Ядролық реакциялар. Ауыр ядролардың бөлінуі. Тізбекті ядролық реакциялар. Физика, 11 сынып, презентация.

Тізбекті ядролық реакциялар. Ядролық синтез. Ядролық реакторлар.

Ядролық тізбекті реакциялар жүру үшін нейтрондармен бөлінетін элементтер қажет. Ондай элементтердің бірі – уран. Табиғи уранның үш изотоптары бар

Соның ішінде тек нейтрондармен бөлінеді.

Нейтрондардың көбею коэффициенті

Нейтрондардың көбею коэффициенті бір ұрпақтағы нейтрондар санының алдыңғы ұрпақтағы нейтрондар санына қатынасы.

Ядролық реакцияның жүру үшін к= 1.

Егер k=1,01 болса жарылыс болады.

Алғашқы ядролық реакторлар

Э.Фермидің басшылығымен 1942 ж. 2-желтоқсанда алғашқы реактор АҚШ-та алынды.

КСРО-да 25 желтоқсанда 1946 жылы И.В. Курчатовтың басшылығымен жасалды

Энрико Ферми (1901-1954)

Игорь Васильевич Курчатов

(1903-1960)

Ядролық реактордағы тізбекті ядролық реакция:

Ядролық реактордағы негізгі элементтер

1) Ядролық отын

2) Нейтрондарды баяулатқыштар (ауыр су, графит);

3) Реактордың жұмысы кезінде түзілетін энергияны шығаратын жылутасығыштар (су, сұйық натрий);

4) Нейтрондарды күшті жұтатын реттегіш стерженьдер (бор, кадмий)

5) Сәулеленуді бөгейтін қорғаныш қабаты

(темір толтырғышы бар бетон)

Ядролық реактор дегеніміз ядролық тізбекті реакция жүретін қондырғыны айтады.

Уранның ядросы

баяу нейтрондарды жақсы қармайды

Баяу нейтрондардың қармалу ықтималдығы жылдам нейтрондарға қарағанда 100 есе көп.

Нейтрондардың энергиясына байланыты реакторды екі түрге бөледі: жылдам нейтронды реактор және баяу нейтронды реакторлар

Жылдам нейтрондармен жұмыс жасайтын және баяулатқышы жоқ реакторды жылдам нейтрон реакторлары деп атайды.

Жылдам нейтрондармен ядросының бөліну ықтималдығы өте аз, алайды егер қаныққан уран қолданса мәселені шешуге болады. Қаныққан уран дегеніміз құрамында 15% изотопы бар уранды айтады Бұл реакторлардың артықшылығы – реакция нәтижесінде біршама плутоний бөлінеді. Сондықтан да бұл реакторларды көбейткіштер деп атайды, себебі олар бөлінетін (ядерное горючее) материал түзеді.

Баяу нейтрондармен жұмыс жасайтын реакторларда баяулатқыш (замедлители) қолданылады.

(Ядерное горючее) отынның орналасуына байланысты ядролық реакторлар гомогенді және гетерогенді болып екіге бөлінеді.

Гомогенді реакторларда ядролық отын баяулатқышпен бірге сұйық немесе суспензия күйінде болады. Гетерогенді реакторларды ядролық отын баяулатқыштан бөлек арнайы ТВЭЛ-де (жылушығарғыш элементте) орналасады.

Ядролық отын

Ядролық реакторларды ядролық отын ретінде қолданылатын изотоптар

Екінші ретті отындар

Диаметрі 6-14 мм болатын жылушығарғыш (ТВЭЛ) таблеткалар касетада орналасады. Жылушығарғыш элементтер дегеніміз құрамында ядролық отыны бар қондырғы.

Ядролық отын 2

667,7 °C ромбическая

667,7 °C - 774,8 °C тетрагональная

 774,8 °C –балқу нүктесіне дейін, ОЦК

Уран

Сәулелену нәтижесінде уранның өлшемдері өзгереді. 673 К температурадан төмен оның барлық бағыттар бойынша өлшемдері өзгеріске ұшырайды. Уранның радиациялық өсуі

Сәулелену нәтижесінде уранның өлшемдерінің өзгеруінен басқа газдық үрлену (газовое распухание) болуы мүмкін. Ол көбіне ядролық реакция кезінде бөлінетін ксенон мен крептон себебінен болады. Температура өскен сайын газ жиынтығы үлкен қысым тудырады, соның нәтижесінде уранның кристалдық тұрақтысы үлкейеді.

Таза уранның механикалық қасиеттері нашар болғандықтан қоспаалар қосады.

Қоспаларға қойылатын талаптар:

Нейтрондарды қармау қимасы аз болу керек;

Беріктілігі мен пластикалық қасиеттері жоғары;

Қоспа ТВЭЛ-дің сыртымен сәйкес болу керек;

Коррозиялық қасиеттері жоғары болу керек;

Al,Fe,Si,Cr,Mo,Zr,

Плутоний

Плутоний кестедегі 94-ші элемент, салыстырмалы атомдық массасы 239. Табиғатта кездеспейді. Металдық плутонийдің балқу температурасы-913К, қайнау температурасы- 3500К. Оның 6 кристалдық модификациясы бар.

Плутоний уранға қарағанда химиялық активті, оттегі, сутегі және азотпен жақсы әсерлеседі. Механикалық қасиеті өте төмен сондықтан таза күйінде ядролық отын ретінде жарамсыз.

Плутонийдің түзілуі

уранның ядросының нейтронмен әсерлесуі нәтижесінде радиактивті жартылай ыдырау периоды 23 минут изотоп түзіледі

Оның ыдырауы нептуний мен электронның бөлінуімен жүреді:

→ +

Нептунийдің ыдырауы плутонийдің түзілуіне әкеледі:

→ +

Плутоний арқылы ядролық тізбекті реакция жүргізуге болады, бөліну кезінде өте үлкен энергия бөлінеді

Торий

Торий атомдық нөмері 90, плутоний мен ураннан айырмашылығы бөлінетін материал емес, алайда U233 уран изотопын алуға қажет материал.

Балқу температурасы- 1968К, пластикалық қасиеті жоғары, оттегі мен азот оның механикалық қасиеттеріне әсер етпейді. Уран және плутониймен салыстырғанда коррозиялық қасиеті жоғары.

Ядролық отын үш түрлі болады: металдық, керамикалық және дисперстік.

Уран, плутоний және торийдің метал еместермен (оттегі, азот, көміртегі) қосылысы керамикалық отын береді.

Дисперстік ядролық отын матрицадан және ядролық жанғыш заттан тұрады. Матрица ретінде Al, Nb, Mg, Be, W дисперсті жанғыш зат ретінде уранның әр түрлі қосылыстарын қолданады.

Уранның қоры

Сындық масса – тізбекті ядролық реакция жүретін минималды бөлінетін элементтің массасы. Өлшемдер өскен сайын реакцияға қатысқан нейтрондардың саны көбейеді.

Уран-235 изотопы үшін сындық масса 23 килограмдай болады. 

Ядролық реакцияны басқарып отыру үшін құрамында кадмий және боры бар элементтер қолданылады.

Сындық масса

Жылу тасығыштар

Қойылатын талаптар

Коррозиялық және эрозиялық төзімділігі жоғары;

Жоғары жылуөткізгіштігі мен жылусыйымдылығы;

Қайнау температурасы жоғары және еру температурасы төмен болу керек;

Температураға және радиацияға төзімділігі жоғары;

Жылу нейтрондарын қармау қимасы аз болу керек;

Улы емес, жарылғыш емес болу керек;

Дефицит емес болу керек;

Активациясы аз болу керек.

Сұйық металды жылу тасығыштар

Артықшылығы:

Сұйық металдарды температураның қысымға тәуелділігі жоқ;

Сұйық металдарды сәулелендіру радиолизге алып келмейді;

Термиялық және радиациялық төзімділігі жоғары.

Кемшілігі

Жылусыйымдылығы аз;

Кейбір сұйық металдар сумен әрекеттеседі (натрий), бұл жағдай реактордың қауіпсіздігін төмендетеді.

Бөлме температурасында қатты куйде, бұл металдарды еріту үшін қосымша қондырғыны талап етеді.

Жылутасығыш ретінде қолданылатын материалдар: Bi, Na, Pb, Ga, Li, Hg, K

Сұйық металдардың тағы бір кемшілігі конструкциялық материалдармен әсерлесуі мүмкін, яғни массаның тасымалдануы байқалады.

Натрий

Балқу температурасы 370К төмен, басқа сұйық металдардан айырмашылығы құйып алуға аз қуат кетеді, Na2O қосылысына байланысты коррозиялық төзімділігі төмендеу, реакцияға түскіш элемент, балқу температурасына жақындағанда сутегімен әрекеттесіп гидрид түзеді, 673К температураға дейін азотпен әрекеттеспейді, 873 К де көмірқышқыл газымен әрекеттеседі, натрий сумен жақсы араласып жылу бөледі және сутегі түзеді, сондықтан жарылыс болу қаупі бар, конструкциялық материалдармен араласа отырып, олардың коррозиясын туғызады.

Калий – балқу температурасы 336 К, натриймен салыстырғанда реакцияға түскіш, азотпен әрекеттеспейді, натрий мен калийдің қосылысы бөлме температурасында сұйық күйде болады.

Литий

Жылусыйымдылық қасиеті өте жоғары, алайда литий құрамында жылулық нейтрондар жұтқыш тұрақты Li6 изотопы бар, оның концентрациясын азайту өте қымбатқа соғады. Литий жер бетіндегі ең жеңіл металл. Коррозияға төзімділігі калий және нартиймен салыстырғанда төмен. Азотпен, сумен, оттегімен, көмірқышқыл газымен әрекеттеседі. Балқу температурасы 453К

Висмут

Жоғарыдағы металдармен салыстырғанда бөлме температурасында оттегімен, азот және сутегімен әрекеттеспейді. Балқу температурасы 544 К

Қорғасын

Жылулық қасиеттері төмен, бөлме температурасында тұрақты, 873 К дейін азот және сутегі қорғасынмен әрекеттеспейді. Көбіне всмут пен қорғасын қосындысын қолданады. Балқу температурасы 398К

Галий

Өте қымбат, балқу температурасы 302К, сумен әрекеттеспейді.

Органикалық және газдық жылутасығыштар

Артықшылығы

Органикалық сұйықтардың бу қысымдары сумен салыстырғанда төмен;

Коррозияға тұрақтылығы жоғары;

Радиоактивтілігі төмен;

Кемшілігі:

Термиялық және радиациялық қасиеттері төмен; сәулелену нәтижесінде қасиеттері өзгереді және пиролизге ұшырайды, пиролиз өнімдері ТВЭЛ-де жиналып жылуөткізгіштікті төмендетуі мүмкін.

Дифенил, моноизопрофинил, дефинил қосылыстары, терфинил- C12H10

Газдық жылутасығыштар

жылуөткізгіштігі мен жылусыйымдылығы төмен және тығыздығы аз; алайда газдардың артықшылығы нейтронды қармау қимасы өте аз.

Түрлері: көмірқышқыл газы, гелий, ауа, диссоциялаушы газдар және тб.