Фізіка
Выдавец: Народная асвета
Памер: 286с.
Мінск 1991
Крытычная маса. Каэфіцыент размнажэння k можа стаць роўным адзінцы толькі пры ўмове, што размеры рэактара і адпаведна маса урану перавышаюць некаторыя крытычныя значэнні. Крытычнай масай называюць найменшую масу рэчыва, што дзеліцца, пры якой можа адбывацца ланцуговая ядзерная рэакцыя.
Пры малых размерах вельмі вялікая ўцечка нейтронаў праз паверхню актыўнай зоны рэактара (аб’ём, у якім размяшчаюцца стрыжні з уранам).
3 павелічэннем размераў сістэмы лік ядзер, якія ўдзельнічаюць у дзяленні, расце пра
Рыс. 187 Лавольны
240
Ядзернае sapuvae Цеппаносьбіт Пара Турдіна Генератар
парцыянальна аб’ёму, а лік нейтронаў, што страчваюцца ў выніку ўцечкі, павялічваецца прапарцыянальна плошчы паверхні. Таму, павялічваючы размеры сістэм, можна дасягнуць значэнняў каэфіцыента размнажэння k^\. Сістэма будзе мець крытычныя размеры, калі лік нейтронаў, якія былі страчаны ў выніку захопу і ўцечкі, роўны ліку нейтронаў, атрыманых у працэсе дзялення. Крытычныя размеры і адпаведна крытычная маса вызначаюцца тыпам ядзернага гаручага, запавольнікам і канструктыўнымі асаблівасцямі рэактара.
Для чыстага (без запавольніка) урану ‘92U, які мае форму шара, крытычная маса прыблізна роўна 50 кг. Пры гэтым радыус шара роўны прыкладна 9 см (уран вельмі цяжкае рэчыва). Прымяняючы запавольнікі нейтронаў і абалонку з берылію, якая адбівае нейтроны, удалося знізіць крытычную масу да 250 г.
Кіраванне рэактарам ажыццяўляецца пры дапамозе стрыжняў, якія змяшчаюць кадмій або бор. Пры высунутых з актыўнай зоны рэактара стрыжнях ^>1, а пры поўнасцю ўсунутых стрыжнях /г < 1. Усоўваючы стрыжні ўнутр актыўнай зоны, можна ў любы момант часу прыпыніць развіццё ланцуговай рэакцыі. Кіраванне ядзернымі рэактарамі ажыццяўляецца дыстанцыйна з дапамогай ЭВМ.
Рэактары на хуткіх нейтронах. Пабудаваны рэактары, якія працуюць без запавольніка на хуткіх нейтронах. Паколькі імавернасць дзялення, выкліканага хуткімі нейтронамі, малая, то такія рэактары не могуць працаваць на натуральным уране.
Рэакцыю можна падтрымліваць толькі ў абагачанай сумесі, якая ўтрымлівае не менш чым 15 % ізатопу "92U. Перавага рэактараў на хуткіх нейтронах у тым, што пры іх рабоце ўтвараецца значная колькасць плутонію, які затым можна выкарыстаць у якасці ядзернага паліва. Гэтыя рэактары называюць рэактараміразмнажальнікамі, таму што яны ўзнаўляюць матэрыял, які дзеліцца. Будуюцца рэактары з каэфіцыентам узнаўлення да 1,5. Гэта значыць, што ў рэактары пры дзяленні 1 кг ізатопу “Ю атрымліваецца да 1,5 кг плутонію. У звычайных рэактарах каэфіцыент узнаўлення дасягае 0,6—0,7.
241
Фермі Энрыка (1901—1954) — выдатны італьянскі фізік, які ўнёс вялікі ўклад у развіццё сучаснай тэарэтычнай і эксперыментальнай фізікі. У 1938 г. эмігрыраваў у ЗША. Адначасова з Дзіракам Фермі стварыў квантавую статыстычную тэорыю электронаў і іншых часціц (статыстыка Фермі — Дзірака). Ен пабудаваў колькасную тэорыю рраспаду — прататып сучаснай квантавай тэорыі ўзаемадзеяння элементарных часціц. Фермі зрабіў рад фундаментальных адкрыццяў у нейтроннай фізіцы. Пад кіраўніцтвам Фермі ў 1942 г. упершыню была ажыццёўлена кіруемая ядзерная рэакцыя.
Першыя ядзерныя рэактары. Упершыню ланцуговая ядзерная рэакцыя дзялення урану была ажыццёўлена ў ЗША калектывам вучоных пад кіраўніцтвам Энрыка Фермі ў снежні 1942 г.
У Савецкім Саюзе першы ядзерны рэактар быў запушчаны 25 снежня 1946 г. калектывам фізікаў, які ўзначальваў наш выдатны вучоны Ігар Васільевіч Курчатаў.
У цяперашні час створаны розныя тыпы рэактараў, якія адрозніваюцца адзін ад аднаго як па магутнасцях, так і па свайму прызначэнню.
У ядзерных рэактарах, акрамя ядзернага гаручага, ёсць запавольнік нейтронаў і стрыжні, што кіруюць. Энергія, што вылучаецца, адводзіцца цепланосьбітам.
1. Што такое крытычная маса? 2. Для чаго ў атамным рэактары скарыстоўваецца запавольнік нейтронаў?
§ 89. ТЭРМАЯДЗЕРНЫЯ РЭАКЦЫІ
Лёгкія ядры могуць злівацца з вылучэннем энергіі.
Маса спакою ядра урану большая за суму мас спакою асколкаў, на якія дзеліцца ядро. Для лёгкіх ядзер справа выглядае якраз наадварот. Так, маса спакою ядра гелію значна меншая за суму мас спакою двух ядзер цяжкага вадароду, на якія можна падзяліць ядро гелію.
Гэта азначае, што пры зліцці лёгкіх ядзер маса спакою памяншаецца і, значыць, павінна вылучацца вялікая энергія. Падобнага роду рэакцыі зліцця лёгкіх ядзер могуць адбывацца толькі пры вельмі высокіх тэмпературах. Таму яны называюцца тэрмаядзернымі.
Тэрмаядзерныя рэакцыі — гэта рэакцыі зліцця лёгкіх ядзер пры вельмі высокай тэмпературы.
242
Курчатаў trap Васільевіч (1903—1960) — савецкі фізік і арганізатар навукі, тройчы Герой Сацыялістычнай Працы. 3 1943 г. Курчатаў узначальваў навуковыя работы, звязаныя з атамнай праблемай. Пад яго кіраўніцтвам былі створаны першы ў Еўропе атамны рэактар (1946) і першая савецкая атамная бомба (1949). Раннія працы Курчатава адносяцца да даследавання сегнетаэлектрыкаў, ядзерных рэакцый, што выклікаюцца нейтронамі, штучнай радыеактыўнасці. Курчатаў адкрыў існаванне ўзбуджаных станаў ядзер з адносна вялікім часам жыцця.
Для зліцця ядзер неабходна, каб яны зблізіліся на адлегласць каля 10“12 см, г. зн. каб яны папалі ў сферу дзеяння ядзерных сіл. Гэтаму зб’ліжэнню перашкаджае кулонаўскае адштурхванне ядзер, якое можа быць пераадолена толькі за кошт вялікан кінетычнай энергіі цеплавога руху ядзер.
Энергія, што вылучаецца пры тэрмаядзерных рэакцыях у разліку на адзін нуклон, перавышае ўдзельную энергію, што вылучаецца пры ланцуговых рэакцыях дзялення ядзер. Так, пры зліцці цяжкага вадароду — дэйтэрыю — са звышцяжкім ізатопам вадароду — трытыем — вылучаецца каля 3,5 МэВ на адзін нуклон. Пры дзяленні ж урану вылучаецца прыкладна 1 МэВ энергіі на адзін нуклон.
Тэрмаядзерныя рэакцыі адыгрываюць рашаючую ролю у эвалюцыі Сусвету. Энергія выпраменьвання Сонца і зорак мае іэр маядзернае паходжанне. Па сучасных уяўленнях, на раннян стадыі развіцця зорка ў асноўным складаецца з вадароду. Іэмпература ўнутры зоркі такая вялікая, што ў ёй адбываюцца рэакцыі зліцця ядраў вадароду з утварэннем гелію. Затым пры зліцці ядзер гелію ўтвараюцца і больш цяжкія элементы.
Тэрмаядзерныя рэакцыі адыгрываюць рашаючую ролю у эвалюцыі хімічнага саставу рэчыва ў Сусвеце. Усе гэтыя рэакцыі суправаджаюцца вылучэннем энергіі, якая забяспечвае выпраменьванне святла зоркамі на працягу мільярдаў гадоў.
Ажыццяўленне кіруемых тэрмаядзерных рэакцын на Зямлі абяцае чалавецтву новую, практычна невычэрпную крыніцу энергіі. Найбольш перспектыўнай у гэтых адносінах рэакцыян з яуляецца рэакцыя зліцця дэйтэрыю з трытыем:
?Н + Ш^2Не + ?п.
У гэтай рэакцыі вылучаецца энергія 17,6 МэВ. Паколькі трытыю ў прыродзе няма, ён павінен выпрацоўвацца ў самім тэрмаядзерным рэактары з літыю.
Эканамічна выгадная рэакцыя, як паказваюць разлікі, можа адбывацца толькі пры награванні рэагуючых рэчываў да тэмпе
243
Эксперыментальная ўстаноўка «Такамак10», прызначаная для існавання кіруемых тэрмаядзерных рэакцый
вывучэння ўмоў
ратуры парадку соцень мільёнаў кельвін пры вялікай шчыльнасці рэчыва (10 10 часціц у I см3). Такія тэмпературы могуць быць у прынцыпе дасягнуты шляхам стварэння ў плазме магутных электрычных разрадаў. Асноўная цяжкасць на гэтым шляху заключаецца ў тым, каб утрымаць плазму такой высокай тэмпературы ўнутры ўстаноўкі на працягу 0,1 — 1 с.
Ніякія сценкі з рэчыва тут не падыходзяць, таму што пры такой высокай тэмпературы яны адразу ж ператворацца ў пару. Адзіна магчымым з’яўляецца метад утрымання высокатэмпературнай плазмы ў абмежаваным аб’ёме з дапамогай вельмі моцных магнітньіх палёў. Аднак да цяперашняга часу рашыць гэту задачу не ўдалося зза няўстойлівасці плазмы. Няўстойлівасць прыводзіць да дыфузіі часткі зараджаных часціц скрозь магнітныя «сценкі».
У цяперашні час існуе ўпэўненасць у тым, што рана ці позна тэрмаядзерныя рэактары будуць створаны. Вучоныя нашай краіны дасягнулі найвялікшых поспехаў у стварэнні кіруемых тэрмаядзерных рэакцый. Гэтыя работы былі пачаты пад кіраўніцтвам акадэмікаў Л. A. А р ц ы м о в і ч a і М. А. Л е а н т о в і ч a і працягваюцца іх вучнямі.
Пакуль жа ўдалося ажыццявіць толькі некіруемую рэакцыю сінтэзу выбуховага тыпу ў вадароднай (або тэрмаядзернай) бомбе. г '
244
Атамны рэактар на хуткіх нейтронах магутнасцю 600 МВт, які ўстаноўлены на Белаярскай АЭС
Ажыццяўленне кіруемых тэрмаядзерных рэакцый здольнае рашыць энергетычную праблему чалавецтва. Некіруемыя тэрмаядзерныя рэакцыі ў вадародных бомбах здольныя чалавецтва знішчыць.
* 1. Чаму рэакцыя зліцця лёгкіх ядзер адбываецца толькі пры вельмі высо кіх тэмпературах? 2. Як растлумачыць з пункту гледжання закону захавання энергіі, што энергія вылучаецца як пры дзяленні цяжкіх ядзер, так і пры зліцці лёгкіх ядзер?
§ 90. ПРЫМЯНЕННЕ ЯДЗЕРНАЙ ЭНЕРГІІ
Развіццё ядзернай энергіі ў СССР. Прымяненне ядзернай энергіі для пераўтварэння яе ў электрычную ўпершыню было ажыццёўлена ў нашай краіне ў 1954 г. У г. Обнінску была ўведзена ў дзеянне першая атамная электрастанцыя (АЭС) магутнасцю 5000 кВт. Энергія, што вылучалася ў ядзерным рэактары, выкарыстоўвалася для ператварэння вады ў пару, якая вярцела затым звязаную з генератарам турбіну.
Па такому ж прынцыпу дзейнічаюць уведзеныя ў эксплуатацыю за прайшоўшыя два дзесяцігоддзі Новаваронежская, Ленінградская, Курская і Кольская АЭС. Рэактары гэтых станцый маюць магутнасць 500—1000 МВт.
245
Першы ў свеце атамны ледакол «Ленін» сярод ільдоў Паўночнага Ледавітага акіяна
Атамныя электрастанцыі будуюцца перш за ўсё ў еўрапейскай частцы краіны. Гэта звязана з перавагамі АЭС у параўнанні з цеплавымі электрастанцыямі, якія працуюць на арганічным паліве. Ядзерныя рэактары не спажываюць дэфіцытнага арганічнага паліва і не загружаюць перавозкамі вугалю чыгуначны транспарт. Атамныя электрастанцыі не спажываюць атмасферны кісларод і не забруджваюць асяроддзе попелам і прадуктамі згарання. Аднак размяшчэнне АЭС у густанаселеных абласцях нясе ў сабе патэнцыяльную пагрозу.
У рэактарах на цеплавых (г. зн. павольных) нейтронах уран выкарыстоўваецца толькі на 12 %. Поўнае выкарыстанне урану дасягаецца ў рэактарах на хуткіх нейтронах, у якіх забяспечваецца таксама ўзнаўленне новага ядзернага паліва ў выглядзе плутонію. У 1980 г. на Белаярскай АЭС адбыўся пуск першага ў свеце рэактара на хуткіх нейтронах магутнасцю 600 МВт.
КНІГІ ОНЛАЙН
