Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
Из делящегося материала изготавливают топливные стержни (в алюминиевой или циркониевой оболочке). Их называют также тепловыделяющими элементами (твэлами). В активную зону ядерного реактора помещают не только топливные стержни и замедлитель, но и контрольные стерэ/сни. Они содержат такие элементы, как Cd или В, которые имеют большие ядерные сечения захвата нейтронов. За счет различной глубины опускания контрольных стержней в активную зону реактора регулируется количество нейтронов, участвующих в процессе деления ядер. Такие же стержни не позволяют цепной реакции перейти в неуправляемый режим. В случае необходимости все контрольные стержни «сбрасываются» в пространство, занятое делящимся материалом, и цепная реакция деления ядер прекращается.
Энергия, выделяющаяся при делении ядер, распределяется между кинетическими энергиями осколков деления (« 85%), энергиями распада осколков деления (» 10%), у-излучением (» 2,5%) и энергией нейтронов (2,5 %). Температура в зоне реактора повышается. Если в качестве замедлителя используется вода, например , H2O,
то ее температуру поддерживают на уровне 350 0C (под давлением 150 атм), так, чтобы она не кипела. Вырабатываемая внутри реактора энергия отводится в форме тепловой энергии. Для этого в реакторе предусмотрен контур, обеспечивающий отвод выделяющейся тепловой энергии благодаря циркуляции теплоносителя. В качестве теплоносителя в реакторах разных конструкций используют газы (CO2, Не), воду, жидкие металлы (расплавленный натрий). Нагретый теплоноситель поступает в генератор пара, и далее пар используют для выработки электроэнергии по обычной схеме турбина - генератор.
При работе реактора наступает время, когда в составе делящегося материала накапливается такое количество продуктов деления, что дальнейшее поддержание цепной реакции становится невозможным. Тогда топливные стержни извлекают из реактора и заменяют новыми. Отработанное ядерное топливо выдерживают в течение примерно 100 дней, за это время оно «остывает», т.е. теряет значительную долю радиоактивности за счет распада короткоживущих радионуклидов. Затем оно поступает на химическую переработку, в ходе которой выделяют оставшийся уран и вновь образовавшийся нуклид 2JjPu. Извлекают также некоторые ценные радионуклиды.
Существуют специальные бридерные реакторы (реакторы-размножители), целью которых является не столько получение тепловой энергии, сколько производство нового делящегося материала - нуклида 2JJ Pu. В бридерных реакторах не используют замедлителей, они работают на быстрых нейтронах. В качестве ядерного топлива обычно применяют оксид плутония PuO2. Обогащение плутония не требуется,
Ядерные реакции
261
т.к. все его нуклиды испытывают деление. На пути быстрых нейтронов, покидающих активную зону реактора, ставится оболочка из неделящегося нуклида 2J2U. На каждый акт деления ядра плутония образуется в среднем около 2,5 нейтрона. Один из них расходуется на продолжение цепной реакции деления, а 1,5 - на превращение 2J2U B2JjPu (см. схему последовательных ядерных превращений (5.16)). Поэтому в бридерных реакторах образуется больше плутония, чем расходуется, что отражено в их названии, как размножителей ядерного топлива.
Остается упомянуть атомную бомбу. В качестве ядерного заряда в бомбе используют нуклиды 2J25U и 2JjPu. Критическая масса делящегося материала составляет 10-20
кг и при плотности р = 18,7 г/см3 занимает объем шара радиусом 4-6 см. До взрыва делящийся материал делится на две части, в каждой из которых цепная реакция невозможна. Для осуществления взрыва одна часть заряда выстреливается в другую, и при их соединении почти мгновенно происходит цепная реакция, которая приводит к взрыву. Конструкция заряда в плутониевой бомбе несколько иная. Делящийся материал размещают в виде клиньев у поверхности сферы, клинья выстреливаются за счет химического взрыва внутрь сферы. В итоге происходит ядерный взрыв.
При ядерном взрыве резко повышается температура (» до 108 градусов), происходит колоссальный рост давления и образуется мощная взрывная волна. За счет реакции деления выделяется огромное количество радионуклидов (осколков деления), которые представляют исключительно большую опасность для всего живого.
Пример 5.7. Небольшая урановая атомная бомба эквивалентна по мощности взрыва 20000 т тротила (тринитротолуола). Оценим массу нуклида 2J2U, которая расходуется при взрыве указанной мощности. Известно, что 1 т тротила выделяет при взрыве энергию в количестве 4-109 Дж.
Решение. Вычислим общее количество энергии, выделяющейся при взрыве 20000 т тротила. 4-10'Дж/т • 20000 т = 8-1013Дж = 8-1010 кДж.
235
Для вычисления энергии, выделяющейся при делении ядра 92U, ограничимся одной из возможных реакций деления урана:
2J25U-+ 'SCe+JZr+^ + ??".
При выполнении расчетов используем точные значения масс: U 235,0439, Ce 139,9054, Zr
93,9063, [п 1,008665, eX?") 0,00054859 а.е.м. Расчеты проведем в соответствии с методикой, изложенной в примере 5.6. Результат расчета: 205 МэВ/ядро. Выразим эту же энергию в кДж/моль.
