Использование реакции деления в ядерной энергетике

Использование реакции деления уникально ещё и своим неимоверно бурным развитием. Только четыре года отделяют открытие реакции деления ядра (1938 г.) от практического осуществления первой цепной ядерной реакции (1942 г.).

Идеи, лежащие в основе работы ядерного реактора, можно понять, используя материал, изложенный в предыдущем параграфе. Основные элементы установки по производству ядерной энергии схематически показаны на рис. 8.9.

Деление урана в центральной зоне реактора самоподдерживается за счет цепной реакции. Энергия, высвобождаемая при делении, преобразуется в тепло. Тепло с помощью теплоносителя отводится в теплообменник, где энергия передаётся второй паровой системе и используется для вращения турбины и, таким образом, превращается электричество. Нас интересуют, прежде всего, процессы, происходящие в активной зоне реактора. Чтобы понять их, рассмотрим реактор на природном уране и графите.

Природный уран состоит из 99,3% ²³⁸U и 0,7% ²³⁵U. Только ²³⁵U подвергается делению на тепловых нейтронах. Но в результате деления рождаются в основном быстрые нейтроны. Для создания условий протекания цепной ядерной реакции, нужно замедлить испускаемые быстрые нейтроны до тепловых энергий. Это достигается за счет замедлителя в результате столкновений нейтронов с ядрами углерода.

При делении одного ядра ²³⁵U в среднем появляется n быстрых нейтронов. Некоторые из них до того как успеют замедлиться вызывают деление ядер, и такие события увеличивают число быстрых нейтронов, что можно учесть, введя коэффициент e. Из ne нейтронов, поступающих в замедлитель, лишь доля р (вероятность избежать резонансного захвата) остаётся в «живых» после замедления до тепловой энергии; остальные нейтроны будут захвачены замедлителем. Из оставшихся neр нейтронов лишь часть f (коэффициент «использования» тепловых нейтронов) будет захвачена ураном. Из общего числа neрf захваченных нейтронов часть s_f/s_t вызывает деление.

	Холодная вода

Рис. 8.9. Установка по производству ядерной энергии.

Таким образом, один акт деления вызывает вторичных актов деления. Коэффициент k называется коэффициентом размножения. Цепная реакция будет иметь место только в том случае, если k> 1. Типичные значения различных коэффициентов для реактора на природном уране и графите, взятом в качестве замедлителя, суть n =2,47; e =1,02; p =0,89; f =0,88; s_f /s_t =0,54. Таким образом, коэффициент размножения равен k =1,07. Это значение относится к бесконечному реактору; в случае конечного реактора часть нейтронов будет уходить из него, и поэтому k_эфф будет меньше k. В случае реактора на тепловых нейтронах существенным фактором для осуществления управления реактором является наличие запаздывающих нейтронов. Так как среднее время жизни запаздывающих нейтронов ~10 сек, доля запаздывающих нейтронов в общем их количестве ~1%, то, если k_мгнов=1,00 (цепная реакция на грани запуска), k_эфф =1,01. При этом удвоение нейтронов произойдёт лишь через время ~1000 сек.

Цепная реакция является основой всех ядерных реакторов. В настоящее время существует много различных типов реакторов, которые используются как для исследовательских целей, так и для получения радиоизотопов, а также для производства энергии.

Производство энергии, по-видимому, является наиболее важной функцией ядерных реакторов. Тем не менее, если все реакторы будут работать на уране, тогда существующие запасы урана будут израсходованы в течение нескольких десятилетий. Эту проблему, вероятно, можно преодолеть, если построить реакторы-размножители.

Размножение имеет место тогда, когда способного к делению материала производится больше, чем потребляется. Принцип действия таких реакторов был понят давно: ещё в 1944 г. Ферми и Цини начали проектировать первый реактор-размножитель. В качестве примера рассмотрим активную зону реактора, содержащую изотоп ²³⁵U в качестве топлива и воспроизводящий изотоп ²³⁸U. При делении ядра ²³⁵U тепловыми нейтронами возникает в среднем ~2,6 нейтронов. Один из этих нейтронов может после замедления вызвать деление другого ядра ²³⁵U, один может захватиться ядром ²³⁸U и привести к реакции

В результате захвата нейтрона воспроизводящим изотопом ²³⁸U образуются ядра ²³⁹Pu, способные к делению. В хорошо спроектированном реакторе-размножителе количество материала, способного к делению, может удваиваться за 7-10 лет.

В настоящее время ядерная энергетика обеспечивает 1/6 часть всемирного потребления электричества и наряду с гидроэнергетикой, составляющей чуть больше одной шестой, представляет собой важнейший источник безуглеродной энергии.