44.Ядролық реакторлар. Ядролық энергетика.

Ядролық реакторларда басқарылатын тізбектік бөліну реакциясы жұзеге асырылады. Тізбекті реакцияларды туғызатын нейтрондардың энергиясына қарай реакторлар баяу нейтрондық, аралық нейтрондық, жоғары нейтрондық болып бөлінеді.

Кезкелген реактор мынадай бөліктерден турады: а) активті өңір, ол әлбетте, нейтрондарды шағылтқышпен қоршалады; б) жылу тасығыш; в) басқару жүйесі; г) радиациялық қорған; д) басқа конструкциялық элементтер; е) алыстан басқаратын тетік.

Реактордың жұмысы кезінде мынадай оқиғалар орын алады: а) бөлінудің экзотермиялығынан жылу бөлінеді; б) ядролық отын жанады және қайта өндіріледі; в) активті өңірдің, күшті радиоактивті және нейтронды жұтуы мүмкін жарқыншақтармен ластануы; г) қорған мен конструкциялық материалдардың нейтрондармен ластануы олардың екінші реттік радиоактивтілігін туғызады және олардың физика-химиялық қасиеттерін өзгертеді.

Реактордың негізгі сипаттамасы - оның қуаты-оның уақыт бірлігінде өндіретін жылу энергиясының мөлшері. Оны мегаваттпен (10⁶ватт) өлшейді. Реакторлардың түрлері көп. Оларға тән құрылымдардың біреуінің үлгісі 6.3-суретте берілген.

Реактордың басты бөлігі активті өңір. Ода бөліну реакциясы өтеді, яғни энергия бөлініп шығады. Жылулық және аралық нейтрондық реакторларда активті өңір, әлбетте, бөлінбейтін изотоппен араластырылған отын мен баяулатқыштан турады. Жылдам нейтрондық реакторлардың активті өңірінде баяулатқыш болмайды.

Нейтрондардың ағып, сыртқа шығып кетуін азайту мақсатымен активті өңірді сфералық немесе оған жақын (мысалы, диаметрі мен биіктігі бірдей дерлік цилиндр немесе текше) пішінді жасайды.

Отын мен баяулатқыштың салыстырмалы орналасуына қарай гомогендік және гетерогендік реакторлар болады. Гетерогендік реакторлар көбірек таралған(6.3-cурет). Оларда активті өңір (1) баяулатқыштан (3) тұрады. Баяулатқышта жасалған қуыстарға (6) отын салынған кассеттер (4) орналастырылады. Осы қуыстар арқылы жылутасығыш та ағады. Жылу отын салынған кассеттерде бөлініп шығады. Осыдан оларды жылу бөлгіш элементтер (ЖБЭ) деп атайды. Реактордың жұмысы нейтрон жұтқыштардың (І) көмегімен басқарылады.

Нейтрондардың ағып шығып кетпеуінің ықтималдылығын арттыру үшін реактордың активті өңірін әртүрлі нейтрон шағылтқыштармен (2) қоршайды. Жылдам нейтрондармен істейтін реакторларда шағылтқыштың құрамына жылулық нейтрондармен бөлінбейтін, есесіне бөлінгіш изотоптарды қайта өндіруге қабылетті уран-238 немесе Th-232 изотоптарымен байытады. Мұндай шашыратқыштың альведосы кемиді, бірақ отынның қайта өндірілуін күшейтеді. Оны қайта өндіру өңірі деп атайды.

Активті өңірден энергияны жылу тасығыштың көмегімен шығарады. Жылу тасығыштарға қатаң талаптар қойылады: олардың жылу сыйымдылығы үлкен, нейтронды жұту қабілеті төмен, химиялық активтілігі төмен болуы тиіс. Бұл талаптардың бәрін бірдей қанағаттандыратын зат жоқ. Сондықтан, әртүрлі реакторларда әртүрлі (су, ауыр су, су буы, газ -⁴Не, сұйық натрий) жылутасығыштар қолданады.

Реакторлар қолданылуына қарай энергетикалық, өндірістік және зерттеу реакторы болып бөлінеді. Энергетикалық реакторларда ядролық отынның бөліну энергиясы энергияның басқа түріне айналдырылады. Өндірістік реакторларда бөліну кезінде шығатын басы артық нейтрондар жаңа изотоптар алуға пайдаланылады. Зерттеу реакторларында нейтрондар шоқтары материал зерттеуде және басқа физикалық және техникалық эксперименттерде қолданылады.

45.Жеңіл ядролар синтезі. Термоядролық реакциялар. Басқарылатын термоядролық синтез.Бұл тұрғыдан болашағы мол реакциялардың қатарына, көрші ядроларға қарағанда меншікті байланыс энергиясы үлкен ядросын синтездеу реакциясын және басқа ең жеңіл ядролардың синтезделу реакцияларын жатқызуға болады. Мысалы:

(7.1)

Ядролық бөліну кезінде бөлініп шығатын энергия (200МэВ) ядролық синтез кезінде бөлініп шығатын энергиядан ( 20МэВ) әлдеқайда көп сияқты. Осыған қарамастан термоядролық реакцияларға көп ықылас бөлінеді. Екі реакцияның тиімділігін анықтау үшін реакция кезінде бөлінетін жалпы энергияны емес, меншікті, оның бірлік массасына немесе бір нуклонға келетін энергияны қарастыру керек. Мысалы, уран-235-тің бір грамында дейтерийдің бір грамынан 235/2 есе кем ядро болады. Бір уран-235 ядросы бөлігінде 200МэВ-қа жуық энергия, ал екі дейтерий ядросының қатысуымен ядросынын синтезі кезінде орта есеппен 3,6МэВ энергия бөлініп шығады. Бұл ядролық синтез кезінде бөлініп шығатын энергияның ең азы деуге болады. Жоғарыда келтірілген басқа реакциялардың энергиясы одан көп. Осыдан 1 грамм отын жанғанда бөлініп шығатын меншікті энергия бұл екі процесс үшінбірдей дерлік. Екі құбылыс үшін де энергияның шығымы 23МВтсағ/г. Егер дейтерийдің 1 грамының бағасы уранның 1 грамының бағасынан 100 есе кем, және жер шарындағы дейтерийдің қоры сарқылмастай көп, ал бөлінетін заттардың қоры туралы олай деуге болмайтынын ескерсек, басқарылатын термоядролық реакцияларды іске асыру жолын іздестірудің экономикалық тиімді екені түсінікті болады. Термоядролық реакцияларда энергия өндіруді

(7.6) реакциясын макроскоптық мөлшерде іске асырумен байланыстырады. Бұл реакцияға ең кіші кулондық тосқауыл мен төменгі энергиялар кезінде ең жоғары қима тән. Кулондық тосқауылды жеңу үшін ядроларға жеткілікті жоғары энергия беру керек. Қазір термоядролық реакцияларды іске асырудың жалғыз мүмкіндігі реакцияға қатысатын ядролардың қоспасының температурасын, реакциялар іске асуға қажет жүздеген миллион Кельвинге дейін көтеру болып есептеледі. Мұндай температуралар кезінде кезкелген зат толық иондалған плазма күйіне көшеді. Сондықтан, термоядролық реакцияны іске асыру мәселесі ұзақ сақталатын жоғары температуралы плазма алудың технологиялық мәселесіне тіреледі. Плазманың көлем бірлігінде бірлік уақыт ішінде өтетін бірігу реакциясының саны (7.7) формуласымен беріледі. n_a мен n_b көлем бірлігіндегі реакцияға қатысатын ядролардың саны, -бірігу реакциясының ықтималдылығы. Ол реакцияның әсерлік қимасының бөлшектердің жылдамдығына көбейтіндісінің жылдамдық бойынша орташаланған мәніне тең(7.8)-тек температураға ғана тәуелді. Осылардан көлем бірлігінде уақыт ішінде бөлінетін энергия

(7.9) Егер бөлшек/см³, температура Т100кэВ (плазма физикасында температураны энергия бірлігі эВ немесе кэВ пен өлшейді; 1кэВ 11,610⁶К температураға сәйкес келеді) тритон мен дейтронның бірігу реакциясында бөлінетін энергия 10³Вт/(см³.с)-ға жуық. Басқарылатын термоядролық реакцияларда бөлініп шығатын энергия плазманы қыздыру мен ұстауға жұмсалатын энергиядан артық, ең болмағанда оған тең болуы тиіс. (7.8-7.9) формулаларынан өзін-өзі сүйемелдейтін термоядролық реакциялар өту үшін 3 шарт орындалуы керек: плазма қажет температураға дейін қыздырылған болу керек, плазманың тығыздығы жеткілікті жоғары болуы керек және жоғары температура мен тығыздық плазмада жеткілікті уақыт сақталуы тиіс. Көлем бірлігінде бөлшек бар плазманы Т температураға дейін қыздыру үшінэнергия жұмсау керек, мұнда-Больцман тұрақтысы. Сонда, термоядролық реактор жұмыс істеу үшін(7.10) шарты орындалуы керек.

Осыдан энергияның басқа шығындарын елемеген кезде реактордың орнықты жұмыс істеу шартын (7.11) түрінде жазуға болады. Мұндағы-функциясы плазмадағы жылу алмасу құбылысына тәуелді.-шамасы ұстау көрсеткіші деп аталады. Реакцияжағдайларда ғана өтеді. Осыларды ескеріп есептеулер өзін-өзі сүйемелдейтін дейтон-тритондық реакция үшін(7.12)

шарты қанағаттандырылуы керектігін береді. (7.12)-шарты Лоусон критериі деп аталады. d+d және d+реакциялары үшін лоусон критериі мынадай

(7.13)

Бұлар d+t реакциясының орындалуы ең оңай реакция екенін қостайды. Сонымен, басқарылатын термоядролық реакцияларды іске асыру үшін, Лоусон қритериін қанғаттандаратын плазма алу керектігі шығады. Лоусон критериінің орындалуын қамтамасыз етудің мынадай жолдары ұсынылды (d-t плазма үшін) . Жоғары (10⁸К) температуралық плазма алу үшін мынадай қыздыру механизмдерін қолдануға болады. а) Плазма арқылы тоқ өткенде бөлініп шығатын джоулдік жылуды пайдалану. Бұл механизм қыздырудың алғашқы кезендері үшін ғана пайдалы. Жоғары температуралар кезінде плазманың кедергісі күрт төмендеп кетеді. Осыдан плазмадан тоқ өту кезінде бөлінетін жылу мардымсыз болады.

б) Плазманы ол арқылы тоқ өткенде пайда болатын электродинамикалық күштердің көмегімен қысу. Бұл қысу плазмадағы параллель тоқ сызықтарының өзара тартылуынан (пинч-эффекттен) туады. Мұндай тез қысу кезінде қыздырудың екі түрі: адиабаттық қыздыру мен соғылу толқындары мен турбуленттік құбылыстардың әсерінен қыздыру орын алады. в) Жоғары жиілікті электромагниттік өріспен қыздыру. г) Бейтарап жоғары энергиялы атомдардың шоғымен қыздыру д) Қарқынды лазерлік нұрмен қыздыру е) Қарқынды электрон шоқтарымен қыздыру

Аталған әдістер плазманың температурасын жеткілікті деңгейге дейін көтеруге мүмкіндік береді. Сонда, мәселе Лоусон критериін қамтамасыз етуге, яғни плазмадағы бөлшектердің тығыздығы мен ыстық плазманы белгілі көлемнен шығармай ұстау  уақыты ұзақтығының көбейтіндісінің қажет м