ОБЩИЕ ПОНЯТИЯ ОСНОВ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ.




Структура атомного ядра.

Атом любого вещества состоит из элементарных частиц. По структуре строения атома различают ядро и оболочку. Ядро атома состоит из положительно заряженных частиц – протонов и электрически нейтральных частиц – нейтронов. Поэтому ядро атома имеет положительный заряд. Оболочка атома образована электронами, несущими отрицательный заряд. По величине электрон и протон имеют одинаковый, но противоположный по знаку заряд е, равный по абсолютной величине 1,6∙10-19 Кл (кулона). В обычных условиях количество электронов в оболочке равно количеству протонов в ядре, поэтому атом электрически нейтрален.

Масса протона и нейтрона значительно больше массы электрона – в 1835 и 1837 раз соответственно. Поэтому атомный вес A (массовое число) элемента определяется массой ядра, т.е. суммой числа протонов Z и нейтронов N: А=Z+N. Положительный заряд ядра соответствует его атомному номеру(атомному числу) в периодической системе Менделеева и определяется числом протонов в ядре.

Химические свойства элемента определяются в основном его атомным номером, т.е. зарядом. У ряда тяжелых элементов при одинаковом числе протонов в ядре количество нейтронов может быть разным. Такие элементы, имеющие одинаковый заряд, но различный атомный вес из-за различного количества нейтронов в ядре, называются изотопами. Ядра легких элементов – с небольшим атомным весом, имеют обычно одинаковое количество протонов и нейтронов. Для тяжелых элементов (атомная масса выше 160, атомный номер выше 82) соотношение N/Z может достигать 1,5 и более. Тяжелые элементы с одинаковым атомным номером, т.е. с одинаковыми химическими свойствами, могут иметь неодинаковое количество нейтронов или протонов и, соответственно, атомную массу. Так природный уран имеет три изотопа U234. U235. U238. Ядра тяжелых элементов перенасыщены нейтронами, поэтому являются нестойкими и могут самопроизвольно делиться на два элемента с примерно вдвое меньшим атомным числом или испускать α-, β-, γ –частицы, образуя при этом новые элементы (радионуклиды).

Способность ядер элементов самопроизвольно распадаться с излучением элементарных частиц или делиться с образованием новых элементов, имеющих существенно меньшую атомную массу, называется радиоактивностью. Элементы, обладающие указанной способностью, считаются радиоактивными. К радиоактивным элементам принято относить все элементы с атомным номером более 82.

 

Радиоактивный распад

Процесс самопроизвольного деления ядер элементов, сопровождающийся излучением элементарных частиц, называется радиоактивным распадом. Радиоактивный распад подчиняется вероятностным закономерностям: отношение числа распадов ядер в единице массы определенного нуклида (элемента) за единицу времени к общему количеству ядер этого нуклида в данной его массе есть постоянная величина и называется постоянной радиоактивного распада (постоянной распада). Обозначается λ, с-1. Если принять общее количество ядер в данной массе элемента равным N, количество распавшихся ядер за время dt равным dN, то получим

(Х.х1)

Знак минус означает уменьшение со временем количества ядер исходного вещества при радиоактивном распаде. После интегрирования получим

, (Х.Х2)

где N0 – количество ядер в начальный момент отсчета.

Уравнение (Х.Х) представляет математическое выражение закона радиоактивного распада, физическая сущность которого состоит в том, что существует вероятность того, что в течение одной секунды произойдет распад какого-либо ядра в данной массе вещества, при этом величина вероятности равна постоянной распада λ.

Радиоактивный распад характеризуется также величиной, называемой периодом полураспада – это время, в течение которого количество радиоактивных ядер в данной массе вещества уменьшится в два раза. Из (Х.Х) получим

(Х.Х3)

где τ = λ-1 – среднее время существования радиоактивных ядер. Соответственно, чем больше постоянная распада λ, тем быстрее произойдет распад ядер. Период полураспада для каждого вещества является вполне определенным и изменить его невозможно. Так период полураспада 1 г радия составляет 1602г., франция - 5 минут, астатина - 2,1∙10-2c.

В зависимости от вида частицы, испускаемой ядром атома при радиоактивном распаде, различают α-распад, β-распад и γ –излучение.

При α-распаде радиоактивное ядро излучает два протона и два нейтрона, т.е. α-частица идентична ядру атома гелия (Не ) и в 4 раза тяжелее ядра атома водорода –масса α-частицы mα = 4,0026 а.е.м. При α-распаде образуется «дочерний» элемент с атомным весом на 4 единицы меньше исходного элемента и с зарядом (атомным номером) на две единицы меньше. Схема α-распада может быть представлена схемой

(Х.Х4)

где X – ядро исходного атома; Y – ядро вновь образовавшегося элемента;

Ер – полная энергия распада. Для элементов с атомной массой А > 200 Ер = 4…9 МеВ (1еВ =1,6 ∙ 10-19 Дж или 1Дж = 6,25∙1018 еВ). Такой энергетический потенциал соответствует скорости вылета α-частицы из ядра в диапазоне 10…20тыс. км/с. Эта энергия позволяет α-частице в воздухе пролететь не более 9 см, израсходовав кинетическую энергию на ионизацию среды. В мягких биологических тканях пробег α-частицы не превышает нескольких десятков микронов. Присоединяя на своем пути электроны α-частицы превращаются в атомы гелия.

β-распад характеризуется выбросом из ядра малых частиц, по массе равных электронам, но в отличие от электрона они могут иметь отрицательный или положительный β + заряд. В первом случае считается, что произошло излучение электрона, во втором – позитрона. При β-распаде кроме электронов (позитронов) излучаются также нейтрино ν и антинейтрино , которые являются электрически нейтральными малыми частицами, практически не взаимодействующими с веществом.

-распад происходит в случае избытка в ядре нейтронов по сравнению с равновесным состоянием ядра. В этом случае в результате - распада нейтрон превращается в протон, а из ядра излучается электрон и антинейтрино:

Таким образом в результате -распада в ядре на единицу уменьшается число нейтронов, на единицу увеличивается число протонов. Образовавшийся при этом радионуклид имеет порядковый номер на единицу выше, атомный вес остается без изменения.

При -распаде протон ядра преобразуется в нейтрон, при этом происходит излучение позитрона и нейтрино:

В результате -распада увеличивается на единицу число нейтронов в ядре, число протонов уменьшается на единицу. Новый радионуклид будет иметь номер на единицу меньше, атомный вес – без изменения, т.е. А1=А. Масса β-частиц примерно в 7000 раз меньше массы α-частиц, скорость движения приближается к скорости света. Освободившийся позитрон аннигилирует с электроном внешней оболочки ядра. При этом выделяется γ-кванты с энергией 1,02 МеВ. Пробег β-частиц в атмосфере порядка 20 м, в воде – 2,5см.

γ-излучение возникает в условиях возбужденного состояния ядра, которое характерно для «дочерних» ядер. Освобождение излишней энергии происходит путем γ-излучения, сходного по природе со световым и радиоволновым излучением. Основное отличие в том, что γ-излучение имеет очень малую длину волны – порядка 10-10 м, благодаря чему обладает наибольшей проникающей способностью по сравнению с другими видами излучений. Поэтому оно является жестким электромагнитным излучением, требующим существенных затрат защитных материалов. Так если для нейтрализации α-частиц достаточно резиновых перчаток, полной нейтрализации β -частицы с начальной энергией 5МеВ достаточно слоя свинца 2,5 мм, то для γ-частицы с энергией 2МеВ требуется слой свинца порядка 0,2 м.

 

Ядерные реакции.

 

Ядерной реакцией называется процесс перестройки ядра атома, происходящий в результате расщепления или слияния ядер, спонтанного преобразования ядер или преобразования ядер, вызванного их бомбардировкой элементарными частицами.

Ядерные реакции, как правило, проходят в две стадии: на первой стадии происходит поглощение ядром бомбардирующей частицы с образованием нового «возбужденного» ядра. Время существования такого ядра очень мало – 10-12 – 10-14 с. На второй стадии происходит распад образовавшегося ядра с излучением другой элементарной частицы. Если происходит излучение той же бомбардирующей частицы, то вместо ядерной реакции произошло рассеивание.

Нейтронная реакция деления атомного ядра происходит при бомбардировке ядер тяжелых элементов нейтронами и радиоактивном захвате нейтрона ядром элемента. Возникновение такой реакции существенно зависит от скорости движения нейтрона: чем она выше, тем ниже вероятность захвата. С другой стороны, чтобы началось деление ядер U238, нужны нейтроны очень высоких энергий. U235 делится нейтронами любых энергий. Появляющиеся при делении U235 нейтроны имеют скорость порядка 20000 км/с. Но эта скорость быстро гасится при столкновении с ядрами урана, поэтому реакция деления не возникает. В то же время U238 может захватывать нейтрон, при этом образуется нестойкий элемент U239, который претерпевает β-распад с образованием трансуранового элемента нептуния Np239, который также не является стойким - испускает β-частицу и превращается в следующий трансурановый элемент – плутоний Pu239, который обладает способностью делиться аналогично U235.

Чем ниже скорость, тем больше зона захвата ядра (рис.Х.1), и тем больше вероятность возникновения реакции распада. Поэтому для замедления нейтронов используются различные замедлители – легкие элементы, которые не поглощают нейтроны, но при столкновении с их атомами энергия нейтронов теряется. В качестве замедлителей могут использоваться вода, тяжелая вода (D2O), графит, бериллий (Ве). При скорости нейтронов порядка 30 км/с происходит их захват ядрами U238 с последующей цепочкой их деления.

n0
 
2
Рисунок Х.1. Строение атома и зоны захвата нейтронов: 1- зона захвата при высоких скоростях нейтронов в потоке, 2- зона захвата при низких скоростях нейтронов, n0 – поток нейтронов.

 

Ядерный реактор

Ядерные реакции в силу выделения при их протекании значительного количества теплоты и радиационного излучения требуют для их осуществления специальные устройства. Такие устройства называются ядерными реакторами и представляют собой специальные энергетические установки, предназначенные для организации и протекания управляемой цепной реакции деления ядер некоторых тяжелых элементов, в результате которой освобождается ядерная энергия, преобразуемая в тепловую.

Ядерное топливо.

В природе встречаются три вида изотопов урана: U238 – около 99% всего ископаемого урана, U235 – 0,714%, и U234 - остальное. Из перечисленных делятся только атомы U235. Распадаются также изотопы урана U233 и Pu239 (плутоний), которые нарабатывается при распаде тория (Th) и природного урана U238 и обладают свойствами, аналогичными U235.

Основным делящимся элементом в большинстве современных энергетических реакторов являются ядра урана, а именно - изотопа с атомной массой 235. При облучении урана U235 потоком нейтронов реакция деления может пойти по двум направлениям:

1) Осколки деления + 2…3 n0

U235 + n0

2) U236 (не делится)

Наиболее вероятным путем развития реакции является первый, при котором образуются более мелкие осколки – легкие элементы, а также выделяются 2-3 свободных нейтрона, из которых участвует в дальнейшей реакции деления как правило один n0, поскольку остальные поглощаются более легкими продуктами деления и конструкционными материалами. Для того, чтобы реакция не прекращалась, в идеале нужно иметь один свободный нейтрон. При распаде 1 г U235 выделяется 86,4∙106 кДж энергии, что равно количеству теплоты, полученному при сжигании 3тонн условного топлива.

Реакция распада природного урана U238 при поглощении нейтрона имеет следующую схему:

U238 + n0 => U239 - β- => Np239 – β- => Pu239

tpac = 23.5 мин. tpac = 2,3сут.

 

В результате деления ядер урана в реакторе происходит выгорание исходного ядерного топлива, накопление продуктов деления и наработка нового ядерного топлива. Отношение масс вновь накопленного и выгоревшего называется коэффициентом воспроизводства топлива КВ:

КВ =

КВ важная эксплуатационная характеристика реакторов, по его величине судят об эффективности работы реактора. Другая характеристика работы реактора – коэффициент размножения kp

kp = ,

где Nn1 – количество нейтронов данного поколения, Nn0 – то же предыдущего поколения. При kр = 1 – реактор находится в так называемом критическом состоянии и работает с постоянным энерговыделением. При kр > 1 – реакция деления расширяется, энерговыделение возрастает, требуется регулирование и ограничение. Если kр < 1, то реакция затухает, энерговыделение реактора в конечном счете прекратится.

Показатель критическая масса реактора – строго определенное количество ядерного топлива, соответствующее критическому состоянию реактора. При массе топлива превышающей критическую (mтопл > mкр), идет разгон ректора, при меньшей – затухание.

Ядерным горючим в реакторе служит спеченная двуокись очищенного от примесей природного урана, обогащенная ураном-235. Очистка требуется во избежание захвата нейтронов примесями. Обычно топливо применяется в виде таблеток, помещенных в металлическую трубку. Трубка изготавливается из циркониевого сплава. Герметично заваренная заглушками трубка, с таблетками топлива называется тепловыделяющим элементом (ТВЭЛ). ТВЭЛы в работающем реакторе омываются потоком теплоносителя. ТВЭЛы комплектуются в тепловыделяющие сборки – ТВС, которые представляют собой комплект ТВЭЛ в общей оболочке. Кожух ТВС также изготавливается из циркониевых сплавов. ТВС размещаются в вертикальных каналах активной зоны, образуя правильную решетку («соты»).

Атомные электростанции классифицируются в соответствии со следующими принципами:

1 По установленным на них видам реакторов. Различают следующие виды реакторов:

Реакторы на тепловых нейтронах, использующие специальные замедлители для увеличения вероятности поглощения нейтрона ядрами атомов топлива, а именно:

Реакторы на лёгкой воде;

Графитовые реакторы;

Реакторы на тяжёлой воде

Бериллиевые – замедлитель бериллий – дорогой и токсичен.

Реакторы на быстрых нейтронах

Субкритические реакторы, использующие внешние источники нейтронов

Термоядерные реакторы – используется энергия реакций синтеза легких ядер изотопов водорода – дейтерия и трития.

2 По конструктивному исполнению реакторов:

- корпусные (ВВЭР) – давление теплоносителя несет корпус;

- канальные (РБМК) – давление несет каждый отдельный канал, теплоноситель протекает по каналам, в которых расположены ТВС, контакт с графитовым замедлителем отсутствует.

3 По типу используемого теплоносителя:

- легководные (обычная вода),

- «тяжелая» вода – используются редко;

- жидкометаллические (реакторы на быстрых нейтронах);

- газоохлаждаемые.

3.1 Реакторы с водным теплоносителем делят также на:

- кипящие - канального типа: пар, поступающий в турбину, образуется непосредственно в реакторе;

- с водой под давлением - корпусного типа.

4 По назначению:

- энергетические – наиболее распространенные,

- исследовательские – для научных целей;

- транспортные (ледоколы, подлодки, космические аппараты),

- многоцелевые (производство энергии, наработка Рu).

5 По структуре активной зоны различают

- гетерогенные – пространственно разделены топливо, замедлитель, теплоноситель;

- гомогенные – указанные составляющие используются в виде растворов, тонкой взвеси или расплава (пока используются только в единичных опытных установках).

 



Поделиться:




Поиск по сайту

©2015-2024 poisk-ru.ru
Все права принадлежать их авторам. Данный сайт не претендует на авторства, а предоставляет бесплатное использование.
Дата создания страницы: 2017-04-03 Нарушение авторских прав и Нарушение персональных данных


Поиск по сайту: