Ядерная энергия и механизм тепловыделения
Общие сведения.Ядерная энергия освобождается в виде тепловой в процессе торможения продуктов ядерного деления или синтеза атомных ядер, движущихся с большими скоростями, и поглощения их кинетической энергии веществом теплоносителя.
Полная энергия связи — энергия, необходимая для деления ядра на отдельные протоны и нейтроны, или энергия, выделяющаяся при синтезе ядра из отдельных протонов и нейтронов. Если известна масса т ядра, состоящего из Z протонов и А - Z нейтронов, то его полную энергию связи определяют по формуле
где тр — масса протона; тп — масса нейтрона; А — массовое число, равное числу протонов и нейтронов в ядре; с — скорость света.
Так, для 238U Eсв = 1780 МэВ, для кислорода Есв = 127,2 МэВ, для дейтрона, состоящего из одного протона и одного нейтрона, Есв= 2,2 МэВ.
Удельная энергия связи ядра — энергия, приходящаяся на один нуклон (общее название протона и нейтрона), для большинства ядер (с А = 50...90) примерно постоянна и составляет 8,5 МэВ.
В области тяжелых ядер она уменьшается, достигая значения 7,6 МэВ для урана. Таким образом, наиболее стабильными оказываются элементы с массовыми числами приблизительно от 20 до 200, поэтому энергетически выгодно производить деление тяжелых ядер и синтез легких. Чтобы освобождение ядерной энергии началось, надо подвести некоторую начальную энергию — энергию активации Еа.
Деление ядер нейтронами.Попытки освобождения энергии связи ядра путем бомбардировки его протонами и другими заряженными частицами оказались неудачными из-за противодействия кулоновских сил. Освобождение ядерной энергии стало возможным после открытия английским ученым Чадвиком нейтрона в 1932 г., которое базировалось на основе экспериментов, проводившихся немецкими учеными Бете и Беккером в 1930 г. и французскими учеными Ирен и Фредериком Жолио-Кюри в 1932 г. Не обладая зарядом, нейтрон оказался идеальным снарядом для деления ядер, открытого немецкими учеными Ганом и Штрассманом в 1939 г.
По скорости движения различают медленные (тепловые) нейтроны, энергия которых Еп = 0,03...0,5 эВ (скорость несколько тысяч метров в секунду), промежуточные — Еп = 1... 1×103 эВ и быстрые — Еп= 1×105 эВ и более.
Энергия активации зависит от вида ядер и применяемых «снарядов». Так, 235U, 233U и 239Ри делятся под действием тепловых нейтронов, a 232Th и 238U — при бомбардировке быстрыми нейтронами.
Не все нейтроны, направляемые на мишень, сталкиваются с ее ядрами, а из столкнувшихся не все вызывают соответствующую реакцию.
Если нейтрон не поглощается ядром, а только сталкивается с ним, он теряет часть своей энергии, т.е. замедляется. При замедлении (упругом и неупругом рассеянии энергии) быстрый нейтрон может стать промежуточным, медленным (или тепловым).
Процесс деления ядра проще всего представить с помощью капельной модели. В ядре-капле действуют противоположные силы: электростатическое (кулоновское) отталкивание протонов стремится разорвать ядро-каплю на составные части, а поверхностные силы, обусловленные ядерным взаимодействием нуклонов, противодействуют распаду ядра. Ядро, поглотившее нейтрон, возбуждается и, подобно жидкой капле, начинает колебаться.
Если нейтрон с кинетической энергией Wк захватывается делящимся ядром, то образующееся промежуточное ядро приобретает энергию возбуждения Wвозб, равную сумме кинетической энергии и энергии связи поглощенного нейтрона в промежуточном ядре. Если Wвозб > Еа,то ядро делится, если, напротив, Wвозб < Еа,, то энергия возбуждения передается какой-либо частице, испускаемой ядром. Так как энергия связи существенно зависит от того, является ли число нейтронов в ядре N = А - Z четным или нечетным, Бору удалось вывести правило (правило Бора), согласно которому ядра с нечетным числом нейтронов (большая Wвозб)в основном делятся тепловыми нейтронами, тогда как ядра с четным числом нейтронов (малая Wвозб) делятся только под действием быстрых нейтронов.
Цепные реакции деления ядерных топлив.Для возникновения цепной реакции необходимо, чтобы в каждом последующем акте деления участвовало больше нейтронов, чем в предыдущем. Делящиеся ядерные топлива являются однокомпонентными. Тепловые нейтроны поглощаются делящимися изотопами наиболее интенсивно. Поэтому в атомных реакторах нейтроны замедляются в специальных веществах — замедлителях — в воде, тяжелой воде, бериллии, графите и др.
Природный уран, добываемый из земной коры, содержит только 0,712 % 235U, делящегося при захвате тепловых нейтронов. Остальную массу составляет 238U, который обладает большим сечением захвата тепловых нейтронов, поэтому осуществить цепную реакцию с ними можно только при тщательном расчете системы топливо — замедлитель в реакторах очень больших размеров. Это приводит к необходимости обогащать природный уран добавлением в него 235U от 1 до 40 % для реакторов электростанций и от 2 до 80 % для реакторов транспортных установок.
В двухступенчатом режиме с воспроизводством топлива можно использовать 238U и 232Тr. Ни тот, ни другой не делится под действием тепловых нейтронов, но, захватывая быстрые нейтроны, они превращаются в делящиеся изотопы 239Ри и 233U (рис. 1.1). Таким образом, запасы ядерного топлива теоретически увеличиваются почти в 140 раз за счет энергии урана и ещев 2 — 3 раза за счет энергии тория. Однако с учетом различных потерь энергоресурсы возрастают только в 15... 25 раз. В расчете на это и планируется будущее ядерной энергетики (деления).
Рис. 1.1. Схема процессов воспроизводства ядерного топлива:
а — урановый цикл; б — ториевый цикл
Реакцию деления в общей форме можно записать так
Символ п означает нейтрон, а А1 и А2 — два осколка деления, представляющие собой радиоактивные многократно ионизованные атомы различных элементов из средней части периодической таблицы Д. И. Менделеева. В среднем за каждый акт деления 235U испускается (2,5 ± 0,1) нейтрона.
Распределение освобождающейся энергии между различными продуктами деления ядра 235U, Мэв:
Кинетическая энергия осколков деления …… 168
Энергия нейтронов деления.................... …… 5
Энергия мгновенного g-излучения......... …… 5
Энергия р-распада.................................. …… 7
Энергия фотонов g-распада осколков деления….. 6
Энергия нейтрино................................... …… 11
Всего......................................................... …… 202
Энергия, уносимая нейтрино, не может быть уловлена.
Кинетическая энергия продуктов реакции, попадающих в вещество теплоносителя, превращается в теплоту. Один килограмм ядерного топлива обеспечивает получение тепловой мощности 2000 кВт в течение года.
Ядерное топливо применяется в реакторах в виде металлических блоков, отличающихся высокой эффективностью использования нейтронов, хорошей теплопроводностью и высоким сопротивлением термическим ударам (внезапным изменениям теплового режима при включении и выключении реактора). Но твердое металлическое ядерное топливо имеет и ряд недостатков: низкую температуру плавления (tпл = 1133 °С), малую прочность; испытывает фазовые превращения при температуре до 600 °С, что не позволяет применять его в реакторах большой удельной мощности. Для устранения этих недостатков разрабатывают различные виды керамического ядерного топлива — двуокись урана UO2 (tпл = 2800 °С), карбид урана UC (tпл = 2700 °С), силицид урана USi2 (tплпл = 1700°С) и др.
Дата добавления: 2015-10-13; просмотров: 1518;