Ядерный реактор

Размещено на http://www.allbest.ru/

Урок Ядерный реактор

Цель: познакомить учащихся с устройством и принципом действия ядерного реактора на медленных нейтронах.

Ход урока

I. Актуализация знаний (фронтальный опрос).

1. Объясните механизм протекания цепной ядерной реакции.

2. Приведите пример ядерной реакции деления ядра урана.

(см. лаборатории - ядерн. Превращения)

3. Какова природа ядерной энергии?

4. Дайте определение цепной ядерной реакции.

5. Что называется критической массой?

6. Как идет цепная реакция в уране, если его масса меньше критической, больше критической?

7. Чему равна критическая масса урана 295, можно ли уменьшить критическую массу?

8. Какими способами можно изменить ход цепной ядерной реакции?

9. С какой целью замедляют быстрые нейтроны?

10. Какие вещества используют в качестве замедлителей?

II. Изучение нового материала.

1. Характеристики изотопов

2. Формирование понятия коэффициент размножения нейтронов

Отношение числа нейтронов в произвольном поколении к числу нейтронов в предыдущем поколении.

К = 1Число нейтронов неизменно, реакция протекает

стационарно, управляемая.

К > 1Число нейтронов увеличивается, при К = 0,0066 -

К = 1,01 неуправляемый характер реакции, взрыв.

3. Знакомство с устройством реактора.(лаборатории ядерный реактор)

Ядерный реактор - устройство, в котором осуществляется цепная реакция ядерного деления.

Устройство:

* Активная зона с блоками ядерного топлива.

* Замедлитель (тяжелая вода, графит).

* Регулирующие стержни (бор, кадмий) - сильно поглощающие нейтроны.

* Теплоноситель (вода, жидкий натрий).

* Защитная оболочка, задерживающая излучения (бетон с железным наполнителем).

4. Принцип действия реактора.

1. Пуск реактора:

а) вносят источник первичных нейтронов;

б) возможно спонтанное деление по действиям космических лучей.

2. Регулировка реакции:

а) регулирующие стержни выдвинуты на условии К = 1;

б) по мере загрязнения активной зоны осколками деления стержни выдвигаются. ядерный нейтрон замедление аварийный

3. Защита от взрыва.

Имеются аварийные специальные стержни, введение их в активную зону немедленно прекращает реакцию.

4. Отвод тепла от топливных элементов.

Теплоноситель - вода омывает стержень, нагретая до 300°С при высоком давлении, поступает в теплообменники.

5. Роль теплообменника. Вода, нагретая до 300°С, отдает тепло обычной воде, превращается в пар.

II. Новый материал

Ядерные реакторы

Цепная ядерная реакция в реакторе может осуществляться только при определенном количестве делящихся ядер, которые могут делиться при любой энергии нейтронов. Из делящихся материалов важнейшим является изотоп 235U, доля которого в естественном уране оставляет всего 0,714%.

Ядерные реакторы в зависимости от взаимного размещения горючего и замедлителя подразделяются на гомогенные и гетерогенные. В гомогенном реакторе активная зона представляет собой однородную массу топлива, замедлителя и теплоносителя в виде раствора, смеси или расплава. Гетерогенным называется реактор, в котором топливо в виде блоков или тепловыделяющих сборок размещено в замедлителе, образуя в нем правильную геометрическую решетку.

При работе реактора в тепловыводящих элементах (твэлах), а также во всех его конструктивных элементах в различных количествах выделяется теплота. Особенность ядерного реактора состоит в том, что 94% энергии деления превращается в теплоту практически мгновенно, т.е. за время, в течение которого мощность реактора или плотность материалов в нем не успевает заметно измениться. Поэтому при изменении мощности реактора тепловыделение следует без запаздывания за процессом деления топлива. Однако при выключении реактора, когда скорость деления уменьшается более чем в десятки раз, в нем остаются источники запаздывающего тепловыделения (гамма- и бета-излучение продуктов деления), которые становятся преобладающими.

От реактора теплота отводится циркулирующим через него теплоносителем. Характерной особенностью реактора является остаточное тепловыделение после прекращения реакции деления, что требует отвода теплоты в течение длительного времени после остановки реактора. Хотя мощность остаточного тепловыделения значительно меньше номинальной, циркуляция теплоносителя через реактор должна обеспечиваться очень надежно, так как остаточное тепловыделение регулировать нельзя. Удаление теплоносителя из работавшего некоторое время реактора категорически запрещено во избежание перегрева и повреждения тепловыделяющих элементов

Устройство энергетических ядерных реакторов

Главным элементом ядерного реактора является активная зона. В ней размещается ядерное топливо и осуществляется цепная реакция деления. Активная зона представляет собой совокупность определенным образом размещенных тепловыделяющих элементов, содержащих ядерное топливо. В реакторах на тепловых нейтронах используется замедлитель. Через активную зону прокачивается теплоноситель, охлаждающий тепловыделяющие элементы. В некоторых типах реакторов роль замедлителя и теплоносителя выполняет одно и то же вещество, например, обычная или тяжелая вода. Для управления работой реактора в активную зону вводятся регулирующие стержни из материалов, имеющих большое сечение поглощения нейтронов. Активная зона энергетических реакторов окружена отражателем нейтронов - слоем материала замедлителя для уменьшения утечки нейтронов из активной зоны. Кроме того, благодаря отражателю происходит выравнивание нейтронной плотности и энерговыделения по объему активной зоны, что позволяет при данных размерах зоны получить большую мощность, добиться более равномерного выгорания топлива, увеличить продолжительность работы реактора без перегрузки топлива и упростить систему теплоотвода. Активная зона, отражатель и другие элементы размещаются в герметичном корпусе или кожухе, обычно окруженном биологической защитой.

Основной конструктивной деталью гетерогенной активной зоны является твэл, в значительной мере определяющий ее надежность, размеры и стоимость. В энергетических реакторах, как правило, используются стержневые твэлы с топливом в виде прессованных таблеток двуокиси урана, заключенных в оболочку из стали или циркониевого сплава.

В твэлах происходит генерация основной доли тепловой энергии и передача ее теплоносителю. Более 90% всей энергии, освобождающейся при делении тяжелых ядер, выделяется внутрь твэлов и отводится обтекающим твэлы теплоносителем. Энергонапряженность ядерного топлива очень высока. Удельное тепловыделение в активной зоне достигает 108-109 Вт/м3, в то время как в современных паровых котлах оно не превышает 107 Вт/м3.

Условия работы твэлов в значительной мере определяются конструкцией активной зоны, которая должна обеспечивать проектную геометрию размещения твэлов и необходимое, с точки зрения температурных условий, распределение теплоносителя. Через активную зону при работе реактора из мощности должен поддерживаться стабильный расход теплоносителя, гарантирующего надежный теплоотвод. Активная зона должна быть оснащена датчиками внутриреакторного контроля, которые дают информацию о распределении мощности, нейтронного потока, температурных условиях твэлов и расходе теплоносителя. При конструировании активной зоны должна быть предусмотрена возможность введения поглотителя нейтронов для прекращения Цепной реакции в любых случаях, связанных с нарушением охлаждения активной зоны.

Классификация реакторов.

Реакторы классифицируют по уровню энергии нейтронов, участвующих в Реакции деления, по принципу размещения топлива и замедлителя, целевому назначению, виду замедлителя и теплоносителя и их физическому состоянию.

В зависимости от способа размещения топлива в активной зоне реакторы делятся на гомогенные и гетерогенные.

В гомогенном реакторе ядерное топливо, теплоноситель и замедлитель (если они есть) тщательно перемешаны и находятся в одном физическом состоянии, т.е. активная зона полностью гомогенного реактора представляет жидкую, твердую или газообразную однородную смесь ядерного топлива, теплоносителя или замедлителя. Гомогенные реакторы могут быть как на тепловых, так и на быстрых нейтронах. Однако гомогенные реакторы имеют и серьезные недостатки. Гомогенная смесь циркулирующая по контуру, испускает сильное радиоактивное излучение, что требует дополнительной защиты и усложняет управление реактором. Только часть топлива находится в реакторе и служит для выработки энергии, а другая часть - во внешних трубопроводах, теплообменниках и насосах. Циркулирующая смесь вызывает сильную коррозию и эрозию систем и устройств реактора и контура. Образование в гомогенном реакторе в результате радиолиза воды взрывоопасной гремучей смеси требует устройств для ее дожигания. Все это привело к тому, что гомогенные реакторы не получили широкого распространения.

В гетерогенном реакторе топливо в виде блоков размещено в замедлителе, т.е. топливо и замедлитель пространственно разделены. В настоящее время для энергетических целей проектируют только гетерогенные реакторы. Ядерное топливо в таком реакторе может использоваться в газообразном, жидком и твердом состояниях. Однако сейчас гетерогенные реакторы работаю только на твердом топливе.

В зависимости от замедляющего вещества гетерогенные реакторы делятся на графитовые, легководные, тяжеловодные и органические. По виду теплоносителя гетерогенные реакторы бывают легководные, тяжеловодные, газовые и жидкометаллические. Жидкие теплоносители внутри реактора могут быть в однофазном и двухфазном состояниях. В первом случае теплоноситель внутри реактора не кипит, а во втором - кипит.

Реакторы, в активной зоне которых температура жидкого теплоносителя ниже температуры кипения, называется реакторами с водой под давлением, а реакторы, внутри которых происходит кипение теплоносителя, - кипящими.

III. Сообщения учащихся по теме «Применение ядерных реакторов».

1. Ерниязова Вера

2. Применение реакторов (Букаева Катя)

В зависимости от назначения ядерные реакторы бывают энергетические, конверторы и размножители, исследовательские и многоцелевые, транспортные и промышленные.

Ядерные энергетические реакторы используются для выработки электроэнергии на атомных электростанциях, в судовых энергетических установках, на атомных теплоэлектроцентралях (ТЭЦ), а также на атомных станциях теплоснабжения (АСТ).

Реакторы, предназначенные для производства вторичного ядерного топлива из природного урана и тория, называются конверторами или размножителями. В реакторе-конверторе вторичного ядерного топлива образуется меньше первоначально израсходованного.

В реакторе-размножителе осуществляется расширенное воспроизводство ядерного топлива, т.е. его получается больше, чем было затрачено.

Исследовательские реакторы служат для исследований процессов взаимодействия нейтронов с веществом, изучения поведения реакторных материалов в интенсивных полях нейтронного и гамма-излучений, радиохимических и биологических исследований, производства изотопов, экспериментального исследования физики ядерных реакторов.

Реакторы имеют различную мощность, стационарный или импульсный режим работы. Наибольшее распространение получили водо-водяные исследовательские реакторы на обогащенном уране. Тепловая мощность исследовательских реакторов колеблется в широком диапазоне и достигает нескольких тысяч киловатт.

Многоцелевыми называются реакторы, служащие для нескольких целей, например, для выработки энергии и получения ядерного топлива.

Заключение

Энергетическая проблема - одна из важнейших проблем, которые сегодня приходится решать человечеству. Уже стали привычными такие достижения науки и техники, как средства мгновенной связи, быстрый транспорт, освоение космического пространства. Но все это требует огромных затрат энергии. Резкий рост производства и потребления энергии выдвинул новую острую проблему загрязнения окружающей среды, которое представляет серьезную опасность для человечества.

Мировые энергетические потребности в ближайшие десятилетия будут интенсивно возрастать. Какой-либо один источник энергии не сможет их обеспечить, поэтому необходимо развивать все источники энергии и эффективно использовать энергетические ресурсы.

На ближайшем этапе развития энергетики (до 2000 г.) и первые десятилетия XXI в. наиболее перспективными останутся угольная энергетика и ядерная энергетика с реакторами на тепловых и быстрых нейтронах.

Сегодня масштабы потребления энергии цивилизаций даже второго класса выглядит фантастикой.

Однако можно надеяться, что человечество не остановится на пути прогресса, связанного с потреблением энергии во всевозрастающих количествах.

*Н. Вопросы на закрепление

- Что называют ядерным реактором?

- Что является ядерным горючим в реакторе?

- Какое вещество служит замедлителем нейтронов в ядерном реакторе?

Каково назначение замедлителя нейтронов?

- Что используется в качестве теплоносителя в ядерных реакторах?

IV. Итоги урока.

V. Домашнее задание: § 68.

Размещено на Allbest.ru