Ядерное топливо. Ядерные реакции

Сущность цепной ядерной реакции. Распределение энергии деления ядра урана между различными продуктами деления. Виды и химический состав ядерного топлива. Массовые числа протона и нейтрона. Механизм цепной реакции деления ядер под действием нейтронов.
Краткое сожержание материала:

Размещено на

Размещено на

Ядерное топливо. Ядерные реакции

Цепная ядерная реакция представляет собой деление ядра на две части, называемые осколками деления, с одновременным выделением нескольких (2-3) нейтронов, которые, в свою очередь, могут вызвать деление следующих ядер. Такое деление происходит при попадании нейтрона в ядро атома исходного вещества. Образующиеся при делении ядра осколки деления обладают большой кинетической энергией. Торможение осколков деления в веществе сопровождается выделением большого количества тепла. Осколки деления - это ядра, образовавшиеся непосредственно в результате деления. Осколки деления и продукты их радиоактивного распада обычно называют продуктами деления. Ядра, делящиеся нейтронами любых энергий, называют ядерным горючим (как правило, это вещества с нечётным атомным числом).

Существуют ядра, которые делятся только нейтронами с энергией выше некоторого порогового значения (как правило, это элементы с чётным атомным числом). Такие ядра называют сырьевым материалом, так как при захвате нейтрона пороговым ядром образуются ядра ядерного горючего. Комбинация ядерного горючего и сырьевого материала называется ядерным топливом. Ниже приведено распределение энергии деления ядра ²³⁵U между различными продуктами деления (в МэВ):

Кинетическая энергия осколков деления	162
Кинетическая энергия нейтронов деления	5
Энергия г-излучения, сопровождающего захват нейтронов	10
Энергия г-излучения продуктов деления	6
Энергия в-излучения продуктов деления	5
Энергия, уносимая нейтрино	11
Полная энергия деления	~200

Природный уран состоит из трёх изотопов: ²³⁸U (99,282 %), ²³⁵U (0,712 %) и ²³⁴U (0,006 %). Он не всегда пригоден как ядерное топливо, особенно если конструкционные материалы и замедлитель интенсивно поглощают нейтроны. В этом случае ядерное топливо изготавливают на основе обогащённого урана. В энергетических реакторах на тепловых нейтронах используют уран с обогащением менее 6 %, а в реакторах на быстрых и промежуточных нейтронах обогащение урана превышает 20 %. Обогащённый уран получают на специальных обогатительных заводах.

Ядерное топливо делится на два вида:

§ Природное урановое, содержащее делящиеся ядра ²³⁵U, а также сырьё ²³⁸U, способное при захвате нейтрона образовывать плутоний ²³⁹Pu;

§ Вторичное топливо, которое не встречается в природе, в том числе ²³⁹Pu, получаемый из топлива первого вида, а также изотопы ²³³U, образующиеся при захвате нейтронов ядрами тория ²³²Th.

По химическому составу, ядерное топливо может быть:

§ Металлическим, включая сплавы;

§ Оксидным (например, UO₂);

§ Карбидным (например, PuC_1-x)

§ Нитридным

§ Смешанным (PuO₂ + UO₂)

Ядерное горючее - вещество, в котором протекают ядерные реакции с выделением полезной энергии. Различают делящиеся вещества и термоядерное горючее.

Делящиеся вещества (делящиеся материалы) содержат нуклиды, способные к ядерной цепной реакции деления; чаще всего это ²³⁵U₉₂ (уран) или ²³⁹Рu₉₄ (плутоний)_, также могут быть использованы ²³³U₉₂ или ²⁴¹Рu₉₄. Кроме того, в делящихся веществах присутствуют ²³⁸U₉₂ или ²³²Th₉₀ (торий), которые сами по себе не способны к самопроизвольной цепной реакции деления, однако в результате ядерных превращений под действием нейтронов могут быть превращены в нуклиды, способные к такому делению, т. е. в ²³³U₉₂ и ²³⁹Рu₉₄.

Пояснения: верхние цифры указывают на суммарное число протонов и нейтронов в ядре данного элемента, а нижние цифры - на количество протонов в ядре. Пример: ²³⁸U₉₂. В ядре данного элемента содержится 92 протона и 146 нейтронов. Протон имеет массу 1.00759 а.е.м. Нейтрон имеет массу 1.00898 а.е.м. Массовые числа протона и нейтрона округляются до 1. Следовательно, числа вверху в обозначениях элементов (233,235,238 ит.п.) -массовые числа элементов. Атомная единица массы (а.е.м.) равна 1/12 массы атома углерода; 1 а. е. м. ? 1,660 540 ?10^-27 кг. С другой стороны, 1 а. е. м. - это величина, обратная числу Авогадро, то есть 1/N_а. Такой выбор атомной единицы массы удобен тем, что молярная масса данного элемента, выраженная в граммах на моль, в точности совпадает с массой этого элемента, выраженной в а. е. м. Протон имеет заряд +1. Это означает, что заряд протона по величине равен заряду электрона [- 1,6? 10^-19 к ( кулон = А?с-ампер, умноженный на секунду), но со знаком плюс (+)].

Протон - это ядро атома нормального водорода ¹Н₁, т.е. в ядре нормального водорода содержится всего один протон ¹Р₁. У тяжёлого водорода - дейтерия ²Н₁ - в ядре содержится один протон и один нейтрон, а у сверхтяжёлого водорода-трития ³Н₁- в ядре содержится один протон и два нейтрона. Следовательно, можно сказать, что цифры внизу определяют заряд ядра, выраженный через заряд протона (это число одновременно является порядковым номером элемента в таблице Менделеева).

Примечание: запись ядер может быть и другой: ₉₂ ²³⁵U; ₉₂U²³⁵. Принципиального значения это не имеет. Иногда в ядерных реакциях число внизу (заряд ядра) опускается, оно постоянно для всех изотопов данного элемента и совпадает с порядковым номером элемента в таблице Менделеева. Массовое число (верхняя цифра) у разных изотопов одного и того же элемента различно.

Нуклиды ²³⁵U, ²³⁸U и ²³²Th - природные вещества, ²³³U, ²³⁹Pu и ^24lPu - искусственные. Входящий в состав делящихся материалов ²³⁵U - первичное ядерное горючее, это единственный из природных делящихся нуклидов. Его содержание в природном уране 0,7200%. ²³²Th, ²³³U, ²³⁸U, ²³⁹Рu ²⁴¹Рu -вторичное ядерное горючее.

В реакции деления ядерного горючего выделяется около 180 МэВ ( 1эв - электрон-вольт = 1,6 ? 10^-19к ?в = 1,6 ? 10^-19дж ) на один акт деления. Рассмотрим механизм цепной реакции деления. При делении тяжелых ядер под действием нейтронов возникают новые нейтроны. Например, при каждом делении ядра урана²³⁵ U₉₂ в среднем возникает 2- 4 нейтрона. Часть этих нейтронов снова может вызвать деление ядер. Такой лавинообразный процесс называется цепной реакцией.

Цепная реакция деления идет в среде, в которой происходит процесс размножения нейтронов. Такая среда называется активной зоной. Важнейшей физической величиной, характеризующей интенсивность размножения нейтронов, является коэффициент размножения нейтронов в среде k, равный разности количества нейтронов образующихся в одном акте деления и количества нейтронов, потерянных за счет поглощения, не приводящего к делению, или за счет ухода за пределы массы делящегося вещества.

Параметр k, таким образом, соответствует количеству актов деления, которое вызывает распад одного ядра. Если параметр k меньше единицы, то реакция деления не имеет цепного характера, так как количество нейтронов, способных вызвать деление оказывается меньшим, чем их начальное количество. При достижении значения k=1 количество нейтронов, вызывающих деление, а значит и актов распада, не меняется от поколения к поколению.

уран ядерный цепной деление нейтрон



Реакция деления приобретает цепной самоподдерживающийся характер. Состояние вещества, в котором реализуется цепная реакция деления с k=1, называется критическим. При k>1 говорят о сверхкритическом состоянии (реакция идёт в виде взрыва). В промышленном масштабах в качестве делящегося вещества в ядерном топливном цикле применяют ²³⁵U и ²³⁹Рu. Теплотворная способность делящихся материалов почти в 2?10⁶ раз выше, чем у бензина. Критическая масса - это минимальная масса делящегося вещества (ядерного горючего), обеспечивающая протекание самоподдерживающейся ядерной цепной реакции деления. Величина критической массы (Mкр) зависит от вида ядерного горючего и его геометрической конфигурации. Для ²³⁵ U при сферической форме Mкр=50 кг, для ²³⁹ Pu - 11 кг. При M> Mкр состояние системы надкритично и развитие цепной реакции может привести к ядерному взрыву. При M=Mкр состояние системы критично, это режим работы ядерного реактора.

Литература

1. Теплотехника - Баскаков А.П. 1991г.

2. Теплотехника - Крутов В.И...