АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ (АЭС)

Ядра урана (₉₂U²³⁵), захватывающие тепловые нейтроны (₀n¹) с энергией порядка 0,03эв делятся, выделяя при этом большую энергию. Схема деления имеет вид:

₀n¹ + ₉₂U²³⁵→ ₉₂U²³⁶ → X +Y + 2-3 ₀n¹ + Q, (12-3)

где Q = 200-250Мэв, X и Y – фрагменты или осколки деления, ₉₂U²³⁶ – нестабильное ядро урана.

₀n¹ + ₉₂U²³⁵→ ₉₂U²³⁶ → ₅₆Ba¹⁴⁴ + ₃₅K⁸⁹ +3₀n¹ +Q₁;

₀n¹ +₉₂U²³⁵ → ₉₂U²³⁶→₅₅Cs¹⁴⁰ + ₃₇Rb⁹⁴ +2₀n¹ + Q₂.

Осколки деления в дальнейшем самопроизвольно распадаются до образования стабильных ядер:

₅₅Cs¹⁴⁰ → ₅₆Ba¹⁴⁰ →₅₇La¹⁴⁰ →₅₈Ge¹⁴⁰ →стабильное ядро;

₃₇Rb⁹⁴ →₃₈Sr⁹⁴ →₃₉Y⁹⁴ →₄₀Zr⁹⁰ → стабильное ядро.

Дефект массы исходного ядра урана и масс продуктов реакции положителен (Δm>0) и деление сопровождается выделением тепла. Причем Q=200-250Мэв (для сравнения при химической реакции горения (взрыва) тротила на один атом выделяется энергия порядка 10эв).

Ядро U-235 захватывает медленный нейтрон. Ядро приобретает при этом избыточную энергию. Эта энергия перераспределяется между всеми нуклонами ядра. Ядро подобно капле жидкости деформируется. Ядерные силы ослабевают. За счет кулоновского отталкивания ядро разрывается на части (осколки) с выделением энергии и 2-3 нейтронов.

В 1г урана-235 содержится 2,6 10²¹ ядер. При делении этих ядер можно получить 23,2Мвт час энергии. В то же время при сжигании 1г угля выделяется энергия 7-8вт час энергии. (1кг урана -235 по выделяемой энергии эквивалентен 670цистернам нефти. В 1-ой цистерне - 60тонн нефти)

Особенностью реакции деления ядер урана является выделение при распаде свободных нейтронов, что делает возможным осуществление цепной реакции.

Количество порождаемых нейтронов изменяется в геометрической прогрессии, т.е.

1 → 2 → 4 →8 →16 → 32 и т.д.

Условия цепной реакции:

1. m>m_крит, т.е. масса урана должна быть больше критической. Если масса урана - 235 меньше критической, то порождаемые при делении ядер нейтроны выводятся из реакции, не прореагировав с ядрами урана и реакция самопроизвольно затухает.

2. Урановая руда состоит из изотопов урана: U²³⁸ -99,27%, U²³⁵ – 0,72%, U²³⁴ – 0,01% и не годится для цепной реакции на медленных нейтронах. U²³⁸ – тепловые нейтроны захватывает и выводит их из реакции. Это ядро может делиться, но для этого необходимы быстрые (высокоэнергетические нейтроны). Т.е. для проведения реакции на медленных нейтронах урановую руду необходимо обогатить ураном -235.

3. При делении урана -235 нейтроны обладают достаточно высокой энергией и для ее снижения используются замедлители реакции деления. В качестве замедлителей используются – парафин, графит. Для прекращения реакции деления , вводятся вещества называемые поглотителями нейтронов (бор, кадмий).

Итак, при делении ядер урана -235 выделяется большая энергия. Этот факт привел к созданию атомной бомбы (см. рис.152)

Рис.152 Макет атомной бомбы

В бомбе имеются два куска почти чистого урана -235 (1). Это ядерный заряд, заключенный в металлической оболочке (2). В каждом куску происходит деление ядер при случайном попадании в ядро теплового нейтрона. Однако цепная реакция не развивается, т.к. каждый кусок имеет массу, меньше критической. В этом случае большое число нейтронов, выводится из реакции не прореагировав с ядрами. При объединении двух кусков в один масса урана становится больше критической. Объединение кусков должно быть быстрым, чтобы в реакцию включилось большое число ядер урана. С этой целью применяют обычное взрывчатое вещество (3) , с помощью которого выстреливают одним куском урана в другой. Таким образом, в атомной бомбе осуществляется неуправляемая цепная реакция.

Управляемая реакция происходит в ядерных реакторах. В реакторе создаются условия, при которых число нейтронов с течением времени практически не меняется, Следовательно, в единицу времени делится одно и то же количество ядер, т. В единицу времени выделяется определенная энергия.

Основными частями ядерного реактора являются активная зона – 1, система регулирований цепной реакции – регулирующие стержни -2, отражатель нейтронов -3, радиационная защита -4. В активной зоне протекает цепная реакция и выделяется энергия.

Рис. 153 Схема основных функциональных узлов АЭС.

Схематично активная зона показа на рис. 153 В активной зоне располагаются замедлители нейтронов -1, урановые стержни -2, которые являются тепловыделяющими элементами (ТВЭЛами). Для замедления нейтронов используется графит. При взаимодействии с ядрами графита нейтроны замедляются до тепловых скоростей. В этом случае нейтроны легко захватываются ядрами урана.

Регулирующие стержни -3 ( кадмий или бор) интенсивно поглощают нейтроны, поэтому введение стержней в активную зону позволяет управлять числом нейтронов в реакторе (либо автоматически поддерживать одно и то же значение выделяющейся энергии, либо прекратить цепную реакцию).

Через активную зону проходит трубопровод с теплоносителем 5. В качестве теплоносителя используется вода или металл с низкой температурой плавления ( например натрий с температурой плавления 98⁰С). Теплоноситель перемещается с помощью насоса 6. В теплообменнике 7 теплоноситель отдает энергию воде, превращая ее в пар. Пар направляется в турбину 8, соединенную с электрогенератором 9. Из турбины пар поступает в конденсатор 10, где превращается в воду, а затем вода превращается в пар и далее по многократому циклу.

В настоящее время в мире работают сотни АЭС. Первая АЭС в России введена в эксплуатацию в 1954г.

Основные технические данные реактора РБМК-1000.

РБМК (реактор Большой Мощности Канальный, цифра 1000 это 1000МВт электрической энергии).

Загрузка урана 235 – 192тонны.

Температура пара перед турбиной - 280⁰С.

Реактор размещается в бетонной шахте 21,6 х21,6 м2, высотой 25,5м.

Масса графитовой кладки (замедлитель) -1700тонн.

Число топливных каналов – 1693. Масса агрегата – 107тонн.

В настоящее время в атомной энергетике начинается постепенный переход на реакторы с быстрыми нейтронами (реакторы – размножители). При этом используется не уран-235, а уран- 238 (основной изотоп).

₉₂U²³⁸ + ₀n¹→₉₂U²³⁹ +γ → ₉₃Np²³⁹ + _-1e⁰ → ₉₄Pu²³⁹ +_-1e⁰ +Q. (12-4)

Экологические проблемы ядерной энергетики. Наряду с преимуществами (компактность топлива, отсутствие выбросов углекислого газа и других оксидов и т.д.) ядерная энергетика оказывает вредное влияние на биосферу Земли.

АЭС представляют только один элемент ядерной энергетики. Ядерный топливный цикл включает добычу руды, извлечение из нее урана, переработку уранового сырья в ядерное топливо, выгорание топлива в ядерном реакторе, транспортировка и регенерацию топлива, безопасное и вечное хранение отходов ядерной энергетики.

Наиболее энергоемкий и затратный процесс в топливном цикле – захоронение

отходов.