Branduolinė energetika – branduolinio reaktoriaus veikimo principas

Valdomos grandininės reakcijos vyksta techniniuose įrenginiuose, kurie vadinamibranduoliniais reaktoriais.

Pirmasis branduolinis reaktorius paleistas JAV 1942 m., vadovaujant E. Fermiui.

Valdomai branduolių dalijimosi grandininei reakcijai tinka šie izotopai 235U, 233U ir 239Pu.

Pirmasis mažais kiekiais randamas gamtiniame urane, kiti du gali būti pagamintipramoniniu būdu.

Plačiausiai naudojama branduolinio kuro medžiaga – gamtinis uranas – yra sudaryta iš trijų izotopų mišinio: 238U (99.28%), 235U (0.714%) ir 234U (0.00548%).

Šį mišinį veikiant neutronais, priklausomai nuo jų energijos ir jų pagavos skerspjūvio, gali vykti dvi reakcijos.

Pirmoji vyksta kai lėtuosius neutronus W<6 eV sugėręs izotopas 235U dalijasi, jojeišskiriama dalijimosi energija ir antriniai neutronai (jų vidutinis skaičius lygus 2.5).

Šie neutronai toliau gali tęsti reakciją.

Branduolinių reakcijų samprata

Atomo branduolio pakitimą, įvykusį dėl jo sąveikos su kitais branduoliais ar dalelėmis, vadina branduolinėmis reakcijomis.

Dažniausia reakcijų schema yra šitokia:

Pagal lašęlinį modelį ją aiškiname šitaip: lengvoji dalelė a patenka į branduolį X,po to atsiranda dalelė b ir branduolys Y.

Dalelėmis a ir b gali būti neutronas (n), protonas (p), deuteris (d), α dalelė ir γ fotonas.

Branduolinė reakcija įvyks, t.y. susidarys kitos sudėties branduolys, jei dalelė bnetapatinga dalelės a prigimčiai.

Visoms branduolinėms reakcijoms galioja krūvio, masės skaičiaus, judesio kiekio, sukinio ir energijos tvermės dėsniai.

Branduolinių reakcijų samprata - tipai

Čia aprašysime energijos tvermės dėsnį.

Reakcijos dalyvių energija yra reliatyvistinė.

Energijos tvermės dėsnis tvirtina, kad branduolinės reakcijos dalyvių energijų suma prieš ir po reakcijos lieka pastovi:

Simboliu W0 pažymėta dalyvių a, X ir b, Y rimties energija (W0=mc2; m – dalyvio masė), o simboliu T – jų reliatyvistinė kinetinė energija.

Dydį, kuris lygus dalyvių kinetinių energijų po ir prieš reakciją

skirtumui, vadina reakcijos energija. Iš energijos tvermės sąryšio, bei sąryšio,gauname:

čia m – dalyvių masės, ∆m – reakcijos masės defektas.

Branduolinių reakcijų samprata - tipai

Pagal reakcijos energijos, t.y. Q ženklą,

branduolinės reakcijos skirstomos į:

1. Egzotermines reakcijas - kai Q>0, tokios reakcijos metu energija išsiskiria,

2. Endotermines reakcijas - kai Q<0 – šios reakcijos metu energija sugeriama.

Branduolinių reakcijų samprata – efektyvusis skerspjūvis

Sprendžiant praktinius uždavinius, svarbu žinoti kiek jos metu branduolių pakinta, t.y.reakcijos išeigą. Tam reikia žinoti reakcijos tikimybę, kurią nusako branduolio efektyviojiskerspjūvio σ sąvoka.

Tegul į medžiagos vienetinį plotą, kuriame yra n branduolių, krinta N0 dalelių ir sukeliaskaičių N branduolinių reakcijų. Tuomet santykis N/N0 lygus vienos į medžiagą patekusios dalelės sukeltos branduolinės reakcijos tikimybei.

Ji proporcinga dydžiui n , arba:

čia ploto dimensiją turinti proporcingumo koeficientas σ vadinamas -branduolinės reakcijos efektyviuoju skerspjūviu.

Jis matuojamas barnais (b):

Dydžio σ vertė priklauso nuo dalelių prigimties ir jų energijos. Nedidelės energijoselektringų dalelių reakcijų skerspjūvis yra barno dydžio.

Branduolinių dalijimosi reakcijos

1934 m. E.Fermis pastebėjo, kad švitinant gamtinį uraną neutronais, susidaro keliradioaktyvūs elementai.

1938 m. vokiečių fizikai O. Hanas ir F. Štrasmanas atrado, kad dalijimosi reakcijos elementai randasi elementų lentelės viduryje: Xe, Sr, La, Ba ir kt.

Šį reiškinį išaiškino O. Frišas ir L. Meitner. Pagal juos neutroną sugėręs uranobranduolys dalijasi į dvi daleles – dalijimosi skeveldras.

Dalijimasis aiškinamas panaudojant lašelinį branduolio modelį.

Tarkime, kad normaliomis sąlygomis branduolys yra rutulio formos, o į jį smogiantisneutronas branduolį sužadina.

Sužadintame branduolyje susidarys jo masės virpesiai, rutulys ištįs ir po to pasidalins į dvi dalis (skeveldras), nes skeveldrų teigiamų krūvių stūmos jėga jas išsklaidys.

Branduolinių dalijimosi reakcijos

Branduolį padalinti reikalinga pakankamo dydžio energija, kuri vadinama dalijimosiaktyvacijos energija arba dalijimosi slenksčiu.

Ši energija yra 4−7 MeV dydžio: 235U - 5.8 MeV, 238U - 6.3 MeV, 239 Pu – 4.8 MeV

Jei branduoliui bus suteikta mažesnė energija, tai jis tik susižadins ir, išspinduliavęs gamą kvantus, grįš į normalų būvį.

Tačiau branduolinės reakcijos gali vykti ir susidūrus mažesnės energijos neutronuisu branduoliui. Tada susidaro tarpinis branduolys, kuris yra nestabilus ir po kuriolaiko įvykus b skilimui, virsta kito tipo branduoliu. Pavyzdys:

Tipinė neutronų sukelta dalijimosi schema yra šitokia:

čia A ir B yra urano U branduolio dalijimosi skeveldros, k – antrinių neutronų skaičius, W – išsiskyrusios energijos kiekis.

PuNpnU 23984

23993

10

23892

Branduolinių dalijimosi reakcijos

Branduolių dalijimasis yra statistinio pobūdžio, todėl gali atsirasti per 90 įvairaus dydžioskeveldrų.

235U branduoliai dažniausiai dalijasi į skeveldras, kurių masių santykis 2:3, o dalijimosiį beveik vienodas dalis A1= A2=118 tikimybė labai maža ir lygi ~0.01%.

Pavyzdžiui:

Dalijimosi procese iš branduolio išmetami 2, 3 arba net ir daugiau antrinių neutronų.

Todėl rašant dalijimosi reakcijas nurodomas jų vidutinis skaičius k – urano branduoliamsdydis k ~ 2.5.

Dauguma (99.25%) antrinių neutronų išsiskiria dalijimosi momentu (per 10-14-10-16 s) – jie vadinami momentiniais.

Likusieji atsiranda kiek vėliau, jie vadinami vėluojančiais neutronais (vėluoja nuo 0.05 s iki 1 min).

.2 109538

13954

10

23592 nSrXenU

Branduolinių dalijimosi reakcijos – grandininė reakcija

Dalijantis branduoliams atsiradę antriniai neutronai gali pataikyti į branduolius ir sukelti jų dalijimąsi – taip gali nenutrūkstamai vykti dalijimosi grandininė reakcija.

Jos spartą apibūdina neutronų daugėjimo koeficientas K.

Jis lygus neutronų skaičiaus 1 N1 tam tikroje grandininės reakcijos kartoje ir jų skaičiausN prieš tai buvusioje kartoje santykiui:

Taigi, jei iš pradžių buvo N neutronų, tai sekančioje kartoje jų bus KN , o n-oje kartoje jau NKn.

Jei K =1, tai pagautų ir išskirtų neutronų bus tiekpat ir dalijimosi reakcija vyks vienodu greičiu.

Tokia reakcijos būsena vadinama krizine.

Jei K<1 , tai reakcija slopsta, jei K>1 – plinta ir vadinama virškrizine.

Branduolinių dalijimosi reakcijos – grandininė reakcija

Grandininės reakcijos vaizdavimas

Grandininė reakcija

Branduolinių dalijimosi reakcijos – grandininė reakcija

Nevisi antriniai neutronai dalyvauja grandininėje reakcijoje, todėl koeficientas K priklauso nuo daugelio faktorių.

Erdvė, kurioje vyksta dalijimosi reakcija, vadinama aktyviąja zona.

Jei jos matmenys yra maži, dalis antrinių neutronų, nepadalinę branduolių, ją apleidžia.

Aktyvios zonos, kurioje dar gali vykti grandininė reakcija, minimalūs matmenys vadinamikriziniais matmenimis, o tokios zonos masė – krizine mase.

Kriziniai parametrai priklauso nuo daliosios medžiagos izotopinio sąstato, neutronųenergijos, aktyviosios zonos formos ir joje esančių priemaišų.

Sferinės formos aktyviosios zonos krizinės masės yra šitokios:

Krizinę masę galima sumažinti aktyviąja zoną apgaubus pakankamai storu nedaliosiosmedžiagos sluoksniu – neutronų atšvaitu (reflektoriumi).

Dažniausiai naudojamas grafitas

Branduolinių dalijimosi reakcijos – grandininė reakcija

Jei aktyviosios zonos matmenys bus didesnį už krizinį, antrinių neutronų skaičius staigiai didėja, grandininė reakcija taps nevaldoma ir dėl didelio išsiskyrusio šilumos kiekio įvyks sprogimas.

Dalijantis visiems 1 g urano branduoliams, išsiskiria apie 2.3 104 kW h energijos kiekis.Tiek jos gautume sudeginę apie 3 t akmens anglies.

Branduolinė energetika – barnuolinio reaktoriaus veikimo principas

Antrojoje reakcijoje dalyvauja izotopas 238U.

Izotopą 238U padalija tik tie neutronai, kurių energija yra ne mažesnė kaip 1 MeV . Tačiau šis izotopas, sugėręs ir tokios didelės energijos neutroną, gali nepasidalyti, o tik susižadinti, perteklinę energiją išspinduliuodamas γ kvantų pavidalu.

Šis reiškinys vadinamas radiaciniu neutronų pagavimu.

Taip didesnė neutronų dalis pasitrauktų iš srauto ir prarastų galimybę sukelti branduolių 235U dalijimąsi. Taigi antroji reakcija reaktoriaus eigą stabdo ir jos reikia išvengti.

Tai daroma taip. Greitųjų antrinių neutronų energija yra apie 2 MeV. Kad grandininė reakcija su 235U vyktų, reikia antrinių neutronų energiją sumažinti iki šiluminės.

Neutronus aktyviai stabdo medžiagos (jos vadinamos lėtikliais), sudarytos iš neutronamsartimos masė atomų:

Praktikoje vartojami lėtikliai yra grafitas , vanduo paprastasis , sunkusisir berilis. Dėl brangumo berilis ir vartojami rečiau.

Branduolinis reaktorius – principinė schema

Supaprastinta reaktoriaus schema pavaizduota paveiksle.

1 – aktyvioji zona, sudaryta iš urano arba kitokio branduolinio kuro strypų;

2 – lėtiklis, apsupantis strypus iš visų pusių;

3 – reguliavimo strypai – jais valdo branduolinės reakcijosneutronų daugėjimo koeficientą. Šie strypai pagaminti išneutronus sugeriančių medžiagų – kadmio, boro, hafnio. Strypus įleidus į aktyvią zoną daugėjimo koeficientas sumažėja, ištraukus – padidėja. Įvykus avarijai, reguliavimo strypai automatiškai įleidžiami į visą aktyvios zonos gylį ir,nutraukę grandininę reakciją, sustabdo reaktorių.

4 – neutronų atšvaitas, neutronus grąžinantis į aktyviąją zoną.

5 – aušalas, kuris pašalina aktyviojoje zonoje išsiskyrusią šilumą (nesant aušalui aktyviojizona išsilydytų). Aušinančiomis medžiagomis gali būti dujos (oras, CO2, helis), vanduoarba skystieji metalai (pvz., natris). Įkaitęs aušalas nukreipiamas į šilumokaitį, kur aušalassavo šilumą atiduoda vandeniui ir paverčia jį aukštos temperatūros garais. Pastarieji arbasuka garo turbinas ir gamina elektrą arba panaudojami kitiems tikslams.

Branduolinis reaktorius – principinė schema

Branduolinis reaktorius – tipai

Pagal paskirtį reaktoriai skirstomi į tokias grupes:

1. Energetinius, 2. Tiriamuosius, 3. Izotopinius.

Energetiniai reaktoriai yra skirti aktyviojoje zonoje išsiskyrusią šilumą paversti elektros energija arba kitiems šiluminę energiją naudojantiems reikalams.

Jų šiluminė galia paprastai didelė (iki 3 − 5 GW).

Ignalinos atominės elektrinės reaktoriaus šiluminė galia – 4500 MW, o dviejų turbinų elektrinė galia lygi 1500 MW.

Branduolinis kuras yra uranu 235U prisodrintas uranas.

Reaktoriaus lėtiklis – grafitas, aušalas – vanduo ir vandens garai, apsauga – betoninė.

Branduolinis reaktorius – tipai

Tyrimų reaktoriai skirti neutronų ir γ spindulių dideliems srautams (1013/cm2s) gauti.

Jie naudojami branduolio ir kietojo kūno savybėms tirti. Tyrimų reaktoriai yra mažos (iki 10 MW) galios.

Izotopiniai reaktoriai (juos dar vadina dauginančiais arba konverteriais) konstruojami naujiems izotopams gauti.

Juose, pavyzdžiui, izotopas 238U paverčiamas į plutonio izotopą 239 Pu, o toris 232 Th– į izotopą 233 U.

Toks reaktorius, išskiriantis šiluminę energiją bei gaminantis naują medžiagą, vadinamas dauginančiu reaktoriumi arba bryderiu.

Branduoliniai reaktoriai dar skirstomi pagal:

1. kuro cheminę sudėtį, 2. naudojamą aušalą, 3. lėtiklį, 4. aušinimo sistemą, 5. aktyviosios zonos konstrukciją bei reaktoriaus apsaugą (pvz., betonas, vanduo).

Branduolinių sintezės reakcijos

Reakcijos, kuriose lengvųjų elementų branduoliai jungiasi į sunkesnius, vadinamos branduolių sintezės reakcijomis.

Tokio reakcijos vyksta dujinėse aukštos temperatūros medžiagose, todėl vadinamostermobranduolinėmis.

Kad branduoliai apsijungtų, jie turi nugalėti jų protonų (to pačio ženklo elektrostatinio krūvio dalelių) stūmos potencialinį barjerą ir suartinti juos iki 2*10−15 m atstumo.

Nuo šio atstumo jau veikia nukleonų stiprioji traukos sąveika, apjungianti du branduoliusį vieną.

Iš skaičiavimų išplaukia, kad sintetinant vandenilio izotopus į helį, potencialinį barjerą nugali tik tie atomai, kurių kinetinė energija yra ~ 0.01 MeV.

Tokią energiją galima pasiekti įkaitinius vandenilio dujas iki ~ 108 K .

Tačiau dėl dviejų priežasčių sintezė vyksta jau 107 K temperatūroje:

1) dalies atomų energija gerokai didesnė už jos vidutinę vertę; 2) dalis atomų potencialinį barjerą tuneliuoja.

Branduolinių sintezės reakcijos - principai

Žemiausioje temperatūroje ~ 107 K vyksta deuterio ir tričio sintezė į helį, išmetant vienąneutroną ir išskiriant apie 17.6 MeV energijos kiekį:

Šie vandenilio izotopai ir sudaro vandenilinės bombos užtaisą.

Čia sintezės reakcijai reikalinga temperatūra (~107 K) gaunama pirminio atominio užtaiso 235U sprogimu.

Sprogstamos medžiagos rimties masė yra didesnė, nei reakcijos produktų, dėl to procese išsiskiria apie 17,6 MeV energijos kiekis arba vidutiniškai 3,5 MeV/nukleonui.

Taip, vykstant branduolių sintezės reakcijai, išsiskiria 3,5 karto daugiau energijos, neivykstant branduolių dalijimosi reakcijose.

Branduolinių sintezės reakcijos - principai

Taip, vykstant branduolių sintezės reakcijai, išsiskiria 3,5 karto daugiau energijos, neivykstant branduolių dalijimosi reakcijose.

JAV 1952 m. lapkričio 1 d. susprogdino tokį užtaisą. TSRS tokį užtaisą susprogdino po 8 mėnesių.

Branduolinių sintezės reakcijos – energinis našumas

Norint gauti valdomą sinetezės reakciją tam tikrame tūryje, reikia gana ilgą laiką tam tūryje palaikyti per 108 K temperatūrą.

Tokią temperatūrą galima gauti praleidžiant per medžiagą labai stiprią elektros srovę.

Kyla klausimas – ar gautas energijos, išsiskyręs termobranduolinių reakcijų metu, viršysenergijos kiekį, sunaudojamą tokiai reakcijai sukelti?

Tokios temperatūros medžiagos būsenai palaikyti galima gauti tik esant labai mažiems tos medžiagos slėgiams (milijoną kartų mažesnis).

Taigi, valdomoms termobranduolinėms reakcijoms gauti, reikia išspręsti visų pirmasuperaukštūjų temperatūrų gavimo problemą.

Aukštos temperatūros plazma, besileisdama su indo sienelėmis, vėsta, o indo medžiagagaruoja, todėl kad šito išvengti, plazmą reikia atitraukti nuo indo sienelių.

TSRS mokslininkai A. Sacharovas ir I. Tamas 1950 m. pasiūlė panaudoti plazma tekančios srovės magnetinį lauką.

Branduolinių sintezės reakcijos – energinis našumas

Paveiksle parodytos plazma tekančios srovės I kuriamo magnetinio lauko indukcijos linijų bei krūvininkų judėjimo kryptys.

Į greičiu v judančius krūvininkus veikianti Lorenco jėga F suspaudžia plazmą į „virvelę“ ir atskiria ją nuo indo sienelių A ir B.

Plazma pradžioje greitai susitraukia į virvelę, jos temperatūra pakyla virš 106 K.

Bet ilgesnį laiką šios temperatūros nebuvo galima išlaikyti, nes plazmos virvelėdeformuojasi, pasiekia indo sieneles (b) ir atvėsta.

Branduolinių sintezės reakcijos – energinis našumas

Plazmos virvelės padėtį galima daliniai stabilizuoti ją patalpinus į išorinį toroidinį magnetinį lauką.

Toks įrenginys, pavaizduotas c paveiksle, vadinamas TOKOMAKU.

Токамак – termino „Тороидальная камера с магнитными катушками“ trumpinys.

Branduolinių sintezės reakcijos – energinis našumas

Čia:

1 – plazma, esanti toroido pavidalo vamzdelyje;2 – transformatoriaus pirminė apvija; 3 – jo geležinė šerdis; 4 – toroido pavidalo ritė, kurianti išorinį magnetinį lauką; 5 – ritės ir plazmos srovės sukurtas sraigtinis magnetinis laukas.

Branduolinių sintezės reakcijos – energinis našumas

1982 metais TSRS bei JAV TOKAMAKAIS gautos plazminės “virvutės” ašyje jonųenergija atitiko maždaug 8*107 K temperatūrą.Tokioje temperatūroje lengvesni branduoliai jau jungiasi į sunkesnius branduolius.

Tačiau, sintezės reakcijai gauti ir palaikyti iš išorinio energijos šaltinio paimama daugiau energijos, negu energijos išsiskiriama.

Kiekybiškai šis procesas apibūdinamas Lousono kriterijumi.

Sintezei reikalingoje temperatūroje dujos yra plazminiame būvyje – jų atomai visiškai jonizuoti. Plazmą apibūdina du parametrai – jos tankis n ir laikas .

Jei sintezės reakcijoje išsiskyrusi energija viršys plazmai gauti sunaudotą energiją, tada,

sandauga n bus didesnė už Lousono kriterijų Lk:

Taigi – kiekybiškai n sandaugos ir Lousono kriterijaus santykis apibudina sintezės reakcijos našumą.

Plazmos vidinė energija priklauso nuo temperatūros T . Esant T ~ 108 K reakcijos dydis Lk ~ 1020 s/m3 .

Radioaktyviosios spinduliuotės ir medžiagos sąveika.

Pagrindinės radioaktyviosios spinduliuotės, veikiančios medžiagą, dalelės yra:

1. ir dalelės. Tai yra Helio branduoliai ir elektronai,

2. Rentgeno ir gama fotonai,

3. Greitieji neutronai.

Radioaktyviosios spinduliuotės ir medžiagos sąveika.

ir dalelės. Tai yra Helio branduoliai ir elektronai,

Pakankamos energijos ir dalelės, judėdamos medžiaga, jonizuoja jos atomus ar Molekules. Kuo didesnė dalelės energija, tuo daugiau ji sukuria jonų.

Vienodos energijos ir dalelės sukuria maždaug vienodą jonų kiekį.

Tačiau pastebėta, kad dalelė, medžiagoje nueina trumpesnį kelią negu dalelė,todėl jos sukurtų jonų linijinis tankis yra didesnis negu sukurtų dalelių.

Radioaktyviosios spinduliuotės ir medžiagos sąveika.

2. Rentgeno ir gama fotonai – sklisdami medžiaga, ir Rentgeno ir gama spindulių fotonai sukelia du reiškinius:

2.1 Fotoefektą, kuriuo metu susidaro didelę fotono energiją sugėrę, fotoelektronai.

2.2 Komptono reiškinį, kuriuo metu susidaro, greiti kitokių impulsų, atatrankos elektronai.

Abiem atvejais, susidarę didelių energijų elektronai, jonizuoja medžiagą.

Radioaktyviosios spinduliuotės ir medžiagos sąveika.

3. Greitieji neutronai.

Susidūrę su atomo branduoliu, greitieji neutronai perduoda jam savo energiją – susidarogreitieji atatrankos branduoliai.

Pastarieji yra elektringi, todėl jie, panašiai kaip dalelės, jonizuoja medžiagą.

Taip susidurdami su atomo branduoliais neutronai letėja, iki galų gale branduoliai juospagauna.

Susidaręs radioizotopas gali būti beta radioaktyvus, t.y. gali išspinduliuoti medžiagąjonizuojančias daleles ir fotonus.

Dozimetrijos pagrindai

Visi čia paminėti spinduliai ar dalelės vadinamos jonizuojančiu spinduliavimu.

Spinduliavimo poveikis kūnui apibūdinamas sugerto spinduliavimo doze, t.y.

Medžiagos absorbuota jonizuojančiojo spinduliavimo energija, apskaičiuota kūno masės vienetais.

Spinduliavimo sugertosios dozės SI vienetas yra (J/Kg), t.y. tokia absorbuotoji dozė,kai 1 kg apšvitintos medžiagos įgyja 1 J jonizuojančiojo spinduliavimo energijos.

Šis SI vienetas vadinamas grėjumi (Gy).

Jonizuojantįjį spinduliavimą galima apibūdinti ir pagal jonizacijos efektą.

Tam įvedamas dydis, vadinamas spinduliavimo ekspozicine doze.

Jos SI vienetas yra (C/Kg) – tai sugertoji spindulių dozė, kai viename kg sauso orosukuriamas toks jonų porų skaičius, kad vieno ženklo krūvių suma lygi vienam kulonui.

Vartojamas ir nesisteminis vienetas rentgenas (R) – jis lygus jonizuojančiojo spinduliavimo dozei, kurią sugėrus 1 cm 3 oro sukuriama 2,082*109 abiejų ženklų porų.