Страница 307 - гдз по физике 9 класс учебник Пёрышкин, Гутник

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

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

Ядерный (или атомный) реактор — это устройство, в котором осуществляется управляемая самоподдерживающаяся цепная реакция деления тяжелых ядер с целью выработки энергии.

Основные части ядерного реактора:

• Активная зона — центральная часть реактора, где происходит цепная реакция.
• Отражатель нейтронов — окружает активную зону и возвращает в неё часть вылетающих нейтронов, что уменьшает утечку нейтронов и позволяет сэкономить ядерное топливо.
• Теплоноситель (например, вода, жидкий натрий) — вещество, которое проходит через активную зону, нагревается за счёт энергии реакции и передаёт эту тепловую энергию для дальнейшего использования (например, для вращения турбин электрогенератора).
• Система управления и защиты (СУЗ) — включает в себя управляющие и аварийные стержни, которые вводятся в активную зону или выводятся из неё для регулирования скорости реакции.
• Радиационная защита — система биологической защиты (обычно из бетона с железным наполнителем), которая окружает реактор и ослабляет ионизирующее излучение до безопасного для персонала и окружающей среды уровня.

В активной зоне реактора находятся:

• Ядерное топливо — вещество (чаще всего уран-235, $ ^{235}\text{U} $, или плутоний-239, $ ^{239}\text{Pu} $), в котором происходит реакция деления. Топливо обычно размещается в виде тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов).
• Замедлитель нейтронов — вещество (например, обычная или тяжелая вода, графит), необходимое для замедления быстрых нейтронов, образующихся при делении, до тепловых энергий. Медленные нейтроны с большей вероятностью вызывают деление ядер топлива.

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

2. В чём заключается управление реакцией деления в реакторе?

Управление цепной реакцией деления в ядерном реакторе заключается в регулировании скорости протекания реакции, то есть в изменении числа делений ядер в единицу времени. Это достигается за счет управления количеством нейтронов в активной зоне.

Ключевым параметром является коэффициент размножения нейтронов $k$. Этот коэффициент показывает отношение числа нейтронов в данном поколении реакции к числу нейтронов в предыдущем поколении.

• Если $k = 1$, реакция протекает в стационарном режиме (критическое состояние), мощность реактора постоянна.
• Если $k > 1$, интенсивность реакции нарастает (надкритическое состояние), мощность реактора увеличивается.
• Если $k < 1$, реакция затухает (подкритическое состояние), мощность реактора уменьшается.

Для управления коэффициентом размножения используется система управления и защиты (СУЗ). Основным элементом этой системы являются управляющие стержни, изготовленные из материалов, которые хорошо поглощают нейтроны (например, бор или кадмий).

Вводя стержни в активную зону, мы увеличиваем поглощение нейтронов, что приводит к уменьшению коэффициента $k$ и снижению мощности реактора. Выводя стержни из активной зоны, мы уменьшаем поглощение нейтронов, что приводит к увеличению коэффициента $k$ и росту мощности. Полное введение стержней в активную зону (в том числе аварийных) приводит к полному прекращению цепной реакции ($k < 1$) и остановке реактора.

Ответ: Управление реакцией заключается в регулировании её скорости путём изменения коэффициента размножения нейтронов $k$. Это достигается введением в активную зону или выведением из неё управляющих стержней, изготовленных из материалов, поглощающих нейтроны (бор, кадмий). Введение стержней уменьшает $k$ и замедляет реакцию, а их выведение увеличивает $k$ и ускоряет реакцию.

2. В чём заключается управление ядерной реакцией?

В активной зоне ядерного реактора, где протекает управляемая цепная ядерная реакция, находятся несколько ключевых компонентов: ядерное топливо (чаще всего уран-235, $^{235}\text{U}$, или плутоний-239, $^{239}\text{Pu}$), в котором происходит деление ядер; замедлитель (например, вода или графит), который снижает скорость нейтронов для повышения эффективности реакции; теплоноситель (например, вода, жидкий натрий), который отводит выделяющееся тепло; и регулирующие стержни (из бора, кадмия), которые поглощают нейтроны для управления реакцией. Часто одна и та же субстанция, например, вода, служит и замедлителем, и теплоносителем. Также активную зону может окружать отражатель нейтронов для уменьшения их утечки.

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

2. Управление ядерной реакцией заключается в контроле её скорости, что достигается за счет поддержания точного баланса нейтронов. Основным параметром является коэффициент размножения нейтронов $k$ — отношение числа нейтронов в данном поколении реакции к числу нейтронов в предыдущем. Если $k=1$ (критическое состояние), реакция самоподдерживается с постоянной мощностью. Если $k>1$ (надкритическое состояние), мощность растет, что необходимо для запуска реактора. Если $k<1$ (подкритическое состояние), реакция затухает, и мощность падает. Таким образом, управление реактором — это целенаправленное изменение коэффициента $k$ для достижения нужного режима работы. Это делается в основном путем введения или выведения из активной зоны специальных стержней, поглощающих нейтроны.

Ответ: Управление ядерной реакцией — это контроль за скоростью протекания цепной реакции деления путем изменения коэффициента размножения нейтронов $k$, чтобы поддерживать его равным единице для стабильной работы или изменять для изменения мощности реактора.

3. Регулирующие стержни являются главным органом управления ядерным реактором. Они сделаны из материалов, которые очень хорошо поглощают тепловые нейтроны (например, бор, кадмий, гафний). Перемещая стержни внутри активной зоны, можно изменять количество нейтронов, участвующих в цепной реакции. Их используют для запуска реактора (постепенно выводя их из зоны), для поддержания стабильной мощности (удерживая их в положении, где $k=1$), для изменения уровня мощности и для быстрой остановки реактора. В случае аварии или для плановой остановки стержни полностью вводятся в активную зону, они поглощают так много нейтронов, что цепная реакция прекращается ( $k$ становится значительно меньше 1).

Ответ: Регулирующие стержни нужны для запуска, остановки и регулирования мощности ядерного реактора путем поглощения нейтронов и, соответственно, изменения скорости цепной реакции.

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

Регулирующие стержни являются ключевым элементом системы управления и защиты (СУЗ) ядерного реактора. Их основное назначение — управление мощностью реактора и его безопасное глушение.

Регулирующие стержни изготавливаются из материалов, которые эффективно поглощают нейтроны, не претерпевая при этом деления. Чаще всего используются бор (в виде карбида бора $B_4C$), кадмий или гафний.

Принцип их действия основан на управлении коэффициентом размножения нейтронов ($k$). Этот коэффициент показывает отношение числа нейтронов в данном поколении цепной реакции к числу нейтронов в предыдущем поколении.

• Если $k > 1$, цепная реакция ускоряется (реактор надкритичен).
• Если $k = 1$, реакция протекает со стационарной скоростью (реактор критичен).
• Если $k < 1$, реакция затухает (реактор подкритичен).

Использование стержней:

• Для запуска и повышения мощности реактора: стержни постепенно извлекаются из активной зоны. Это уменьшает поглощение нейтронов, увеличивает их количество, участвующее в делении, и повышает $k$ до значения больше единицы. Когда достигается нужная мощность, стержни возвращаются в положение, при котором $k=1$.
• Для поддержания постоянной мощности: стержни находятся в промежуточном положении, обеспечивая критическое состояние ($k=1$). Их положение может автоматически корректироваться для компенсации изменений в реактивности, например, из-за выгорания топлива.
• Для снижения мощности и остановки реактора: стержни вводятся (погружаются) в активную зону. Они поглощают избыточные нейтроны, $k$ становится меньше единицы, и интенсивность реакции снижается. Для быстрой (аварийной) остановки реактора стержни (аварийной защиты) быстро и полностью вводятся в активную зону, что практически мгновенно прекращает цепную реакцию.

Таким образом, перемещая регулирующие стержни внутри активной зоны, операторы могут точно контролировать скорость цепной реакции и, следовательно, тепловую мощность реактора.

Ответ: Регулирующие стержни нужны для управления скоростью цепной ядерной реакции (и, следовательно, мощностью реактора) путем поглощения нейтронов. Ими пользуются, вводя их в активную зону для замедления или остановки реакции и выводя из нее для ускорения реакции или поддержания ее на заданном уровне.

4. Вещество-замедлитель в ядерном реакторе (например, вода, тяжелая вода, графит) имеет основную функцию — замедление быстрых нейтронов, образующихся при делении ядер, до тепловых энергий. При таких энергиях вероятность захвата нейтрона ядром урана-235 с последующим делением значительно выше.

Второй важной функцией, которую часто выполняет вещество-замедлитель, является функция теплоносителя. В наиболее распространенных типах реакторов, таких как водо-водяные (ВВЭР, PWR) и кипящие (BWR), в качестве замедлителя используется обычная («легкая») вода. Эта же вода циркулирует через активную зону, отводя от тепловыделяющих сборок (ТВС) огромное количество тепла, выделяющегося в результате реакции деления. Затем это тепло используется для производства пара, который вращает турбину электрогенератора.

Таким образом, вещество-замедлитель (в данном случае вода) выполняет две критически важные задачи одновременно: поддерживает цепную реакцию, замедляя нейтроны, и охлаждает реактор, отводя тепловую энергию для ее дальнейшего преобразования в электрическую.

Ответ: Вторая функция, которую часто выполняет вещество-замедлитель (например, вода в водо-водяных реакторах), — это функция теплоносителя, то есть отвод тепла из активной зоны реактора.

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

4. Решение

Вода в первом контуре ядерного реактора, помимо своей функции замедлителя нейтронов, выполняет еще одну критически важную роль — она служит теплоносителем.

В ходе цепной реакции деления тяжелых ядер (например, урана-235) в активной зоне реактора выделяется огромное количество тепловой энергии. Эту энергию необходимо постоянно и эффективно отводить, чтобы предотвратить перегрев и разрушение топливных элементов. Вода, циркулирующая по первому контуру под высоким давлением, проходит через активную зону, омывает тепловыделяющие сборки (ТВС) и поглощает выделяющееся тепло, нагреваясь при этом до высоких температур (около 300-330 °C).

Далее нагретая вода выносит эту тепловую энергию за пределы активной зоны. В реакторах типа ВВЭР (водо-водяной энергетический реактор) горячая вода из первого контура поступает в парогенератор. Внутри парогенератора она передает свое тепло воде второго контура, которая, в свою очередь, закипает, превращаясь в пар. Этот пар под давлением направляется на лопатки турбины, вращая её и соединенный с ней электрогенератор, который и вырабатывает электрический ток.

Таким образом, вода в первом контуре является ключевым звеном в процессе преобразования ядерной энергии в тепловую и ее последующей транспортировки.

Ответ: вторая функция воды в первом контуре реактора — это функция теплоносителя, то есть отвод и перенос тепла, выделяющегося в активной зоне в результате ядерной реакции, для его дальнейшего использования в производстве электроэнергии.

5. Какие процессы происходят во втором контуре .реактора?

Какие процессы происходят во втором контуре реактора?

Второй контур ядерного реактора (в типичной двухконтурной схеме, например, на АЭС с реакторами типа ВВЭР) предназначен для преобразования тепловой энергии, полученной от первого контура, в механическую энергию вращения турбины. Он изолирован от первого (реакторного) контура, что предотвращает попадание радиоактивных веществ в турбинный зал.

Основные процессы во втором контуре следующие:

1. Образование пара: В парогенераторе вода второго контура нагревается за счет тепла, переданного от теплоносителя первого контура (горячей воды под высоким давлением). Вода второго контура закипает и превращается в насыщенный или перегретый пар высокого давления.
2. Работа пара в турбине: Полученный пар по паропроводам поступает на лопатки паровой турбины. Расширяясь, пар совершает работу, приводя турбину во вращение.
3. Конденсация пара: Отработавший в турбине пар, потерявший значительную часть своей энергии и давления, поступает в конденсатор. В конденсаторе он охлаждается водой из третьего, технического контура (например, из пруда-охладителя или градирни) и конденсируется, снова превращаясь в воду.
4. Возврат воды в парогенератор: Конденсат (вода) с помощью насосов снова подается в парогенератор, и цикл замыкается.

Ответ: Во втором контуре реактора происходят следующие циклические процессы: нагрев воды и ее превращение в пар в парогенераторе, расширение пара в турбине с совершением механической работы, конденсация отработавшего пара обратно в воду и возврат этой воды в парогенератор.

6. Какие преобразо-

Предположим, что полный вопрос звучит так: «Какие преобразования энергии происходят при работе атомной электростанции?». Цепочка преобразований энергии на АЭС выглядит следующим образом:

1. Ядерная энергия → Тепловая энергия. В активной зоне реактора в результате цепной реакции деления тяжелых ядер (например, урана-235) высвобождается огромное количество энергии. Эта энергия, изначально представляющая собой кинетическую энергию осколков деления и различных излучений, преобразуется в тепловую энергию при их торможении в веществе тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов) и теплоносителе.
2. Тепловая энергия → Механическая энергия. Тепловая энергия от теплоносителя первого контура передается воде второго контура, превращая ее в пар. Этот пар, обладая большой внутренней энергией, поступает на турбину. В турбине внутренняя энергия пара преобразуется в кинетическую энергию вращения ротора турбины и связанного с ним генератора. Это механическая энергия.
3. Механическая энергия → Электрическая энергия. Электрический генератор, приводимый во вращение турбиной, преобразует механическую энергию вращения в электрическую энергию на основе явления электромагнитной индукции.

Таким образом, основная цепь преобразования энергии на АЭС: Ядерная энергия $→$ Тепловая энергия $→$ Механическая энергия $→$ Электрическая энергия.

Ответ: При работе АЭС происходит следующая последовательность преобразований энергии: ядерная энергия, выделяющаяся в реакторе, преобразуется в тепловую энергию теплоносителя; затем тепловая энергия пара преобразуется в механическую энергию вращения турбины; и, наконец, механическая энергия преобразуется в электрическую энергию в генераторе.

6. Какие преобразования энергии происходят при получении электрического тока на атомных электростанциях?

Какие процессы происходят во втором контуре реактора?

Второй контур ядерного реактора (например, в распространённых реакторах типа ВВЭР — водо-водяной энергетический реактор) является ключевым звеном, которое передает тепловую энергию от реактора к турбине и одновременно служит барьером, предотвращающим попадание радиоактивных веществ за пределы гермооболочки.

Основные процессы, циклически происходящие во втором контуре, включают:

• Нагрев и парообразование: Вода второго контура (теплоноситель) с помощью насосов подается в парогенератор. Внутри парогенератора она протекает по трубкам, которые снаружи омываются горячим радиоактивным теплоносителем из первого контура. За счет теплообмена вода второго контура нагревается и превращается в пар высокого давления. Важно, что среды первого и второго контуров не смешиваются.
• Работа пара в турбине: Образовавшийся нерадиоактивный пар по паропроводам поступает в паровую турбину. Под действием высокого давления пар расширяется и устремляется на лопатки турбины, заставляя ее ротор вращаться с большой скоростью. В этом процессе внутренняя энергия пара преобразуется в механическую работу.
• Конденсация пара: Пройдя через турбину и отдав ей свою энергию, пар поступает в конденсатор. Здесь он охлаждается водой третьего, технического контура (которая может забираться из реки, озера или охлаждаться в специальных башнях-градирнях). В результате охлаждения пар конденсируется и снова переходит в жидкое состояние (конденсат).
• Возврат конденсата в цикл: Полученный конденсат собирается и с помощью конденсатных и питательных насосов снова подается в парогенератор для повторения цикла.

Ответ: Во втором контуре реактора происходит циклический процесс: вода нагревается в парогенераторе за счет тепла от первого контура и превращается в пар; этот пар вращает турбину, затем охлаждается в конденсаторе, снова становясь водой, которая возвращается в парогенератор.

6. Какие преобразования энергии происходят при получении электрического тока на атомных электростанциях?

На атомной электростанции (АЭС) для получения электричества осуществляется последовательная цепь преобразований энергии, которая начинается с энергии, заключенной в атомных ядрах.

Основные этапы преобразования энергии:

1. Ядерная энергия $\rightarrow$ Тепловая энергия. В активной зоне реактора протекает управляемая цепная реакция деления ядер урана или плутония. При каждом акте деления высвобождается значительная энергия связи атомных ядер (ядерная энергия). Эта энергия выделяется в виде кинетической энергии осколков деления и нейтронов. Эти быстрые частицы тормозятся в материале топливных элементов (ТВЭЛов) и в теплоносителе, в результате чего их кинетическая энергия преобразуется во внутреннюю (тепловую) энергию. Теплоноситель первого контура сильно нагревается.
2. Тепловая энергия $\rightarrow$ Механическая энергия. Нагретый теплоноситель передает тепло воде второго контура в парогенераторе. Вода закипает, и ее внутренняя тепловая энергия преобразуется во внутреннюю энергию пара. Далее пар под высоким давлением направляется на лопатки турбины. Расширяясь, пар совершает работу, раскручивая ротор турбины. Таким образом, внутренняя энергия пара преобразуется в механическую энергию (кинетическую энергию вращения турбины и соединенного с ней генератора).
3. Механическая энергия $\rightarrow$ Электрическая энергия. Вращающийся ротор турбины приводит в движение ротор электрического генератора. В генераторе, основанном на явлении электромагнитной индукции, механическая энергия вращения преобразуется в электрическую энергию.

Таким образом, общая цепочка преобразований энергии на АЭС выглядит так:

$E_{\text{ядерная}} \rightarrow E_{\text{тепловая}} \rightarrow E_{\text{механическая}} \rightarrow E_{\text{электрическая}}$

Ответ: На АЭС происходит следующая последовательность преобразований энергии: ядерная энергия, высвобождающаяся в реакторе, преобразуется в тепловую энергию теплоносителя; тепловая энергия преобразуется в механическую энергию вращения паровой турбины; механическая энергия в генераторе преобразуется в электрическую.