Тiзбектi ядролық реакция. Ядролық энергия жүйесi

Басқарылатын тiзбектi реакция алу, өте қажет нəрсенiң бiрi болып табылады. Ядроның тiзбектi бөлiну реакциясының сұлбасы 6.2-суретте көрсетiлген. Бiр нейтрон уран ядросына келiп соқтығысып соның нəтижесiнде Ва жəне Кr мен қосымша үш нейтрон бөлiнедi, оның бiреуi қоспаларда жұтылады немесе уран орналасқан көлемнен шығып кетедi де, екеуi қайта реакцияға қатысады. Осы екi нейтрон соқтығысу кезiнде уран ядроларынан бес нейтрон шығарады, оның екеуi қоршаған ортада жұтылып немесе сыртқа шығып, қалған үшеуi реакцияға қатысады. Егер уран, плутоний (немесе бөлiнетiн материал) ядросынан бөлiнетiн екiншi реттi нейтрондар қоспада немесе бөлiнетiн зат көлемi шегiнен шыққанға дейiн реакцияға қатысып нейтрондар саны шектеусiз өседi. Осылайша өздiгiнше реакцияға қатысатын нейтрондар саны арта бередi де, тiзбектелген ядролық реакция түзiледi. Егер осындай реакция шектелмесе, яғни осылай нейтрондар саны арта беретiн болса, онда ядролық қопарылыс болады. Атом бомбасы осы принципке негiзделген.

Егер тiзбектi реакция шектелiп, бiр жүйеде жұмыс iстейтiн болса, яғни бiрлiк уақыттағы реакцияға қатысатын нейтрондар санын белгiлi шамадан асырмай ұстасақ, онда бiрқалыпты тiзбектi реакция орындалады, яғни басқарылған тiзбектi реакция

~ 228 ~

аламыз. Мұндай реакция бейбiтшiлiк үшiн энергия алуға жұмсалады. Басқарылатын тізбекті реакция ядролық реакторларда іске асырылады.

6.2-сурет

6.3-сурет

Қазiргi кезде көптеген мөлшерде ядролық реакторларда уран изотоптарын (U²³⁵, U²³⁸, U²³⁹, Pu²³⁹) “ядролық отын” ретiнде

пайдаланады. Мысалы, жай нейтрондар əсерiнен жұмыс iстейтiн реактор сұлбасы (6.3-сурет) мынадай: В – бетоннан жасалған

~ 229 ~

дуал, СО – графит қабықшасы, Сd – кадмий таяқшасы, С – өте жақсылап тазаланған графит, U²³⁵ уран таяқшасы.

Мұндай реактордың жұмыс iстеу принципi төмендегiдей. Уран (U²³⁵) ядросынан жарықшақтар жəне нейтрондар бөлiнедi, əрі бiршама энергия бөлiп шығарады. Осы жаңа бөлініп шыққан нейтрондар - U²³⁸-ге жұтылмас үшiн жəне уран тұрған көлемнен шығып кетпес үшiн, уран таяқшасы таза графиттен жасалған каналға орналасады. Графит нейтрондарды баяулатады, сондықтан нейтрон бiр уран таяқшасынан екiншiсiне жылулық жылдамдықпен келiп жетедi.

Уран - 238, энергиясы 5эв шамасындағы нейтрондарды жұтады. Нейтрон баяулатқыш графит iшiнен өткенде оның энергиясы 5эв төмен болады. Сондықтан да нейтрон сол уран таяқшасына немесе оның басқа да таяқшасында уран-238-ге жұтылмай, уран-235 ядросы бөлінедi. Нейтрондардың осы уран орналасқан көлем шетiнен немесе реактордан шығып кетуiн қиындату үшiн, активтi зона айналасына СО – шағылдырғыш қойылады.

Тiзбектi реакция орындалу үшiн, ядролар бөлiну кезiндегi нейтрондардың ең кемiнде бiреуi тағы да реакцияға қатысып, уран ядросымен реакцияласуы керек (ол кризистiк шарт деп аталады).

Кризистік күй. Ядролық реакторда қандай жағдайда реакторлар кризистiк шартқа қол жеткiзуге болатынын қарастырайық.

Баяу процестерде нейтрондардың бiр бөлiгi көлемнен шығады немесе қоспада жұтылады. Нəтижесiнде бастапқы нейтрондардың р-бөлiгi қалады, яғни екiншi реттiк нейтрондар жылулық нейтронға np-айналады. Тəжiрибеде барлық жылулық нейтрондар U²³⁵-жұтылмайды, тек k-бөлiгi ғана (U²³⁵ жылулық

нейтронды қармау кезiнде, оның 85% ғана) жұтылады. Сонымен U²³⁵-ядросының бөлiнуiнің мүмкiн саны:

npk

мұндағы, ν – нейтрондарды көбейту коэффицентi деп аталады. Егер npk>1 болса, онда реакторда тiзбектi реакция

орындалады, ал npk<1 болса, онда тiзбекте реакция орындалмайды. Ал npk=1 болса, онда кризистiк шарт орындалады. Осы шарт орындалу үшiн p мен k-нiң сан мəндерi жеткiлiктi үлкен болу қажет. Ол үшiн реактор өлшемiн

~ 230 ~

сəйкестендiрiп, таңдап алу керек. Бұл дегенiмiз, нейтрондардың сыртқа шығып кетуiн жəне бөлiнбей жатып нейтрондар максималь жұтылып, кемiп кетуiн реттеу үшін қажет. Реактор өлшемi ν=1 шартқа жетсе, оны кризистiк өлшемдер деп атаймыз. Олар жүйеде U²³⁵ аз болған сайын жəне қоспадағы жұтылу көп болған сайын үлкен болады.

Алғашқы табиғи уранмен жұмыс iстейтiн реактордың өлшемi бiрнеше метр, ал уран мөлешрi 50 тоннаға жуық. Қазiргi байытылған уранмен жұмыс iстейтiн реакторлардың өлшемдерi бiршама кiшi. Оларда баяулатқыш ретiнде кəдiмгi су немесе ауыр су қолданылады. Бұл өте эффективтi баяулатқыш болып табылады.

Қазiргi кездерде шапшаң нейтрондармен жұмыс iстейтiн реакторлар iске асырылуда. Нəтижесiнде реактор жұмысында энергия бөлiну мен қатар плутоний пайда болады, оны ядролық отын ретiнде қолданады. Реакторларда одан басқа баяу нейтрондар мен аз мөлшергі плутоний алынады.

Қолданылуына байланысты реакторлар: нөлдiк қуатты реакторлар (яғни, қуаты өте аз, ваттың жүзден бiр бөлiктерi), ядролық реактордағы физикалық процестердi анықтауға арналған реакторлар, физикалық жəне техникалық мақсаттағы реакторлар, нейтрондардың күштi ағын алуға арналған реакторлар (салыстырмалы аз шамадағы қуатты, ол əртүрлi элемент изотоптарын сəулелендiру, жылу бөлiнетiн элементтердi зерттеу үшiн), энергия алу мақсатындағы реакторлар (атомдық электрстанцияда, атом кемесінде, т.б. энергия алатын қондырғыларда), көбейткiш-ядролық реакторлар (бұл жаңа бөлiнгiш изотоптарды жинақтайды) деп бөлінеді.

Ядролық отынды пайдалануына байланысты реакторлар мынадай типтерге бөлінеді: табиғи уранға арналған реактор, байытылған уран реакторы жəне таза изотоптар (уран, плутоний, торий) реакторы.

Нейтрондар спектрiне байланысты: баяу нейтронды реакторлар (жылулық, нейтрон энергиясы 0,025 эв), аралық нейтронды реакторлар (нейтрондар энергиясы бiрден-бiрнеше 1000 эв), жылдам нейтронды реакторлар (энергиясы 1 Мэв-тен жоғары) болып бөлінеді. Салқындатылуына байланысты: сумен, сұйық металмен жəне газбен салқындатылатын реакторларда қолданылады.

~ 231 ~

6.4-суре

6. 4-суретте атомд ық электрстанцияның принциптiк сұлбасы берiлген. Мұндағы

1 – атом реаторынан қорғанатын бетон қабырға, 2 – уран бар цилиндр, 2-3 – уран стержені, 5 – б локтағы суға батырылған, ол бiрмезгiлде баяулату жəне жылу тасымалдау қызметiн атқарады. Су үлкен қысымда б олады, сондықтан ол жоғары температураға (300⁰С) дейiн қызад ы. Осындай ыстық су реактордың активтi

арқылы реакторға қай тады. Қаныққан бу – 10, 11 – түтiк арқылы, 12 – б у турбинасына келiп, одан соңпайдаланылып, 13 – труба арқылы бу генерато рына – 8, қайта оралады. Турбина электр генераторын – 14 айналдырып, одан тог үлестiргiш қондырғыға берiледi, одан əрi сыртқы тұтынуш ыға таратылады. Реактордың

баражатса бұл тез төмен түсiредi, онд а тiзбектi реакц ия тоқтайды. Қ парылу сипат ындағы тiзбектi реакция атом бомбасында қолда нылады. Атом бомбасы екi массада U²³⁵ немесе Pu²³⁹ тұрад ы, тiзбектi реак ция орындалма тындай кризистiк өлшемнен аз аралықта орналасады. Содан соң урандық масса ың бiреуiнен жай қопарылыс жасалып, нейтрон ү лкен жылдамдықпен екiншi

артқанда қопарылғыш тiзбектi ядролық реакция орындалады.

~ 232 ~

Ядролық реактор арқылы өте үлкен мөлшерде энергия аламыз. Көптеген радиоактивті изотоптар медицинада, ауыл шаруашылығында, биологияда, өндiрiсте, т.б. негiзгi əртүрлi ғылыми техникалық өндiрiс саласында пайдаланылады.

Мысалы радиоактивті изотоптың аз мөлшерiн тiрi организмге орналастырып, оның қай жерде жүргенiн-қайда орналасқанын дозиметрлiк құрал арқылы өлшеу, радиоактивті изотоптың шығарған сəулеленуiн тiркеу əдiстерiмен немесе радиографтық əдiс бойынша анықталады. Осылар арқылы организмдегi зат алмасуы (белоктар алмасуы, витаминдер, менералдық заттар, т.б.) анықталады. Радиоактивті изотоптарды пайдалану арқылы жануарлардың қоректену процесiне байланысты көптеген негiзгi мəселелер анықталды. Сол сияқты көкөнiс клеткаларындағы негiзгi өмiр процестерiн, ондағы құбылыстарды көмiртектi фотосинтез арқылы анықтады.

Радиоактивті изотоптар медицинада кейбiр зиянды iсiктердi емдеу үшiн қолданылады (зиянды iсiк клеткалары радиактивтi сəуленi сау клеткаға қарағанда тез сезедi, содан соң тез ыдырайды).