Реакция деления ядер

Деление ядер - одна из важнейших для энергетики ядерных ре­акций, происходящих под действием нейтронов. Для тяжелых ядер с массовым числом А > 90 энергетически выгодно деление [2.14] - [2.18]. Оно происходит в несколько стадий. Сначала при поглоще­нии нейтрона образуется возбужденное ядро (отмечено звездоч­кой *)

Затем возбужденное ядро делится на два осколка - близкие по мас­се новые ядра с массовыми числами А₁ и А₂:

причем в ядерных превращениях сохраняются числа нуклонов и числа протонов: А + 1 = А₁ + А₂, Z = Z₁ + Z₂. Возбужденное ядро сначала как бы деформируется, приобретая вид гантели. Из-за ку- лоновского отталкивания обе части гантели (капли ядра) разлета­ются с большой скоростью. Спустя 10^-17 - 10^-14 секунды после об­разования осколков (т.е. практически мгновенно) последние испус­кают по 2 - 4 нейтрона и несколько гамма-квантов. Кинетическая энергия осколков и представляет собой основную часть энергии деления (около 80 %). Осколки деления, являясь достаточно тяже­лыми ядрами (Z = 40 - 50, А = 80 - 150), быстро замедляются в ве­ществе за счет торможения при кулоновском взаимодействии с ядрами и электронами вещества (ядерного топлива). Длина пробега осколков деления составляет: 5 - 7 мкм в металлическом уране, 10 мкм в алюминии, 20 мм в воздухе (1 мкм = 10^-6 м = = 10^-3 мм). Торможение осколков сопровождается разогревом ве­щества, которому передается энергия осколков. В конце пути тор­можения осколки превращаются в нейтральные атомы, которые принято называть продуктами деления. Некоторые из продуктов деления радиоактивны. Ядерное топливо, в котором замедляются осколки деления, может нагреваться до высокой температуры. По­этому топливо надо охлаждать, и передавать тепло теплоносителю, от которого затем нагревается вода паротурбинного цикла атомной (точнее, ядерной) электростанции.

Единственным делящимся материалом, имеющимся в природе, является изотоп уран-235. Реакцию деления урана под действием нейтрона упрощенно записывают так:

Здесь обозначено: f1+f₂ - два осколка деления (от английского fission - деление), v - число вторичных нейтронов n, образую­щихся при делении ядер. Средняя энергия нейтронов деления (вто­ричных нейтронов) - около 2 МэВ. Суммарная энергия, выделяю­щаяся в одном акте деления, составляет q = 200 МэВ = 32-10^-12 Дж. Эту величину можно назвать теплотворной способностью урана в расчете на акт деления. В расчете на 1 кг урана получим

q = 200-10⁶-1,6-10^-19/ (235-1,66-10^-27) = 82-10¹² Дж/кг.

Эта величина почти в 2,5 млн раз больше теплотворной способно­сти 1 кг углерода.

Принципиально важно, что в процессе деления урана образуется V = 2 - 4 новых (вторичных) нейтрона, которые могут разделить еще 2 - 4 ядра урана. Так возникает цепная реакция деления (каж­дое деление удваивает - утраивает число новых делений и порож­дает экспоненциальный рост числа делений со временем). Чем больше энергия налетающего нейтрона E_n, тем больше образуется при делении вторичных нейтронов.

Исключительно важной характеристикой деления (fission) явля­ется сечение деления Of. Сечение характеризует вероятность деле­ния при взаимодействии ядра с нейтроном данной энергии E_n. Се­чение численно равно площади такого круга (центр которого сов­падает с центром ядра), попадая в который нейтрон со 100 %-й вероятностью вызывает деление ядра. Для удобства часто исполь­зуют специальную единицу измерения сечения (площади) - барн (1 б = 10^-28 м² = 10^-24 см²). Сечение в 1 барн соизмеримо с площа­дью поперечного сечения ядер. Величина сечения существенно зависит от энергии нейтрона (рис. 2.12). Как видно, четные ядра (уран-238, торий-232) могут делиться только при взаимодействии с быстрыми нейтронами, кинетическая энергия которых превышает 1 МэВ. В этой области энергий сечение деления близко по величи­не к площади поперечного сечения ядер и составляет 1 - 2 барна. По отношению к делению эти нуклиды называют пороговыми, т.е. не способными поддержать цепную реакцию.

Нечетные нуклиды (уран-233, уран-235, плутоний-239) называ­ют делящимися, так как они могут делиться от нейтронов любых энергий, причем (и это важно!) вероятность деления возрастает почти в тысячу раз при уменьшении энергии нейтронов от 2 МэВ (нейтроны деления) до 0,025 эВ (комнатная температура). То есть в области тепловых энергий нейтронов сечение деления превышает площадь поперечного сечения ядер в сотни раз в силу квантово- механических законов. Это важное обстоятельство делает полез­ным замедление нейтронов в реакторе, т.е. снижение их кинетиче­ской энергии до тепловых энергий (соответствующих температуре активной зоны), так как позволяет в сотни раз повысить вероят­ность реакции деления и тем самым осуществить цепную реакцию на природном (естественном, необогащенном) уране. Для замедле­ния нейтронов в ядерных реакторах используют «разбавление» ядерного топлива веществом -замедлителем нейтронов: графи­том С, тяжелой водой D₂O или легкой (обычной) водой Н₂О. Реак­торы с большим количеством замедлителя нейтронов в активной зоне называют реакторами на тепловых нейтронах.

12. Сравнительная калорийность и экономичность источников энергии.

Калорийность. Под калорийностью, или энергоемкостью, в дан­ном контексте будем понимать количество энергии, которое можно получить из 1 кг топлива или с помощью 1 кг энергоносителя. Срав­ним энергоемкость (калорийность, теплотворную способность) раз­личных источников энергии: водяного колеса, каменного угля (угле­рода), ядерного топлива (урана), термоядерного топлива (дейтерия с тритием) и теоретический предел энергоемкости вещества.

Водяное колесо. Энергетической базой производства в течение примерно 15 веков служило водяное колесо. Оно обычно работало под напором воды не более h = 5 - 10 м. Потенциальная энергия массы воды m перед колесом составляет E = mgh. Отсюда энерго­емкость воды как энергоносителя составляет E/m = gh = = 50 - 100 Дж/кг.

Уголь. Переход к органическому (химическому) топливу благо­даря применению паровой машины, изобретенной в конце XVII в. и ставшей символом промышленной революции и прихода капита­лизма, с энергоемкостью (калорийностью) около 30 МДж/кг харак­теризовался скачком почти в миллион раз по сравнению с водяным колесом.

Уран. При делении ядра урана выделяется энергия q_u = = 200 МэВ = 3,2-10^-11 Дж. Масса ядра урана-235 составляет m_u = 235-1,66-10^-27 кг» 4-10^-25 кг. Энергоемкость (калорийность) урана равна qu /m_u = 0,82-10¹⁴ Дж/кг, что превышает калорийность лучших углей в 2 млн раз. Не исключено, что переход к широко­масштабному использованию ядерной энергии ознаменует собой новую промышленную революцию.

Теоретический предел энергоемкости вещества определяется теорией относительности по формуле E = mc², т.е. предельная энергоемкость вещества E/m = c² = 0,9-10¹⁷ Дж/кг всего в 1000 раз больше калорийности урана.

По-видимому, для практического применения нет топлива более калорийного, чем ядерное (и термоядерное).

Коэффициент энергоотдачи. Для сравнения различных источ­ников энергии и энергетических установок в работе [2.26] предла­гается сравнивать энергию Q_no.ny₄, получаемую из данной установ­ки, с совокупной энергией Q_3ATP, затраченной на это получение. Величина Q_3ATP включает и затраты на ликвидацию экологических ущербов от деятельности энергетической установки. Можно ска­зать, что Q_3ATP - это цена источника энергии, но выраженная не в рублях, а в энергетических единицах - джоулях или киловатт-часах или тоннах нефтяного эквивалента и т.п. Отношение полученной энергии к затраченной можно назвать коэффициентом энергоотда­чи источника энергии

Величина коэффициента энергоотдачи должна быть больше 1, и чем больше, тем эффективнее использование данного источника энергии. По оценкам [2.26], коэффициент энергоотдачи угольной и нефтяной энергетики в нашей стране за 10 лет (1980 - 1990 гг.) снизился соответственно с 5,2 до 3,5 и с 8,5 до 5,3 (без учета затрат на экологию).