Ядерные реакторы
РБМК 1000
Математика
Курсовые
Альтернативная энергетика
ВВЭР
Информатика
Черчение

Теплоэнергетика

Реактор БН
Сопромат
Электротехника
Ядерная физика
Ядерное оружие
Графика
Карта

Физика атомного реактора

Ядерное горючее считается в настоящее время самым экономичным. Атомные станции обладают высокой степенью защиты. Но страшная трагедия на ЧАЭС, которая откликнется еще не на одном поколении наших людей, говорит о том, что особого внимания требует обеспечения высокой эксплуатационной надежности АЭС, их безаварийной работы. Ядерная энергия коварна, не терпит неграмотных действий по отношению к себе.

Напомним, что в физике ядерного реактора принята единица измерения энергии - мега электрон-вольт [МэВ] 1 МэВ = 1.602*10-13 Дж (1 МэВ =1 000 000 эВ). Энергию в 1 эв приобретает электрон при прохождении разности потенциалов 1в; 1 мегаэлектронвольт (Мэв)= 1,6*10-6 эрг= 3,827*10-17ккал.).

Энергетический баланс можно представить в виде уравнения: 235U + n → 2 осколка + v нейтронов + удел

(Екин=175 МэВ) (Екин=5 МэВ) (Екин=7 МэВ)
Процессы радиоактивного распада осколков деления
Р- - частицы + у-кванты + нейтрино

(Е=7 МэВ)  (Е=6 МэВ) (Е=10 МэВ)

Основная часть освобождающейся при делении энергии уносится в виде кинетической энергии осколков деления и выделяется при их торможении. При этом указанная энергия распределяется между обоими осколками неравномерно; более легкий осколок, согласно закону сохранения импульса, имеет большую кинетическую энергию. Так, при делении 235U под действием тепловых нейтронов наиболее вероятное значение кинетической энергии легких осколка составляет 105 МэВ, а тяжелых осколков - 70 МэВ.

Тот факт, что энергия реакции передается в основном осколкам деления (эти осколки имеют сравнительно небольшой пробег и их довольно легко остановить) и определило эффективность использование реакции деления в энергетике (ситуация здесь коренным образом отличается от реакции термоядерного синтеза, где чуть ли не вся энергии уносится длиннопробежными нейтронами).

Из энергии АЕ=210 МэВ, выделяющейся при делении ядер, может быть использовано 190 МэВ. Энергию нейтрино, вследствие незначительного взаимодействия его с веществом, нельзя использовать вообще, а из энергии у-излучения, образующегося в момент деления ядра, в тепло может быть превращена только та часть ее, которая поглощается в реакторе. Часть энергии, выделяющейся при распаде продуктов деления, которая поглощается в активной зоне, также может быть использована; из-за оставшейся части этой энергии возникают большие проблемы при хранении продуктов деления после переработки облученного ядерного топлива.

Так как энергия в 1 эВ/атом соответствует 96,3 кДж/моль (или 23 ккал/атом), то энергия, которая может быть использована при делении 1 г 235U, равна: Еполезн = (190*106*96,5)/235 кДж = 7,79*107 кДж = 1,85*107 ккал = 2,15*104 кВт*ч = 1 МВт*сут, т.е. для получения в реакторе мощности 1 МВт ежедневно следует расщеплять 1 г 235U (для современного реактора с электрической мощностью около 3000 МВт количество делящегося урана за год составляет около 1 т). Для получения в реакторе мощности в 1 Вт необходимо 3,1*1010 деление/с.

Для сравнения напомним, что при сгорании 1 г угля выделяется только 33,9 кДж (8,1 ккал) или соответственно 9,4*10-3 кВт*ч. Таким образом, при делении урана выделяется почти в два миллиона раз больше энергии, чем при сгорании такого же количества угля. При делении 1 кг 235U (например, в атомной бомбе, сброшенной на Хиросиму) выделяется такая же энергия, как при взрыве 20000 т тротила.

Мгновенное гамма-излучение при делении. Когда после вылета из осколка последнего нейтрона энергия возбуждения ядра осколка оказывается ниже энергии связи нейтрона в нем, дальнейший вылет мгновенных нейтронов оказывается невозможным. Но некоторая лишняя энергия в осколке еще остается. Эта избыточная энергия уносится из ядра серией испускаемых гамма-квантов. Как отмечалось выше, суммарная энергия мгновенных гамма-квантов составляет около 8 МэВ, среднее их число на одно деление равно приблизительно 10, следовательно, средняя энергия одного гамма-кванта при делении тяжелых ядер равна примерно 0,8 МэВ.

Таким образом, ядерный реактор является мощным источником не только нейтронов, но и гамма-излучения, и защищаться приходится от обоих этих видов излучений.

 

1.2.3. Замедление нейтронов в средах

Рассеяние нейтронов ядрами. Рассеянием называется процесс, при котором нейтрон сталкивается с ядром и отскакивает в сторону, передав ядру часть своей энергии. Все виды рассеяния нейтронов делятся на две группы – упругое и неупругое рассеяние.

 При упругом рассеянии суммарная кинетическая энергия нейтрона и ядра сохраняется: Е0 =Е + Ея.о., где Е0 и Е – энергии нейтрона до и после столкновения, Ея.о. – энергия  ядра отдачи. При этом максимальная энергия передается ядру при «лобовом» ударе, когда нейтрон отскакивает назад с энергией ,  а ядро отдачи улетает вперед с энергией , где А – массовое число ядра, с которым столкнулся нейтрон. Наибольшую энергию нейтрон теряет при столкновении с протоном (А = 1): в этом случае Е = 0, т.е. нейтрон останавливается, а протон, получив всю его энергию, улетает вперед. Нечто похожее можно наблюдать при столкновении шаров при игре в бильярд. При не лобовом ударе нейтрон теряет лишь часть своей энергии, но всё равно, чем меньше масса ядра, тем большую долю энергии теряет нейтрон при рассеянии, а при столкновении с очень тяжелым ядром (А>>1) Е ≈ Е0, т.е. нейтрон отскакивает от ядра, как от стенки, почти не потеряв энергии.

При неупругом рассеянии часть энергии нейтрона расходуется на возбуждение одного из уровней ядра, поэтому кинетическая энергия частиц не сохраняется, и нейтрон теряет значительно большую долю энергии, чем при упругом столкновении. Рассмотрим в качестве примера столкновение нейтрона с энергией 1 МэВ с ядром железа-56. Если рассеяние будет упругим, то даже при лобовом столкновении, когда потеря энергии максимальна, энергия нейтрона после столкновения будет равна 0,93 МэВ, т.е. он потеряет всего 7 % энергии, тогда как при неупругом рассеянии с возбуждением первого уровня ядра железа с энергией возбуждения 0,83 МэВ энергия нейтрона после столкновения окажется равной всего лишь 0,17 МэВ, т.е. он потеряет 83 % энергии. Очевидно, что неупругое рассеяние может происходить лишь при энергиях нейтронов выше первого возбужденного уровня ядер среды. При энергии нейтронов ниже этого уровня, нейтроны могут испытывать только упругое рассеяние. Как отмечалось выше, переход ядер из возбужденных состояний в основные происходит путем испускания гамма-квантов, поэтому неупругое рассеяние нейтронов всегда сопровождается гамма-излучением.

Неупругое рассеяние в реакторе играет огромную роль поскольку топливная загрузка в нем состоит , в основном из ядер 238U, которые имеют сильные уровни неупругого рассеяния начиная с энергии 46 кэВ и выше.

Энергетическая проблема - одна из важнейших проблем, которые сегодня приходится решать человечеству. Уже стали привычными такие достижения науки и техники, как средства мгновенной связи, быстрый транспорт, освоение космического пространства. Но все это требует огромных затрат энергии.

Инженерная графика

 

Сопромат