Fizikos referatas
BRANDUOLINIAI REAKTORIAI
Branduoliniu (arba atominiu) reaktoriumi vadinamas įrenginys, kuriame sukeliama ir vyksta valdoma branduolių dalijimosi reakcija. Branduoliniame reaktoriuje urano 235, plutonio 239 ir urano 238 kontroliuojamai laiko ir kiekio atžvilgiais skaldosi į lengvesnius atomus, išlaisvindami didelį kiekį daug kinetinės energijos turinčių neutronų. Šie neutronai, palaipsniui atsitrenkdami į reaktoriaus pertvarų ar sienų atomų branduolius, turimą kinetinę energiją paverčia šilumine energija arba karščiu. Šiuo atveju branduolinio reaktoriaus pertvaros ir sienos tarnauja kaip atomų branduolių skilimo reakcijų sulėtintojai (moderatoriai) ir neutronu kinetinės energijos į šiluminę energiją pavertėjai.Reaktoriai statomi iš paprasto grafito su judamomis pertvaromis, padarytomis iš kadmio, boro plieno, berilio lydinių ir grafito. Tarp tokių pertvarų branduoliniame reaktoriuje yra vamzdžių pavidalo tuštumos, į kurias įleidžiama atitinkamo storumo cilindro formos atominio kuro kasetės. Po to atidaroma tik tiek reakcijos sulėtinimo pertvarų, kad tik galėtų prasidėti norimo stiprumo atominio skilimo reakcija. Uždarant pertvaras, kurios absorbuoja daugumą neutronų, vykusi atominio skilimo grandininė reakcija nutraukiama. Reaktoriaus sulėtinimo sienose ir pertvarose įtaisyta aušinimo sistema, kurioje cirk-uliuoja oras, angies dvideginis, paprastas ir sunkusis vanduo, sulydytas natris ar jo lydiniai. Įkaitinti vėsintuvai pereina per vandens supamą vamzdžių sistemą. Čia vėsintuvų karščio vanduo paverčiamas garais, kurie pagal karščio laipsnį sudaro didesnį ar mažesnį slėgį ir varo garo turbinas, o šios suka elektros srovę gaminančias dinamo mašinas.
Branduolinio reaktoriaus tūris priklauso nuo nuo atominio koncentracijos ir vėsinimo sistemos efektyvumo. Šie du veiksniai apsprendžia reaktoriaus dydžio ir jo galingumo santykį. Kadangi veikiant branduoliniam reaktoriui per 6% atomų skilimo išlaisvinamos energijos per reaktoriaus sienas patenka į išorę radioaktyvių spindulių pavidalu, todėl , kad apsaugoti nuo jų, tokie reaktoriai būna apgaubti storu ypatingo cemento kevalu. Tokio kevalo tūris yra keliolika kartų didesni už patį reaktorių. Povandeninių laivų ar lėktuvų branduoliniai reaktoriai apgaubti daug veiksmingesnėmis radioaktyvųjį spinduliavimą izoliuojančiomis medžiagomis (boro geležies lydiniais, kadmio ir švino plokštėmis ir t.t.).
Pagal paskirtį, branduoliniai reaktoriai skirstomi:1) energetiniai branduoliniai reaktoriai, kuriuose atomų branduolių energija paverčiama šilumine energija, o ši varo mašinas, tiesiogiai atliekančias darbą;2) atominio kuro reaktoriai, kuriuose gaunami neutronai arba β dalelės , vartojamos dirbtinio, koncentruoto atominio kuro gamybai.3) tyrimų branduoliniai reaktoriai, kuriuose gaunama stipri, bet maža ir lengvai kontroliuojama neutronų srovė. Čia gaunami neutronai išimtinai vartojami branduolinių reakcijų tyrimams, tyrinėti, kaip neutronai veikia gyvus audinius arba kokia jų įtaka įvairių technologinių medžiagų pasikeitimams. Kadangi visų tipų branduoliniai reaktoriai, esant ir geriausiai izoliacijai, gali paskleisti biologiškai žalingų spindulių, jie aptarnaujami iš patalpų, apsaugotų nuo šių spindulių, ir visa kontrolės bei apsaugos sistema yra mechanizuota.
Pirmąja urano dalijimosi grandininę reakciją įvykdė 1942m. gruodžio mėn. JAV mokslininkų kolektyvas, vadovaujamas Eriko Fermio. Sovietų Sąjungoje pirmas branduolinis reaktorius buvo paleistas 1946m. gruodžio 25d. Jį sukūrė fizikų kolektyvas, vadovaujamas Igorio Kurčiatovo.
Pagrindiniai branduolinio reaktoriaus elementaiPagrindiniai branduolinio reaktoriaus elementai yra branduolinis kuras ( ir kt.), neutronų lėtiklis (sunkusis arba paprastasis vanduo, grafitas ir kt.), šilumnešis (reaktoriui dirbant susidariusią šilumą perneša vanduo, skystas natris ir kt.) ir reakcijos greičio reguliatorius (į reaktoriaus aktyviąją zoną įkišami kadmio arba boro turintys strypai, kurie gerai absorbuoja neutronus)Iš išorės reaktorius padengtas apsauginiu betono su geležine armatūra sluoksniu, sulaikančiu γ spindulius ir neutronus.Geriausiai neutronus lėtina sunkusis vanduo. Paprastas vanduo pats absorbuoja neutronus ir virsta sunkiuoju. Geras lėtiklis taip pat yra grafitas, kurio branduoliai nesugeria neutronų. Branduolinio reaktoriaus veikimasKrosnyje vykdoma atomo branduolio skilimo kontroliuojama grandies reakcija. Vienintelė gamtoje randama medžiaga, kurios atomus galima suskaidyti, yra uranas 235, natūralaus urano238 izotopas. Suskaldomas uranas 235 sudaro 1/139 dalį gamtoje randamo urano. Jis išskiriamas iš natūralaus urano 238 difuzijos ir kitais metodais. Kai neutronas pataiko į urano 235 atomą, pastarasis suskyla į du lengvesnius atomus, atpalaiduoja didelį šilumos kiekį ir išmeta keletą greitų neutronų (vidurkis 2,5). Naujai atsiradę laisvi neutronai skaldo skaldo kitus urano 235 atomus, kurie išmeta naujus neutronus, skaldančius vis didesnį atomų skaičių. Tokiu būdu susidaro plintančios atominės reakcijos grandis. Atominėje bomboje ši reakcija išsiplečia staiga, o branduoliniame reaktoriuje ji vyksta lėtai ir ją galima kontroliuoti.
Kai vienas urano 235 svaras suskyla branduoliniame reaktoriuje, tai 0,001 svaro masė pavirsta šilumine energija, lygia 11 340 000 kWh arba 9 750 700 000 kg. kal., o likusią 0,999 svaro masę sudaro skilimo produktai, įskaičiuojant į ją ir išmetamų neutronų masę. Vieno megavato reaktorius sunaudoja 1,03 g urano 235 per dieną, arba, kitaip sakant, 140 g natūralaus urano. Vienas gramas skaldomo urano 325 duoda tiek šilumos, kiek 7000 svarų anglies. Branduolinis reaktorius gali vartoti kurui natūralų uraną, kurio 1/139 dalį sudaro suskaldomas uranas 235, ar natūralaus urano ir suskaldomo urano mišinį (toks kuras vadinamas praturtintu kuru), ar plutonį 239. Kai natūralus uranas bombarduojamas terminiais, t.y. labai lėtais neutronais, įvyksta dvi reakcijos: viena yra branduolio suskaldymas, o kita – neutrono prijungimas prie branduolio, kuris virsta uranu 239 paskleisdamas γ spinduliavimą. Šis naujas branduolys yra nepastovus ir, išmesdamas vieną elektroną, virsta neptuniu 239, nauju elementu, su naujomis cheminėmis savybėmis. Neptunis irgi nepastovus ir, išmesdamas taip pa vieną elektroną, virsta plutoniu 239, nauju elementu, kuris yra, praktiškai imant, pastovus. Be neptunio ir plutonio, atominė grandies reakcija atpalaiduoja 30 radioaktyvių branduolio skilimo produktų, tokių kaip baris, ksenonas, jodas ir t.t. Plutonis, panašiai kaip uranas 235, gali būti suskaldytas, todėl taip pat tinka atominiam kurui. Tokiu būdu netiesiogiai gali būti skaldomas ne tik brangus uranas 235, bet ir dalis neskaldomo urano 238, pirma pavertus jį plutoniu. Plutonis, skildamas ir išmesdamas neutronus, gali vėl pagaminti iš neskaldomo urano 238 tam tikrą kiekį naujo plutonio, kuris skildamas vėl gamina plutonį. Reaktorius, kuris kiekvienam svarui suskaldyto urano 235 pagamina ne mažiau kaip 1 svarą naujo kuro, vadinamas veisliu reaktoriumi. Natūralaus urano lėti neutronai suskaldo urano 235 branduolį, kuris išmeta greitus neutronus. Neutronai moderatoriumi sulėtinami, kad, virsdami lėtais neutronais, galėtų vėl suskaldyti kitus urano 235 branduolius. Lėti neutronai turi pakankamai jėgos suskaldyti branduolį, o greitieji lėčiau branduolio pagaunami. Neutronams lėtinti kuro kasetės apgaubiamos lėtikliais. Tam dažnai naudojamas grafitas, o šiuolaikiniuose suslėgto vandens reaktoriuose panaudojamas tas pats aušinimo vanduo. Greitieji neutronai, susidurdami su lėtiklio molekulėmis, kaskart praranda kinetinės energijos ir sulėtėja, taigi jie susidūrę gali sukelti aktyvesnį indukuotąjį dalijimąsi. Prasidėjus indukuotajam dalijimuisi , gali išsiskirti pernelyg daug neutronų ir reakcija gali tapti nevaldoma, todėl perteklinius neutronus reikia pašalinti, kad reakcija vyktų pastoviu greičiu ir būtų galima reguliuoti išskiriamos energijos kiekį. Tam į reaktoriaus šerdį kartu su kuro tabletėmis įdedami ir valdymo strypai, kurių medžiaga, pavyzdžiui, boras ar kadmis, absorbuoja neutronus. Reaktorius išskiria didelį šilumos kiekį mažoje erdvėje. Ta šiluma iškeliama iš reaktoriaus įvairiais aušinimo metodais ir naudojama pramonės tikslams, dažniausiai elektros energijai gaminti. Aušinimui vartojami skysčiai, dujos ar išlydytas metalas. Reaktoriaus aušinimui naudojamas paprastas vanduo, sunkusis vanduo, skystas natris, anglies dvideginio dujos, oras ar helio dujos. Reaktoriaus kuro papildymas ir išėmimas kuro radioaktyvių liekanų bei daug kitų operacijų turi būti atliekama iš tolo kontroliuojamais mechanizmais, kad personalas būtų apsaugotas nuo pavojingos radiacijos sklidimo. Aušinamojo skysčio vamzdžiai dėl skysčio radioaktyvumo turi būti gerai apsaugoti, kad skystis nepersisunktų. Radioaktyvių kuro liekanų sandėliavimas sukelia problemų, todėl jos dažniausiai užkasamos giliai į žemę arba sumetamos į jūrą, uždarytose plieninėse statinėse. Reaktorius gali pagaminti dirbtinius radioaktyvius izotopus, plačiai naudojamus mokslo ir technikos srityse. Tam tikslui į aktyvią zoną patalpinama įvairi medžiaga, kuri nuo neutronų bombardavimo tampa radioaktyvi. Kritinė masė Kritine mase vadinama mažiausia skylančios medžiagos, kuriai esant dar gali vykti grandininė branduolinė reakcija. Kai reaktorius mažas, per daug neutronų išlekia pro jo aktyviosios zonos (ten įstatyti urano strypai) paviršių. Padidinus sistemą, besidalijančių branduolių skaičius padidėja proporcingai tūrio padidėjimui, o išlekiančių iš reaktoriaus neutronų skaičius – proporcingai sistemos paviršiaus padidėjimui. Todėl, didinant sistemą, galima pasiekti daugėjimo koeficientą k 1 (daugėjimo koeficientas k = 1 tik tada, kai reaktoriaus matmenys, o kartu ir urano masė yra didesnė už tam tikras kritines vertes. Kai sistema turės kritinius matmenis, absorbuotų ir išlėkusių iš reaktoriaus neutronų skaičius bus lygus išsilaisvinusių dalijimosi procese neutronų skaičiui. Kritinius matmenis nulemia branduolinio kuro tipas, lėtiklis ir konstrukcinės reaktoriaus ypatybės. Reaktorius valdomas kadmio arba boro turinčiais strypais. Kai strypai ištraukti iš aktyviosios reaktoriaus zonos, k>1, kai įkišti iki galo, k<1. Stumiant strypus į aktyviosios zonos vidų, galima lėtinti grandininę reakciją.Štai kaip pasaulyje išsidėstę branduoliniai reaktoriai.Branduolinės energetikos problemosAtrodo, kad branduolinės energijos naudojimas išsprendžia daugelį problemų, sukeliamų naudojant tradicinį kurą, tokį kaip akmens anglis ar naftos produktai. Branduolinė energetika nesukelia šiltnamio efekto, atsirandančio dėl anglies dioksido, išskiriamo degant įprastiniam kurui, ir negamina tiek daug kitokių pavojingų sveikatai ir sukeliančių rūgščiuosius lietus dujų. Be to, žaliava branduoliniam reaktoriui ne taip greitai senkanti, kaip akmens anglis ar nafta. Tačiau branduolinė energetika kelia kitokių problemų. Nuolat yra tikimybė įvykti avarijoms, kurių metu radioaktyvios medžiagos gali išsiveržti į aplinką. Kyla problemų dėl branduolinio kuro atliekų laikymo ir atgyvenusių elektrinių uždarymo – šiais atvejais taip pat radioaktyvumas gali prasiskverbti į aplinką. Netgi neradioaktyvūs branduoliai, esantys reaktoriaus šerdyje arba jos aplinkoje, apšvitinti neutronų, tampa radioaktyviais. Dar radioaktyvesnės nei buvo prieš panaudojant tampa ir panaudotos kuro tabletės, nes jose lieka urano 238. Šis gali būti surinktas ir vėl panaudotas, bet didelė dalis reaktoriaus šerdies medžiagos vis dėlto yra pavojingi radioaktyvieji teršalai. Į radioaktyviuosius teršalus įeina ir labai aktyvūs trumpaamžiai ir ilgaamžiai izotopai. Šie teršalai turi būti laikomi specialiose saugyklose, laukiant, kol dauguma tokių izotopų suskils į stabilius ar bent jau mažiaus radioaktyvius. Nemažai problemų kelia ir pasenusios branduolinės elektrinės, kurias naudoti nėra ekonomiška. Didžiulės, nors ir silpnai radioaktyvios, jų konstrukcijos taip pat turi būti saugiai palaidotos betoniniuose apvalkaluose.
Naudota literatūra:G.Miakiševas, B.Buchovceavas FIZIKA 12Lietuviškoji Tarybinė EnciklopedijaInternetas(dabar nelabai prisimenu, bet taip pat labai daug medžiagos ėmiau iš kitos enciklopedijos (kažkokia amerikos lietuvių ar bostono) ir iš didelio vadovėlio FIZIKA 11 – 12 kl. 2 dalies.