Номер 11.166, страница 228 - гдз по физике 11 класс сборник задач Заболотский, Комиссаров

Квантовая физика. Глава 11. Атомная и ядерная физика. Деление ядер урана. Ядерный реактор - номер 11.166, страница 228.

Условие.

11.166. На рисунке 11.14 показана схема устройства ядерного реактора. Какого типа этот реактор?

а) Что является замедлителем нейтронов? Для чего нужен замедлитель нейтронов? Может ли реактор работать без замедлителя?

б) Что является отражателем нейтронов? Для чего нужен отражатель нейтронов? Может ли реактор работать без отражателя нейтронов?

в) Для чего нужны регулирующие стержни? Какие вещества применяют для создания регулирующих стержней? Может ли реактор работать без управляющих стержней?

г) Для чего нужен теплоноситель? Какие вещества используют в качестве теплоносителя? Может ли реактор работать без теплоносителя?

Рис. 11.14

Решение.

На рисунке показана схема гетерогенного ядерного реактора на тепловых нейтронах. Гетерогенный, потому что ядерное топливо (урановые стержни) и замедлитель (графит) пространственно разделены. Реактор на тепловых нейтронах, потому что в нем используется замедлитель для уменьшения энергии нейтронов.

а) Что является замедлителем нейтронов? Для чего нужен замедлитель нейтронов? Может ли реактор работать без замедлителя?

Замедлителем нейтронов в данном реакторе является графит. Он окружает урановые стержни. Замедлитель необходим для того, чтобы уменьшать кинетическую энергию быстрых нейтронов, образующихся в результате деления ядер урана. Цепная реакция деления ядер урана-235 наиболее эффективно идет на медленных (тепловых) нейтронах. Быстрые нейтроны с меньшей вероятностью вызывают деление, поэтому для поддержания стабильной цепной реакции их необходимо замедлить. Без замедлителя реактор данного типа работать не сможет, так как цепная реакция не будет самоподдерживающейся (за исключением реакторов на быстрых нейтронах, которые имеют другую конструкцию и используют высокообогащенное топливо).

Ответ: Замедлителем является графит. Он нужен для замедления быстрых нейтронов до тепловых скоростей, чтобы эффективно поддерживать цепную реакцию. Реактор данного типа без замедлителя работать не может.

б) Что является отражателем нейтронов? Для чего нужен отражатель нейтронов? Может ли реактор работать без отражателя нейтронов?

Отражателем нейтронов является слой вещества, окружающий активную зону (в данном случае, графитовый замедлитель). На схеме он так и подписан — «Отражатель нейтронов». Отражатель нужен для того, чтобы возвращать обратно в активную зону нейтроны, которые пытаются ее покинуть. Это уменьшает утечку нейтронов, позволяет использовать меньшее количество ядерного топлива для достижения критической массы (т.е. для начала самоподдерживающейся реакции) и делает распределение нейтронного потока по активной зоне более равномерным. Реактор может работать без отражателя, но для поддержания цепной реакции потребуется значительно большее количество ядерного топлива, что делает его конструкцию менее эффективной и экономически невыгодной.

Ответ: Отражателем является специальный слой материала вокруг активной зоны. Он нужен для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны. Реактор может работать без отражателя, но будет менее эффективным.

в) Для чего нужны регулирующие стержни? Какие вещества применяют для создания регулирующих стержней? Может ли реактор работать без управляющих стержней?

Регулирующие (или управляющие) стержни нужны для управления цепной реакцией. Они содержат вещества, которые очень хорошо поглощают нейтроны. Вводя стержни в активную зону, можно уменьшить количество нейтронов, участвующих в реакции, и тем самым замедлить или полностью остановить ее. Выводя стержни, можно, наоборот, увеличить интенсивность реакции. Таким образом, они используются для запуска реактора, регулирования его мощности и для аварийной остановки. Для создания регулирующих стержней применяют такие вещества, как бор (часто в виде карбида бора $B_4C$) или кадмий ($\text{Cd}$), которые имеют очень большое сечение поглощения тепловых нейтронов. Без управляющих стержней работа реактора невозможна, так как реакция станет неуправляемой. Малейшее превышение коэффициента размножения нейтронов над единицей ($k > 1$) привело бы к экспоненциальному росту мощности и тепловому взрыву.

Ответ: Регулирующие стержни нужны для управления скоростью цепной реакции путем поглощения нейтронов. Для их создания используют бор, кадмий. Без управляющих стержней работа реактора невозможна, так как реакция будет неуправляемой.

г) Для чего нужен теплоноситель? Какие вещества используют в качестве теплоносителя? Может ли реактор работать без теплоносителя?

Теплоноситель — это вещество (жидкость или газ), которое прокачивается через активную зону реактора для отвода огромного количества тепла, выделяющегося в процессе ядерной реакции. Это тепло затем используется для получения полезной энергии, как правило, для производства пара, который вращает турбины электрогенератора. В качестве теплоносителя могут использоваться различные вещества: обычная (легкая) вода, тяжелая вода ($D_2O$), жидкие металлы (например, натрий), газы (углекислый газ, гелий). На схеме показаны патрубки для входа и выхода теплоносителя. Без теплоносителя реактор работать не может. Отсутствие отвода тепла приведет к перегреву и расплавлению активной зоны (топливных стержней), что является одной из самых тяжелых аварий на АЭС.

Ответ: Теплоноситель нужен для отвода тепла от активной зоны реактора. В качестве теплоносителя используют воду, жидкие металлы, газы. Без теплоносителя работа реактора невозможна, так как это приведет к расплавлению активной зоны.