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 т_р — масса протона; т_п — масса нейтрона; А — массовое число, равное числу протонов и нейтронов в ядре; с — скорость света.

Так, для ²³⁸U£_CB = 1780 МэВ, для кислорода Е_св = 127,2 МэВ, для дейтрона, состоящего из одного протона и одного нейтрона, Е_св = 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 Е_а.

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 Е„ = 0,03...0,5 эВ (скорость несколько тысяч метров в секунду), промежуточные — Е_п = 1... 1×10³ эВ и быстрые — Е_п= 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 W_K захватывается делящимся ядром, то образующееся промежуточное ядро приобретает энергию возбуждения W _возб, равную сумме кинетической энергии и энергии связи поглощенного нейтрона в промежуточном ядре. Если W _возб > Е_а, то ядро делится, если, напротив, Ж_возб < Е_г, 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 1¥_В02б) в основном делятся тепловыми нейтронами, тогда как ядра с четным числом нейтронов (малая W_bo₃₆) 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 ²³²Тп. 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 ещ е в 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 А_х 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 у-излучения......... 5

Энергия р-распада.................................. 7

Энергия фотонов у-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 (^ = 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 U0₂ (t_m = 2800 °С), карбид урана UC (t_m = 2700 °С), силицид урана USi₂ (t^ = 1700°С) и др.