Задание 3, страница 230 - гдз по физике 9 класс учебник Закирова, Аширов

Задание 3

Запишите основные части ядерного реактора, и их назначение.

Объясните выбор материалов для каждой части реактора.

Ядерный реактор состоит из нескольких ключевых частей, каждая из которых выполняет свою функцию и изготавливается из специально подобранных материалов.

Активная зона

Назначение: Это центральная часть реактора, где протекает управляемая цепная реакция деления ядер и выделяется тепловая энергия.
Активная зона включает в себя ядерное топливо, замедлитель и систему управления и защиты (регулирующие стержни).
Выбор материалов:
1. Ядерное топливо – источник энергии. Обычно это таблетки из диоксида урана ($UO_2$), обогащенного по изотопу $U^{235}$. Уран-235 способен к цепной реакции деления под действием тепловых нейтронов. Керамическая форма ($UO_2$) выбрана из-за высокой температуры плавления (~2800°C) и химической стойкости, что позволяет удерживать радиоактивные продукты деления внутри топливной таблетки.
2. Замедлитель – вещество, предназначенное для замедления быстрых нейтронов, рождающихся в реакции деления, до тепловых скоростей. Это необходимо, так как вероятность вызвать деление ядра $U^{235}$ у тепловых нейтронов намного выше. В качестве замедлителя используют материалы с легкими ядрами, которые эффективно отбирают энергию у нейтронов при столкновениях, но слабо их поглощают. Чаще всего это обычная вода ($H_2O$), тяжелая вода ($D_2O$) или графит. Вода и тяжелая вода одновременно могут служить и теплоносителями.
3. Регулирующие стержни – служат для управления скоростью цепной реакции и для ее экстренного прекращения (аварийная защита). Их изготавливают из материалов, очень хорошо поглощающих нейтроны. При введении стержней в активную зону они поглощают часть нейтронов, и реакция замедляется. При их извлечении – ускоряется. Материалами служат бор (часто в виде карбида бора $B_4C$), кадмий или гафний, выбранные за их чрезвычайно высокое сечение поглощения нейтронов.

Теплоноситель

Назначение: Жидкое или газообразное вещество, которое прокачивается через активную зону для отвода выделяющегося в ней тепла. Затем это тепло используется для генерации пара, который вращает турбину электрогенератора.
Выбор материалов: Материал должен иметь высокую теплоемкость, быть химически пассивным и слабо поглощать нейтроны. В большинстве энергетических реакторов (типа ВВЭР, PWR, BWR) теплоносителем является вода (обычная или тяжелая), которая одновременно выполняет и функцию замедлителя. В реакторах на быстрых нейтронах, где замедление не требуется, используют жидкие металлы (натрий, свинец), обладающие превосходной теплопроводностью. В высокотемпературных газоохлаждаемых реакторах применяют газы, например, гелий.

Отражатель нейтронов

Назначение: Слой материала, окружающий активную зону, который возвращает (отражает) вылетающие из нее нейтроны обратно. Это позволяет уменьшить утечку нейтронов, повысить эффективность их использования, а значит, уменьшить требуемое количество ядерного топлива и габариты активной зоны.
Выбор материалов: В качестве отражателя используются те же материалы, что и для замедлителя – графит, бериллий, тяжелая вода. Главное требование – материал должен хорошо рассеивать нейтроны, а не поглощать их.

Корпус реактора

Назначение: Прочный и герметичный стальной сосуд, в котором находится активная зона и теплоноситель. Он должен выдерживать высокое давление (до 160 атмосфер в реакторах ВВЭР) и температуру, а также интенсивное воздействие радиации на протяжении всего срока службы (40-60 лет).
Выбор материалов: Корпус изготавливают из специальных высокопрочных легированных сталей, устойчивых к радиационному охрупчиванию и коррозии. Толщина стенок корпуса может достигать 20-30 см. Внутренняя поверхность корпуса плакируется (покрывается) слоем коррозионно-стойкой нержавеющей стали.

Биологическая защита

Назначение: Система барьеров вокруг реактора, предназначенная для ослабления мощного потока нейтронного и гамма-излучения до уровней, безопасных для персонала атомной станции и окружающей среды.
Выбор материалов: Защита обычно представляет собой многослойную конструкцию. Основным материалом является тяжелый бетон, толщиной в несколько метров. Водород, входящий в состав воды в бетоне, эффективно замедляет и поглощает быстрые нейтроны, а тяжелые элементы (кремний, кальций, железо) хорошо поглощают гамма-излучение. Иногда в бетон добавляют специальные поглотители нейтронов (например, соединения бора) или тяжелые заполнители (стальная дробь, барит).

Ответ: Основными частями ядерного реактора являются активная зона (включающая топливо, замедлитель и регулирующие стержни), теплоноситель, отражатель нейтронов, корпус и биологическая защита. Выбор материалов для каждой части определяется их специфическими функциями в условиях высоких температур, давлений и интенсивного ионизирующего излучения: для топлива важна способность к делению ($U^{235}$); для замедлителя (вода, графит) – способность эффективно замедлять нейтроны; для регулирующих стержней (бор, кадмий) – способность поглощать нейтроны; для теплоносителя (вода, натрий) – высокая теплоемкость; для корпуса (сталь) – прочность и радиационная стойкость; для защиты (бетон) – способность поглощать излучение.