Дәріс-38. Ядролық реактор. Ядролық энергиясы

1. Ядролық реактор

2. Ядролық энергиясы
1. Ядролық реактор, атомдық реактор – атом ядросы бөлінуінің басқарылатын тізбекті реакциясын жүзеге асыратын құрылғы. Оның негізгі бөліктеріне: ядролық отын (мысалы, уран не плутоний), баяулатқыш, шағылдырғыш, суытқыш), бақылау және өлшеу приборлары жатады.

Ядролық реактор атом ядроларының бөлінуіне себепші болатын нейтрондардың энергетикалық спектріне қарай: шапшаң (нейтрондардың энергиясы 100кэВ-тан жоғары), жылулық не баяу (нейтрондардың энергиясы ~0,025 эВ) және аралық (нейтрондардың энергиясы 1 эВ-тан бірнеше кэВ-қа дейін) нейтрондар реакторы болып, ал баяулатқыштағы ядролық отынның таралу сипатына сәйкес гомогенді және гетерогенді ядролық реактор болып ажыратылады. ядролық реактор кейде пайдаланылатын баяулатқышына (мысалы, графит, бериллий, ауыр су, т.б.) не суытқышына (мысалы, сұйық металл, т.б.) қарай да бөлінеді. Өзін-өзі қуаттайтын тізбекті реакция уран-графитті ядролық реакторда Э.Фермидің басшылығымен 1942 ж. 2 желтоқсанда АҚШ-та алынды.

Еуропадағы мұндай ең алғашқы ядролық реактор 1946 ж. КСРО-да И.В. Курчатовтың басшылығымен жасалды.

Атомдардың ядроларын бөлетін немесе біріктіретін реакциялар арнайы қондырғыларда орындалады. Ондай қондырғыларды атомдық (ядролық) реакторлар немесе атомдық (ядролық) бомбалар деп атайды.

Атом реакторларындағы ядролық реакциялар басқарылатын жолмен іске асырылады, ал атом бомбаларында басқарусыз жарылыс түрінде орындалады.

Ең бірінші қолдан басқарылатын ядролық реактор АҚШ-тың Чикаго қаласының іргесінде Э. Фермидің басшылығымен 1942 жылдың 2 желтоқсанында іске қосылды. Екінші реактор, бұдан үш жыл өткен соң, КСРО-да Москва түбіндегі Серпухов қаласында И. В. Курчатовтың басшылығымен салынды.

Тізбекті реакция үздіксіз орындалуы үшін ядролық материалдың (уран, плутоний, т.с.с.) белгілі бір массасы болуы керек. Егер ядролық отынның массасы аз болса, онда нейтрондар өз жолында жеткілікті мөлшерде жарылатын ядроларды кездестірмейді де, сыртқы ортаға тарап кетеді. Сөйтіп, ядролық тізбекті реакция жүрмей қалады.

Тізбекті бөліну реакциясына қажетті ядролық материалдың ең аз массасын сындық масса дейді.

Уран-235 изотопы үшін сындық масса 23 килограмдай болады. Бұл — диаметрі 13 см болатын біртұтас уран кесегі. Атом бомбасында ядролық жарылыс затын біртұтас етіп жасамайды. Оны жеке-жеке бөлік түрінде орналастырады. Әр бөліктің массасы сындық массадан кіші болады. Абом бомбасын жару үшін арнайы тетік ядролық зарядтың жеке бөліктерін біріктіреді. Сөйтіп, олардың біртұтас массасы сындық массаға жетеді де, ядролық жарылыс іске асырылады.

Қазір көптеген елдерде әртүрлі ядролық реакторлар бар. Олар практикалық мақсаттарда, ғылыми-зерттеу жұмыстарында қолданылумен қатар, атом электростанцияларының (АЭС) да негізі болып табылады.

Ядролық реактордың негізгі бөлігін белсенді аумақ (активті зона) құрайды. Белсенді аумақ жылу шығарғыш элементтер (ЖШЭ) деп аталатын ядролық отынмен толтырылған таяқшалардан (5), оларды айнала қоршап тұрған графит тежегіштерден (3) тұрады. ЖШЭ-лерді айнала жылу тасығыш (6) сұйықтар ағып өтетін түтіктер орналасқан. Жылу тасығыш қызметін су немесе сұйық металл, мысалы, натрий атқарады.

Нейтрондардың сыртқы ортаға ұшып шығуын азайту үшін белсенді аумақты нейтрон қайтарғышпен (2) қаптайды.

Ядро, өзара өте берік ядролық күштермен байланысқан нейтрондар мен протондардан тұрады. Егер ядроны нейтрондармен атқыласа, онда жаңа нейтрондардың қосылуынан ядродағы алғашқы байланыс күші азая бастайды. Атқылаудың қандай бір сәтінде, ядролық күштер өте әлсіреп, онда барлық нейтрондар мен протондарды бірге ұстап тұру мүмкін болмай қалады. Ядроның бөлінуі кезінде пайда болған бірнеше бос нейтрондар ядроны атқылайды, сонымен қайтадан бөлінуді тудырады және т.с.с.

Процесс тізбектік реакция түрінде жүріліп, нәтижесінде энергияның зор көлемі туады. Энергияның бөлінуінде босайтын энергия-бұл ядролар, нейтрондар мен бөлінудегі бөліктер қозғалысының кинетикалық энергиясы. Бөліну кезінде олар асқан зор жылдамдықпен тарайды, егер оларды тежейтін болса, онда кинетикалық энергия жылулық энергияға түрленеді.

Ядроларды нейтрондармен ыдырату ықтималдылығы нейтрондардың жылдамдығына айтарлықтай тәуелді. Белгіленген қандай бір фигураның көлденең қимасына дәл тигізу ықтималдылығы, осы қима ауданының ұлғаюымен өсетіні сияқты, ядроны нейтрондармен атқылаудағы ыдырату мүмкіндігі де ядроның көлденең қимасының көлемімен сипатталады.

Уран ядросының бөліну мезетіндегі нейтрондардың жылдамдығы шамамен 20 000 км/с болады, бұл кездегі 235U үшін нейтрондардың ядроны иелену қимасы өте аз.

Сондықтан, нейтрондар жылдамдығын азайту қажет, ол үшін нейтрондарды сіңірмейтін – су, ауыр су, графит, бериллий сияқты жеңіл элементерден тұратын заттардан оларды өткізу қажет. Нейтрондар жылдамдығы V=30км/с  болғанда 238U уран ядросы нейтрондарды резонансты түрде қоршап алады, нәтижесінде өзінің ядролық сипаттамалары бойынша 235U уранға ұқсас 239Pu құралады.

Нейтрондар жылдамдығының азаюы 238U уранда қоршап алу қимасын азайтады, ал 235U-да ұлғайтады. Шамамен 2 км/с жылдамдықпен қозғалатын нейтрондарды жылу нейтрондары деп атайды. Жылулық 235U уран нейтрондарының қоршау қимасы 238U уранмен салыстырғанда 20 000 артық.

Жылу нейтрондары табиғи (байытылмаған) урандарда тізбектік реакцияны тудыруы мүмкін.

2. Ядролық энергия – ядроны құрайтын нуклондардың қозғалысына және олардың өзара әсеріне байланысты болатын атом ядросының ішкі энергиясы.

Ядролық энергия табиғи жолмен де, жасанды жолмен де алуға болады.

Күн және басқа жұлдыздар жарық және жылу түріндегі энергияны береді, ол ядролық энергияны табиғи жолмен алудың мысалы бола алады. Адамдар ядролық реакторлардың көмегімен жүргізілетін ядролық реакциялардың нәтижесінде ядролық энергияны ала алады.

Атомдық немесе сутекті бомбалардың жарылысы кезінде алынатын энергия да адамның қолымен жасалады.

Ядролық физикада аса маңызды рөл атқаратын ұғым ядроның байланыс энергиясы. Байланыс энергиясы ядроның орнықтылығын түсіндіруге, ядролық энергияның бөлініп шығуына келтіретін қандай процестер екенін айқындауға мүмкіндік береді.

Нуклондар ядро ішінде ядролық күштермен мықтап ұстасқан. Нуклонды ядродан бөліп алу үшін, зор жұмыс істелуі керек, яғни ядроға едәуір энергия беру керек.