Страница 279 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

1. Что такое ядерный реактор? Назовите основные части реактора. Что находится в его активной зоне?

1. Что такое ядерный реактор? Назовите основные части реактора. Что находится в его активной зоне?

Ядерный (или атомный) реактор — это устройство, предназначенное для осуществления и поддержания управляемой самоподдерживающейся цепной реакции деления тяжёлых ядер. Основной целью работы реактора является высвобождение большого количества тепловой энергии, которая затем, как правило, преобразуется в электрическую энергию на атомных электростанциях (АЭС).

Основными частями ядерного реактора являются:

• Активная зона — центральная часть реактора, где непосредственно происходит цепная реакция.
• Отражатель нейтронов — слой материала, окружающий активную зону и предназначенный для возвращения в неё нейтронов, которые иначе покинули бы её. Это повышает эффективность использования ядерного топлива. В качестве отражателя часто используют тот же материал, что и в качестве замедлителя (например, графит или вода).
• Теплоноситель — жидкое или газообразное вещество (например, обычная вода, тяжёлая вода, жидкий натрий, углекислый газ), которое прокачивается через активную зону для отвода выделяющегося в ней тепла.
• Система управления и защиты (СУЗ) — комплекс устройств, предназначенных для управления мощностью реактора и его быстрой остановки (заглушения) в случае необходимости. Основным элементом СУЗ являются управляющие стержни.
• Радиационная защита (биологическая защита) — система барьеров (обычно из бетона, стали и воды), окружающих реактор и предназначенных для ослабления ионизирующего излучения до безопасного для персонала и окружающей среды уровня.

В активной зоне реактора находятся:

• Ядерное топливо — вещество, в котором происходит реакция деления. Чаще всего это изотопы урана ($^{235}U$, $^{238}U$) или плутония ($^{239}Pu$), размещенные в виде тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов).
• Замедлитель нейтронов — вещество, необходимое для уменьшения кинетической энергии быстрых нейтронов, образующихся при делении ядер. Медленные (тепловые) нейтроны с гораздо большей вероятностью вызывают деление ядер $^{235}U$, что необходимо для поддержания цепной реакции. В качестве замедлителя используют воду, тяжёлую воду, графит.

Ответ: Ядерный реактор — это устройство для осуществления управляемой цепной ядерной реакции. Его основные части: активная зона, отражатель, теплоноситель, система управления и защиты, радиационная защита. В активной зоне находятся ядерное топливо и замедлитель нейтронов.

2. В чём заключается управление (реактором)?

Управление ядерным реактором заключается в контроле за скоростью цепной реакции деления, то есть в управлении его мощностью. Ключевым параметром, который характеризует состояние реактора, является коэффициент размножения нейтронов $k$. Этот коэффициент показывает отношение числа нейтронов, вызывающих деление ядер в данном поколении, к числу нейтронов, вызвавших деление в предыдущем поколении.

• Если $k = 1$, число делений в единицу времени постоянно. Реактор находится в критическом состоянии, его мощность не изменяется.
• Если $k > 1$, число делений лавинообразно нарастает. Реактор находится в надкритическом состоянии, его мощность увеличивается.
• Если $k < 1$, число делений уменьшается. Реактор находится в подкритическом состоянии, реакция затухает, а мощность падает.

Управление реактором сводится к поддержанию коэффициента размножения на уровне, близком к единице ($k \approx 1$), а также к его плавному изменению для увеличения или уменьшения мощности.

Основным инструментом управления служат управляющие стержни, которые изготавливаются из материалов, активно поглощающих нейтроны (например, бор, кадмий, гафний). Эти стержни могут вводиться в активную зону или выводиться из неё.

• Введение стержней в активную зону приводит к поглощению части нейтронов. В результате коэффициент размножения $k$ становится меньше единицы ($k < 1$), и мощность реактора снижается.
• Выведение стержней из активной зоны уменьшает поглощение нейтронов, коэффициент $k$ становится больше единицы ($k > 1$), и мощность реактора растёт.

Для экстренной остановки реактора используется система аварийной защиты, которая обеспечивает очень быстрое введение в активную зону всех управляющих и специальных аварийных стержней. Это приводит к резкому падению коэффициента размножения ($k \ll 1$) и практически мгновенному прекращению цепной реакции.

Ответ: Управление реактором заключается в регулировании его мощности путем изменения коэффициента размножения нейтронов $k$ с помощью введения в активную зону или выведения из неё управляющих стержней, изготовленных из материалов, поглощающих нейтроны.

2. В чём заключается управление ядерной реакцией?

Что находится в его активной зоне?

Активная зона ядерного реактора — это его центральная часть, где происходит управляемая цепная ядерная реакция деления. В ней находятся следующие ключевые компоненты:

1. Ядерное топливо — вещество, в котором происходит реакция деления. Чаще всего это уран ($^{235}\text{U}$ или $^{238}\text{U}$), плутоний ($^{239}\text{Pu}$) или другие делящиеся изотопы. Топливо обычно размещается в виде тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов), представляющих собой герметичные трубки с топливными таблетками.

2. Замедлитель — вещество, необходимое для уменьшения скорости (энергии) нейтронов, испускаемых при делении ядер. Медленные ("тепловые") нейтроны с большей вероятностью вызывают деление ядер $^{235}\text{U}$. В качестве замедлителя используют обычную воду, тяжелую воду ($D_2O$) или графит.

3. Теплоноситель — жидкая или газообразная среда, которая циркулирует через активную зону для отвода тепла, выделяющегося в результате ядерной реакции. Это тепло затем используется для производства электроэнергии. В качестве теплоносителя могут выступать вода, жидкие металлы (натрий) или газы (гелий). Во многих типах реакторов (например, ВВЭР) вода является одновременно и замедлителем, и теплоносителем.

4. Система управления и защиты (регулирующие стержни) — элементы, предназначенные для контроля скорости реакции, которые также находятся в активной зоне.

Ответ: В активной зоне ядерного реактора находятся ядерное топливо (в ТВЭЛах), замедлитель нейтронов, теплоноситель для отвода тепла и регулирующие стержни для управления реакцией.

В чём заключается управление ядерной реакцией?

Управление ядерной реакцией заключается в контроле её скорости, то есть количества актов деления ядер в единицу времени, что напрямую определяет мощность реактора. Основой управления является поддержание коэффициента размножения нейтронов (k) на заданном уровне. Этот коэффициент показывает отношение числа нейтронов в последующем "поколении" к их числу в предыдущем.

• Если $k = 1$, реакция является самоподдерживающейся (критическое состояние). Число нейтронов постоянно, мощность реактора не меняется. Это штатный режим работы.

• Если $k > 1$, реакция ускоряется (надкритическое состояние). Число нейтронов и мощность экспоненциально растут. Этот режим используется для вывода реактора на мощность.

• Если $k < 1$, реакция затухает (подкритическое состояние). Число нейтронов и мощность падают. Этот режим используется для снижения мощности или остановки реактора.

Управление достигается путем изменения значения $k$. Это делается в основном за счет введения в активную зону или выведения из нее веществ, которые поглощают нейтроны.

Ответ: Управление ядерной реакцией заключается в контроле скорости цепной реакции путем изменения коэффициента размножения нейтронов ($k$). Это позволяет запускать реактор, поддерживать его мощность на постоянном уровне или останавливать его.

Для чего нужны регулирующие стержни? Как они работают?

Назначение регулирующих стержней:

Регулирующие (или управляющие) стержни — это основной инструмент для управления цепной ядерной реакцией. Их функции:

1. Пуск реактора: Плавное извлечение стержней из активной зоны делает коэффициент размножения $k > 1$, что приводит к росту мощности до нужного уровня.

2. Поддержание мощности: Точными перемещениями стержней поддерживается состояние $k = 1$, обеспечивая стабильную работу реактора.

3. Изменение мощности: Для увеличения мощности стержни извлекаются, для уменьшения — вводятся в активную зону.

4. Остановка реактора: Для плановой или аварийной остановки стержни вводятся в активную зону, делая $k < 1$. При аварийной остановке (срабатывание системы аварийной защиты) стержни вводятся максимально быстро, чтобы практически мгновенно прекратить цепную реакцию.

Принцип работы:

Регулирующие стержни изготавливаются из материалов, которые очень хорошо поглощают нейтроны, но сами при этом не делятся. К таким материалам относятся бор (особенно изотоп $^{10}\text{B}$), кадмий, гафний.

Когда стержни вводятся в активную зону, они "перехватывают" и поглощают часть нейтронов, которые в противном случае могли бы вызвать новые деления ядер топлива. Это уменьшает общее число свободных нейтронов в активной зоне и, следовательно, снижает коэффициент размножения $k$.

Когда стержни выводятся из активной зоны, они поглощают меньше нейтронов. В результате больше нейтронов участвует в реакции деления, и коэффициент $k$ возрастает.

Глубина погружения стержней в активную зону точно дозирует количество поглощаемых нейтронов, что позволяет плавно и точно регулировать мощность реактора.

Ответ: Регулирующие стержни нужны для управления скоростью ядерной реакции (пуска, остановки, изменения и поддержания мощности). Они работают за счет поглощения нейтронов: при введении в активную зону они поглощают нейтроны и замедляют реакцию, а при выведении — освобождают нейтроны для поддержания реакции, тем самым увеличивая её скорость.

3. Для чего нужны регулирующие стержни? Как ими пользуются?

3. Регулирующие стержни — это ключевой элемент системы управления и защиты ядерного реактора. Их основное назначение — контроль за скоростью цепной реакции деления. Это достигается за счет того, что стержни изготовлены из материалов, которые очень хорошо поглощают нейтроны (например, бор, кадмий, гафний), не вступая при этом в реакцию деления.

Пользование стержнями основано на изменении их положения внутри активной зоны реактора:

Для снижения мощности или остановки реактора стержни вводят в активную зону. Чем глубже они погружены, тем больше нейтронов поглощается, и цепная реакция замедляется или полностью прекращается. В экстренных ситуациях используются стержни аварийной защиты, которые падают в активную зону под действием силы тяжести, обеспечивая быструю остановку реактора.

Для увеличения мощности стержни постепенно извлекают из активной зоны. Это уменьшает поглощение нейтронов, их число в активной зоне растет, и интенсивность реакции увеличивается.

Для поддержания стабильной мощности стержни удерживаются в определенном положении, при котором коэффициент размножения нейтронов равен единице ($k=1$), то есть число возникающих в реакции нейтронов равно числу поглощаемых и улетающих нейтронов.

Ответ: Регулирующие стержни предназначены для управления интенсивностью цепной ядерной реакции путем поглощения нейтронов. Ими пользуются, вводя их в активную зону для замедления реакции или извлекая для ее ускорения, чтобы поддерживать мощность реактора на заданном уровне или осуществить его остановку.

4. Вопрос на изображении представлен не полностью. Исходя из контекста, наиболее вероятная полная формулировка вопроса: «Какую вторую функцию (помимо замедления нейтронов) выполняет замедлитель в ядерном реакторе?».

Основная функция замедлителя (например, обычной воды, тяжелой воды или графита) — это уменьшение кинетической энергии быстрых нейтронов, которые рождаются при делении тяжелых ядер. Замедление до тепловых скоростей необходимо, так как медленные (тепловые) нейтроны с гораздо большей вероятностью вызывают деление ядер урана-235, что критически важно для поддержания самоподдерживающейся цепной реакции.

Второй важнейшей функцией, которую вещество-замедлитель выполняет в самых распространенных типах энергетических реакторов (например, водо-водяных реакторах ВВЭР или кипящих реакторах РБМК), является функция теплоносителя. В этом качестве замедлитель (например, вода) непрерывно прокачивается через активную зону, отводит выделяющееся в результате реакции огромное количество тепла и передает его для дальнейшего использования, как правило, для производства пара, вращающего турбины электрогенераторов.

Кроме того, замедлитель, окружающий активную зону, частично выполняет роль отражателя нейтронов, возвращая нейтроны, которые иначе бы покинули активную зону, обратно в нее, что повышает эффективность использования ядерного топлива.

Ответ: Помимо своей основной функции замедления нейтронов, во многих конструкциях ядерных реакторов замедлитель (чаще всего вода) одновременно служит теплоносителем, отводя тепло от активной зоны.

4. Какую вторую функцию (помимо замедления нейтронов) выполняет вода в первом контуре реактора?

4. В ядерных реакторах, использующих воду в качестве основного рабочего вещества (например, в водо-водяных энергетических реакторах типа ВВЭР), вода в первом контуре выполняет две равнозначно важные функции. Первая, как упомянуто в вопросе, — это функция замедлителя нейтронов. Быстрые нейтроны, рождающиеся в результате деления ядер урана, эффективно замедляются при столкновениях с ядрами водорода, входящими в состав молекул воды. Это необходимо, поскольку только медленные (тепловые) нейтроны способны с высокой вероятностью вызвать последующие деления ядер урана-235 и поддерживать управляемую цепную реакцию.

Вторая ключевая функция воды в первом контуре — это функция теплоносителя. Цепная реакция деления ядер в активной зоне реактора сопровождается выделением огромного количества тепловой энергии. Вода, непрерывно прокачиваемая через активную зону, поглощает это тепло, охлаждая топливные элементы и предотвращая их перегрев и разрушение. Затем эта нагретая под высоким давлением вода поступает в парогенератор, где отдает свое тепло воде второго контура, превращая ее в пар. Этот пар уже используется для вращения турбины и выработки электроэнергии. Таким образом, вода служит средством для переноса энергии из реактора к турбогенератору.

Ответ: Вторая функция воды в первом контуре реактора — это функция теплоносителя, то есть отвод тепла от активной зоны.

5. Какие процессы происходят во втором контуре реактора?

5. В первом контуре ядерного реактора (например, типа ВВЭР) вода, помимо функции замедлителя нейтронов, выполняет важнейшую роль теплоносителя. В активной зоне реактора в результате цепной реакции деления ядер урана выделяется огромное количество тепловой энергии. Эта энергия поглощается водой, которая непрерывно циркулирует через активную зону. Чтобы вода не закипала при высоких температурах (около 320-330 °C), в первом контуре поддерживается очень высокое давление (около 160 атмосфер). Далее горячая вода поступает в парогенератор, где она отдает свое тепло воде второго контура через стенки теплообменных трубок, не смешиваясь с ней. После этого охлажденная вода насосами возвращается обратно в реактор. Таким образом, ключевая функция воды в первом контуре — это эффективный отвод тепла от ядерного топлива и его передача для дальнейшего использования.

Ответ: Кроме роли замедлителя нейтронов, вода в первом контуре реактора выполняет функцию теплоносителя — она отводит тепло от активной зоны и переносит его во второй контур.

6. Второй контур атомной электростанции представляет собой классический паротурбинный цикл, предназначенный для преобразования тепловой энергии в электрическую. Он изолирован от радиоактивного первого контура. В нем происходят следующие процессы:

1. В парогенераторе вода второго контура нагревается за счет тепла, полученного от воды первого контура. Она закипает и превращается в пар высокого давления и температуры.

2. Этот пар по паропроводам подается на лопатки турбины. Расширяясь, пар совершает работу, приводя во вращение ротор турбины. При этом происходит преобразование тепловой энергии пара в механическую энергию вращения.

3. Турбина соединена валом с электрогенератором. Генератор преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию, которая затем поступает в энергосистему.

4. Пройдя через турбину, пар теряет давление и температуру. Он поступает в конденсатор, где охлаждается водой из третьего (охлаждающего) контура (например, из водоема или градирни) и конденсируется, снова превращаясь в жидкую воду.

5. Конденсат (вода) с помощью насосов подается обратно в парогенератор, замыкая цикл.

Ответ: Во втором контуре реактора происходит нагрев воды до состояния пара, который вращает турбину электрогенератора, после чего пар конденсируется обратно в воду и цикл повторяется, преобразуя тепловую энергию в электрическую.

6. Какие процессы происходят во втором контуре реактора? Какие преобразования энергии происходят при получении электрического тока на атомных электростанциях?

5. Во втором контуре ядерного реактора, который является нерадиоактивным и изолирован от первого, происходят процессы, цель которых — преобразовать тепловую энергию в механическую. Эти процессы составляют замкнутый пароводяной цикл:

1. Нагрев и парообразование. В специальном теплообменнике, называемом парогенератором, вода второго контура получает тепло от горячего теплоносителя (например, воды под высоким давлением) из первого контура. Из-за этого нагрева вода во втором контуре закипает и превращается в пар высокого давления.
2. Расширение пара и вращение турбины. Полученный пар по паропроводам подается на лопатки паровой турбины. Расширяясь, струи пара давят на лопатки и приводят ротор турбины в быстрое вращение. На этом этапе внутренняя (тепловая) энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения.
3. Конденсация пара. Пройдя через турбину и отдав ей свою энергию, пар с пониженным давлением и температурой поступает в конденсатор. В конденсаторе он охлаждается водой из третьего (охлаждающего) контура, который может быть связан с рекой, озером или градирней. В результате охлаждения пар конденсируется и снова становится жидкой водой.
4. Возврат воды. Сконденсированная вода с помощью мощных насосов снова подается в парогенератор, и цикл начинается заново.

Ответ: Во втором контуре реактора происходит парообразование (вода превращается в пар в парогенераторе), работа пара (пар вращает турбину), конденсация (пар охлаждается и превращается обратно в воду) и перекачка воды насосами обратно в парогенератор.

6. При получении электрического тока на атомных электростанциях (АЭС) происходит следующая цепочка преобразований различных видов энергии:

1. Ядерная энергия → Тепловая энергия. Основа работы АЭС — управляемая цепная ядерная реакция деления тяжелых атомных ядер (например, урана-235) в активной зоне реактора. При делении выделяется колоссальная энергия связи ядра, которая, согласно соотношению Эйнштейна $E = \Delta m c^2$, переходит в кинетическую энергию осколков деления и нейтронов. Эта энергия быстро преобразуется в тепловую энергию, которая разогревает теплоноситель первого контура.
2. Тепловая энергия → Механическая энергия. Тепловая энергия от теплоносителя первого контура через парогенератор передается воде второго контура, превращая ее в пар. Пар под высоким давлением направляется на лопатки турбины. Потенциальная и внутренняя энергия сжатого и нагретого пара преобразуется в кинетическую энергию вращательного движения ротора турбины.
3. Механическая энергия → Электрическая энергия. Турбина соединена общим валом с ротором электрического генератора. Вращение ротора генератора в магнитном поле статора приводит к возникновению явления электромагнитной индукции. В результате механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию, то есть в обмотках генератора возникает электрический ток.

Таким образом, итоговая цепь преобразований на АЭС выглядит следующим образом: Ядерная энергия → Тепловая энергия → Механическая энергия → Электрическая энергия.

Ответ: На атомных электростанциях ядерная энергия, выделяющаяся в реакторе, преобразуется в тепловую энергию пара, тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения турбины, а механическая энергия в генераторе преобразуется в электрическую энергию.