Ответьте на вопросы, страница 175 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Ответьте на вопросы

1. Почему сегодня получили развитие реакторы на быстрых нейтронах с натриевым, свинцово-висмутовым и свинцовым теплоносителями?

2. Почему недопустимы вещества с легкими ядрами водорода: вода и углеводороды?

1. Почему сегодня получили развитие реакторы на быстрых нейтронах с натриевым, свинцово-висмутовым и свинцовым теплоносителями?

Реакторы на быстрых нейтронах (РБН) получили развитие, так как они позволяют решить две стратегические задачи атомной энергетики: значительно расширить ее топливную базу и реализовать замкнутый ядерный топливный цикл.

Во-первых, РБН способны эффективно использовать изотоп уран-238, составляющий более 99% природного урана. В реакторах на тепловых нейтронах используется в основном редкий уран-235 (около 0.7%). В РБН быстрые нейтроны, взаимодействуя с ядрами урана-238, превращают его в плутоний-239 ($^{238}\text{U} + n \rightarrow ^{239}\text{Pu}$), который является новым ядерным топливом. Этот процесс воспроизводства топлива (бридинг) позволяет вовлечь в энергетический цикл весь природный уран, увеличивая ресурсную базу в десятки раз.

Во-вторых, РБН могут "выжигать" наиболее опасные долгоживущие радиоактивные отходы (трансурановые элементы или младшие актиниды), которые накапливаются при работе тепловых реакторов. Это позволяет кардинально снизить радиотоксичность и объем отходов, подлежащих захоронению.

Ключевым условием для реализации этих преимуществ является поддержание в активной зоне реактора спектра быстрых (высокоэнергетических) нейтронов. Это накладывает строгие требования на теплоноситель: он должен эффективно отводить тепло, но при этом минимально замедлять нейтроны. Жидкие металлы, такие как натрий, свинец и свинцово-висмутовый сплав, отвечают этому требованию. Их ядра — тяжелые, поэтому при столкновении с ними быстрый нейтрон, подобно легкому шарику, отскакивающему от тяжелого, теряет незначительную часть своей энергии и остается "быстрым".

Кроме ядерно-физических свойств, эти металлы обладают и отличными теплофизическими характеристиками. Они имеют высокую температуру кипения, что позволяет работать при высоких температурах (а значит, с большей эффективностью преобразования тепла в электроэнергию) и низком давлении в первом контуре. Низкое давление значительно повышает безопасность реактора, так как исключает риски, связанные с потерей герметичности контура под высоким давлением, характерные для водо-водяных реакторов.

Ответ: Реакторы на быстрых нейтронах развиваются для расширения топливной базы ядерной энергетики и решения проблемы радиоактивных отходов. В качестве теплоносителей в них используются натрий, свинец и их сплавы, поскольку они имеют тяжелые ядра, слабо замедляющие нейтроны, и обладают отличными теплофизическими свойствами, что позволяет повысить эффективность и безопасность реактора.

2. Почему недопустимы вещества с легкими ядрами водорода: вода и углеводороды?

Вещества с легкими ядрами водорода, такие как вода ($H_2O$) и углеводороды (например, метан $CH_4$), недопустимы в качестве теплоносителей в реакторах на быстрых нейтронах, потому что они являются чрезвычайно эффективными замедлителями нейтронов.

Основной принцип работы реактора на быстрых нейтронах заключается в поддержании цепной реакции деления ядер топлива именно быстрыми, высокоэнергетическими нейтронами. Эффективность замедления нейтрона при столкновении зависит от соотношения масс сталкивающихся частиц. Согласно законам упругого удара, нейтрон теряет максимальную долю своей энергии при столкновении с частицей, масса которой близка к его собственной.

Масса протона (ядра атома водорода $^1\text{H}$) практически равна массе нейтрона. Поэтому, когда быстрый нейтрон попадает в среду, богатую водородом (воду или углеводороды), он уже после нескольких столкновений с протонами теряет свою энергию и превращается в "тепловой" нейтрон.

Такое эффективное замедление полностью меняет физику реактора и делает невозможным достижение его основных целей. Спектр нейтронов становится тепловым, а не быстрым, что приводит к следующим последствиям:

• Резко падает эффективность воспроизводства нового топлива (плутония-239 из урана-238), для которого необходимы именно быстрые нейтроны.
• Становится невозможным эффективное "выжигание" долгоживущих актинидов.
• Полностью меняются все нейтронно-физические характеристики активной зоны, и реактор не может работать в проектном режиме.

Ответ: Вода и углеводороды недопустимы в качестве теплоносителей в реакторах на быстрых нейтронах, так как они содержат легкие ядра водорода (протоны), которые очень эффективно замедляют быстрые нейтроны. Это нарушает основной принцип работы реактора, который требует поддержания спектра быстрых нейтронов для воспроизводства топлива и выжигания отходов.