Ядерные реакторы — особый вид устройств, необходимый для проведения цепного ядерного деления, в ходе которого происходит распад ядер тяжёлых элементов и выделяется ядерное тепло. Ядерные реакторы обеспечивают возможность наблюдать за процессом протекания цепной реакции во время деления атомных ядер в строго контролируемых условиях.
Рисунок 1. Ядерный реактор. Автор24 — интернет-биржа студенческих работ
Топливо, используемое для реакций ядерного деления, делится на несколько основных видов:
- Природное урановое, оно может представлять собой металлические сплавы, ранее использовавшиеся как урановые стержни, а также оксиды, карбиды или нитриды;
- Вторичное топливо неприродного происхождения, его получают из природного, а в его составе может быть не только уран в различных изотопных формах, но и плутоний или торий.
Физика переработки ядерного топлива достаточно многогранна и сложна, поэтому более детально получится рассмотреть только несколько основных процессов, систематически протекающих в атомном реакторе, при его стабильной и полноценной эксплуатации.
В ядерных установках всегда используется энергия класса $AE$, которые ученые получают путем деления более тяжелых ядер. Например: $238U + n = 2 \ осколка \ деления + vn + AE$. Известно, что в физике атомного реактора участвует единица общего измерения энергии — мега электрон-вольт.
Все происходящие в ядерном устройстве процессы взаимосвязаны и делятся в зависимости от энергии на такие нейтронные группы:
- Тепловые — энергия движения соизмерима c мощностью теплового движения среды $E$
- Замедляющиеся — сила которых находится в диапазоне от $0.5$ эВ до $2000$ эВ;
- Быстрые — энергия для быстрых нейтронов составляет $E$ > $2000$ эВ.
Стоит отметить, что цепная ядерная реакция с использованием чистого урана 238U невозможна, так как этим способом внедрения реакции деления в уране процесс будет постепенно замедляться или же вообще стоять на «месте».
Если нейтроны после своего возрождения сталкиваются с ядрами водорода, то они не смогут использовать все свою энергию, а после нескольких столкновений мощность нейтрона автоматически упадет до уровня тепловой, а там граница деления составляет максимум 235U.
В «медленных» ядерных реакторах постоянно происходит деление под воздействием нейтронов, которые при 293К автоматически подчиняются распределению Максвелла с наиболее вероятной скоростью до $2200$ м/с.
Все процессы деления в атомном реакторе можно характеризовать следующими критериями:
- коэффициент размножения — одна из важнейших характеристик общей цепной реакции деления, которая демонстрирует соотношение количества нейтронов нового поколения к числу нейтронных элементов предыдущего поколения в бесконечной массе;
- критическая масса — представляет собой минимальный показатель делящегося вещества, предполагающая свободное протекание взаимодополняющей ядерной реакции деления: чем меньше основной период распада атомов, тем больше будет критическая масса деления;
- критический размер — делит системы посредством длины пробега нейтронов в материале, который распадается;
- критическая масса — минимальное значение радиуса деления, при котором возникает цепная реакция.
Действие радиации на человека и окружающую среду
Система, работающая на мощных тепловых нейтронах, оснащена практически всеми необходимыми критериями в виде критического объема, минимальными критическими массами и размерами. Необходимым и важным условием для внедрения цепной реакции деления на практике является обязательное наличие критической сферы делящегося материала.
Однако это не единственное условие, так как, получив этот показатель, возможно разработать атомную бомбу вместо ядерной станции (АЭС), возникнет невозможность управления реакцией цепного деления, а это, в свою очередь, может повлечь за собой ядерный взрыв.
Поглощающий элемент — это небольшая зона атомного реактора, содержащая соответствующие материалы-поглотители нейтронов и предназначенная для строгого управления реактивностью опасной для жизни установки и предотвращения распространения радиоактивных элементов.
Правила ядерной безопасности достаточно жестко ограничивают прогрессирующую величину вносимой реактивности.
Другой вид станций, который функционирует по всему миру, с источником тепла на базе принципов стронций-90 «РИТ-90» является закрытым источником негативного излучения, в котором вся топливная композиция представлена в виде керамического плотного титаната стронция-90 ($SrTiO_3$), использование которого возможно только после процедуры двойной герметизации.
Эффекты реактивности ядерных реакторов
Коэффициент размножения будет обязательно менять свою структуру, если в постоянно делящейся среде происходят изменения ядерного элемента, плотности и температуры.
Мощностной эффект помогает более точно определить смену реактивности на уровень энергии реактора. При систематическом изменении силы деления цепной реакции можно наблюдать трансформацию теплового постоянного потока от топлива к теплоносителю, в результате чего происходит изменение общей температуры атомной установки.
При таком процессе автоматически возникает доплеровский эффект, согласно которому сила ядерного реактора абсолютно пропорциональна концентрации делений ядер в активной сфере.
Реактор функционирует в стационарном режиме, если в данной зоне делится одно и тоже количество ядер каждую секунду. Если массивность делений реакции изменяется во времени, то реактор работает в нестабильном порядке.
Основные моменты физики ядерных реакторов
Ядерный реактор представляет собой уникальный и достаточно опасный аппарат, в котором на постоянной основе происходят атомные реакции — градация и трансформация одних химических элементов в другие. Для таких процессов необходимо, чтобы в реакторе всегда было делящееся вещество, которое при своем распаде оставляет элементарные частицы, которые уже и вызывают ядерный распад других частиц.
Для переработки ядерного топлива служит активная зона. Активная зона — это зона, в которой непосредственно происходит контролируемая ядерная цепная реакция, также к ней относятся замедлитель и теплоноситель.
Частицы обыкновенной воды нейтронные элементы замедляет достаточно быстро и хорошо, но практически полностью их поглощают. Поэтому для полноценного протекания цепной реакции деления нужно использовать уран с максимальной долей делящегося изотопа, который будет выступать в роли замедлителя.
Анализ теорем радиоактивности в плане их вероятного использования в области энергетики показывает, что дополнительную ядерную энергию можно легко конвертировать в тепловую в процессах общего радиоактивного распада, или использовать в атомных реакциях синтеза простых ядер.
В настоящее время в энергетике был внедрен только один класс ядерных систем – деление ядер тяжелых частиц под воздействием нейтронов.
Типы атомных реакторов
Главный промышленный метод обязательной утилизации атомной энергии в мирных целях базируется на принципе цепной взаимодополняющей реакции нейтронного деления некоторых изотопов плутония или урана. На практике трансформация ядерной мощности в тепло осуществляют посредством атомных реакторов, например, с помощью так называемых тепловыделяющих элементов, чаще можно услышать, как их называют ТВЭЛы.
На сегодняшний день ученые выделяют три основные группы ядерных установок:
- ядерные реакторы, которые применяются для получения тепловой энергии (энергетические);
- ядерные устройства, использующиеся для выработки разных видов излучения;
- ядерные реакторы-наработчики уникальных радионуклидов.
Атомные установки для конструктивных целей подразделяются на канальные и корпусные. Корпус реактора не должен быть нагружен давлением основного теплоносителя, так как эту функцию должен выполнять каждый отдельный канал. В ядерных реакторах топливо находится в поле достаточно высоких температур и в среде максимальных давлений, что накладывает определенные требования при применении конструкционных материалов. Для длительной деятельности на огромной мощности эти системы должны иметь некоторый запас реактивности, которому реактор способен устойчиво работать.
Вероятность взаимодополняющей цепной реакции деления в атомном реакторе напрямую зависит от того, какая была проведена утечка нейтронов, возникающая автоматически в процессе поглощения.
Увеличить эксплуатационные свойства возможно только посредством повышения надежности топлива и снижения уровня повреждаемости топливных элементов.
