Фізика. 9 клас. Головко

§ 33. Ядерна реакція. Ядерний реактор

• Ядерна реакція

• Поділ важких ядер

• Ланцюгова ядерна реакція поділу. Ядерний реактор

ЯДЕРНА РЕАКЦІЯ. Внаслідок ядерних реакцій можуть утворюватися нові радіоактивні ізотопи, яких немає на Землі у природних умовах. Перша ядерна реакція була здійснена Е. Резерфордом у 1919 р. під час бомбардування атомів Нітрогену α-частинками. Під час зіткнення частинок відбувалась ядерна реакція за схемою:

⁴₂He + ¹⁴₇N → ¹⁷₈О + ¹₁р.

Ядерна реакція — це процес перебудови атомного ядра під впливом γ-кванта або зарядженої чи нейтральної частинки, що супроводжується утворенням нового ядра і нової частинки чи γ-кванта.

В основі ядерних реакцій, як і в основі хімічних перетворень, перебувають закони збереження маси та енергії. Тому під час запису ядерних реакцій треба враховувати, щоб сума зарядів (нижні індекси) реагентів та продуктів реакції і сумарна маса частинок (верхні індекси) до і після реакції були однаковими.

Ядерні реакції можуть відбуватися спонтанно або під час бомбардування речовини швидкими частинками. Спонтанні ядерні перетворення є причиною природної радіоактивності. Як і хімічні, ядерні реакції можуть бути ендотермічними й екзотермічними.

ПОДІЛ ВАЖКИХ ЯДЕР. У 1938 р. було встановлено, що під час бомбардування урану нейтронами виникають елементи середньої частини періодичної системи — радіоактивні ізотопи Барію та Криптону. Це означало, що частина ядер Урану ділиться на два великі уламки з виділенням двох — трьох нейтронів та енергії 200 МеВ.

Ядро Урану-235 має форму кулі (рис. 33.1). Поглинувши нейтрон, ядро збуджується і починає деформуватися. Воно розтягується з одного боку в інший доти, доки кулонівські сили відштовхування між протонами не почнуть переважати над ядерними силами притягання. Після цього ядро розривається на дві частини й уламки розлітаються зі швидкістю в 1/30 швидкості світла.

Рис. 33.1. Реакція поділу Урану-235 під час бомбардування нейтронами

Під час поділу ядра утворюються ще два або три нейтрони. Поява нейтронів пояснюється тим, що число нейтронів в уламках виявляється більшим, ніж це допустимо. Уламки, які мають величезну швидкість, розлітаються і гальмуються навколишнім середовищем. Кінетична енергія уламків перетворюється на внутрішню енергію середовища, яке нагрівається. Таким чином, поділ ядер урану супроводжується виділенням великої теплової енергії.

ЛАНЦЮГОВА ЯДЕРНА РЕАКЦІЯ. ЯДЕРНИЙ РЕАКТОР. Під час поділу одного ядра урану нейтрони, що утворилися, можуть зумовити поділ інших його ядер, при цьому число нейтронів наростає лавиноподібно (рис. 33.2).

Ланцюговою реакцією називають процес, у якому одна проведена реакція спричиняє подальші реакції такого самого типу.

У природі ізотопи Урану-235 становлять лише 0,7 % усього запасу урану, проте саме вони придатні для проведення ланцюгової реакції, оскільки діляться під впливом повільних (теплових) нейтронів. Ядра Урану-238, що становить 99,3 % уранової руди, можуть ділитися лише під впливом нейтронів великої енергії.

Рис. 33.2. Картина перших трьох поколінь ланцюгової реакції поділу Урану-235

Відношення числа нейтронів, що утворилися, в одному поколінні поділу до числа нейтронів у попередньому поколінні поділу називається коефіцієнтом розмноження нейтронів (k). При k < 1 реакція згасає, а при k > 1 інтенсивність реакції наростає. Коефіцієнт розмноження визначається не лише числом нейтронів, що утворюються в кожному елементарному акті, а й умовами, в яких протікає реакція, — частина нейтронів може поглинатися іншими ядрами або виходити із зони реакції.

Нейтрони, що звільнилися під час поділу ядер Урану-235, здатні викликати поділ лише ядер того самого урану, на частку якого в природному урані припадає, як ми знаємо, лише 0,7 %. Така концентрація є недостатньою для початку ланцюгової реакції. Ланцюгова реакція в урані з підвищеним вмістом U-235 може розвиватися тільки тоді, коли маса урану перевершує так звану критичну масу. У невеликих шматках урану більшість нейтронів, не потрапивши в жодне ядро, вилітає назовні. Для хімічно чистого Урану-235 критична маса становить близько 50 кг. Саме ланцюгова реакція поділу ядер Урану стала основою першого покоління ядерної зброї (рис. 33.3).

Рис. 33.3. Випробування ядерної зброї. Вибух «Бейкер», потужність — 23 000 т у тротиловому еквіваленті, 25 червня 1946 р.

Ядерна зброя — зброя масового ураження вибухової дії, побудована на використанні ядерної енергії, що вивільняється під час ланцюгової ядерної реакції розщеплення важких ядер.

Ядерна енергія поділу важких ядер може використовуватися і в мирних цілях, наприклад, для виробництва електричної енергії. Це особливо актуально, оскільки запаси традиційного палива на Землі обмежені. За прогнозами спеціалістів, запаси нафти та газу будуть вичерпані приблизно за століття, а запаси вугілля — за 300—500 років. Тому одним із важливих напрямів фізичних досліджень є розвиток ядерної енергетики, проєктування, створення та обслуговування ядерних реакторів.

Ядерний реактор — пристрій, у якому підтримується керована реакція ділення ядер.

Перший ядерний реактор у світі був побудований у 1942 р. у США під керівництвом Е. Фермі. Схему ядерного реактора на повільних нейтронах наведено на рис. 33.4.

Рис. 33.4. Схема будови ядерного реактора

Ядерна реакція протікає в активній зоні реактору. Вона заповнена уповільнювачем нейтронів і пронизана стрижнями, що містять збагачену суміш ізотопів урану з підвищеним вмістом Урану-235 (до 3 %). У активну зону вводяться також регулюючі стрижні, що містять Кадмій або Бор, які інтенсивно поглинають нейтрони. Введення стрижнів у активну зону дає змогу керувати швидкістю ланцюгової реакції і витримувати k = 1. Для збільшення кількості нейтронів у активній зоні її оточують відбивачем нейтронів.

Оскільки ядерний реактор є потужним джерелом нейтронів і γ-випромінювання, у ньому передбачений радіаційний захист. Активна зона охолоджується за допомогою прокачування теплоносія, у ролі якого може застосовуватися вода або метал із низькою температурою плавлення (наприклад, натрій, що має температуру плавлення 98 °С). Теплоносій також відводить тепло з активної зони. Замкнений контур, по якому теплоносій перекачується помпою до парогенератора і назад в активну зону реактора, становить перший тепловий контур атомної електростанції. Для уповільнення нейтронів у ядерних реакторах використовується спеціальний сповільнювач, важка вода. Також хорошим уповільнювачем нейтронів є графіт, ядра якого не поглинають нейтронів.

Перший ядерний реактор в Україні (ВВР-М) було запущено 12 лютого 1960 р в Інституті ядерних досліджень НАН України (рис. 33.5). Сьогодні це одна з провідних науково-дослідних установ світу, науковці якої здійснюють теоретичні та експериментальні дослідження з фізики атома та атомного ядра.

Рис. 33.5. Дослідницький ядерний реактор ВВР-М у Інституті ядерних досліджень НАН України

Для розвитку атомної енергетики важливе значення мають ядерні реактори, що працюють без уповільнювача на швидких нейтронах. Перевага реакторів на швидких нейтронах полягає в тому, що під час їхньої роботи ядра Урану-238, поглинаючи нейтрони, перетворюються на ядра Плутонію, які потім можна використати як ядерне паливо. Технологічна схема енергоблоків із реактором ВВЕР (водо-водяний енергетичний реактор), що використовується на АЕС України, має два контури (рис. 33.6).

Рис. 33.6. Технологічна схема енергоблоків із реактором ВВЕР-1000

Перший контур — радіоактивний. Він включає реактор і циркуляційні петлі охолодження. Кожна петля містить головний циркуляційний насос, парогенератор і дві головні запірні засувки. До однієї з циркуляційних петель першого контуру приєднаний компенсатор тиску, за допомогою якого в контурі підтримується заданий тиск води, що в реакторі водночас є й теплоносієм, і сповільнювачем нейтронів. На енергоблоках із реактором ВВЕР-1000 — чотири циркуляційні петлі.

Другий контур — нерадіоактивний. Він охоплює парогенератори, паропроводи, парові турбіни, сепаратори-пароперегрівники, живильні насоси та трубопроводи, деаератори й регенеративні підігрівачі. Парогенератор є загальним устаткуванням для першого та другого контурів. У ньому теплова енергія реактора від першого контуру через теплообмінні трубки передається на другий контур. Далі під впливом високої температури парогенератором виробляється перегріта пара. Ця перегріта пара через паропровід змушує обертатись турбіну, яка, у свою чергу, приводить в обертання генератор, що виробляє електричний струм. У системі охолоджування конденсаторів турбін на АЕС застосовуються баштові градирні й водосховище-охолоджувач.

! Головне в цьому параграфі

Ланцюговою реакцією називають процес, у якому одна проведена реакція зумовлює подальші реакції такого самого типу.

? Запитання для самоперевірки

1. У чому відмінність між хімічною та ядерною реакціями?
2. Які перетворення енергії відбуваються в ядерних реакторах?
3. Чому для здійснення ланцюгової реакції поділу ядер атомів Урану треба мати певну кількість урану?

Вправа до § 33

1 (д). Яку кількість води можна нагріти від 20 °С до кипіння за рахунок енергії, що виділяється під час ділення 100 г Урану-235? Вважати, що під час ділення одного ядра Урану-235 виділяється енергія 200 МеВ. Втратами енергії знехтувати.
2 (д). Яку масу урану потрібно витратити, щоб упродовж радіоактивного розпаду всіх атомів Урану виділилась енергія 620 ГДж.
3 (д). На яку висоту можна підняти гранітну брилу масою 10 т за рахунок енергії, що виділяється при розпаді 1 г Урану-235?
4 (в). Яку кількість кам’яного вугілля необхідно спалити, щоб одержати стільки ж енергії, скільки виділяється внаслідок поділу 200 г Урану-235. Питома теплота згоряння кам’яного вугілля — 2,7 МДж/кг
5 (в). ККД атомної електростанції потужністю 1 ГВт дорівнює 20 %. Визначте масу ядерного пального (Урану-235), що витрачає електростанція щотижня. Яка кількість кВт • год буде згенерована на АЕС за добу?

Зміст