Чернобыльская катастрофа
_
Коэффициент размножения (Кэф) - это отношение количества нейтронов второго поколения к количеству нейтронов первого поколения
При Кэф < 1 реакция деления затухает.
При Кэф = 1 реакция деления происходит на постоянной мощности (нормальный режим работы реактора).
При Кэф > 1 реакция деления разгоняется (увеличение мощности).
Для осуществления преобразования ядерной энергии в электрическую, необходимо поддерживать в реакторе Кэф = 1.
Нейтроны, сталкивающиеся с ядрами обладают различной энергией. В физике ядерного реактора принята единица измерения энергии - мега электрон-вольт [МэВ] 1 МэВ = 1.602 ´ 10-13 Дж (1 МэВ =1 000 000 эВ). В зависимости от энергии принято делить нейтроны на группы:
тепловые - энергия движения которых соизмерима энергией теплового движения среды Е < 0.5 эВ.
замедляющиеся - энергия которых лежит в диапазоне от 0.5 эВ до 2000 эВ.
быстрые - E > 2000 эВ.
Основным топливом в ядерных реакторах является уран.
В результате исследований было установлено, что деление изотопа урана 238U возможно только нейтронами с энергией большей 1 МэВ, но вероятность деления (сечение реакции деления), при таких энергиях в 4 раза меньше чем захвата или рассеяния. Другими словами из 5 нейтронов столкнувшихся с ядром 238U, только 1 вызовет деление. При меньших энергиях возможны только радиационный захват или рассеяние. Причем при энергиях 7 эВ - 200эВ сечение захвата очень сильно возрастает (Резонансный захват). Нейтроны поглощаются без деления и выбывают из цепной реакции.
Для изотопа урана 235U деление возможно нейтронами любых энергий, однако, вероятность деления (сечение реакции деления) для тепловых нейтронов в 100 раз больше чем для быстрых нейтронов c энергией 5 - 6 МэВ.
Цепная реакция деления.
Рассмотрим реакцию деления в смеси изотопов урана 238U и 235U.
В отдельных актах деления энергия рождающихся нейтронов может принимать значения от 100 эВ, до 10 МэВ. Средняя энергия около 2 МэВ. Нейтроны с такой энергией, могут разделить изотопы 238U, но как было сказано выше, на 1 нейтрон вызвавший деление 238U, придется четыре захваченных без деления, а в результате деления возникает в среднем 2,5 нейтрона, следовательно, коэффициент размножения Кэф = 5/2.5 = 0.5 - реакция затухающая. Можно сделать вывод, что при наличии только одного изотопа 238U осуществить цепную реакцию невозможно.
Нейтроны рожденные при делении с энергией 2 МэВ, в результате рассеяния потеряют свою энергию (замедлятся), чем ниже их энергия, тем больше эффективное сечение деления для изотопа 235U, однако в процессе замедления в какой-то момент времени энергия нейтронов будет находиться в диапазоне 7 эВ - 200 эВ, где сечение захвата для ядер 238U очень сильно возрастает. Поэтому до тепловой энергии, где вероятность деления 235U максимальна, сможет замедлится лишь малая часть нейтронов.
В естественном уране количество изотопа 235U составляет 0.7 % остальное 238U и для осуществления реакции необходимо произвести обогащение, увеличить концентрацию изотопа 235U таким образом, чтобы нейтроны после рождения сталкивались с ядрами 235U чаще, чем с ядрами 238U. В этом случае мы можем осуществить цепную реакцию деления на быстрых нейтронах.
Другим способом осуществления реакции деления в уране является использование замедлителя, например воды. Если нейтрон после рождения столкнется с ядром водорода, то он сбросит часть своей энергии, после нескольких столкновений (около 14) его энергия снизится до уровня тепловой, где вероятность деления 235U максимальна. В этом случае мы можем получить цепную реакцию в смеси изотопов урана с меньшем обогащением по 235U.
Реакторы, в которых большинство актов деления вызвано тепловыми нейтронами, называют реакторами на тепловых нейтронах. В таких реакторах обязательно используется замедлитель. В качестве замедлителей обычно используют:
Воду Н2О - реакторы типа ВВЭР, PWR;
Тяжелую воду D2O - реакторы типа CANDU;
Графит - реакторы типа РБМК, Magnox, HTGR.
В реакторе РБМК в качестве замедлителя используют графит. Нейтроны в них теряют свою энергию (замедляются) при столкновении с ядрами углерода. Причем количество столкновений необходимое для замедления быстрого нейтрона до теплового составляет для углерода около 114.
Управление цепной реакцией деления.
Необходимым условием для осуществления практической реализации цепной реакции деления, является наличие критической массы делящейся среды. Однако это не единственное условие. Получив критическую массу делящегося вещества, мы можем получить атомную бомбу, вместо атомной станции, если не сможем управлять цепной реакцией деления.
Процесс управления цепной реакцией сводится в конечном счете к изменению коэффициента размножения Кэф.
Практическая реализация управления реактором.
В современных энергетических реакторах управление цепной реакцией осуществляется путем введением в активную зону веществ поглощающих нейтроны. Помещая в активную зону стержень, содержащий поглощающий элемент, например бор, мы уменьшаем коэффициент размножения (вводим отрицательную реактивность), за счет того, что часть нейтронов, поглощаясь на ядрах бора, выбывает из цепной реакции. Если вернутся к формуле четырех сомножителей, мы уменьшаем величину q 51 - вероятность нейтронов поглотится в 235U. Вытаскивая стержень, мы увеличиваем q 5 , следовательно, увеличиваем коэффициент размножения.
Последовательность действий при увеличении мощности работающего реактора.
1 Выводится поглощающий стержень (вносится положительная реактивность). Коэффициент размножения становится больше 1, количество нейтронов и реакций деления растет, увеличивается мощность;
2 Выдерживается до требуемого значения время, необходимое для увеличения мощности;
3 Поглощающий стержень возвращается в исходное состояние (вносится отрицательная реактивность). Коэффициент размножения становится равным 1 Количество нейтронов во всех поколениях одинаково, мощность стабилизируется на новом уровне.
Перейти на страницу: 1 2 3 4 5 6 7 8 9