Номер 10, страница 33, часть 2 - гдз по физике 9 класс учебник Генденштейн, Булатова

Часть 2. Квантовая физика. Глава VI. Атомное ядро и ядерная энергетика. Параграф 26. Ядерные реакции. Ядерная энергетика - номер 10, страница 33.

Условие.

10. Опишите работу ядерного реактора. Какие реакции происходят в нём — деления или синтеза? Какие элементы ядерного реактора позволяют управлять ядерной реакцией?

Решение.

Опишите работу ядерного реактора.

Ядерный реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления тяжелых ядер, сопровождающаяся выделением энергии. Принцип работы заключается в следующем:

1. В активную зону реактора помещается ядерное топливо, чаще всего обогащенный уран-235 ($^{235}_{92}U$) или плутоний-239 ($^{239}_{94}Pu$), обычно в виде тепловыделяющих сборок (ТВС).

2. Процесс запускается попаданием медленного (теплового) нейтрона в ядро атома топлива. Ядро возбуждается и делится на два (реже три) более легких ядра, называемых осколками деления.

3. В результате деления высвобождается огромное количество энергии в виде кинетической энергии осколков и различных излучений, а также испускаются в среднем 2–3 новых быстрых нейтрона.

4. Эти новые нейтроны, замедляясь в специальном веществе — замедлителе (например, в воде или графите), могут вызвать деление других ядер, что приводит к возникновению цепной реакции.

5. Чтобы реакция была управляемой, а не взрывной, необходимо поддерживать коэффициент размножения нейтронов близким к единице. Это означает, что в среднем только один нейтрон из каждого акта деления должен вызывать следующее деление. Контроль над количеством нейтронов осуществляется с помощью управляющих стержней.

6. Энергия, выделяющаяся в активной зоне, нагревает теплоноситель (например, воду), который непрерывно прокачивается через нее.

7. Нагретый теплоноситель поступает в парогенератор, где отдает тепло воде второго контура, превращая ее в пар, либо сам превращается в пар (в кипящих реакторах).

8. Пар под высоким давлением вращает турбину, которая соединена с электрогенератором, вырабатывающим электрический ток.

Ответ: Ядерный реактор работает на основе управляемой цепной реакции деления тяжелых ядер. Выделяющаяся при этом тепловая энергия отводится теплоносителем и используется для получения пара, который вращает турбину электрогенератора, производя электроэнергию.

Какие реакции происходят в нём — деления или синтеза?

В ядерных реакторах, используемых сегодня на атомных электростанциях для производства энергии, происходят реакции деления тяжелых атомных ядер. Реакция деления — это процесс расщепления тяжелого ядра (например, урана-235) на два более легких ядра при поглощении им нейтрона. Этот процесс сопровождается выделением большого количества энергии и испусканием нескольких новых нейтронов, которые могут поддерживать цепную реакцию. Пример такой реакции:

$n + ^{235}_{92}U \rightarrow ^{236}_{92}U^* \rightarrow ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3n + \text{энергия}$

Реакции синтеза, или термоядерные реакции, — это, наоборот, процесс слияния легких ядер (например, изотопов водорода дейтерия и трития) с образованием более тяжелого ядра и выделением еще большего количества энергии. Реакции синтеза являются источником энергии звезд, в том числе Солнца. На Земле управляемый термоядерный синтез находится на стадии экспериментальных исследований, и промышленные термоядерные реакторы пока не созданы.

Ответ: В ядерном реакторе происходят реакции деления тяжелых ядер.

Какие элементы ядерного реактора позволяют управлять ядерной реакцией?

Управление цепной ядерной реакцией в реакторе, то есть изменение ее интенсивности (мощности), осуществляется с помощью нескольких ключевых элементов:

1. Управляющие (регулирующие) стержни. Это главный элемент управления реактором. Стержни изготавливаются из материалов, хорошо поглощающих нейтроны (например, бор, кадмий, гафний). Вводя стержни в активную зону, поглощается часть нейтронов, участвующих в цепной реакции, что приводит к ее замедлению или полной остановке. Выводя стержни из активной зоны, количество делений в единицу времени увеличивается, и мощность реактора растет. Также существуют стержни аварийной защиты, которые при необходимости очень быстро вводятся в активную зону для немедленного прекращения реакции.

2. Замедлитель нейтронов. В большинстве реакторов для поддержания цепной реакции используются медленные (тепловые) нейтроны, так как они с большей вероятностью вызывают деление ядер урана-235. Нейтроны, рождающиеся при делении, являются быстрыми. Замедлитель (вода, тяжелая вода, графит) снижает их энергию до тепловой. Изменение свойств замедлителя (например, его температуры или плотности) влияет на скорость реакции, что используется для пассивной безопасности.

3. Растворимые поглотители нейтронов. В некоторых типах реакторов (например, ВВЭР) для плавного регулирования и компенсации выгорания топлива в теплоноситель первого контура добавляют вещества, поглощающие нейтроны, например, борную кислоту. Изменяя ее концентрацию, можно осуществлять медленное управление реакцией.

Ответ: Основными элементами, позволяющими активно управлять ядерной реакцией, являются управляющие стержни, которые поглощают нейтроны. Также на ход реакции влияют свойства замедлителя и концентрация растворимых поглотителей нейтронов в теплоносителе.