Задание 1, страница 174 - гдз по физике 11 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 1

Используя материал 1 части параграфа, запишите основные части ядерного ректора и материалы для их изготовления. Выясните, какие материалы можно использовать кроме тех, что приведены в тексте.

Основные части ядерного реактора и материалы для их изготовления
Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция. Основными частями типичного реактора являются:
1. Активная зона: Центральная часть реактора, где находится ядерное топливо и протекает цепная реакция деления. Она включает в себя:
- Ядерное топливо: Вещество, в котором происходит деление ядер. Чаще всего это изотоп урана-235 ($U^{235}$) или плутония-239 ($Pu^{239}$), обычно в виде таблеток диоксида урана ($UO_2$). Таблетки помещаются в герметичные оболочки (твэлы), изготовленные из циркониевых сплавов или нержавеющей стали.
- Замедлитель: Вещество, необходимое для уменьшения скорости нейтронов, образующихся при делении, до тепловых энергий. Это повышает вероятность последующего деления ядер топлива. В качестве замедлителя используют обычную (лёгкую) воду ($H_2O$), тяжёлую воду ($D_2O$) или чистый графит.
2. Теплоноситель: Жидкое или газообразное вещество, которое проходит через активную зону, отводит выделяющееся тепло и передает его для дальнейшего использования (например, для вращения турбины). В качестве теплоносителей применяют воду, тяжёлую воду, жидкий натрий, гелий, углекислый газ.
3. Система управления и защиты (СУЗ): Предназначена для управления скоростью цепной реакции и её быстрой остановки в случае необходимости. Основным элементом являются регулирующие (поглощающие) стержни, изготовленные из материалов, которые интенсивно поглощают нейтроны, например, из бора ($\text{B}$) (часто в виде карбида бора $B_4C$) или кадмия ($\text{Cd}$).
4. Отражатель нейтронов: Слой материала, окружающий активную зону и предназначенный для возвращения (отражения) нейтронов, пытающихся покинуть её. Это позволяет более экономно расходовать ядерное топливо. В качестве отражателя часто используют тот же материал, что и в качестве замедлителя (графит, вода, бериллий).
5. Биологическая защита: Массивная конструкция вокруг реактора, предназначенная для защиты персонала и окружающей среды от мощного потока нейтронов и гамма-излучения. Обычно состоит из толстых слоёв бетона, стали и воды.

Ответ: Основные части ядерного реактора: активная зона (состоящая из ядерного топлива в оболочках и замедлителя), теплоноситель, система управления и защиты, отражатель нейтронов, биологическая защита. Материалы для их изготовления включают уран-235, плутоний-239, циркониевые сплавы, нержавеющую сталь, воду (обычную и тяжелую), графит, бор, кадмий, бетон.

Альтернативные материалы, которые можно использовать
Помимо традиционных материалов, упомянутых в базовых описаниях, в современных и перспективных конструкциях реакторов могут использоваться и другие вещества:
- Для ядерного топлива: Вместо урана-235 может использоваться торий-232 ($Th^{232}$), который в процессе работы реактора превращается в делящийся уран-233 ($U^{233}$). Также применяется смешанное оксидное топливо (МОКС-топливо), состоящее из оксидов плутония и обедненного урана. Перспективными считаются карбидное ($\text{UC}$) и нитридное ($\text{UN}$) топливо, обладающие более высокой плотностью и теплопроводностью.
- Для теплоносителей: В реакторах на быстрых нейтронах и высокотемпературных реакторах вместо воды используют жидкие металлы, такие как свинец ($\text{Pb}$) или его эвтектический сплав с висмутом ($Pb-Bi$). В реакторах на расплавах солей в качестве теплоносителя (а иногда и растворителя для топлива) применяют солевые смеси, например, фториды лития и бериллия (FLiBe).
- Для поглощающих стержней: Кроме бора и кадмия, используются стержни из гафния ($\text{Hf}$), сплавов серебра-индия-кадмия ($Ag-In-Cd$), а также оксиды редкоземельных элементов, таких как гадолиний ($Gd_2O_3$) и европий ($Eu_2O_3$).
- Для биологической защиты: Для более эффективного замедления и поглощения нейтронов могут применяться водородосодержащие материалы, например, борированный полиэтилен. Также используются особо тяжелые бетоны с наполнителями из железной руды (магнетит, гематит) или стальной дроби.

Ответ: Кроме материалов, приведенных в тексте, можно использовать: в качестве топлива — торий-232, МОКС-топливо, нитриды и карбиды урана; в качестве теплоносителя — расплавы солей, свинец, сплав свинец-висмут; для поглощающих стержней — гафний, редкоземельные металлы (гадолиний, европий); для защиты — борированный полиэтилен и сверхтяжелые бетоны.