Номер 3, страница 208 - гдз по физике 11 класс учебник Туякбаев, Насохова

3. Как управляют цепными реакциями?

3. Как управляют цепными реакциями?

Управление цепными реакциями, в частности ядерными цепными реакциями деления, является ключевой задачей для обеспечения стабильной и безопасной работы ядерных реакторов. Суть управления сводится к контролю количества нейтронов в активной зоне реактора, чтобы поддерживать реакцию на заданном уровне мощности. Основной параметр, который характеризует состояние реактора, — это коэффициент размножения нейтронов $\text{k}$. Он показывает отношение числа нейтронов в данном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении.

• Если $k < 1$, реакция затухает (подкритическое состояние).
• Если $k = 1$, реакция идет с постоянной скоростью (критическое состояние). Это штатный режим работы энергетического реактора.
• Если $k > 1$, скорость реакции лавинообразно нарастает (надкритическое состояние). Это используется для вывода реактора на мощность или в ядерном оружии.

Управление цепной реакцией осуществляется несколькими основными способами:

1. Использование поглотителей нейтронов (управляющие стержни)

Это основной и самый оперативный способ управления. В активную зону реактора вводятся или выводятся из нее стержни, изготовленные из материалов, которые очень хорошо поглощают нейтроны, не вступая при этом в реакцию деления. К таким материалам относятся, например, бор ($\text{B}$), кадмий ($Cd$), гафний ($Hf$) и их соединения.

• Ввод стержней в активную зону приводит к увеличению поглощения нейтронов, уменьшению их числа, и, как следствие, к снижению коэффициента размножения $\text{k}$. Мощность реактора падает.
• Вывод стержней из активной зоны уменьшает поглощение, $\text{k}$ растет, и мощность реактора увеличивается.

С помощью управляющих стержней осуществляют пуск, регулирование мощности и остановку реактора. Для экстренного прекращения цепной реакции (в случае аварии) существует система аварийной защиты, которая обеспечивает максимально быстрый ввод всех поглощающих стержней в активную зону (этот процесс называют SCRAM).

2. Использование замедлителя нейтронов

В большинстве реакторов (кроме реакторов на быстрых нейтронах) используется замедлитель. Нейтроны, рождающиеся в процессе деления ядер, например, урана-235 (${^{235}_{92}}U$), имеют очень большую энергию (быстрые нейтроны). Однако вероятность деления ${^{235}_{92}}U$ значительно выше для медленных (тепловых) нейтронов. Замедлитель (например, обычная вода $H_2O$, тяжелая вода $D_2O$ или графит $\text{C}$) как раз и служит для того, чтобы замедлить быстрые нейтроны до тепловых энергий. Хотя замедлитель не является средством оперативного управления, его свойства важны для общей стабильности реактора. Например, в водо-водяных реакторах при повышении температуры вода расширяется, ее плотность падает, и она хуже замедляет нейтроны. Это приводит к снижению реактивности, что является важным фактором пассивной безопасности.

3. Химическое регулирование

В некоторых типах реакторов (например, водо-водяных, ВВЭР) для плавного и медленного изменения реактивности в теплоноситель (воду) добавляют вещество, поглощающее нейтроны. Чаще всего это борная кислота ($H_3BO_3$). Изменяя концентрацию борной кислоты в воде первого контура, можно управлять коэффициентом размножения. Этот метод используется для компенсации медленных изменений в активной зоне, таких как выгорание ядерного топлива или накопление продуктов деления (шлаков).

4. Топливная загрузка и геометрия

Сама конструкция активной зоны, то есть количество ядерного топлива, степень его обогащения и взаимное расположение топливных сборок, является изначальным способом задания характеристик цепной реакции. Чтобы реакция вообще могла начаться, масса делящегося вещества должна превышать так называемую критическую массу. Конструкция реактора рассчитывается так, чтобы обеспечить возможность поддержания $k=1$ в течение всей кампании работы на топливе.

Ответ: Управление цепными реакциями в ядерных реакторах осуществляется путем контроля баланса нейтронов в активной зоне для поддержания коэффициента размножения нейтронов $\text{k}$ на уровне, близком к единице. Основные методы включают: 1) механическое перемещение стержней из материалов-поглотителей нейтронов (бор, кадмий) для оперативного изменения мощности и аварийной остановки; 2) использование замедлителя (вода, графит) для повышения эффективности деления ядер; 3) изменение концентрации растворимых поглотителей (например, борной кислоты в воде) для медленной компенсации выгорания топлива.