Mengatur laju fisi nuklir. atom "damai".

Diagram skema reaktor nuklir yang menggunakan neutron termal (lambat) ditunjukkan pada Gambar. 5.1, di sini 1 - batang kendali, 2 - proteksi biologis, 3 - proteksi termal, 4 - moderator, 5 - bahan bakar nuklir (fuel rods).

Ketika sebuah neutron mengenai inti isotop uranium 235, ia terpecah menjadi dua bagian dan beberapa (2,5-3) neutron sekunder baru dipancarkan.. Agar reaksi berantai dapat dipertahankan dalam reaktor nuklir, massa bahan bakar nuklir di inti reaktor harus tidak kurang dari massa kritis. Reaktor harus mengandung jumlah ini 235U sehingga rata-rata paling sedikit satu neutron yang dihasilkan pada setiap peristiwa fisi dapat menyebabkan peristiwa fisi berikutnya sebelum meninggalkan inti reaktor.

Gambar 5.1. Diagram skema reaktor nuklir neutron termal

Jika jumlah neutron dijaga konstan, maka reaksi fisi akan bersifat stasioner. Semakin tinggi tingkat tunak jumlah neutron yang ada maka semakin besar pula daya reaktornya. Kekuatan 1 MW setara dengan reaksi berantai di mana 3 · 10 16 pembelahan terjadi dalam 1 detik.

Jika jumlah neutron bertambah maka akan terjadi ledakan termal, jika berkurang maka reaksi akan terhenti. Laju reaksi dikendalikan menggunakan batang kendali 1.

Keadaan reaktor nuklir saat ini dapat dikategorikan efisien faktor perkalian neutron atau reaktivitas, yang saling berhubungan melalui hubungan:

Nilai-nilai berikut adalah tipikal untuk besaran-besaran ini:

· - reaksi berantai meningkat seiring waktu, reaktor berada dalam keadaan superkritis, reaktivitasnya;

· , - jumlah fisi nuklir konstan, reaktor berada dalam keadaan kritis stabil.

Sebuah reaktor nuklir dapat beroperasi pada daya tertentu untuk waktu yang lama hanya jika reaktor tersebut mempunyai cadangan reaktivitas pada awal pengoperasiannya. Selama pengoperasian reaktor nuklir, karena akumulasi fragmen fisi dalam bahan bakar, komposisi isotop dan kimianya berubah, dan unsur transuranium, terutama Pu, terbentuk. Proses yang terjadi di dalam reaktor mengurangi kemungkinan terjadinya reaksi berantai fisi inti atom.

Untuk menjaga dan melaksanakan reaksi berantai, perlu dilakukan pembatasan penyerapan neutron oleh material di sekitar inti reaktor. Hal ini dicapai dengan menggunakan bahan (untuk perlindungan biologis 2 dan termal 3) yang setidaknya sebagian (idealnya 50%) memantulkan neutron, yaitu. tidak menyerapnya. Yang paling penting adalah pemilihan cairan pendingin yang digunakan untuk memindahkan panas dari inti ke turbin.

Neutron yang dihasilkan akibat fisi bisa cepat (berkecepatan tinggi) atau lambat (termal). Kemungkinan penangkapan neutron lambat oleh inti 235U dan pembelahan selanjutnya lebih besar daripada pembelahan neutron cepat. Oleh karena itu, batang bahan bakar 5 dikelilingi oleh moderator khusus 4, yang memperlambat neutron dan menyerapnya dengan lemah. Untuk mengurangi kebocoran neutron dari reaktor dilengkapi dengan reflektor. Moderator dan reflektor yang paling umum digunakan adalah grafit, berat ( D2O), air biasa, dll.

Jumlah neutron stasioner yang ada menentukan jumlah fragmen fisi nuklir yang terbentuk, yang terbang ke berbagai arah dengan kecepatan luar biasa. Penghambatan pecahan menyebabkan pemanasan bahan bakar dan dinding batang bahan bakar. Untuk menghilangkan panas ini, reaktor diumpankan pendingin, pemanasan yang merupakan tujuan reaktor. Seringkali zat yang sama, misalnya air biasa, menjalankan fungsinya pendingin, moderator dan reflektor. Air disuplai ke reaktor menggunakan pompa sirkulasi utama(MCP).

Mundur ke depan

Perhatian! Pratinjau slide hanya untuk tujuan informasi dan mungkin tidak mewakili semua fitur presentasi. Jika Anda tertarik dengan karya ini, silakan unduh versi lengkapnya.

Tujuan pelajaran:

• Pendidikan: memperbarui pengetahuan yang ada; melanjutkan pembentukan konsep: fisi inti uranium, reaksi berantai nuklir, kondisi terjadinya, massa kritis; memperkenalkan konsep baru: reaktor nuklir, unsur utama reaktor nuklir, struktur reaktor nuklir dan prinsip pengoperasiannya, pengendalian reaksi nuklir, klasifikasi reaktor nuklir dan kegunaannya;
• Pendidikan: terus mengembangkan keterampilan mengamati dan menarik kesimpulan, serta mengembangkan kemampuan intelektual dan rasa ingin tahu siswa;
• Pendidikan: terus mengembangkan sikap terhadap fisika sebagai ilmu eksperimental; menumbuhkan sikap teliti dalam bekerja, disiplin, dan sikap positif terhadap ilmu pengetahuan.

Jenis pelajaran: mempelajari materi baru.

Peralatan: instalasi multimedia.

Selama kelas

1. Momen organisasi.

Teman-teman! Hari ini dalam pelajaran kita akan mengulangi fisi inti uranium, reaksi berantai nuklir, kondisi terjadinya, massa kritis, kita akan mempelajari apa itu reaktor nuklir, unsur-unsur utama reaktor nuklir, struktur reaktor nuklir dan prinsip pengoperasiannya, pengendalian reaksi nuklir, klasifikasi reaktor nuklir dan penggunaannya.

2. Mengecek materi yang dipelajari.

1. Mekanisme fisi inti uranium.
2. Ceritakan kepada kami tentang mekanisme reaksi berantai nuklir.
3. Berikan contoh reaksi fisi nuklir inti uranium.
4. Apa yang disebut massa kritis?
5. Bagaimana reaksi berantai terjadi pada uranium jika massanya kurang dari kritis atau lebih besar dari kritis?
6. Berapa massa kritis uranium 295? Apakah massa kritisnya bisa dikurangi?
7. Dengan cara apa saja Anda dapat mengubah jalannya reaksi berantai nuklir?
8. Apa tujuan memperlambat neutron cepat?
9. Zat apa yang digunakan sebagai moderator?
10. Karena faktor-faktor apa jumlah neutron bebas dalam sepotong uranium dapat ditingkatkan sehingga menjamin kemungkinan terjadinya reaksi di dalamnya?

3. Penjelasan materi baru.

Teman-teman, jawablah pertanyaan ini: Apa bagian utama dari pembangkit listrik tenaga nuklir? ( reaktor nuklir)

Bagus sekali. Nah guys, sekarang mari kita lihat masalah ini lebih detail.

Referensi sejarah.

Igor Vasilyevich Kurchatov adalah fisikawan, akademisi, pendiri dan direktur pertama Institut Energi Atom Soviet yang luar biasa dari tahun 1943 hingga 1960, kepala direktur ilmiah masalah atom di Uni Soviet, salah satu pendiri penggunaan energi nuklir untuk tujuan damai . Akademisi Akademi Ilmu Pengetahuan Uni Soviet (1943). Bom atom Soviet pertama diuji pada tahun 1949. Empat tahun kemudian, bom hidrogen pertama di dunia berhasil diuji. Dan pada tahun 1949, Igor Vasilyevich Kurchatov mulai mengerjakan proyek pembangkit listrik tenaga nuklir. Pembangkit listrik tenaga nuklir adalah pertanda penggunaan energi atom secara damai. Proyek ini berhasil diselesaikan: pada tanggal 27 Juli 1954, pembangkit listrik tenaga nuklir kami menjadi yang pertama di dunia! Kurchatov bersukacita dan bersenang-senang seperti anak kecil!

Pengertian reaktor nuklir.

Reaktor nuklir adalah suatu perangkat di mana reaksi berantai terkendali dari fisi inti berat tertentu dilakukan dan dipelihara.

Reaktor nuklir pertama dibangun pada tahun 1942 di Amerika di bawah pimpinan E. Fermi. Di negara kita, reaktor pertama dibangun pada tahun 1946 di bawah kepemimpinan I.V.Kurchatov.

Elemen utama reaktor nuklir adalah:

• bahan bakar nuklir (uranium 235, uranium 238, plutonium 239);
• moderator neutron (air berat, grafit, dll.);
• pendingin untuk menghilangkan energi yang dihasilkan selama pengoperasian reaktor (air, natrium cair, dll.);
• Batang kendali (boron, kadmium) - neutron yang sangat menyerap
• Cangkang pelindung yang menghalangi radiasi (beton dengan pengisi besi).

Prinsip operasi reaktor nuklir

Bahan bakar nuklir terletak di dalam inti yang berbentuk batang-batang vertikal yang disebut elemen bahan bakar (fuel elements). Batang bahan bakar dirancang untuk mengatur daya reaktor.

Massa setiap batang bahan bakar jauh lebih kecil dari massa kritis, sehingga reaksi berantai tidak dapat terjadi pada satu batang. Ini dimulai setelah semua batang uranium dibenamkan ke dalam inti.

Inti bumi dikelilingi oleh lapisan zat yang memantulkan neutron (reflektor) dan cangkang pelindung beton yang memerangkap neutron dan partikel lainnya.

Penghapusan panas dari sel bahan bakar. Pendingin, air, mencuci batang, dipanaskan hingga 300°C pada tekanan tinggi, dan memasuki penukar panas.

Peran penukar panas adalah air yang dipanaskan hingga 300°C melepaskan panas ke air biasa dan berubah menjadi uap.

Pengendalian Reaksi Nuklir

Reaktor dikendalikan menggunakan batang yang mengandung kadmium atau boron. Ketika batang direntangkan dari inti reaktor, K > 1, dan ketika ditarik sepenuhnya - K< 1. Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в любой момент времени приостановить развитие цепной реакции. Управление ядерными реакторами осуществляется дистанционно с помощью ЭВМ.

Reaktor neutron lambat.

Fisi inti uranium-235 yang paling efisien terjadi di bawah pengaruh neutron lambat. Reaktor seperti ini disebut reaktor neutron lambat. Neutron sekunder yang dihasilkan oleh reaksi fisi berlangsung cepat. Agar interaksi selanjutnya dengan inti uranium-235 dalam reaksi berantai menjadi paling efektif, interaksi tersebut diperlambat dengan memasukkan moderator ke dalam inti - suatu zat yang mengurangi energi kinetik neutron.

Reaktor neutron cepat.

Reaktor neutron cepat tidak dapat beroperasi dengan uranium alam. Reaksi hanya dapat dipertahankan dalam campuran yang diperkaya yang mengandung setidaknya 15% isotop uranium. Keuntungan reaktor neutron cepat adalah pengoperasiannya menghasilkan plutonium dalam jumlah besar, yang kemudian dapat digunakan sebagai bahan bakar nuklir.

Reaktor homogen dan heterogen.

Reaktor nuklir, tergantung pada penempatan relatif bahan bakar dan moderator, dibagi menjadi homogen dan heterogen. Dalam reaktor homogen, teras merupakan massa bahan bakar, moderator, dan pendingin yang homogen dalam bentuk larutan, campuran, atau lelehan. Reaktor yang bahan bakarnya berupa balok-balok atau rakitan bahan bakar ditempatkan pada moderator sehingga membentuk kisi-kisi geometri beraturan di dalamnya disebut heterogen.

Konversi energi dalam inti atom menjadi energi listrik.

Reaktor nuklir adalah elemen utama pembangkit listrik tenaga nuklir (PLTN) yang mengubah energi nuklir panas menjadi energi listrik. Konversi energi terjadi sesuai dengan skema berikut:

• energi internal inti uranium -
• energi kinetik neutron dan fragmen nuklir -
• energi dalam air -
• energi dalam uap -
• energi kinetik uap -
• energi kinetik rotor turbin dan rotor generator -
• Energi listrik.

Penggunaan reaktor nuklir.

Tergantung pada tujuannya, reaktor nuklir dapat menjadi reaktor tenaga, konverter dan pemulia, penelitian dan multiguna, transportasi dan industri.

Reaktor tenaga nuklir digunakan untuk menghasilkan listrik di pembangkit listrik tenaga nuklir, pembangkit listrik kapal, pembangkit listrik dan panas gabungan nuklir, dan stasiun pasokan panas nuklir.

Reaktor yang dirancang untuk menghasilkan bahan bakar nuklir sekunder dari uranium alam dan thorium disebut konverter atau pemulia. Dalam reaktor konverter, bahan bakar nuklir sekunder menghasilkan lebih sedikit dari yang dikonsumsi awal.

Dalam reaktor pemulia, reproduksi bahan bakar nuklir yang diperluas dilakukan, yaitu. ternyata lebih dari yang dihabiskan.

Reaktor penelitian digunakan untuk mempelajari proses interaksi neutron dengan materi, mempelajari perilaku bahan reaktor dalam medan intens radiasi neutron dan gamma, penelitian radiokimia dan biologi, produksi isotop, dan penelitian eksperimental fisika reaktor nuklir.

Reaktor memiliki daya yang berbeda, mode operasi stasioner atau berdenyut. Reaktor multiguna adalah reaktor yang melayani beberapa tujuan, seperti menghasilkan energi dan memproduksi bahan bakar nuklir.

Bencana lingkungan di pembangkit listrik tenaga nuklir

• 1957 – kecelakaan di Inggris Raya
• 1966 - kehancuran sebagian inti setelah kegagalan pendinginan reaktor di dekat Detroit.
• 1971 - banyak air yang tercemar mengalir ke Sungai AS
• 1979 - kecelakaan terbesar di Amerika
• 1982 – pelepasan uap radioaktif ke atmosfer
• 1983 - kecelakaan mengerikan di Kanada (air radioaktif mengalir keluar selama 20 menit - satu ton per menit)
• 1986 – kecelakaan di Inggris Raya
• 1986 – kecelakaan di Jerman
• 1986 – Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir Chernobyl
• 1988 – kebakaran di pembangkit listrik tenaga nuklir di Jepang

Pembangkit listrik tenaga nuklir modern dilengkapi dengan PC, tetapi sebelumnya, bahkan setelah terjadi kecelakaan, reaktor tetap beroperasi, karena tidak ada sistem pematian otomatis.

4. Memperbaiki materi.

1. Apa yang disebut reaktor nuklir?
2. Apa bahan bakar nuklir dalam reaktor?
3. Zat apa yang berfungsi sebagai moderator neutron dalam reaktor nuklir?
4. Apa tujuan dari moderator neutron?
5. Untuk apa batang kendali digunakan? Bagaimana cara penggunaannya?
6. Apa yang digunakan sebagai pendingin pada reaktor nuklir?
7. Mengapa massa setiap batang uranium harus lebih kecil dari massa kritisnya?

5. Uji eksekusi.

1. Partikel apa yang terlibat dalam fisi inti uranium?
   A.proton;
   B.neutron;
   B.elektron;
   G. inti helium.
2. Berapa massa uranium yang penting?
   A. reaksi berantai terbesar yang mungkin terjadi;
   B. massa apa pun;
   B. reaksi berantai terkecil yang mungkin terjadi;
   D.massa dimana reaksi akan berhenti.
3. Berapa perkiraan massa kritis uranium 235?
   A.9kg;
   B.20kg;
   B.50kg;
   G.90kg.
4. Manakah dari zat berikut yang dapat digunakan dalam reaktor nuklir sebagai moderator neutron?
   A. grafit;
   B. kadmium;
   B.air deras;
   G.boron.
5. Agar reaksi berantai nuklir dapat terjadi di pembangkit listrik tenaga nuklir, faktor penggandaan neutron harus:
   A. sama dengan 1;
   B.lebih dari 1;
   V.kurang dari 1.
6. Laju fisi inti atom berat dalam reaktor nuklir dikendalikan oleh:
   A. akibat serapan neutron pada saat batang diturunkan dengan penyerap;
   B. karena peningkatan pembuangan panas dengan peningkatan kecepatan cairan pendingin;
   B. dengan meningkatkan penyediaan tenaga listrik kepada konsumen;
   G. dengan mengurangi massa bahan bakar nuklir di inti ketika batang dengan bahan bakar dihilangkan.
7. Transformasi energi apa yang terjadi dalam reaktor nuklir?
   A. energi dalam inti atom diubah menjadi energi cahaya;
   B. energi dalam inti atom diubah menjadi energi mekanik;
   B. energi dalam inti atom diubah menjadi energi listrik;
   D. tidak ada satupun jawaban yang benar.
8. Pada tahun 1946, reaktor nuklir pertama dibangun di Uni Soviet. Siapa pemimpin proyek ini?
   A.S.Korolev;
   B. I. Kurchatov;
   V.D.Sakharov;
   G.A.Prokhorov.
9. Cara mana yang menurut Anda paling dapat diterima untuk meningkatkan keandalan pembangkit listrik tenaga nuklir dan mencegah kontaminasi lingkungan luar?
   A. pengembangan reaktor yang mampu mendinginkan teras reaktor secara otomatis tanpa menghiraukan keinginan operator;
   B. peningkatan literasi pengoperasian PLTN, tingkat kesiapan profesional operator PLTN;
   B. pengembangan teknologi yang sangat efisien untuk pembongkaran pembangkit listrik tenaga nuklir dan pengolahan limbah radioaktif;
   D. lokasi reaktor jauh di bawah tanah;
   D. penolakan untuk membangun dan mengoperasikan pembangkit listrik tenaga nuklir.
10. Sumber pencemaran lingkungan apa yang terkait dengan pengoperasian pembangkit listrik tenaga nuklir?
    A. industri uranium;
    B. reaktor nuklir dari berbagai jenis;
    B.industri radiokimia;
    D.tempat pengolahan dan pembuangan limbah radioaktif;
    D.pemanfaatan radionuklida dalam perekonomian nasional;
    E.ledakan nuklir.

Jawaban: 1B; 2V; 3V; 4 A, B; 5A; 6A; 7V;. 8B; 9 BV; 10A,B,C,D,E.

6. Ringkasan pelajaran.

Hal baru apa yang Anda pelajari di kelas hari ini?

Apa yang Anda sukai dari pelajaran ini?

Pertanyaan apa yang Anda miliki?

TERIMA KASIH ATAS PEKERJAAN ANDA DALAM PELAJARAN!

Reaksi nuklir neutron dari fisi inti berat, sebagaimana telah disebutkan, merupakan reaksi utama dan sentral dalam reaktor nuklir. Oleh karena itu, masuk akal sejak awal untuk mengenal konsep fisik reaksi fisi dan fitur-fiturnya yang dalam satu atau lain cara meninggalkan jejaknya pada semua aspek kehidupan dan kehidupan sehari-hari dari kompleks teknis paling kompleks, yang mana disebut Pembangkit Listrik Tenaga Nuklir.

Gambaran fisi inti uranium-235 pada gambar visual diberikan pada Gambar 2.6.

Neutron Inti bermassa A Inti senyawa tereksitasi Fragmen fisi

Neutron fisi

Gambar.2.6. Representasi skema fisi nuklir 235 U.

Berdasarkan diagram ini, "persamaan" reaksi fisi umum (yang logis dan bukan matematis) dapat ditulis sebagai:

235 U + 1 n  (236 U) *  (F 1)* + (F 2)* +  5. 1 n + a + b + c + E

- (F 1)* dan (F 2)* - sebutan simbolis bersemangat pecahan fisi (indeks (*) selanjutnya menunjukkan unsur tidak stabil, tereksitasi, atau radioaktif); pecahan (F 1)* bermassa A 1 dan bermuatan Z 1, pecahan (F 2)* bermassa A 2 dan bermuatan Z 2;

-  5 . 1 n ditetapkan sebagai  5 neutron fisi yang dilepaskan rata-rata pada setiap peristiwa fisi inti uranium-235;

- ,  dan  - -partikel, -partikel dan -kuanta, yang jumlah rata-ratanya per reaksi fisi inti uranium-235 masing-masing sama dengan a, b dan c;

E adalah jumlah rata-rata energi yang dilepaskan pada reaksi fisi.

Mari kita tekankan sekali lagi: ungkapan yang tertulis di atas bukanlah persamaan dalam arti sebenarnya; sebaliknya, ini hanyalah bentuk notasi yang mudah diingat yang mencerminkan ciri-ciri utama reaksi fisi neutron:

a) pembentukan fragmen fisi;

b) pembentukan neutron bebas baru selama fisi, yang selanjutnya akan kita sebut secara singkat neutron fisi;

c) radioaktivitas fragmen fisi, yang menyebabkan transformasi lebih lanjut menjadi formasi yang lebih stabil, yang mengakibatkan sejumlah efek samping - baik positif, berguna, dan negatif, yang harus diperhitungkan ketika merancang, membangun dan mengoperasikan reaktor nuklir;

d) pelepasan energi selama fisi merupakan sifat utama reaksi fisi, yang memungkinkan terjadinya penciptaan energik reaktor nuklir.

Masing-masing proses fisik yang tercantum di atas yang menyertai reaksi fisi memainkan peran tertentu dalam reaktor dan memiliki kegunaannya masing-masing arti. Oleh karena itu, mari kita kenali mereka lebih detail.

2.2.1. Pembentukan fragmen fisi. Suatu tindakan fisi nuklir dapat dikatakan sebagai sebuah fenomena sampai batas tertentu acak, mengingat inti uranium berat, yang terdiri dari 92 proton dan 143 neutron, pada dasarnya mampu terpecah menjadi sejumlah fragmen dengan massa atom berbeda. Dalam hal ini, penilaian kemungkinan pembelahan inti menjadi 2, 3 atau lebih fragmen dapat didekati dengan ukuran probabilistik. Menurut data yang diberikan, kemungkinan sebuah inti membelah menjadi dua fragmen lebih dari 98%, oleh karena itu, sebagian besar fisi berakhir dengan pembentukan tepat dua fragmen.

Studi spektroskopi produk fisi telah mengidentifikasi lebih dari 600 fragmen fisi yang berbeda secara kualitatif dengan massa atom berbeda. Dan di sini, dalam sebuah kecelakaan, dengan sejumlah besar divisi, satu divisi segera muncul pola umum yang secara singkat dapat diungkapkan sebagai berikut:

Probabilitas munculnya sebuah fragmen dengan massa atom tertentu selama fisi massal suatu nuklida tertentu adalah nilai yang ditentukan secara ketat yang merupakan karakteristik nuklida fisil ini.

Besaran ini biasa disebut hasil fragmen tertentu , dilambangkan dengan huruf Yunani kecil  Saya(gamma) dengan subskrip - simbol unsur kimia yang fragmennya adalah nukleus, atau simbol isotop.

Misalnya, dalam eksperimen fisik tercatat bahwa sebuah fragmen xenon-135 (135 Xe) muncul rata-rata dalam tiga kasus setiap seribu fisi inti 235 U. Artinya hasil spesifik dari fragmen 135 Xe adalah

 Xe= 3/1000 = 0,003 dari seluruh divisi,

dan sehubungan dengan peristiwa fisi tunggal inti 235 U, nilai  Xe = 0,003 = 0,3% - adalah kemungkinan bahwa fisi akan menghasilkan pembentukan sebuah fragmen 135 Hehe.

Penilaian yang jelas tentang pola pembentukan fragmen fisi dengan massa atom yang berbeda diberikan oleh kurva hasil spesifik fragmen (Gbr. 2.7).

10

70 80 90 100 110 120 130 140 150 A, a.m.u.

Beras. 2.7. Hasil spesifik dari fragmen fisi dari berbagai massa atom

selama fisi inti 235 U (garis padat) dan 239 Pu (garis putus-putus).

Sifat kurva ini memungkinkan kita untuk menyimpulkan hal berikut:

a) Massa atom dari fragmen yang terbentuk selama fisi, dalam sebagian besar kasus, berada dalam kisaran 70  165 sma. Hasil spesifik fragmen yang lebih ringan dan lebih berat sangat kecil (tidak melebihi 10 -4%).

b) Fisi inti yang simetris (yaitu, fisi menjadi dua fragmen bermassa sama) sangat jarang terjadi: hasil spesifiknya tidak melebihi 0,01% untuk inti uranium-235 dan 0,04% untuk inti plutonium-239.

c) Paling sering terbentuk paru-paru pecahan dengan nomor massa dalam 83  104 sma. Dan berat pecahan dengan A = 128  149 sma. (hasil spesifiknya adalah 1% atau lebih).

d) Fisi 239 Pu di bawah pengaruh neutron termal mengarah pada pembentukan beberapa lebih parah fragmen dibandingkan dengan fragmen fisi 235 U.

*) Di masa depan, ketika mempelajari kinetika reaktor dan proses keracunan dan teraknya, kita harus lebih dari sekali mengacu pada nilai hasil spesifik dari banyak fragmen fisi ketika menyusun persamaan diferensial yang menggambarkan proses fisik di teras reaktor.

Kemudahan dari nilai ini adalah, dengan mengetahui laju reaksi fisi (jumlah fisi per satuan volume komposisi bahan bakar per satuan waktu), mudah untuk menghitung laju pembentukan setiap fragmen fisi, yang akumulasinya dalam reaktor dengan satu atau lain cara mempengaruhi operasinya:

Laju pembangkitan fragmen ke-i =  Saya  (laju reaksi fisi)

Dan satu lagi catatan terkait pembentukan fragmen fisi. Fragmen fisi yang dihasilkan selama fisi memiliki energi kinetik yang tinggi. Dengan mentransfer energi kinetiknya selama tumbukan dengan atom-atom media komposisi bahan bakar, terjadi fisi fragmen meningkatkan tingkat energi kinetik rata-rata atom dan molekul, yang, sesuai dengan gagasan teori kinetik, kita anggap sebagai peningkatan suhu komposisi bahan bakar atau bagaimana caranya pembangkitan panas di dalamnya.

Sebagian besar panas dalam reaktor dihasilkan dengan cara ini.

Ini adalah peran positif tertentu dari pembentukan fragmen dalam proses pengoperasian reaktor tenaga nuklir.

2.2.2. Produksi neutron fisi. Fenomena fisik utama yang menyertai proses fisi inti berat adalah emisi neutron cepat sekunder oleh fragmen fisi tereksitasi, jika tidak ditelepon neutron cepat atau neutron fisi.

Pentingnya fenomena ini (ditemukan oleh F. Joliot-Curie dan rekannya - Albano dan Kowarski - pada tahun 1939) tidak dapat disangkal: berkat fisi inti berat, neutron bebas baru muncul menggantikan neutron yang menyebabkan fisi; neutron baru ini dapat berinteraksi dengan inti fisi lain dalam bahan bakar dan menyebabkannya melakukan fisi, diikuti dengan emisi neutron fisi baru, dll. Artinya, karena pembentukan neutron fisi, hal ini menjadi mungkin mengatur suatu proses fisi yang mengikuti satu sama lain secara seragam dalam waktu tanpa pasokan neutron bebas ke media yang mengandung bahan bakar dari sumber eksternal. Dalam penyampaian seperti itu, sederhananya, tidak perlu, selama “alat” yang digunakan untuk melakukan fisi nuklir ditemukan di sini, di lingkungan ini, dalam keadaan terikat dalam inti fisil; untuk “mengoperasikan” neutron yang terikat, mereka hanya perlu dibebaskan, yaitu inti harus dibagi menjadi beberapa fragmen, dan kemudian fragmen itu sendiri akan menyelesaikan semuanya: karena keadaan tereksitasinya, mereka akan memancarkan “ekstra ” neutron dari komposisinya, mengganggu stabilitasnya, dan ini akan terjadi dalam waktu sekitar 10 -15 - 10 -13 s, yang urutan besarnya bertepatan dengan waktu inti senyawa tetap dalam keadaan tereksitasi. Kebetulan ini memunculkan gagasan munculnya neutron fisi bukan dari fragmen fisi tereksitasi yang jenuh dengan neutron setelah fisi berakhir, tetapi langsung dalam periode waktu singkat selama fisi nuklir terjadi. Itu bukan setelah tindakan pembagian, dan selama tindakan ini, seolah-olah bersamaan dengan penghancuran inti. Untuk alasan yang sama, neutron ini sering disebut neutron cepat.

Analisis kemungkinan kombinasi proton dan neutron dalam inti stabil dengan massa atom yang berbeda-beda (ingat diagram inti stabil) dan perbandingannya dengan komposisi kualitatif produk fisi menunjukkan bahwa kemungkinan pembentukanberkelanjutan Ada sangat sedikit fragmen selama fisi. Ini berarti sebagian besar fragmen telah lahir tidak stabil dan dapat memancarkan satu, dua, tiga atau bahkan lebih neutron fisi “ekstra” untuk stabilitasnya, dan, jelas bahwa setiap fragmen tertentu yang tereksitasi harus memancarkan milik Anda sendiri, didefinisikan secara ketat, jumlah neutron fisi “ekstra” untuk stabilitasnya.

Tetapi karena setiap fragmen dengan jumlah fisi yang besar mempunyai hasil spesifik yang ditentukan secara ketat, maka dengan sejumlah besar fisi, jumlah fragmen fisi dari setiap jenis yang terbentuk juga akan pasti, dan akibatnya, jumlah neutron fisi yang dipancarkan olehnya. fragmen dari masing-masing jenis juga akan pasti, dan, Artinya jumlah totalnya juga pasti. Dengan membagi jumlah total neutron yang dihasilkan dalam fisi dengan jumlah fisi yang menghasilkannya, kita peroleh jumlah rata-rata neutron fisi yang dipancarkan dalam satu peristiwa fisi, yang berdasarkan alasan di atas, juga harus didefinisikan secara tegas dan konstan untuk setiap jenis nuklida fisil. Konstanta fisik nuklida fisil ini ditetapkan  .

Menurut data tahun 1998 (nilai konstanta ini diperbarui secara berkala berdasarkan hasil analisis eksperimen fisik di seluruh dunia) selama fisi di bawah pengaruh neutron termal

Untuk uranium-235  5 = 2.416,

Untuk plutonium-239  9 = 2.862,

Untuk plutonium-241  1 = 2,938, dst.

Pernyataan terakhir berguna: nilai konstanta  sangat bergantung pada besarnya energi kinetik neutron yang menyebabkan fisi dan, seiring bertambahnya energi kinetik, energi tersebut meningkat kira-kira berbanding lurus dengan E.

Untuk dua nuklida fisil terpenting, perkiraan ketergantungan (E) dijelaskan dengan ekspresi empiris:

Untuk uranium-235  5 (E) = 2.416 + 0.1337 E;

Untuk plutonium-239  9 (E) = 2.862 + 0.1357 E.

*) Energi neutron E tersubstitusi dalam [MeV].

Dengan demikian, nilai konstanta  yang dihitung menggunakan rumus empiris ini, pada energi neutron yang berbeda dapat mencapai nilai sebagai berikut:

Jadi, ciri pertama neutron fisi yang dipancarkan selama fisi nuklida fisil tertentu adalah sifat inherennya. jumlah rata-rata neutron fisi yang dihasilkan dalam suatu peristiwa fisi .

Ini adalah fakta yang berlaku untuk semua nuklida fisil  > 1, menciptakan prasyarat kelayakan rantai reaksi fisi neutron. Jelas untuk diterapkan reaksi berantai fisi yang berkelanjutan perlu diciptakan kondisi agar satu dari  neutron yang diperoleh dalam aksi fisi pasti dipanggil pembelahan berikutnya dari inti lain, dan istirahat ( - 1) neutron entah bagaimana dikecualikan dari proses fisi nuklir. Jika tidak, intensitas perpecahan akan meningkat seiring berjalannya waktu seperti longsoran salju (yang terjadi di bom atom).

Karena sekarang diketahui nilai konstanta  meningkat seiring dengan meningkatnya energi neutron penyebab fisi, muncul pertanyaan logis: dengan energi kinetik berapa dilahirkan neutron fisi?

Jawaban atas pertanyaan ini diberikan oleh ciri kedua neutron fisi, yang disebut spektrum energi neutron fisi dan mewakili fungsi distribusi neutron fisi terhadap energi kinetiknya.

Jika dalam satuan (1 cm3) volume medium pada suatu waktu tertentu muncul N neutron fisi dari semua energi yang mungkin spektrum energi yang dinormalisasi adalah fungsi dari jumlah energi E, yang nilainya ditunjukkan pada nilai E tertentu berapa bagian (proporsi) dari semua neutron ini yang merupakan neutron dengan energi interval elementer dE di dekat energi tersebut E. Dengan kata lain, kita berbicara tentang ekspresi

Distribusi energi neutron fisi dijelaskan dengan cukup akurat Fungsi spektral Watt(Watt):

N(E) = 0.4839
, (2.2.2)

ilustrasi grafisnya adalah Gambar 2.8. di halaman berikutnya.

Spektrum Watt menunjukkan bahwa, meskipun neutron fisi dihasilkan dengan energi yang sangat berbeda, terletak pada rentang yang sangat luas, kebanyakan neutron memiliki energi awal,sama dengan E nv = 0,7104 MeV, sesuai dengan fungsi spektral Watt maksimum. Artinya, nilai ini adalah energi yang paling mungkin dari fisi neutron.

Besaran lain yang mencirikan spektrum energi neutron fisi adalah energi rata-rata neutron fisi , yaitu jumlah energi yang dimiliki setiap neutron fisi jika total energi nyata semua neutron fisi dibagi rata:

E av =  E n(E) dE /  n(E) dE (2.2.3)

Mengganti ekspresi (2.2.2) menjadi (2.2.3) memberikan nilai energi rata-rata neutron fisi

E Menikahi = 2,0 MeV

Dan ini berarti itu hampir semuanya neutron fisi lahir cepat(yaitu, dengan energi E > 0.1 SayaV). Namun hanya sedikit neutron cepat dengan energi kinetik yang relatif tinggi yang dihasilkan (kurang dari 1%), meskipun sejumlah besar neutron fisi muncul dengan energi hingga 18 - 20 SayaV.

0 1 2 3 4 5 E, MeV

Gambar.2.8. Spektrum energi neutron fisi adalah spektrum Watt.

Spektrum neutron fisi untuk nuklida fisil yang berbeda berbeda satu sama lain agak. Katakanlah, untuk nuklida 235 U dan 239 Pu yang terutama kita minati, nilai energi rata-rata neutron fisi (dikoreksi berdasarkan hasil percobaan fisika):

E av = 1,935 MeV - untuk 235 U dan E av = 2,00 MeV - untuk 239 Pu

Nilai energi rata-rata spektrum neutron fisi meningkat seiring dengan peningkatan energi neutron yang menyebabkan fisi, namun peningkatan ini tidak signifikan(setidaknya dalam kisaran 10 - 12 MeV). Hal ini memungkinkan kita untuk mengabaikannya dan menghitung secara kasar spektrum energi neutron fisi seragam untuk berbagai bahan bakar nuklir dan untuk reaktor spektrum yang berbeda (cepat, menengah dan termal).

Untuk uranium-238, meskipun sifat fisinya ambang batas, spektrum neutron fisi juga secara praktis bertepatan dengan ekspresi(2.2.2), dan ketergantungan rata-rata jumlah neutron fisi  8 dari energi neutron penyebab fisi - juga praktis linier pada energi di atas ambang batas ( E P = 1.1 SayaV):

 8 (E) = 2.409 + 0.1389E. (2.2.4)

2.2.3. Radioaktivitas fragmen fisi. Telah dikatakan bahwa sekitar 600 jenis fragmen fisi telah diidentifikasi, berbeda dalam massa dan muatan proton, dan secara praktis Semua mereka dilahirkansangat bersemangat .

Masalah ini semakin diperumit oleh fakta bahwa mereka membawa kegembiraan yang signifikan dan setelah emisi neutron fisi. Oleh karena itu, dalam keinginan alaminya untuk mencapai stabilitas, mereka terus “membuang” kelebihan energi di atas tingkat keadaan dasar hingga tingkat ini tercapai.

Pelepasan ini dilakukan dengan emisi berurutan dari fragmen semua jenis radiasi radioaktif (radiasi alfa, beta, dan gamma), dan untuk fragmen yang berbeda, jenis peluruhan radioaktif yang berbeda terjadi dalam urutan yang berbeda dan (karena perbedaan nilai) konstanta peluruhan ) diregangkan ke derajat yang berbeda-beda terhadap waktu.

Jadi, dalam reaktor nuklir yang beroperasi, tidak hanya prosesnya saja tabungan fragmen radioaktif, tetapi juga proses yang berkelanjutan transformasi: sejumlah besar diketahui rantai transformasi berturut-turut, yang pada akhirnya mengarah pada pembentukan inti stabil, tetapi semua proses ini memerlukan waktu yang berbeda, untuk beberapa rantai - sangat pendek, dan untuk yang lain - cukup lama.

Oleh karena itu, radiasi radioaktif tidak hanya menyertai reaksi fisi di bekerja reaktor, tetapi juga dipancarkan oleh bahan bakar dalam waktu lama setelah dimatikan.

Faktor ini, pertama, menimbulkan jenis bahaya fisik khusus - bahaya paparan personel, melayani instalasi reaktor, yang secara singkat disebut sebagai bahaya radiasi. Hal ini memaksa perancang pabrik reaktor untuk menyediakan lingkungannya. perlindungan biologis, letakkan di ruangan yang terisolasi dari lingkungan dan ambil sejumlah tindakan lain untuk menghilangkan kemungkinan paparan berbahaya terhadap manusia dan kontaminasi radioaktif terhadap lingkungan.

Kedua, setelah reaktor dimatikan, semua jenis radiasi radioaktif, meskipun intensitasnya berkurang, terus berinteraksi dengan bahan inti dan, seperti pecahan fisi itu sendiri pada periode awal keberadaan bebasnya, mentransfer energi kinetiknya ke atom-atom medium inti, meningkatkan energi kinetik rata-ratanya. Itu adalah dalam reaktor setelah penghentiannya berlangsung pembusukan panas .

Sangat mudah untuk memahami bahwa kekuatan pelepasan panas sisa dalam reaktor pada saat dimatikan berbanding lurus dengan jumlah fragmen yang terakumulasi selama pengoperasian reaktor pada saat itu, dan laju penurunannya selanjutnya ditentukan oleh waktu paruh dari fragmen-fragmen ini. Dari apa yang telah dikatakan berikut ini yang lain negatif faktor karena radioaktivitas fragmen fisi - kebutuhanjangka panjangpendinginan inti reaktor setelah dimatikan untuk menghilangkan sisa panas, dan hal ini terkait dengan konsumsi listrik yang signifikan dan umur motor peralatan sirkulasi.

Dengan demikian, pembentukan fragmen radioaktif selama fisi dalam reaktor merupakan sebuah fenomena utama negatif, tapi... setiap awan memiliki hikmahnya!

Transformasi radioaktif dari fragmen fisi juga dapat dilihat positif aspek reaktor nuklir secara harfiah berutang keberadaan mereka . Faktanya adalah bahwa dari berbagai macam fragmen fisi, ada sekitar 60 jenis yang, setelah peluruhan  pertama, menjadi neutronaktif , mampu memancarkan apa yang disebut tertinggal neutron. Relatif sedikit neutron tertunda yang dipancarkan di dalam reaktor (sekitar 0,6% dari total jumlah neutron yang dihasilkan), tetapi berkat keberadaannya hal ini dimungkinkan. manajemen yang aman reaktor nuklir; Kita akan yakin akan hal ini ketika mempelajari kinetika reaktor nuklir.

2.2.4. Pelepasan energi selama fisi. Reaksi fisi nuklir dalam ilmu fisika merupakan salah satu penegasan nyata hipotesis A. Einstein tentang hubungan massa dan energi, yang dalam kaitannya dengan fisi nuklir dirumuskan sebagai berikut:

Jumlah energi yang dilepaskan selama fisi nuklir berbanding lurus dengan besarnya cacat massa, dan koefisien proporsionalitas dalam hubungan ini adalah kuadrat kecepatan cahaya:

E=  mс 2

Selama fisi nuklir, kelebihan (cacat) massa didefinisikan sebagai selisih jumlah massa sisa produk awal reaksi fisi (yaitu inti dan neutron) dan produk fisi nuklir yang dihasilkan (fragmen fisi, fisi). neutron dan mikropartikel lain yang dipancarkan selama proses fisi dan setelahnya).

Analisis spektroskopi memungkinkan untuk menentukan sebagian besar produk fisi dan hasil spesifiknya. Atas dasar ini ternyata tidak begitu sulit untuk menghitungnya pribadi besarnya cacat massa untuk berbagai hasil fisi inti uranium-235, dan darinya - hitung jumlah rata-rata energi yang dilepaskan dalam satu fisi, yang ternyata mendekati

mc 2 = 200 MeV

Cukup membandingkan nilai ini dengan energi yang dilepaskan selama aksi salah satu yang paling endotermik bahan kimia reaksi - reaksi oksidasi bahan bakar roket (nilainya kurang dari 10 eV) - untuk memahami bahwa pada tingkat benda mikroskopis (atom, inti) 200 SayaV - energi yang sangat tinggi: energi tersebut setidaknya delapan kali lipat (100 juta kali) lebih besar daripada energi yang diperoleh dari reaksi kimia.

Energi fisi dihamburkan dari volume tempat terjadinya fisi nuklir melalui berbagai material operator: fragmen fisi, neutron fisi, partikel - dan , -kuanta dan bahkan neutrino dan antineutrino.

Distribusi energi fisi antar material pembawa selama fisi inti 235 U dan 239 Pu disajikan pada Tabel 2.1.

Tabel 2.1. Distribusi energi fisi inti uranium-235 dan plutonium-239 antar produk fisi.

Berbagai komponen energi fisi diubah menjadi panas tidak pada saat yang bersamaan.

Tiga komponen pertama berubah menjadi panas dalam waktu kurang dari 0,1 detik (dihitung dari saat pembelahan), oleh karena itu disebut sumber pelepasan panas instan.

- dan -radiasi dari produk fisi dipancarkan oleh fragmen tereksitasi dengan waktu paruh yang paling bervariasi(dari beberapa sepersekian detik hingga beberapa puluh hari, jika kita hanya memperhitungkan fragmen dengan hasil spesifik yang nyata), dan oleh karena itu proses yang disebutkan di atas pembusukan panas, yang justru disebabkan oleh emisi radioaktif produk fisi, bisa bertahan puluhan hari setelah reaktor dimatikan.

*) Menurut perkiraan kasar, kekuatan pelepasan panas sisa dalam reaktor setelah dimatikan berkurang pada menit pertama - sebesar 30-35%; setelah jam pertama reaktor dimatikan, jumlahnya sekitar 30% dari daya di mana reaktor beroperasi sebelum dimatikan, dan setelah parkir hari pertama - sekitar 25 persen. Jelas bahwa menghentikan pendinginan paksa reaktor dalam kondisi seperti itu adalah hal yang mustahil, karena Bahkan penghentian sirkulasi cairan pendingin di inti dalam jangka pendek penuh dengan bahaya kerusakan termal pada elemen bahan bakar. Hanya setelah beberapa hari pendinginan paksa reaktor, ketika daya pelepasan panas sisa dikurangi hingga tingkat cairan pendingin yang dihilangkan karena konveksi alami, sarana sirkulasi sirkuit primer dapat dihentikan.

Pertanyaan praktis kedua untuk seorang insinyur: di mana dan bagian mana dari energi fisi yang diubah menjadi panas di dalam reaktor? - karena hal ini disebabkan oleh kebutuhan untuk mengatur pembuangan panas yang seimbang dari berbagai bagian internalnya, yang dirancang dalam berbagai desain teknologi.

Komposisi bahan bakar, yang mengandung nuklida fisil, terkandung dalam cangkang tertutup yang mencegah pelepasan fragmen yang terbentuk dari komposisi bahan bakar elemen bahan bakar (fuel elements) ke dalam cairan pendingin yang mendinginkannya. Dan, jika pecahan fisi dalam reaktor yang berfungsi tidak meninggalkan elemen bahan bakar, jelas bahwa energi kinetik pecahan dan partikel  yang berpenetrasi lemah diubah menjadi panas. di dalam batang bahan bakar.

Energi neutron fisi dan radiasi  diubah menjadi panas di dalam elemen bahan bakar saja sebagian: kemampuan penetrasi neutron dan radiasi  yang dihasilkan entrainment sebagian besar energi kinetik awal mereka dari tempat lahir mereka.

Mengetahui nilai pasti energi fisi dan bagiannya terhadap panas yang dihasilkan di dalam elemen bahan bakar merupakan hal yang sangat penting secara praktis, sehingga memungkinkan seseorang untuk menghitung karakteristik praktis penting lainnya yang disebut pelepasan panas volumetrik spesifik dalam bahan bakar batangan bahan bakar (Q ay).

Misalnya, jika diketahui bahwa dalam 1 cm3 komposisi bahan bakar suatu elemen bahan bakar, dalam 1 s R F fisi inti uranium-235, maka jelaslah: jumlah energi panas yang dihasilkan setiap detik dalam satuan volume ini (= daya termal 1 cm 3 bahan bakar) adalah pelepasan panas volumetrik spesifik (atau intensitas energi) bahan bakar, dan nilai ini akan sama dengan:

Q ay = 0.9 .  E . R F (2.2.5)

Bagian energi fisi yang diterima dalam bentuk panas di luar elemen bahan bakar di teras reaktor bergantung pada jenis dan desainnya dan terletak pada (6  9)% dari total energi fisi. (Misalnya, untuk VVER-1000 nilainya sekitar 8,3%, dan untuk RBMK-1000 sekitar 7%).

Jadi, bagian total pelepasan panas dalam volume inti terhadap total energi fisi adalah 0,96  0,99, yaitu. dengan ketepatan teknis bertepatan dengan energi fisi total.

Oleh karena itu karakteristik teknis lain dari inti reaktor:

- intensitas energi rata-rata inti(q v) az - daya termal yang diterima per satuan volume inti:

(q v) az = (0,96-0,99)  E . R F   E . R F (2.2.6)

Karena energinya adalah 1 SayaV dalam sistem SI itu setara dengan 1,602. 10 -13 J, maka nilai intensitas energi inti reaktor :

(q v) az  3,204 . 10 -11 R F .

Oleh karena itu, jika nilai intensitas energi rata-rata terhadap volume inti diketahui, maka daya termal reaktor jelas akan menjadi:

Q P= (q v) az. V az 3.204. 10–11 . R F . V az [W] (2.2.7)

Daya termal reaktor berbanding lurus kecepatan rata-rata

reaksi fisi pada intinya.

Konsekuensi praktis : Apakah Anda ingin reaktor bekerja padatingkat daya konstan? - Ciptakan kondisi di dalamnya sedemikian rupa sehingga terjadi reaksi fisi di zona aktifnya dengan kecepatan rata-rata yang konstan terhadap waktu. Apakah perlu menambah (mengurangi) daya reaktor? - Temukan cara untuk meningkatkan (atau menurunkan) laju reaksi yang sesuai de leniya. Inilah arti utama dari pengendalian kekuatan reaktor nuklir.

Hubungan dan kesimpulan yang dipertimbangkan tampak jelas hanya dalam kasus yang paling sederhana, ketika komponen bahan bakar dalam reaktor adalah satu uranium-235. Namun, mengulangi alasan reaktor dengan multikomponen komposisi bahan bakar, mudah untuk memverifikasi proporsionalitas laju reaksi fisi rata-rata dan daya termal reaktor dalam kasus yang paling umum.

Jadi, daya termal reaktor dan distribusi panas pada intinya berbanding lurus dengan distribusi laju reaksi fisi terhadap volume komposisi bahan bakar inti reaktor.

Namun dari apa yang telah dikatakan juga jelas bahwa laju reaksi fisi harus dikaitkan dengan jumlah neutron bebas di lingkungan inti, karena mereka (neutron bebas) yang menyebabkan reaksi fisi, penangkapan radiasi, hamburan dan reaksi neutron lainnya. Dengan kata lain, laju reaksi fisi, pelepasan energi di inti dan daya termal reaktor harus jelas berhubungan dengan karakteristik medan neutron dalam volumenya.