ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ

ФИЗИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ
  • СОЗДАНИЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА
  • ЭФФЕКТИВНЫЙ КОЭФФИЦИЕНТ РАЗМНОЖЕНИЯ
  • НЕЙТРОННЫЙ ПОТОК
  • УСТРОЙСТВО РЕАКТОРА
  • ОТВОД ТЕПЛОТЫ В РЕАКТОРЕ
  • ТЕМПЕРАТУРНЫЙ РЕЖИМ
    ТЕПЛОВЫДЕЛЯЮЩЕГО ЭЛЕМЕНТА
  • УПРАВЛЕНИЕ РЕАКТОРОМ РЕГУЛИРОВАНИЕ
    МОЩНОСТИ РЕАКТОРА
  • АКТИВНАЯ ЗОНА В ПРОЦЕССЕ ЭКСПЛУАТАЦИИ
  • ОСНОВЫ РАДИАЦИАННЫЙ БЕЗОПАСНОСТИ
  • МЕТОДИЧЕСКИЕ УКАЗАНИЯ К ПРОВЕДЕНИЮ
    ПРАКТИЧЕСКИХ ЗАНЯТИЙ
  • Изменение нейтронного потока во времени
  • Мощность и кампания реактора
  • Контрольная работа № 1
  • Контрольная работа № 2
  •  

    ОСНОВНЫЕ ПОЛОЖЕНИЯ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ, ОПРЕДЕЛИВШИЕ СОЗДАНИЕ ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА

    Строение атома. Атом состоит из элементарных частиц, при этом внутри атома происходят весьма сложные физические процессы. Атом состоит из ядра и оболочки. Ядро заряжено положительно и представляет собой совокупность положительно заряженных протонов и электрически нейтральных нейтронов. Оболочка, заряженная отрицательно, состоит из электронов. Заряд электрона е- равен заряду протона е+, но противоположен по знаку. За единицу электрического заряда (элементарного единичного заряда) принято считать положительный заряд протона, равный 1,6∙10-19 Кл. Частицы могут быть заряжены положительно или отрицательно, но по значению заряд их обязательно кратен заряду протона (электрона).

     Положительный заряд ядра равен е+Z, где Z – порядковый номер элемента в Периодической системе элементов Д.И.Менделеева. Именно зарядом атомного ядра (следовательно, числом протонов) отличаются атомы одного элемента от атомов другого. Элементом называют вид атомов, ядра которых имеют одинаковый заряд. Порядковый номер элемента Z называют атомным номером или атомным числом.

     В обычных условиях число электронов в оболочке равно числу протонов в ядре, соответственно суммарный заряд ядра е+Z компенсируется суммарным зарядом электронов е-Z, поэтому атом электрически нейтрален.

     Структура атомного ядра. Атомное ядро состоит из Z протонов и N нейтронов. Масса протона в 1835 раз и нейтрона в 1837 раз больше массы электрона, вследствие чего почти вся масса атома сосредоточена в ядре. Ядро находится в центре атома и занимает очень малую часть объема атома.

     Массы покоя протона и нейтрона мало отличаются от атомной единицы массы и равны соответственно mр = 1,007276 а.е.м., mn = 1,008665 а.е.м. Общее название протона и нейтрона – нуклон. Количество нуклонов в ядре называют массовым числом и обозначают А = Z + N. Масса атома или ядра близка к значению А, выраженному в атомных единицах массы. Атомное ядро обозначают химическим символом самого элемента, которому оно принадлежит, а слева сверху химического символа писать массовое число А и слева снизу – атомный номер Z. Например, ядро обычного водорода состоит лишь из одного протона, следовательно, А = 1 и Z = 1, , ядро урана  плутония  и т.п.

     При качественном анализе атомы элементов также обозначают указанием названия элемента и его массового числа А: 16О, 238U.

     Не все атомы того или иного элемента, обладая одинаковыми химическими свойствами и зарядом (число протонов), имеют одинаковую массу. Это объясняется тем, что число нейтронов в ядре одного и того же элемента может быть различным и химическое свойство атомов от этого не меняется. Атомы, ядра которых имеют одинаковое число протонов, но разные числа нейтронов, а следовательно, одинаковый заряд, но различную массу, называют изотопами.

     Атомы, ядра которых состоят из точного определенного числа протонов и нейтронов и характеризуются ядерным энергетическим состоянием, называют нуклидами. Нуклид является изотопом соответствующего элемента.

     Размер ядра. Размер атома определяется внешним слоем электронной оболочки. Радиус орбиты электрона в атоме водорода составляет 0,46∙10-10 м, а радиус ядра атома водорода (протона) 1,4∙10-15 м. Ядра атомов других нуклидов можно представить как совокупность тесно упакованных нуклонов, заполняющих сферический объем V = ( 4 / 3 ) πR3. Тогда объем V прямо пропорционален числу нуклонов А. Отсюда следует приближенная формула для расчета радиусов ядер, м

      (3.1)

     Диаметр ближайшего к ядру слоя электронов примерно в 3∙104 раз превосходит диаметр ядра, поэтому диаметр атома в 104 – 105 раз больше диаметра ядра.

    Создание ядерного реактора обязано тому научному факту, что при делении тяжелых ядер (урана и плутония) выделяется большая энергия.

     При реакции около 90 % энергии высвобождается мгновенно: 84 % в виде кинетической энергии осколков деления, 3% - в виде гамма-лучей и 3 % приходится на энергию нейтронов деления. Нейтроны и гамма-лучи, испускаемые в момент деления, называются мгновенными. В среднем при делении одного ядра выделяется ~ 190 МэВ. При таком количестве энергии, приходящейся на один акт деления, энергия, выделяющаяся в случае «сжигания» 1 г урана, составит 7,8∙107 ккал.

     Другим важным научным фактом является то, что при делении ядра высвобождается несколько нейтронов. Это весьма важная особенность ядерной реакции. Действительно, если на один акт деления был «затрачен» один нейтрон, а в результате реакции образовалось несколько нейтронов, то вновь образовавшиеся нейтроны будут участвовать в ядерных реакциях и с определенной вероятностью могут вызвать деление ядер. Таким образом, создаются условия самоподдерживающейся стационарной или развивающейся реакции деления ядер. Образование нескольких нейтронов при делении ядра определило создание атомного оружия и развитие ядерной энергетики.

     Опытным путем были получены средние значения вторичных нейтронов ν для урана и плутония при делении их тепловыми нейтронами.

    Ядро

    ν

    2,58

    2,47

    3,05

     

     В некоторых случаях при делении излучения нейтронов не происходит, в других – может вылететь один, два или даже больше нейтронов, поэтому среднее число не является целым. Примером образования вторичных нейтронов может служить деление ядра  по схеме:

    .

    Конструирование и классификация реакторов существенно зависят от энергии нейтронов, которые участвуют в ядерных взаимодействиях с материалами активной зоны реактора. Средняя энергия нейтронов деления составляет 2 МэВ. Столкновения нейтрона с ядрами вещества, если при этом он не поглощается, приводит к снижению энергии нейтрона (уменьшению его скорости). В итоге нейтрон приобретает скорость, соответствующую скорости теплового движения ядер вещества. В этом случае говорят, что нейтрон достиг тепловой энергии (тепловой нейтрон).

     Распределение ядер по скоростям при тепловом равновесии, определяется спектром Максвелла. Значит и распределение тепловых нейтронов по энергиям будет характеризоваться этим спектром. При температуре 300 К наиболее вероятная скорость теплового движения нейтрона равна 2200 м/с, а соответствующая ей энергия теплового движения равна 0,025 эВ. 

     Подразделение реакторов на «тепловые» и «быстрые» является одним из основных принципов их классификации. Такое деление реакторов основывается на различных (в зависимости от энергии нейтрона) результатах взаимодействия нейтрона с ядрами изотопов урана (или плутония), а также с другими материалами активной зоны. Поэтому, чтобы нагляднее представить основу такой классификации, рассмотрим особенность деления ядра  и  при захвате ими нейтронов.

     Процесс деления обычно представляется на основе капельной модели ядра. Главные силы, действующие между элементарными частицами (протонами и нейтронами), называют обычно ядерными силами, имеют специфический характер.

     На рис. 3.1 показаны основные стадии процесса деления ядра   нейтрон приближается к ядру   (рис. 3.1, а), поглощается ядром   с образованием возбужденного составного ядра  (рис. 3.1, б). Далее через время порядка 10-14 с наступает распад составного ядра, который может идти по двум каналам: либо избыточная энергия выделяется в виде γ-излучения и ядро переходит в основное состояние, т. е. имеет место реакция радиационного захвата нейтрона, либо (примерно в 6 раз чаще) избыточная энергия приводит к деформации ядра с образованием перетяжки (рис. 3.1, в). Части ядра приходят в колебательное движение, и в результате превышения кулоновских сил отталкивания над силами ядерного притяжения ядро разрывается по перемычке на два новых ядра – осколки деления: тяжелый и легкий (рис. 3.1, г), представляющие собой ядра различных нуклидов, находящихся в средней части Периодической системы элементов. Осколки разлетаются с большой скоростью – на их долю приходится около 80 % энергии, выделяющейся в процессе деления. Двигаясь в веществе, осколки теряют свою энергию на ионизацию других атомов и молекул окружающей среды, и их кинетическая энергия переходит в энергию теплового движения частиц среды, т. е. идет на ее разогрев. Часть энергии, выделяющейся в процессе деления, переходит в энергию возбуждения новых ядер. Энергия возбуждения каждого из новых ядер существенно больше энергии связи нейтрона в этих ядрах, поэтому при переходе в основное энергетическое состояние они испускают один или несколько нейтронов, а затем γ-кванты. Нейтроны и γ-кванты, испускаемые возбужденными ядрами, называют мгновенными. Энергия мгновенных γ-квантов и нейтронов превращается в теплоту, часть мгновенных нейтронов поглощается ядрами среды, обычно в реакции радиационного захвата (n, γ) с испусканием γ-квантов радиационного захвата, энергия которых также переходит в теплоту.

    Возможность деления ядер изотопов урана определяется следующим. Энергия связи нейтрона в ядре, которую обозначим Еn, равна той энергии, которую необходимо подвести к ядру, чтобы «оторвать» нейтрон от ядра. Символически это положение запишется так:

     [МэВ]. (3.2)

    Такая же энергия будет подведена к ядру  при захвате им нейтрона. Эта энергия пойдет на возбуждение составного ядра

    Рис. 3.1. Основные стадии процесса деления ядра

     

    , например,  

    где «*» указывает, что ядро возбуждено, а энергия возбуждения Еn равна энергии связи нейтрона в ядре.

     Для того, чтобы ядро разделилось, необходимо к нему подвести энергию не ниже энергии порога деления Еn.д. Значения энергий порога деления и энергий, которые вносят нейтроны в составные ядра изотопов урана, приведены ниже.

    Ядро

    Епд, МэВ

    5,75

    5,85

    Еп, МэВ

    6,4

    4,76

     Из приведенных данных следует, что при захвате теплового нейтрона ураном-235, составное ядро урана-236 получает энергию возбуждения большую, чем энергия порога деления ядра.

     Таким образом, при захвате теплового нейтрона ядро урана-235 с определенной вероятностью может разделиться. Что касается составного ядра урана-239, которое образуется при захвате теплового нейтрона ураном-238, энергия возбуждения, внесенная тепловым нейтроном, оказалась меньше энергии порога деления, а, следовательно, ядро урана-238 при захвате теплового нейтрона не делится. Для того чтобы произошло деление при захвате нейтрона, собственно кинетическая энергия нейтрона должна быть не ниже 1 МэВ. В этом случае энергия возбуждения будет определяться энергией связи и кинетической энергией нейтрона.

     Зависимость ядерных реакций от энергии нейтрона и типа ядра, с которым взаимодействует нейтрон, сказывается на принципах конструирования ядерных реакторов [1, 3,6].

    Важной характеристикой взаимодействия нейтрона с материалами ядерного реактора является вероятность таких взаимодействий. В теории и расчетах реакторов в качестве такой характеристики принимают эффективные сечения.

     Микроскопическим эффективным сечением называют вероятность взаимодействия одного нейтрона с одним ядром рассматриваемого изотопа. Эта характеристика обозначается «σ» и имеет размерность см2. В таблицах значения микроскопических сечений чаще даются в «барнах» (1 барн = 1б =10-24см2). Величина σ хотя и имеет размерность см2, однако не является площадью, а отражает зависимость нейтронных взаимодействий с ядрами от большого числа факторов (типа ядра, энергии и нейтрона и энергии ядра, особенностей внутриядерных связей и др.).

     Значения микроскопических эффективных сечений приводятся обычно в справочных таблицах для тепловых нейтронов при энергии 0,025 эВ. Такие сечения называют стандартными.

    Вероятность ядерной реакции одного нейтрона с ядрами, находящимися в единице объема вещества, называют макроскопическим эффективным сечением. Если число ядер в единице объема N ядер/см3, то макроскопическое сечение, обозначаемое обычно Σ, будет равно:

     . (3.3)

    Тип ядерной реакции отражается соответствующим ей индексом:

    Σа = σаN – макроскопическое эффективное сечение поглощения;

    Σf = σfN – макроскопическое эффективное сечение деления;

    Σs = σsN – макроскопическое эффективное сечение рассеивания нейтронов.

     Рассмотрим условия, обеспечивающие осуществление цепной реакции.

     При одном акте деления урана, как отмечалось, образуется несколько нейтронов. Если бы все вновь образовавшиеся нейтроны использовались полезно, т. е. вызывали деление других ядер, то при наличии одного первичного нейтрона, мы получили бы лавинообразное нарастание реакции деления. Подобного рода реакции хорошо известны в химии, где они получили название цепных реакций. По аналогии с химией можно говорить о развитии цепной реакции в уране [1].

     Если рассмотреть чистый изотоп 235U, то такая реакция действительно может произойти, так как вероятность деления этого изотопа велика (σf = 590 барн), а на один захват нейтрона ядром выделяется в среднем два новых нейтрона (η = 2,07). Другие условия складываются для реакции деления в среде естественного урана. Основным изотопом естественного урана является 238U (99,3 %), а на долю 235U приходится всего 0,7%. Такие свойства 238U, как малая вероятность деления на быстрых нейтронах (σf = 0,47 барн), неделение при захвате нейтрона с энергией меньше 1 МэВ и сильное поглощение нейтронов в области «резонансных пиков» (Е = 7 ÷ 10 эВ), приводят к тому, что развитие цепной реакции в чистом естественном уране не осуществляется.

     Создание самоподдерживающейся реакции деления в смеси изотопов урана обеспечивается путем увеличения содержания 235U в этой смеси и применения замедлителя.

     С повышением содержания 235U в смеси (ростом обогащения) уменьшается резонансное поглощение нейтронов ядрами 238U и увеличивается вероятность поглощения нейтронов ядрами 235U с последующим делением.

     Сущность применения замедлителя состоит в следующем. Основным препятствием в развитии цепной реакции в естественном уране является резонансное поглощение нейтронов ядрами 238U. Следовательно, снижение доли резонансного поглощения привело бы к увеличению поглощения нейтронов ядрами 235U за областью резонанса, а, следовательно, к увеличению вероятности деления.

     Представим себе, что нейтрон, вылетевший в акте деления урана, до того как он встретится с ядром 238U будет замедлен до энергии, лежащей ниже резонансной, то в этом случае он избежит резонансного поглощения. Очевидно, что для достижения такого условия необходимо осуществить достаточно быстрое замедление нейтронов. Это замедление может быть достигнуто при столкновении нейтрона с легкими ядрами, введенными в урановую среду. Материалы, применяемые для этой цели, получили название замедлителей.

    АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ (АЭС)