Det som kallas en kärnreaktor. Kärnkraftverk. Kärnkraftens betydelse i den moderna världen

Särskilt isotopens kärnor och fångar mest effektivt långsamma neutroner. Sannolikheten att fånga långsamma neutroner med efterföljande klyvning av kärnor är hundratals gånger större än för snabba. Därför används neutronmoderatorer i kärnreaktorer som drivs av naturligt uran för att öka neutronmultiplikationsfaktorn. Processerna i en kärnreaktor visas schematiskt i figur 13.15.

Huvudelementen i en kärnreaktor. Figur 13.16 visar ett diagram över ett kraftverk med en kärnreaktor.

Huvudelementen i en kärnreaktor är: kärnbränsle, en neutronmoderator (tungt eller vanligt vatten, grafit, etc.), ett kylmedel för att avlägsna den energi som genereras under reaktorns drift (vatten, flytande natrium, etc.), och en anordning för att reglera reaktionshastigheten (införda stavar innehållande kadmium eller bor - ämnen som absorberar neutroner väl från reaktorn). Utanför är reaktorn omgiven av ett skyddande skal som blockerar y-strålning och neutroner. Skalet är tillverkat av järnfylld betong.

Fermi Enrico (1901 - 1954)- den stora italienska fysikern som gjorde ett stort bidrag till utvecklingen av modern teoretisk och experimentell fysik. 1938 emigrerade han till USA. Samtidigt med Dirac skapade han den kvantstatistiska teorin om elektroner och andra partiklar (Fermi - Dirac -statistik). Utvecklade en kvantitativ teori om p -förfall - en prototyp av den moderna kvantteorin om växelverkan mellan elementära partiklar. Han gjorde ett antal grundläggande upptäckter inom neutronfysiken. Under hans ledning genomfördes 1942 en kontrollerad kärnreaktion för första gången.

Den bästa moderatorn är tungt vatten (se § 102). Vanligt vatten själv fångar upp neutroner och förvandlas till tungt vatten. Grafit, vars kärnor inte absorberar neutroner, anses också vara en bra moderator.

Kritisk massa. Multiplikationsfaktorn k kan bli lika med enhet endast om reaktorns dimensioner och följaktligen massan av uran överstiger vissa kritiska värden. Den kritiska massan är den minsta massan av klyvbart material vid vilket en kärnkedjereaktion fortfarande kan pågå.

Vid små storlekar är neutronläckaget genom reaktorkärnans yta (volymen i vilken stavarna med uran finns) för stort.

Med en ökning av systemets storlek ökar antalet kärnor som deltar i klyvning i proportion till volymen och antalet neutroner som förloras på grund av läckage ökar i proportion till ytarean. Genom att öka systemets storlek är det därför möjligt att uppnå värdet på multiplikationsfaktorn k 1. Systemet kommer att ha kritiska dimensioner om antalet neutroner som förloras på grund av fångst och läckage är lika med antalet neutroner som erhålls i klyvningsprocessen. De kritiska dimensionerna och följaktligen den kritiska massan bestäms av typen av kärnbränsle, moderator och konstruktionsegenskaper hos reaktorn.

För rent (utan moderator) uran i form av en sfär är den kritiska massan cirka 50 kg. I detta fall är sfärens radie cirka 9 cm (uran är en mycket tung substans). Genom att använda neutronmoderatorer och ett neutronreflekterande berylliumskal var det möjligt att minska den kritiska massan till 250 g.

Kurchatov Igor Vasilievich (1903-1960)- Sovjetisk fysiker och organisator av vetenskaplig forskning, tre gånger hjälten i socialistiskt arbete. År 1943 ledde han vetenskapligt arbete relaterat till atomproblemet. Under hans ledning skapades den första kärnreaktorn i Europa (1946) och den första sovjetiska atombomben (1949). Tidigt arbete relaterat till studiet av ferroelektriska kärnreaktioner orsakade av neutroner, artificiell radioaktivitet. Upptäckte förekomsten av upphetsade tillstånd av kärnor med en relativt lång "livstid".

Reaktorn styrs av stavar som innehåller kadmium eller bor. När stavarna förlängs från reaktorkärnan k> 1, och när stavarna är helt utsträckta, k< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Snabba reaktorer. Reaktorer som fungerar utan moderator på snabba neutroner har byggts. Eftersom sannolikheten för klyvning orsakad av snabba neutroner är liten kan sådana reaktorer inte arbeta med naturligt uran.

Reaktionen kan endast upprätthållas i en berikad blandning innehållande minst 15% av isotopen. Fördelen med snabba reaktorer är att de genererar en betydande mängd plutonium, som sedan kan användas som kärnbränsle. Dessa reaktorer kallas uppfödarreaktorer eftersom de reproducerar klyvbart material. Reaktorer med ett avelsförhållande på upp till 1,5 är under konstruktion. Detta innebär att klyvning av 1 kg av isotopen i reaktorn ger upp till 1,5 kg plutonium. I konventionella reaktorer är avelsförhållandet 0,6-0,7.

Första kärnreaktorer. För första gången utfördes den värdefulla kärnklyvningsreaktionen av uran i USA av ett team av forskare under ledning av Enrico Fermi i december 1942.

I vårt land lanserades den första kärnkraftsredaktören den 25 december 1946 av ett team av fysiker under ledning av vår anmärkningsvärda forskare Igor Vasil'evich Kurchatov. För närvarande har olika typer av reaktorer skapats, som skiljer sig från varandra både i kraft och i deras syfte.

I kärnreaktorer finns, förutom kärnbränsle, en neutronmoderator och styrstavar. Den frigjorda energin avlägsnas av värmebäraren.

1. Vad är kritisk massa!
2. Varför används en neutronmoderator i en atomreaktor!

Lektionens innehåll lektionens disposition stödja ram lektion presentation accelerativa metoder interaktiv teknik Öva uppgifter och övningar självtestverkstäder, utbildningar, case, uppdrag läxdiskussionsfrågor retoriska frågor från studenter Illustrationer ljud, videoklipp och multimedia foton, bilder, diagram, tabeller, scheman humor, anekdoter, kul, serier liknelser, ordspråk, korsord, citat Tillägg abstrakt artiklar marker för de nyfikna fuskblad läroböcker grundläggande och ytterligare ordförråd av termer andra Förbättra läroböcker och lektionerbuggfixar i självstudien uppdatera ett fragment i lärobokselementen av innovation i lektionen och ersätta föråldrad kunskap med nya Endast för lärare perfekta lektioner kalenderplan för årets metodiska rekommendationer från diskussionsprogrammet Integrerade lektioner

Kärnreaktor
Kärnreaktor

Kärnreaktor - en installation där en självbärande kedjesplittreaktion med kontrollerad kedja utförs. Kärnreaktorer används för kärnkraft och forskningsändamål. Huvuddelen av reaktorn är dess aktiva zon, där kärnklyvning sker och kärnkraft frigörs. Kärnan, som vanligtvis är i form av en cylinder med en volym från fraktioner av en liter till många kubikmeter, innehåller klyvbart material (kärnbränsle) i en mängd som överstiger den kritiska massan. Kärnbränsle (uran, plutonium) placeras som regel inuti bränsleelement (bränslestavar), vars antal i kärnan kan nå tiotusentals. Bränslestavar är grupperade i förpackningar om flera tiotals eller hundratals bitar. Kärnan är i de flesta fall en uppsättning bränslestavar nedsänkta i ett modererande medium (moderator) - ett ämne på grund av elastiska kollisioner med atomerna av vilka neutronernas energi, orsakande och åtföljande klyvning, reduceras till energier av termisk jämvikt med mediet. Sådana "termiska" neutroner har en ökad förmåga att inducera klyvning. Vatten (inklusive tungt vatten, D 2 O) och grafit används vanligtvis som moderatorer. Reaktorkärnan omges av en reflektor gjord av material som kan sprida neutroner väl. Detta skikt återför neutroner som sänds ut från kärnan tillbaka till denna zon, vilket ökar hastigheten för kedjereaktionen och minskar den kritiska massan. Strålningsbiologisk skärmning av betong och andra material placeras runt reflektorn för att minska strålningen utanför reaktorn till en acceptabel nivå.
I kärnan frigörs enorm energi i form av värme till följd av klyvning. Den avlägsnas från kärnan med hjälp av gas, vatten eller annat ämne (kylvätska), som ständigt pumpas genom kärnan och tvättar bränslestavarna. Denna värme kan användas för att skapa het ånga som vänder kraftverkets turbin.
För att kontrollera fissionskedjereaktionens hastighet används kontrollstavar av material som starkt absorberar neutroner. Deras introduktion i kärnan minskar kedjereaktionens hastighet och stoppar den vid behov helt, trots att massan av kärnbränsle överstiger den kritiska. När kontrollstavarna avlägsnas från kärnan minskar neutronabsorptionen och kedjereaktionen kan bringas till ett självbärande stadium.
Den första reaktorn lanserades i USA 1942. I Europa lanserades den första reaktorn 1946 i Sovjetunionen.

För en vanlig människa är moderna högteknologiska apparater så mystiska och gåtfulla att det är dags att dyrka dem som de gamla tillbad blixten. Gymnasielektioner i fysik, fylld med matematik, löser inte problemet. Men du kan till och med intressant berätta om en kärnreaktor, vars driftsprincip är klar även för en tonåring.

Hur fungerar en kärnreaktor?

Funktionsprincipen för denna högteknologiska enhet är följande:

1. När en neutron absorberas, kärnbränsle (oftast är det uran-235 eller plutonium-239) klyvningen av atomkärnan inträffar;
2. Kinetisk energi, gammastrålning och fria neutroner frigörs;
3. Kinetisk energi omvandlas till värme (när kärnor kolliderar med omgivande atomer) absorberas gammastrålning av själva reaktorn och förvandlas också till värme;
4. Några av de genererade neutronerna absorberas av bränsleatomerna, vilket orsakar en kedjereaktion. Neutronabsorberare och moderatorer används för att kontrollera det;
5. Med hjälp av en värmebärare (vatten, gas eller flytande natrium) avlägsnas värme från reaktionsstället;
6. Ånga under tryck från det uppvärmda vattnet används för att driva ångturbiner;
7. Med hjälp av en generator omvandlas turbinernas mekaniska rotationsenergi till växelström.

Klassificeringsmetoder

Det kan finnas många anledningar till en typologi av reaktorer:

• Efter typ av kärnreaktion... Fission (alla kommersiella installationer) eller fusion (termonukleär energi, är utbredd endast i vissa forskningsinstitut);
• Med kylvätska... I de allra flesta fall används vatten (kokande eller tungt) för detta ändamål. Ibland används alternativa lösningar: flytande metall (natrium, bly-vismutlegering, kvicksilver), gas (helium, koldioxid eller kväve), smält salt (fluoridsalter);
• Efter generation. Den första är tidiga prototyper som inte gav någon kommersiell mening. Det andra är majoriteten av de för närvarande använda kärnkraftverken, som byggdes före 1996. Den tredje generationen skiljer sig från den föregående med endast mindre förbättringar. Arbetet med den fjärde generationen pågår fortfarande;
• Enligt aggregeringstillstånd bränsle (gas finns fortfarande bara på papper);
• I syfte att använda(för elproduktion, motorstart, väteproduktion, avsaltning, transmutation av element, erhållande av neural strålning, teoretiska och undersökande ändamål).

Atomreaktor

Huvudkomponenterna i reaktorer i de flesta kraftverk är:

1. Kärnbränsle - ett ämne som krävs för att generera värme till kraftturbiner (vanligtvis låganrikat uran);
2. Kärnreaktorns aktiva zon - det är här kärnreaktionen äger rum;
3. Neutronmoderator - minskar hastigheten på snabba neutroner och omvandlar dem till termiska neutroner;
4. Start neutronkälla - används för en pålitlig och stabil start av en kärnreaktion;
5. Neutronabsorberare - finns på vissa kraftverk för att minska färsk bränsles höga reaktivitet;
6. Neutron -haubits - används för att återuppta reaktionen efter avstängning;
7. Kylvätska (renat vatten);
8. Kontrollstavar - för att reglera klyvningshastigheten för uran- eller plutoniumkärnor;
9. Vattenpump - pumpar vatten till ångpannan;
10. Ångturbin - omvandlar ångens termiska energi till roterande mekanisk energi;
11. Kyltorn - en enhet för att avlägsna överskottsvärme till atmosfären;
12. System för mottagning och lagring av radioaktivt avfall;
13. Säkerhetssystem (nöddieselgeneratorer, nödkärna kylanordningar).

Hur de senaste modellerna fungerar

Den senaste fjärde generationen reaktorer kommer att finnas tillgänglig för kommersiell drift inte tidigare än 2030... För närvarande är principen och strukturen för deras arbete på utvecklingsstadiet. Enligt nuvarande data kommer dessa ändringar att skilja sig från befintliga modeller i sådana fördelar:

• Snabbt gaskylningssystem. Det antas att helium kommer att användas som kylvätska. Enligt konstruktionsdokumentationen är det på detta sätt möjligt att kyla reaktorer med en temperatur på 850 ° C. För att arbeta vid så höga temperaturer behöver du också specifika råvaror: keramiska kompositmaterial och aktinidföreningar;
• Det är möjligt att använda bly eller bly-vismutlegering som det primära kylvätskan. Dessa material har en låg neutronabsorptionshastighet och en relativt låg smältpunkt;
• En blandning av smälta salter kan också användas som huvudvärmebärare. Således kommer det att vara möjligt att arbeta vid högre temperaturer än moderna motsvarigheter med vattenkylning.

Naturliga analoger i naturen

En kärnreaktor uppfattas i det allmänna sinnet uteslutande som en produkt av högteknologi. Men i själva verket är den första enheten är av naturligt ursprung... Det hittades i Oklo -regionen i den centralafrikanska staten Gabon:

• Reaktorn bildades på grund av översvämning av uranstenar av grundvatten. De agerade som neutronmoderatorer;
• Värmeenergin som frigörs under uranets förfall gör vatten till ånga och kedjereaktionen slutar;
• Efter att kylvätsketemperaturen sjunker upprepas allt igen;
• Om vätskan inte hade kokat bort och stoppat reaktionens gång hade mänskligheten mött en ny naturkatastrof;
• Självhållande klyvning av kärnor började i denna reaktor för ungefär en och en halv miljard år sedan. Under denna tid tilldelades cirka 0,1 miljoner watt effekt;
• En sådan underverk av världen på jorden är den enda som är känd. Uppkomsten av nya är omöjlig: andelen uran-235 i naturliga råvaror är mycket lägre än den nivå som krävs för att upprätthålla en kedjereaktion.

Hur många kärnreaktorer finns det i Sydkorea?

Dålig i naturresurser, men industrialiserad och överbefolkad, är Republiken Korea i stort behov av energi. Mot bakgrund av Tysklands vägran från en fredlig atom har detta land stora förhoppningar om att stävja kärnteknik:

• Det är planerat att 2035 andelen el som genereras av kärnkraftverk kommer att nå 60%och den totala produktionen - mer än 40 gigawatt;
• Landet har inga atomvapen, men forskning inom kärnfysik pågår. Koreanska forskare har utvecklat projekt för moderna reaktorer: modulära, väte, med flytande metall, etc.;
• Lokala forskares framgångar gör det möjligt att sälja teknik utomlands. Landet förväntas exportera 80 sådana enheter under de närmaste 15-20 åren;
• Men från och med idag byggdes större delen av kärnkraftverket med hjälp av amerikanska eller franska forskare;
• Antalet driftsanläggningar är relativt litet (endast fyra), men var och en av dem har ett betydande antal reaktorer - totalt 40, och denna siffra kommer att växa.

När det bombarderas med neutroner går kärnbränsle in i en kedjereaktion, vilket resulterar i en enorm mängd värme. Vattnet i systemet tar upp denna värme och förvandlas till ånga, vilket vänder turbiner som genererar elektricitet. Här är ett enkelt diagram över hur en kärnreaktor fungerar, den mest kraftfulla energikällan på jorden.

Video: hur kärnreaktorer fungerar

I den här videon kommer kärnfysikern Vladimir Chaikin att berätta hur el produceras i kärnreaktorer, deras detaljerade struktur:

Klyvningskedjereaktionen åtföljs alltid av frigörande av enorm energi. Den praktiska användningen av denna energi är kärnreaktorns huvuduppgift.

En kärnreaktor är en anordning där en kontrollerad eller kontrollerad kärnklyvningsreaktion utförs.

Enligt driftsprincipen är kärnreaktorer indelade i två grupper: termiska reaktorer och snabba reaktorer.

Hur en kärnkraftsreaktor fungerar

En typisk kärnreaktor innehåller:

• Aktiv zon och retarder;
• Reflektor av neutroner;
• Värmebärare;
• Kedjereaktionskontrollsystem, nödskydd;
• Övervakning och strålskyddssystem;
• Fjärrkontrollsystem.

1 - aktiv zon; 2 - reflektor; 3 - skydd; 4 - styrstavar; 5 - kylvätska; 6 - pumpar; 7 - värmeväxlare; 8 - turbin; 9 - generator; 10 - kondensator.

Aktiv zon och retarder

Det är i kärnan som den kontrollerade klyvningskedjereaktionen äger rum.

De flesta kärnreaktorer använder de tunga isotoperna av uran-235. Men i naturliga prover av uranmalm är dess innehåll bara 0,72%. Denna koncentration räcker inte för att en kedjereaktion ska utvecklas. Därför är malmen artificiellt berikad, vilket ger innehållet i denna isotop till 3%.

Klyvbart material, eller kärnbränsle, placeras i pellets i hermetiskt förseglade stavar som kallas bränslestavar (bränslestavar). De genomsyrar hela kärnan fylld med moderator neutroner.

Varför behöver du en neutronmoderator i en kärnreaktor?

Faktum är att neutronerna som föds efter uran-235-kärnornas sönderfall har en mycket hög hastighet. Sannolikheten för att de fångas upp av andra urankärnor är hundratals gånger mindre än sannolikheten för att fånga långsamma neutroner. Och om deras hastighet inte reduceras kan kärnreaktionen dö ut med tiden. Moderatorn löser också problemet med att minska neutronernas hastighet. Om vatten eller grafit placeras i vägen för snabba neutroner kan deras hastighet artificiellt reduceras och därmed kan antalet partiklar som fångas av atomer ökas. Samtidigt, för en kedjereaktion i reaktorn, behövs mindre kärnbränsle.

Som ett resultat av inbromsningsprocessen, termiska neutroner vars hastighet praktiskt taget är lika med hastigheten för termiska rörelser för gasmolekyler vid rumstemperatur.

Vatten, tungt vatten (deuteriumoxid D 2 O), beryllium, grafit används som moderator i kärnreaktorer. Men den bästa moderatorn är tungt vatten D 2 O.

Reflektor av neutroner

För att undvika läckage av neutroner i miljön är kärnan i en kärnreaktor omgiven av neutronreflektor... Materialen som används för reflektorer är ofta desamma som för retardatorer.

Värmebärare

Värmen som frigörs under en kärnreaktion avlägsnas med hjälp av ett kylmedel. Som kylvätska i kärnreaktorer används vanligt naturligt vatten, som tidigare renats från olika föroreningar och gaser. Men eftersom vatten kokar redan vid en temperatur av 100 0 C och ett tryck på 1 atm, för att öka kokpunkten, ökar trycket i den primära kylvätskekretsen. Vattnet i den primära kretsen, som cirkulerar genom reaktorkärnan, tvättar bränslestavarna och värms upp till en temperatur på 320 0 C. Sedan avger det inuti värmeväxlaren värme till vattnet i sekundärkretsen. Utbytet passerar genom värmeväxlarrör, så det är ingen kontakt med vattnet i den andra kretsen. Detta utesluter att radioaktiva ämnen tränger in i värmeväxlarens andra slinga.

Och sedan händer allt som i ett värmekraftverk. Vattnet i den andra kretsen förvandlas till ånga. Ångan vänder en turbin, som driver en elektrisk generator, som genererar en elektrisk ström.

I tungvattenreaktorer fungerar tungt vatten D20 som kylvätska och smält metall används i reaktorer med flytande metallkylmedel.

Kedjereaktionskontrollsystem

Reaktorns nuvarande tillstånd kännetecknas av en mängd som kallas reaktivitet.

ρ = ( k -1) / k ,

k = n i / n i -1 ,

var k - neutronmultiplikationsfaktor,

n i - antalet nästa generations neutroner i en kärnklyvningsreaktion,

n i -1 , - antalet neutroner från den föregående generationen i samma reaktion.

Om k ˃ 1 , kedjereaktionen växer, systemet kallas superkritiskt th. Om k< 1 , kedjereaktionen dör ut och systemet anropas subkritisk... På k = 1 reaktorn är i stabilt kritiskt tillstånd, eftersom antalet klyvbara kärnor inte förändras. I detta tillstånd, reaktivitet ρ = 0 .

Reaktorns kritiska tillstånd (den nödvändiga neutronmultiplikationsfaktorn i en kärnreaktor) upprätthålls genom att flytta kontrollstavar... Materialet från vilket de är gjorda innehåller ämnen som absorberar neutroner. Genom att förlänga eller skjuta in dessa stavar i kärnan kontrolleras hastigheten för kärnklyvningsreaktionen.

Kontrollsystemet ger kontroll över reaktorn under dess uppstart, planerad avstängning, drift vid kraft, samt nödskydd av kärnreaktorn. Detta uppnås genom att ändra styrstavarnas läge.

Om någon av reaktorparametrarna (temperatur, tryck, effektökningstakt, bränsleförbrukning, etc.) avviker från normen, och detta kan leda till en olycka, speciella nödstänger och kärnreaktionen upphör snabbt.

För att säkerställa att parametrarna i reaktorn överensstämmer med standarderna övervakas de övervaknings- och strålskyddssystem.

För att skydda miljön från radioaktiv strålning placeras reaktorn i ett tjockt betonghölje.

Fjärrkontrollsystem

Alla signaler om kärnreaktorns tillstånd (kylvätsketemperatur, strålningsnivå i olika delar av reaktorn etc.) skickas till reaktorns kontrollpanel och bearbetas i datorsystem. Operatören får all nödvändig information och rekommendationer för att eliminera vissa avvikelser.

Snabba reaktorer

Skillnaden mellan reaktorer av denna typ och reaktorer på termiska neutroner är att snabba neutroner som uppstår efter uran-235-sönderfall inte bromsas, utan absorberas av uran-238, följt av dess omvandling till plutonium-239. Därför används snabba reaktorer för att erhålla plutonium-239 och värmeenergi av vapen, som generatorerna i kärnkraftverket omvandlar till elektrisk energi.

Kärnbränslet i sådana reaktorer är uran-238 och råvaran är uran-235.

I naturlig uranmalm står 99,2745% för uran-238. När en termisk neutron absorberas delar den sig inte utan blir en isotop av uran-239.

En tid efter β-förfall förvandlas uran-239 till kärnan i neptunium-239:

239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e

Efter det andra β-sönderfallet bildas klyvbart plutonium-239:

239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e

Och slutligen, efter alfa-förfall, får plutonium-239-kärnor uran-235:

239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He

Bränslestavar med råvaror (berikade med uran-235) finns i reaktorkärnan. Denna zon är omgiven av en avelszon, som består av bränslestavar med bränsle (utarmat uran-238). Snabba neutroner som släpps ut från kärnan efter uran-235-sönderfall fångas upp av kärnorna i uran-238. Resultatet är plutonium-239. Således produceras nytt kärnbränsle i snabba reaktorer.

Flytande metaller eller blandningar därav används som kylmedel i kärnreaktorer med snabba neutroner.

Klassificering och tillämpning av kärnreaktorer

Kärnreaktorernas huvudsakliga tillämpning finns i kärnkraftverk. Med deras hjälp erhålls elektrisk och termisk energi i industriell skala. Sådana reaktorer kallas energi .

Kärnreaktorer används i stor utsträckning i framdrivningssystem av moderna kärnbåtar, ytfartyg och inom rymdteknik. De levererar elektrisk energi till motorer och kallas transportreaktorer .

För vetenskaplig forskning inom kärnfysik och strålningskemi används flöden av neutroner och gammakvanta, som erhålls i kärnan. forskningsreaktorer. Energin som genereras av dem överstiger inte 100 MW och används inte för industriella ändamål.

Kraft experimentella reaktorer ännu mindre. Den når bara ett fåtal kW. Olika fysiska mängder studeras vid dessa reaktorer, vars betydelse är viktig vid utformningen av kärnreaktioner.

TILL industriella reaktorer inkluderar reaktorer för att producera radioaktiva isotoper som används för medicinska ändamål, liksom inom olika områden inom industri och teknik. Reaktorer för avsaltning av havsvatten klassificeras också som industriella reaktorer.

Ämne: Fysiska grundvalar för kärnkraft. Kärnreaktor.

Lektionens mål: uppdatera befintlig kunskap; fortsätta bildandet av begrepp: klyvning av urankärnor, kärnkedjereaktion, dess förhållanden, kritisk massa; introducera nya koncept: en kärnreaktor, huvudelementen i en kärnreaktor, utformningen av en kärnreaktor och principen för dess drift, kontroll av en kärnreaktion, klassificering av kärnreaktorer och deras användning; fortsätta bildandet av färdigheter för att observera och dra slutsatser, samt utveckla elevernas intellektuella förmågor och nyfikenhet; fortsätta att främja en attityd till fysik som en experimentell vetenskap; att odla en samvetsgrann inställning till arbete, disciplin, en positiv inställning till kunskap.

Lektionstyp: lära sig nytt material.

Under lektionerna

1. Organisationsmoment.

Idag på lektionen kommer vi att upprepa klyvningen av urankärnor, kärnkedjereaktionen, villkoren för dess förlopp, den kritiska massan, vi lär oss vad en kärnreaktor är, huvudelementen i en kärnreaktor, utformningen av en kärnkraft reaktorn och dess funktionsprincip, kontroll av en kärnreaktion, klassificering av kärnreaktorer och deras användning.

2. Verifiering av det studerade materialet.

Klyvningsmekanism för urankärnor.

Berätta om mekanismen för kärnkedjereaktionen.

Ge ett exempel på en kärnfissionsreaktion av en urankärna.

Vad kallas kritisk massa?

Hur går kedjereaktionen i uran om dess massa är mindre än kritisk, mer än kritisk?

Vad är den kritiska massan av uran 295, är det möjligt att minska den kritiska massan?

På vilka sätt kan förloppet för en kärnkedjereaktion ändras?

Vad är syftet med att bromsa snabba neutroner?

Vilka ämnen används som moderatorer?

3. Förklaring av det nya materialet.

: Och vad är huvuddelen av ett kärnkraftverk? ( kärnreaktor)

Bra gjort. Så, killar, låt oss nu uppehålla oss mer i denna fråga.

Historisk referens.

Igor Vasilievich Kurchatov är en enastående sovjetisk fysiker, akademiker, grundare och första chef för Institutet för atomenergi från 1943 till 1960, den främsta vetenskapliga ledaren för atomproblemet i Sovjetunionen, en av grundarna till användningen av kärnkraft för fredliga syften. Akademiker vid Sovjetunionens vetenskapsakademi (1943). Testerna av den första sovjetiska atombomben utfördes 1949. Fyra år senare testades världens första vätebomb framgångsrikt. Och 1949 började Igor Vasilyevich Kurchatov arbeta med ett projekt för ett kärnkraftverk. Kärnkraftverk - en bulletin om fredlig användning av atomenergi. Projektet slutfördes framgångsrikt: den 27 juli 1954 blev vårt kärnkraftverk det första i världen! Kurchatov var jublande och glad som ett barn!

Definition av en kärnreaktor.

En kärnreaktor är en anordning där en kontrollerad kedjereaktion av klyvning av vissa tunga kärnor utförs och underhålls.

Den första kärnreaktorn byggdes 1942 i USA under ledning av E. Fermi. I vårt land byggdes den första reaktorn 1946 under ledning av IV Kurchatov.

Huvudelementen i en kärnreaktor är:

kärnbränsle (uran 235, uran 238, plutonium 239);

neutronmoderator (tungt vatten, grafit, etc.);

kylvätska för produktion av energi som genereras under reaktorns drift (vatten, flytande natrium, etc.);

Kontrollstavar (bor, kadmium) - starkt absorberande neutroner

Strålningshämmande skyddshölje (järnfylld betong).

Driftsprincip kärnreaktor

Kärnbränsle finns i kärnan i form av vertikala stavar som kallas bränsleelement (bränslestavar). Bränslestavar är utformade för att kontrollera reaktorns effekt.

Massan för varje bränslestav är mycket mindre än den kritiska, därför kan en kedjereaktion inte inträffa i en stav. Det börjar efter att alla uranstänger är nedsänkta i kärnan.

Kärnan är omgiven av ett materialskikt som reflekterar neutroner (reflektor) och ett skyddande skal av betong som fångar upp neutroner och andra partiklar.

Ta bort värme från bränsleceller. Värmebärare - vatten tvättar stången, uppvärmd till 300 ° C vid högt tryck, kommer in i värmeväxlarna.

Värmeväxlarens roll är att vatten som värms upp till 300 ° C avger värme till vanligt vatten, blir till ånga.

Kärnreaktionshantering

Reaktorn styrs av stavar som innehåller kadmium eller bor. Med stavarna utsträckta från reaktorkärnan K> 1 och med helt indragen - K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Långsam neutronreaktor.

Den mest effektiva klyvningen av uran-235-kärnor sker under inverkan av långsamma neutroner. Sådana reaktorer kallas långsamma neutronreaktorer. De sekundära neutronerna som produceras genom klyvningsreaktionen är snabba. För att deras efterföljande interaktion med uran -235 -kärnor i en kedjereaktion ska vara mest effektiv, saktas de ner genom att introducera en moderator i kärnan - ett ämne som reducerar kinetisk energi hos neutroner.

Snabb neutronreaktor.

Snabba reaktorer kan inte köras på naturligt uran. Reaktionen kan endast upprätthållas i en berikad blandning innehållande minst 15% av uranisotopen. Fördelen med snabba reaktorer är att de genererar en betydande mängd plutonium, som sedan kan användas som kärnbränsle.

Homogena och heterogena reaktorer.

Kärnreaktorer, beroende på den relativa placeringen av bränslet och moderatorn, är indelade i homogena och heterogena. I en homogen reaktor är kärnan en homogen massa bränsle, moderator och kylmedel i form av en lösning, blandning eller smälta. En reaktor kallas heterogen, där bränsle i form av block eller bränslepatroner placeras i en moderator och bildar ett vanligt geometriskt gitter i det.

Konvertera atomkärnornas inre energi till elektrisk energi.

En kärnreaktor är huvudelementet i ett kärnkraftverk (NPP), som omvandlar termisk kärnkraft till elektrisk energi. Energiomvandling sker enligt följande schema:

intern energi i urankärnor -

kinetisk energi för neutroner och kärnfragment -

intern energi i vatten -

ångens inre energi -

ångans kinetiska energi -

kinetisk energi från turbinrotorn och generatorrotorn -

Elektrisk energi.

Användning av kärnreaktorer.

Beroende på syftet är kärnreaktorer kraft, omvandlare och uppfödare, forskning och mångsidig användning, transport och industri.

Kärnkraftsreaktorer används för att generera el i kärnkraftverk, skeppskraftverk, kärnkraftverk och kärnvärmeverk.

Reaktorer avsedda att producera sekundärt kärnbränsle från naturligt uran och torium kallas omvandlare eller uppfödare. I reaktoromvandlaren bildas sekundärt kärnbränsle mindre än det ursprungligen förbrukade.

I uppfödarreaktorn genomförs en utökad uppfödning av kärnbränsle, d.v.s. det visar sig mer än det har spenderats.

Forskningsreaktorer används för att studera processerna för interaktion mellan neutroner och materia, för att studera beteendet hos reaktormaterial i intensiva områden av neutron- och gammastrålning, radiokemisk i biologisk forskning, produktion av isotoper, experimentell forskning av kärnreaktors fysik.

Reaktorerna har olika kapacitet, stationär eller pulsad drift. Flerfunktionsreaktorer är de som tjänar flera syften, såsom kraftproduktion och kärnbränsle.

Miljökatastrofer vid kärnkraftverk

1957 - en olycka i Storbritannien

1966 - delvis smältning av kärnan efter att reaktorkylningen misslyckats nära Detroit.

1971 - Mycket förorenat vatten rann ut i den amerikanska floden

1979 - den största olyckan i USA

1982 - utsläpp av radioaktiv ånga i atmosfären

1983 - en fruktansvärd olycka i Kanada (radioaktivt vatten läckte ut i 20 minuter - ett ton per minut)

1986 - en olycka i Storbritannien

1986 - en olycka i Tyskland

1986 - Tjernobyl kärnkraftverk

1988 - en brand vid ett kärnkraftverk i Japan

Moderna kärnkraftverk är utrustade med datorer, och tidigare, även efter en olycka, fortsatte reaktorerna att fungera, eftersom det inte fanns något automatiskt avstängningssystem.

4. Säkra materialet.

Vad kallas en kärnreaktor?

Vad är kärnbränsle i en reaktor?

Vilket ämne fungerar som neutronmoderator i en kärnreaktor?

Vad är syftet med en neutronmoderator?

Vad är kontrollstavar för? Hur används de?

Vad används som kylvätska i kärnreaktorer?

Varför behöver du massan av varje uranstav för att vara mindre än den kritiska massan?

5. Utförande av testet.

Vilka partiklar är involverade i klyvningen av urankärnor?
A. protoner;
B. neutroner;
V. elektroner;
G. heliumkärna.

Vad är den kritiska massan av uran?
A. den högsta, vid vilken en kedjereaktion är möjlig;
B. någon massa;
V. är den minsta, vid vilken en kedjereaktion är möjlig;
G. massan vid vilken reaktionen kommer att upphöra.

Vad är ungefär den kritiska massan av uran 235?
A. 9 kg;
B. 20 kg;
H. 50 kg;
G. 90 kg.

Vilka ämnen från följande kan användas i kärnreaktorer som neutronmoderatorer?
A. grafit;
B. kadmium;
B. tungt vatten;
G. bor.

För att en kärnkedjereaktion ska kunna inträffa vid ett kärnkraftverk måste neutronmultiplikationsfaktorn vara:
A. är lika med 1;
B. är större än 1;
V. mindre än 1.

Reglering av klyvningshastigheten för kärnor för tunga atomer i kärnreaktorer utförs:
A. på grund av absorption av neutroner vid sänkning av stavar med en absorberare;
B. på grund av en ökning av värmeborttagning med en ökning av kylvätskans hastighet;
B. genom att öka elförsörjningen till konsumenterna.
G. genom att minska massan av kärnbränsle i kärnan vid avlägsnande av bränslestavarna.

Vilka energiomvandlingar sker i en kärnreaktor?
A. atomkärnornas inre energi omvandlas till ljusenergi;
B. atomkärnornas inre energi omvandlas till mekanisk energi;
C. atomkärnornas inre energi omvandlas till elektrisk energi;
G. Bland svaren finns det inget korrekt.

1946 byggdes den första kärnreaktorn i Sovjetunionen. Vem var ledare för detta projekt?
A. S. Korolev;
B. I. Kurchatov;
V. D. Sakharov;
G. A. Prokhorov.

Vilket sätt anser du är det mest acceptabla för att öka tillförlitligheten hos kärnkraftverk och förhindra kontaminering av den yttre miljön?
A. utveckling av reaktorer som kan kyla reaktorkärnan automatiskt oavsett operatörens vilja.
B. öka läskunnigheten i NPP -driften, nivån på professionell beredskap för NPP -operatörerna.
B. Utveckling av mycket effektiv teknik för demontering av kärnkraftverk och behandling av radioaktivt avfall.
D. Placering av reaktorer djupt under jorden;
D. vägran att bygga och driva ett kärnkraftverk.

Vilka källor till miljöföroreningar är förknippade med driften av ett kärnkraftverk?
A. uranindustri;
B. kärnreaktorer av olika slag;
B. radiokemisk industri;
D. Platser för bearbetning och bortskaffande av radioaktivt avfall.
D. användning av radionuklider i den nationella ekonomin; E. kärntekniska explosioner.

Svar: 1 B; 2 B; 3V; 4 A, B; 5 A; 6 A; 7 B;. 8 B; 9 B. V; 10 A, B, C, D, E.

6. Lektionens sammanfattning.

Vilket nytt har du lärt dig på lektionen idag?

Vad tyckte du om på lektionen?

Vilka frågor har du?