утворюється в парогенераторі (нагрівається першим контуром), призводить в рух турбіни реактора.

Це реактори PWR середньої та великої потужності, розроблені в СРСР. конструкція їх мало чим відрізняється від західних. Вони чотири шари мають захист від протікання. Було виготовлено два основних типи реакторів ВВЕР: ВВЕР-440 і ВВЕР-1000.

У цьому реакторі теплоносієм, а також робочому середовищі є не вода, а пара. Вода в активній зоні доводиться до температури кипіння, а на виході з реактора маємо насичену пару, яка призводить до руху парову турбіну. Реактори типу BWR мають тільки один контур. Канальні реактори

Реактор CANDU є прикладом важководного реактора – важка вода, D ₂ O, є водночас теплоносієм і сповільнювачем. Його завдання – погіршити енергію нейтронів. Як паливо використовувати природний уран (без збагачення). Реактор CANDU спочатку був розроблений і побудований в Канаді як перший промисловий важководний реактор.

РБМК – водокиплячий реактор. Як сповільнювач використовує графіт . Вода отримує тепло і, перетворившись на пару, обертає турбіни. У цьому реакторі сповільнювачем швидких нейтронів є не вода, а графіт. Як паливо використовувати природний уран без збагачення. на те, що реактор РБМК є одним із найбільших економічних, він має ряд конструктивних недоліків.

Ядерні реактори – поділ за призначенням

Енергетичні реактори – їх основне завдання – перетворення ядерної енергії в електричну. Вони використовують на комерційних електростанціях. Дослідницькі/навчальні реактори – в них здійснюються дослідницькі та наукові роботи. Дослідницькі реактори не можуть проводити експерименти щодо структури твердих тіл і дослідження матеріалів і ядерного палива для енергетичних реакторів. Реактори для військових цілей – у війську ядерні реактори використовувалися для виробництва плутонію для збройової промисловості. Рушові реактори – одним із виробництвь ядерної енергії є рух кораблів або підводних човнів. Для цього спеціально розроблені російські реактори. Нагрівальні реактори – використовують для отримання необхідної кількості тепла для потреб опалення на АЕС. Високотемпературні реактори – у високотемпературних реакторах виділяється тепло, яке потім використовується для технологічних потреб. Реактори спеціального призначення – ці типи реакторів в основному використовують в медицині або в окремих галузях промисловості. Вони виробляють радіоізотопи для певних продуктів.