Естествознание 11 класс
Урок 22 - Принцип действия ядерных реакторов.
мы узнаем:
- ядра каких атомов участвуют в реакциях в ядерных реакторах;
- типы ядерных реакторов;
- принцип действия ядерного реактора;
мы научимся:
- определять элементы ядерного реактора;
мы сможем:
- осознать зависимость между свойствами ядер, способных к делению и типом атомного реактора.
В ядерной энергетике используются реакторы на быстрых и на медленных нейтронах. Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая реакция деления ядер.
В реакторах на медленных нейтронах в качестве ядерного горючего используют природный уран (смесь изотопов), а в реакторах на быстрых нейтронах – обогащенный уран, в котором доля урана (235) больше 15%, с возможным добавлением плутония (239).
Основными элементами ядерного реактора являются: ядерное горючее, замедлитель нейтронов (тяжелая или обычная вода, графит и др.), теплоноситель для вывода энергии, образующейся при работе реактора (вода, жидкий натрий и др.), и устройство для регулирования скорости реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор — вещества, которые хорошо поглощают нейтроны). Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей γ-излучение и нейтроны. Оболочку делают из бетона с железным заполнителем.
Для устойчивой работы ядерного реактора необходимо поддерживать строго определенное количество вторичных нейтронов в рабочей зоне.
Природный ядерный реактор
В 1956 году ученый Пол Кадзуо Курода предположил, что в природе могут создаваться условия, при которых возможно протекание самоподдерживающейся реакции ядерного деления. В 1972 году физик Франсис Перрен обнаружил в урановом месторождении Окло в Габонской Республике природный ядерный реактор, в котором около 1,8 миллиарда лет назад происходила цепная реакция деления ядер урана.
Сейчас реакция прекратилась из-за уменьшения процентной концентрации изотопа урана-235. Рудные тела, где и происходила цепная реакция деления ядер урана, представляют собой линзовидные образования из уранинита диаметром около 10 м и толщиной до 90 см. Эти образования залегают в пористом песчанике.
В результате всех исследований и были открыты 16 точек, в которых миллионы лет назад протекала ядерная реакция.
Начало ядерной реакции в рудных телах в Окло стало возможным в результате уникального стечения физических условий. Так, в дельте реки образовался слой песчаника, обогащенный урановой рудой. Произошла тектоническая активность и этот песчаник, располагавшийся на базальтовом фундаменте, погрузился в землю на довольно большую глубину, постепенно растекался, а в трещины проникала грунтовая вода. Затем пласт песчаника снова поднялся до прежнего уровня. В итоге концентрация урана достигла критического уровня, и началась цепная реакция. В качестве замедлителя нейтронов выступила вода, которая кипела от выделяемого тепла и испарялась, приостанавливая таким образом реакцию. Ураноносная порода вновь охлаждалась, вода конденсировалась, а процесс ядерного деления возобновлялся.
Природный ядерный реактор в Окло является единственным естественным ядерным реактором на Земле, но ученые предполагают, что миллиарды лет назад на нашей планете таких реакторов могло быть очень много. В наше время возникновение природной цепной ядерной реакции невозможно из-за низкой концентрации урана-235 в его месторождениях, что объясняется радиоактивным распадом, но, например, около четырех миллиардов лет назад на планете концентрация этого изотопа составляла 19,2%, а уже около двух миллиардов лет назад – 3,7%.
