Ядерные реакторы
РБМК 1000
Математика
Курсовые
Альтернативная энергетика
ВВЭР
Информатика
Черчение

Теплоэнергетика

Реактор БН
Сопромат
Электротехника
Ядерная физика
Ядерное оружие
Графика
Карта

Физика атомного реактора

Техногенные воздействия на окружающую среду при строительстве и эксплуатации атомных электростанций многообразны. Обычно говорят, что имеются физические, химические, радиационные и другие факторы техногенного воздействия эксплуатации АЭС на объекты окружающей среды.

Для сравнения приведем следующие примеры критических масс:

10 кг Pu-239, металл в альфа-фазе (плотность 19,86 г/см3);

52 кг 94%-го U-235 (6% U-238), металл (плотность 18,72 г/см3);

110 кг UO2 (94% U-235) при плотности в кристаллическом виде 11 г/см3;

35 кг PuO2 (94% Pu-239) при плотности в кристаллическом виде 11,4 г/см3. Критическую массу можно существенно уменьшить, окружив образец делящегося вещества слоем материала, отражающего нейтроны, например, бериллия или природного урана. Отражатель возвращает значительную часть нейтронов, вылетающих через поверхность образца. Например, если использовать отражатель толщиной в 5 см, изготовленный из таких материалов, как уран, железо, графит, критическая масса составит половину от критической массы «голого шара». Более толстые отражатели будут далее уменьшать требуемую критическую массу. Особенно эффективен бериллий, обеспечивающий критическую массу в 1/3 от стандартной критической массы.

При прочих равных условиях минимальные критические размеры должны быть у установок сферической формы. Система на тепловых нейтронах имеет самый большой критический объем и минимальную критическую массу.

Важную роль играет степень обогащения по делящемуся нуклиду. Так, реакторный (энергетический) плутоний неоднозначно определен, поскольку процентное содержание в нем 240Pu зависит от степени облучения топлива в реакторе до его выгрузки. При выгорании несколько выше того уровня, который применяется в настоящее время, критическая масса "голого шара" плутония будет всего лишь на 25-35% больше, чем критическая масса чистого 239Pu. Благодаря самопроизвольному делению, влияние 240Pu на нейтронный источник в материале должно быть более значительным, чем его влияние на критическую массу. Тем не менее, ядерное оружие может быть изготовлено из реакторного плутония.

Другой очевидный случай разбавления - разбавление урана до уровня обогащения ниже 94%. Здесь влияние на критическую массу достаточно сильное. Например, критическая масса урана с обогащением 235U 50% составляет 160 кг (в 3 раза больше массы 94%-го урана), а критическая масса 20%-го урана составляет 800 кг (то есть в ~15 раз больше, чем критическая масса 94%-го урана). Аналогичные коэффициенты зависимости от уровня обогащения применимы и к оксиду урана.

Критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности материала. Так, критическая масса металлического плутония в дельта-фазе (плотность 15,6 г/см3) составляет 16 кг. Это обстоятельство учитывается при конструировании компактной атомной бомбы. Поскольку вероятность захвата нейтронов пропорциональна концентрации ядер, увеличение плотности образца, например в результате его сжатия, способно привести к возникновению в образце критического состояния. Именно этот способ и применяется в ядерных взрывных устройствах, в которых масса делящегося вещества, находящаяся в подкритическом состоянии переводится в сверхкритическое с помощью направленного взрыва, подвергающего заряд сильной степени сжатия. Минимальное количество делящегося вещества, необходимого для осуществления цепной реакции, зависит в основном от достижимой на практике степени сжатия. Степень и скорость сжатия массы делящегося вещества определяют не только количество расщепляющегося материала, необходимого для создания взрывного устройства, но и мощность взрыва.

Дело в том, что энергия, выделяющаяся в ходе цепной реакции, приводит к быстрому разогреву массы делящегося вещества и, как результат, к разлету этой массы. Через некоторое время заряд теряет критичность и цепная реакция останавливается. Поскольку полная энергия взрыва зависит от количества ядер, успевших претерпеть деление за время, в течение которого заряд находился в критическом состоянии, для получения достаточно большой мощности взрыва необходимо удерживать массу делящегося вещества в критическом состоянии как можно дольше. На практике это достигается путем быстрого сжатия заряда с помощью направленного взрыва, так что в момент начала цепной реакции, масса делящегося вещества обладает очень большим запасом критичности. Поскольку в процессе сжатия заряд находится в критическом состоянии, необходимо устранить посторонние источники нейтронов, которые могут дать начало цепной реакции еще до достижения зарядом необходимой степени критичности.

Преждевременное начало цепной реакции приведет, во-первых, к уменьшению скорости выделения энергии, а во-вторых, к более раннему разлету заряда и потере им критичности. После того как масса делящегося вещества оказалась в критическом состоянии, начало цепной реакции могут дать акты спонтанного деления ядер урана или плутония. Однако, интенсивность спонтанного деления оказывается недостаточной для того, чтобы обеспечить необходимую степень синхронизации момента начала цепной реакции с процессом сжатия вещества и для обеспечения достаточно большого количества нейтронов в первом поколении.

Для решения этой проблемы в ядерных взрывных устройствах применяют специальный источник нейтронов, который обеспечивает "впрыск" нейтронов в массу делящегося вещества. Момент "впрыска" нейтронов должен быть тщательно синхронизован с процессом сжатия, так как слишком раннее начало цепной реакции приведет к быстрому началу разлета делящегося вещества и, следовательно, к значительному уменьшению энергии взрыва.

Список использованных сокращений

A3 - аварийная защита реактора

АКНП – аппаратура контроля нейтронного потока

АО – аксиальный оффсет

АПЭН – аврийные питательные электронасосы

АР - автоматический регулятор

АРМ – автоматический регулятор мощности

АРЭ - аксиальное распределение энерговыделения

АС - атомная станция

АСУ - автоматизированная система управления

АСУ ТП - автоматизированная система управления технологическими процессами

АУПТ –автоматическая установка пожаротушения

АЭС - атомная электростанция

ББ – бассейн- барботер

БВ – бассейн выдержки

БЗТ – блок защитных труб

БРУ-А - быстродействующая редукционная установка с выхлопом в атмосферу

БРУ-К - быстродействующая редукционная установка с выхлопом в конденсатор турбины

БЩУ - блочный щит управления

ВАБ - вероятностный анализ безопасности

ВАО АС - Всемирная ассоциация организаций, эксплуатирующих АС

ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор

ВКУ – внутрикорпусные устройства

ВП – выгорающий поглотитель

ВХР - водно-химический режим

ГЕ – гидроемеость САОЗ

ГПК - главный предохранительный клапан

ГО – гермооболочка

ГРР – главный разъем реактора

ГЦН - главный циркуляционный насос

ГЦТ – главный циркуляционный трубопровод

ГЭЗ - глубоко эшелонированная защита

ДГ – дизель генераторы

ДИ – диапазон источника

ДП – диапазон промежуточный

ДП - дополнительный поглотитель

ДПЗ –детектор прямого заряда

ДР – дистанционирующая решетка

ДЭ – диапазон энергетический

ЖРО - жидкие реактивные отходы

ЗПА - запроектная авария

ЗИП - запасные части, инструмент и принадлежности

ИИИ - источник ионизированных излучений

ИПУ - импульсно-предохранительное устройство

ИС - исходное событие

КГО - система контроля герметичности оболочек ТВЭЛов

КИПиА - контрольно-измерительные приборы и автоматика

КД - компенсатор давления

КНИТ – канал нейтронных измерений и температуры

КО – компенсатор объема

Мировые энергетические потребности в ближайшие десятилетия будут интенсивно возрастать. Какой-либо один источник энергии не сможет их обеспечить, поэтому необходимо развивать все источники энергии и эффективно использовать энергетические ресурсы. Достижения в области физики атомного ядра открыли человечеству возможность использования энергии, освобождающейся в некоторых ядерных реакциях. Одна из таких реакций - цепная реакция деления ядер урана - сегодня широко используется в реакторах на атомных электростанциях.

Инженерная графика

 

Сопромат