Номер 12, страница 192 - гдз по физике 10-11 класс сборник задач Громцева

14. Квантовая физика. 14.13. Ядерные реакции. Термоядерные реакции. Цепная реакция деления ядер - номер 12, страница 192.

Решение.

Решение 2.

Решение

В активной зоне большинства современных ядерных реакторов, таких как водо-водяные энергетические реакторы (ВВЭР, или PWR по западной классификации) и кипящие водяные реакторы (BWR), вода выполняет несколько критически важных функций.

Замедлитель нейтронов. В процессе деления ядер урана-235 ($^{235}U$) образуются так называемые быстрые нейтроны, обладающие высокой энергией. Однако для того, чтобы вызвать последующее деление другого ядра $^{235}U$ и таким образом поддерживать самоподдерживающуюся цепную реакцию, наиболее эффективны медленные (тепловые) нейтроны. Вода используется в качестве замедлителя для снижения энергии быстрых нейтронов. Это происходит за счет упругих столкновений нейтронов с ядрами атомов, из которых состоит вода. Обычная ("легкая") вода ($H_2O$) является превосходным замедлителем, так как содержит ядра водорода (протоны). Масса протона практически равна массе нейтрона, поэтому при каждом столкновении нейтрон теряет значительную часть своей кинетической энергии, эффективно "остывая" до тепловых скоростей.

Теплоноситель. Цепная реакция деления ядер высвобождает огромное количество энергии в виде тепла непосредственно в топливных элементах (ТВЭЛах). Эту тепловую энергию необходимо непрерывно и эффективно отводить, чтобы, во-первых, предотвратить расплавление активной зоны, и, во-вторых, использовать ее для производства электроэнергии. Вода, циркулирующая под высоким давлением через активную зону реактора, омывает горячие ТВЭЛы и поглощает выделяемое тепло. Эта нагретая вода (или пар в кипящих реакторах) затем используется для привода паровой турбины, которая вращает электрогенератор. Таким образом, вода служит средой для переноса тепла от реактора к турбине.

Элемент безопасности и отражатель нейтронов. Вода, окружающая активную зону, также служит отражателем нейтронов, возвращая часть нейтронов, которые могли бы покинуть зону реакции, обратно в нее. Это повышает "нейтронную экономию" и эффективность использования топлива. Кроме того, в легководных реакторах вода является важнейшим элементом системы пассивной безопасности. В случае утечки воды из первого контура (авария с потерей теплоносителя) реактор одновременно лишается и замедлителя. Без замедлителя быстрые нейтроны не могут эффективно поддерживать цепную реакцию, и она самопроизвольно прекращается. Это свойство (отрицательный паровой коэффициент реактивности) является фундаментальным принципом безопасности современных атомных электростанций.

Ответ: В активной зоне ядерного реактора вода выполняет три основные роли: 1) она служит замедлителем нейтронов, снижая их энергию до уровня, необходимого для поддержания цепной реакции; 2) она является теплоносителем, отводящим тепло от ядерного топлива для последующего преобразования в электроэнергию; 3) она является важным элементом пассивной безопасности, поскольку при ее потере цепная реакция автоматически прекращается.