Физика ядерных реакторов

1. Действие радиации на человека и окружающую среду
2. Эффекты реактивности ядерных реакторов
3. Основные моменты физики ядерных реакторов
4. Типы атомных реакторов

Материалы, применяемые в ядерных реакторах для совершения регулируемой цепной реакции ядерного деления, носят название «ядерное топливо».

Используемое топливо можно разделить на ряд кардинальных типов:

• урановое ядерное горючее, содержащее делящиеся ядра 235U – природное топливо: его химический состав может быть, как металлическим (сплавы, урановые стержни), так и карбидным (PuC1-x), окисным (UO2), нитридным или же смешанным;
• вторичное горючее – топливо, которое не встречается в природе. Его получают из природных «сырьевых» урановых ядер 238U, которые, захватывая нейроны, превращаются в новые делящиеся ядра, не существующие в природе (233U); в его химическом составе возможен не только уран разного рода изотопных форм, но также и торий (232Th) или плутоний (239Ри).

Физика переработки ядерного топлива довольно многообразна и непроста, вот почему более подробно удастся разобрать лишь часть базовых процессов, постоянно длящихся в атомном реакторе, при условии его стабильного и полноценного эксплуатирования.

В физике ядерного (атомного) реактора единица общего измерения энергии – МэВ (мега-электрон-вольт).
Классифицируют реакторы по степени энергии нейтронов, которые участвуют в реакции дробления, по принципу расположения топлива и замедлителя, целевой функции, типам замедлителя и теплоносителя, а также их физическому состоянию.

Не нашли то, что искали?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Тип работы Выберите тип работыКонтрольнаяРешение задачКурсоваяРефератОнлайн-помощьТест дистанционноДипломЛабораторнаяЧертежОтчет по практикеЭссеОтветы на билетыПрезентацияПеревод с ин. языкаДокладСтатьяСочинениеМагистерская диссертацияКандидатская диссертацияБизнес-планПодбор литературыШпаргалкаПоиск информацииРецензияДругое

Предмет

E-mail

Узнать стоимость

это быстро и бесплатно

Все процессы, происходящие в ядерном устройстве, взаимно связаны и разделяются с учётом уровня их энергий на следующие группы нейтронов:

• тепловые – деления ядер идёт при абсорбции ядрами дробящихся изотопов тепловых нейтронов, основная масса которых имеет энергию порядка 1–3МэВ;
• быстрые – деление ядер осуществляется нейтронами с энергией больше 0,5МэВ;
• промежуточные – большинство шагов деления зарождается действием резонансных нейтронов с энергией, выше тепловой (1эВ - 100кэВ).

Время «жизни» одной генерации нейтронов для быстрой реакции в несколько раз меньше, чем для тепловой. В реакторах-размножителях на быстрых нейтронах может быть достигнут значительно более высокий коэффициент потребления урана. Реально существующее слабое место реакторов на тепловых нейтронах — низкий коэффициент расходования природного урана.

Цепная ядерная реакция деления больше всего встречающегося в природе чистого изотопа урана 238U под действием тепловых нейтронов фактически невозможна, потому что при критической энергии 5,9МэВ процесс постепенно будет приостанавливаться, а то и стоять на «месте».

В «замедляющихся» атомных реакторах регулярно идёт деление под влиянием нейтронов, которые при температуре 293К (20°C) и возможной скорости до 2200 м/с непроизвольно подчиняются «распределению Максвелла» Английский физик вывел распределение молекул (газа) по скоростям, опираясь на методы теории вероятностей.

Процессам деления в ядерном (атомном) реакторе можно дать характеристику такими критериями:

• коэффициент размножения нейтронов – ключевая эффективная характеристика цепной реакции деления ядра, выражающаяся в соотношении количества вновь образовавшихся нейтронов к числу нейтронов предыдущего акта деления в широком диапазоне.
• критическая сила – минимальная делимая масса вещества, при наличии которой в нём произойдёт самоподдерживающаяся ядерная реакция деления.
• критический размер – объёмы и формы активной зоны реактора.
• критическая масса – минимальное значение делящегося вещества, которое необходимо для старта цепной реакции дробления; зависящее от формы поверхности.

Действие радиации на человека и окружающую среду

Развитие ядерной энергетики вынуждает заняться усиленными поисками прогрессивных решений в вопросах безопасности атомных реакторов. Конструкции, функционирующие на мощных тепловых нейтронах, реально оснащены почти всеми надлежащими средствами надёжности в областях критически важных: объёма, минимальных массы и размера. Критичным и обязательным условием реального введения в действие цепной реакции есть наличие минимальной поверхности вещества для деления.

Тем не менее, это не единственное условие, потому что, даже получив эти показатели, вполне допустимо создание атомной бомбы взамен ядерной станции (АЭС). Позволить невозможность регулирования реакцией цепного деления нельзя, ведь отсутствие контроля за процессом может спровоцировать ядерный взрыв.

Принципиальные правила безопасности в ядерной отрасли довольно жёстко регламентируют удержание в допустимых рамках нарастающую величину реактивности — безразмерное значение, описывающее характер проявления цепной реакции деления в ядерных установках. Однако нейтронные, а также рентгеновские и гамма-излучения зачастую требуют дополнительных мер по защите реакторов.

Иной класс станций, имевшие источник тепла РИТ-90 на основе радионуклида 90Sr, применялись как очаг энергии для удалённых автономных систем: навигационное оборудование, радиомаяки, метеостанции. Потому что в них отсутствовали движущиеся части, и они не нуждались в обслуживании весь срок их эксплуатации, станции представляли собой закрытый источник негативного излучения, у которых весь топливный блок был спрятан в керамический плотный узел после процедуры двойной герметизации.

Эффекты реактивности ядерных реакторов

Большую роль играют комплексные результаты т.н. обратных связей – эффекты реактивности. При пуске и на длительном интервале разгона реактор, по сути, работает на нулевой мощности и данные ЭР не проявляются. Они начинают сказываться при выводе реактора на энергетическое начало увеличения мощности. В первую очередь проявляет себя температурный эффект, когда начинает возрастать температура материалов активной зоны. С повышением скорости ядерной реакции растёт и тепловая мощность ядерного реактора, а, значит, растёт и температура ядерного топлива.

Мощностной коэффициент реактивности — значение, описывающее особенности изменения реактивности ядерного реактора, которое вызвано изменением мощности. Мощностной эффект способствует более точному определению смены реактивности на всплеск энергии реактора. При регулярном преобразовании силы дробления цепной реакции наблюдается трансформация теплового постоянного потока от топлива к теплоносителю, в итоге чего происходят изменения единой температуры атомной установки.

Реактор выполняет свои функции в неизменном режиме, если в активной зоне непрерывно делится постоянное количество ядер. Если плотность делений цепной реакции периодически меняется, то такая работа реактора имеет нестабильный характер. В атомных реакторах задействованы самые разные механизмы управления цепной реакции деления. При отсутствии механизма регулирования данного процесса то возникающее при делении тепло уничтожило бы структуру, в которой протекает реакция.

Основные моменты физики ядерных реакторов

Ядерный (атомный) реактор является специализированной и довольно небезопасной установкой, в которой непрерывно протекают атомные реакции тяжёлых элементов под действием нейтронов, где происходит постепенное усиление (градация) и преобразование химических элементов из одних в другие (трансформация).

Для такого рода процессов требуется наличие в реакторе делящегося вещества, оставляющего элементарные частицы при своём расщеплении, а уже те, в свою очередь, порождают ядерную реакцию иных частиц. Помимо ядерного топлива в состав атомного реактора входят замедлитель и отражатель нейтронов, теплоноситель и система регулирования цепной реакции, в том числе и аварийная защита. Ядерные реакторы эксплуатируются в атомной энергетике и применяются в исследовательских целях.

Элементарные частицы тяжёлой (D2O) или простой воды замедляют нейтронные элементы относительно быстро и на хорошем уровне, но в действительности их поглощают в полном объёме. По этой причине для протекания цепной реакции деления со стопроцентной гарантией, необходимо применять уран с максимальной порцией распадающегося изотопа, который и станет тем самым крайне необходимым замедлителем.

Исследования задач радиоактивности в контексте их потенциального применения в области энергетики подтверждают, что в процедурах общего радиоактивного расщепления вспомогательную ядерную энергию вполне возможно с лёгкостью преобразовывать в тепловую, или же применять её в атомных реакциях синтеза элементарных ядер. До настоящего времени в энергетике внедряется лишь один-единственный класс ядерных систем – деление ядер тяжелых элементарных частиц под влиянием нейтронов.

Типы атомных реакторов

Основополагающий промышленный способ надлежащего использования атомной энергии в мирных намерениях основывается на понятии цепной взаимно дополняющей реакции нейтронного разделения определённых изотопов плутония или урана. В действительности преобразование ядерной мощности в тепловую энергию реализовывают с помощью атомных (ядерных) реакторов, а точнее при помощи тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), представляющие собой герметично заваренные металлические оболочки разной длины и формы.

Сложно разобраться самому?

Попробуйте обратиться за помощью к преподавателям

Тип задания Выберите тип заданияКонтрольнаяРешение задачКурсоваяРефератОнлайн-помощьТест дистанционноДипломЛабораторнаяЧертежОтчет по практикеЭссеОтветы на билетыПрезентацияПеревод с ин. языкаДокладСтатьяСочинениеМагистерская диссертацияКандидатская диссертацияБизнес-планПодбор литературыШпаргалкаПоиск информацииРецензияДругое

Предмет

E-mail

Узнать стоимость

это быстро и бесплатно

Для удобства дальнейшего их монтирования эти элементы могут группироваться в пакеты из нескольких сотен — т.н. сборки, выделяющие тепло (ТВС). В активной зоне количество ТВЭЛов может достигать нескольких десятков тысяч.

На текущий момент по направлению использования ядерные установки подразделяются на:

• энергетические атомные реакторы, применяемые с целью извлечения тепла и электрической энергии. Используются в энергетике и металлургии, на атомоходах, в самолётах и космических кораблях (тепловая мощность 5ГВт).
• экспериментальные ядерные устройства, необходимые для исследования разных физических величин и эксплуатирующиеся с целью выработки различных видов излучения (тепловая мощность до 3ГВт).
• промышленные (изотопные) реакторы нашли применение в различных областях (медицина, производство ядерного оружия, опреснение морской воды) и при наработке уникальных изотопов.
• исследовательские и промышленные реакторы являются незаменимыми при изучении в областях физики твёрдого тела, и радиационной химии и биологии. Используются во время испытаний материалов, предназначены для разработки радионуклидов (тепловая мощность до 100 МВт). Энергия, которая при этом выделяется, использованию не подлежит.

По конструкции атомные установки классифицируются как канальные и корпусные. В корпусных реакторах активная зона имеет общий защитный корпус, выдерживающий давление теплоносителя, который течёт общим потоком. В канальных реакторах теплоноситель подводится к каждому каналу с топливной сборкой раздельно.

В этом случае корпус ядерного реактора не подвержен давлению теплоносителя, потому что функцию давления несёт каждый из отдельных каналов.

Так как топливо в ядерных реакторах помещено в область предельно высоких температур и в среду давлений по максимуму, это накладывает конкретные требования при применении материалов для конструкции установок. При планировании длительной эксплуатации на больших мощностях, системам следует иметь прочный запас реактивности, при котором реактор способен будет длительно устойчиво работать. Объективная возможность возникновения в атомном реакторе комплементарной цепной реакции деления, непосредственно зависит оттого, какая, (автоматически возникающая в ходе поглощения) утечка нейтронов произошла.

Повысить свойства эксплуатации потенциально возможно путём наращивания надёжности топлива и сведения к минимуму уровня повреждаемости топливных компонентов. Зная достоинства и недостатки атомных реакторов и установок, т.е. реальные факторы риска развития возможной ядерной аварии, можно предусмотреть и предпринять вовремя немедленную помощь с целью защиты персонала станций, населения страны и окружающей среды.