Инженерно-физические основы ядерной энергетики

В данном разделе дается краткий обзор физических процессов, определяющих современное состояние и направления развития ядерной энергетики на основе деления тяжелых ядер, в первую очередь урана. Часть этих процессов рассмотрена в гл. 2. Резюми­руем приведенные там результаты.

1. Единственным делящимся материалом, имеющимся в приро-

де, является изотоп урана U. В природной смеси изотопов урана содержится чуть более 0,7 % урана-235, остальная часть приходит­ся на уран-238 (и следы урана-234, см. табл. 5.1).

2. Именно на основе природных запасов урана-235 состоялось развитие ядерной энергетики.

3. Деление урана под действием нейтронов отличается неви­данным энергетическим выходом (калорийностью) - около 200 МэВ на одно ядро или 8,2-10¹³ Дж/кг. То есть калорийность урана в несколько миллионов раз выше калорийности углеводо­родного топлива (угля, нефти и газа).

4. В результате деления образуются два осколка неравной мас­сы, кинетическая энергия которых составляет основную долу энер­гии деления (более 83 %). Более тяжелый осколок имеет (в сред­нем) массовое число около 140 и энергию 87 МэВ, а более легкий осколок имеет массовое число около 95 и энергию 100 МэВ. Самое легкое и самое тяжелое ядра-осколки имеют массовые числа 72 и 161 соответственно. Осколки деления в результате кулоновского взаимодействия с окружающими атомами быстро тормозятся на расстояниях до 10 мкм в твердом топливе, и их кинетическая энер­гия преобразуется в тепло, вызывая разогрев топлива. Тепло, выде­ляемое в топливе, должно постоянно от него отводиться специаль­ным теплоносителем, чтобы избежать чрезмерного повышения температуры топлива и осуществить перенос тепла в другое место, где оно безопасно может быть преобразовано в другие полезные виды энергии. Например, в электроэнергию.

5. Деление ядра урана возбуждается одним нейтроном, а в ре­зультате деления образуется в среднем v = 2,5 - 4 новых нейтрона со средней энергией около 2 МэВ. Избыток нейтронов деления (превышение их числа над 1) служит физической основой: 1) цепной самоподдерживающейся реакции деления и 2) воспроиз­водства искусственного ядерного топлива.

6. Вероятность (сечение) деления урана-235 (и других нечетных изотопов) возрастает в тысячу раз при замедлении нейтрона, вызы­вающего деление, от высоких энергий (2 МэВ, характерных для нейтронов деления) до низких энергий, характерных для теплового движения при комнатной температуре (0,025 эВ). Это важное свой­ство реакции деления делает полезным замедление нейтронов в реакторе, так как позволяет осуществить цепную реакцию на при­родном (естественном, необогащенном) уране или на топливе, сла­бо обогащенном изотопом уран-235. Нейтроны с энергией порядка 0,025 эВ называют тепловыми. Реакторы с замедлителем нейтронов в активной зоне называются реакторами на тепловых нейтронах. Нейтроны замедляются в результате столкновения с легкими ядра­ми, поэтому для замедления нейтронов используют сравнительно недорогие вещества, содержащие легкие ядра и обладающие низ­ким сечением поглощения нейтронов: графит С, тяжелую воду D₂O или легкую (обычную) воду Н₂О.

7. Сырьевые материалы торий-232 и уран-238, запасы которых на Земле достаточно велики, при облучении быстрыми нейтронами превращаются соответственно в уран-233 и плутоний-239 благода­ря реакциям радиационного захвата нейтрона. Эти нечетные изото­пы, как и уран-235, являются делящимися от нейтронов любых энергий. Избыток нейтронов деления и реакции радиационного захвата нейтронов с образованием урана-233 и плутония-239 слу­жат физической основой реакторов на быстрых нейтронах с рас­ширенным воспроизводством ядерного топлива и существенного увеличения сырьевой базы ядерной энергетики на базе замкнутого ядерного топливного цикла.