Атомная энергетика

1.2. Ядерные реакции

Ядра водорода, протоны, а также нейтроны, электроны (бета-частицы) и одиночные ядра гелия (называемые альфа-частицами), могут существовать автономно вне ядерных структур. Такие ядра (иначе элементарные частицы), двигаясь в пространстве и приближаясь к другим ядрам на расстояния, сравнимые с поперечными размерами ядер, могут взаимодействовать с ядрами, или участвовать в реакции. Приэтом частицы могут захватываться ядрами, либо же менять направление движения после столкновения, отдавая ядру часть кинетической энергии. Такие акты взаимодействия называются ядерными реакциями. Акты вхаимодействия без проникновения частиц внуть ядра называются упругим рассеянием.

После захвата частицы составное ядро возбкждается (находится в возбужденном состоянии). «Освободиться» от возбуждения ядро может либо испустив какую-либо другую частицу и гамма-квант, либо разделившись на две неравные части. Соответственно по конечным результатам различают реакции захвата, неупругого рассеяния, деления, ядерного превращения с испусканием протона или альфа-частицы.

Дополнительная энергия, освобождаемая при ядерных превращениях, часто имеет вид потоков гамма-квантов.

Вероятность реакции характеризуется величиной «поперечного сечения» реакции данного типа.

1.3. Деление ядер

Деление тяжелых ядер происходит при захвате ими нейтронов. При этом испускаются новые частицы и освобождается энергия связи ядра, передаваемая осколкам деления. Это явление было открыто в конце 30-ых годов немецкими учеными Ганом и Штрасманом, что заложило основу практического использования ядерной энергии.

Ядра тяжелых элементов — урана, плутония и некоторых других, интенсивно поглощают тепловые нейтроны. После захвата нейтрона тяжелое ядро с вероятностью ~0,8 делится на две неравные по массе части, называемые осколками или продуктами деления. При этом испускаются быстрые нейтроны/ (в среднем около 2,5 нейтронов на каждый акт деления), отрицательно заряженные бета-частицы и нейтральные гамма-кванты, а энергия связи частиц в ядре преобразуется в кинетическую энергию осколков деления, нейтронов и других частиц. Эта энергия затем расходуется на разогревание окружающего вещества, т. е. тепловое возбуждение составляющих вещество атомов и молекул.

После акта деления ядер рожденные при делении осколки ядер, будучи нестабильными по природе, претерпевают ряд последовательных радиоактивных превращений и с некоторым запаздыванием испускают «запаздывающие» нейтроны, большое число альфа, бета и гамма-частиц. С другой стороны, некоторые осколки обладают способностью интенсивно поглощать нейтроны.

1. 4. Ядерный реактор

Ядерный реактор — техническая установка, в которой осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция деления тяжелых ядер с высвобождением ядерной энергии. Ядерный реактор состоит из помещенных в защитный корпус активной зоны и отражателя. Активная зона содержит ядерное топливо в виде топливной композиции в защитном покрытии и замедлитель. Топливные элементы обычно представляют собой тонкие стержни. Топливные элемнты собраны в пучки и заключены в чехлы. Такие сборные композиции называются сборками или кассетами.

Вдоль топливных элементов двигается теплоноситель, воспринимающий выделяемую при ядерных превращениях теплоту. Нагретый в активной зоне теплоноситель двигается по контуру циркуляции за счет работы насосов либо под действием сил Архимеда и, проходя через теплообменник либо парогенератор, отдает тепло теплоносителю внешнего контура.