Заглавная страница Избранные статьи Случайная статья Познавательные статьи Новые добавления Обратная связь КАТЕГОРИИ: АрхеологияБиология Генетика География Информатика История Логика Маркетинг Математика Менеджмент Механика Педагогика Религия Социология Технологии Физика Философия Финансы Химия Экология ТОП 10 на сайте Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрацииТехника нижней прямой подачи мяча. Франко-прусская война (причины и последствия) Организация работы процедурного кабинета Смысловое и механическое запоминание, их место и роль в усвоении знаний Коммуникативные барьеры и пути их преодоления Обработка изделий медицинского назначения многократного применения Образцы текста публицистического стиля Четыре типа изменения баланса Задачи с ответами для Всероссийской олимпиады по праву Мы поможем в написании ваших работ! ЗНАЕТЕ ЛИ ВЫ?
Влияние общества на человека
Приготовление дезинфицирующих растворов различной концентрации Практические работы по географии для 6 класса Организация работы процедурного кабинета Изменения в неживой природе осенью Уборка процедурного кабинета Сольфеджио. Все правила по сольфеджио Балочные системы. Определение реакций опор и моментов защемления |
Деление ядер урана. Ядерное топливо.
Деление атомного ядра - один из видов ядерных реакций. Он заключается в том, что тяжелое ядро под воздействием нейтронов делится на несколько более мелких ядер, которые называют осколками деления. В общем случае реакцию деления, например, ядра урана-235 при облучении его нейтронами, можно представить следующим образом: (235)U+n => (236)U =>X+Y+kn+E; где E - выделившаяся энергия; Xи Y- ядра - осколки деления; К - число нейтронов (равное 2 или 3), высвободившихся в процессе деления; С учетом того, что удельная энергия связи ядер средней массы примерно на 1 МэВ больше, чем у тяжелых ядер, из выражения (3.2) следует, что деление ядер урана должно сопровождаться выделением большого количества энергии. Оно составляет ~200 МэВ (3*10−11Дж) на один акт деления. Испускаемые при делении ядер вторичные нейтроны могут вызвать новые акты деления, т.е. цепную реакцию деления, в которой частицы, вызывающие реакцию, образуются как продукты этой реакции. Если в среде, содержащей уран-235, разделилось одно ядро, то в среднем при этом высвободится 2 нейтрона, которые могут вызвать деление двух ядер. В результате образуется 4 нейтрона и т.д. После смены n-поколений в среде может быть 2nнейтронов, которые потенциально могут вызвать деление стольких же ядер. Например, для расщепления 2 г урана-235 требуется5*1021≈272 нейтронов, т.е. оно произойдет после смены 72 поколений. Время жизни одного поколения 10−7…10−8с, так что выделение энергии ~1011Джзаймет время τ=10−5…10−6c. Такая цепная реакция завершится взрывом колоссальной силы, который и происходит в атомной бомбе. Однако такое представление о цепной реакции является идеализированным, так как в любой реальной системе возможен выход вторичных нейтронов из лавины вследствие следующих процессов: вылета нейтронов из зоны реакции через поверхность; захвата нейтронов ядрами примесей, продуктами реакции и т.д.; захвата нейтронов ядрами урана, которые, тем не менее, не приводят к реакции деления. Для характеристики цепной реакции используется понятие коэффициента размножения нейтронов - k. Он равен отношению числа нейтронов в данном поколении к их числу в предыдущем поколении. Вторичные нейтроны имеют сравнительно широкий энергетический спектр в пределах от 0 до 100 МэВ, причем на один нейтрон в среднем приходится энергия около 2 МэВ. По области энергий нейтроны делятся на тепловые с энергией от 0,001 до 0,5 эВ, резонансные с энергией от 0,5 эВ до 10 кэВ и быстрые с энергией от 10 кэВ до 100 МэВ.
При рассмотрении цепной реакции деления необходимо учитывать, что ядра различных элементов с различной вероятностью захватывают нейтроны, имеющие одинаковую энергию. Например, тепловые нейтроны вызывают деление ядер урана-235, а быстрые нейтроны, кроме деления ядер урана-235 (но с меньшей вероятностью), могут вызвать деление урана-238. Резонансные нейтроны, хотя и хорошо поглощаются ядрами урана-238, не вызывают их деления, а приводят к ряду радиоактивных превращений исходного ядра, конечным этапом которых являются ядра плутония-239. Необходимым условием для протекания цепной реакции деления является требование k>1. При k>1 реакция имеет взрывной характер. А использование реакции в мирных целях требует k≈1 и дополнительных условий по управлению протекания цепной реакции. Ядерная цепная реакция может протекать при выполнении ряда условий: 1. Уран должен быть, по возможности, очищен от примесей и продуктов реакции, которые поглощают нейтроны. 2. В случае цепной реакции на быстрых нейтронах необходимо обогащение естественного урана изотопом урана-235. В природном уране уран-235 составляет 0,7%, а необходимое содержание урана – 235 ≈ 15%. 3. Для осуществления реакции на тепловых нейтронах необходимо избежать захвата нейтронов ураном-238 в резонансной области, где не вызывается деление ядер. Это достигается использованием замедлителей, которым нейтрон передает значительную долю энергии, скачком преодолевает резонансную область и превращается в тепловой нейтрон. Хорошим замедлителем является тяжелая вода D20 (двуокись дейтерия) и углерод С (в виде графита). 4. Необходимо понижение вероятности радиационного захвата нейтронов, которое достигается тем, что вместо однородной смеси урана и замедлителя (гомогенная система) применяются чередующиеся блоки этих веществ (гетерогенная система). При ее использовании, образовавшийся в уране быстрый нейтрон успевает уйти в замедлитель до достижения им резонансной энергии. Там он становится тепловым, после чего диффундирует обратно в уран, где вступает в цепную реакцию. В гомогенной системе цепная реакция в естественном уране может протекать только при использовании самого дорогого замедлителя - тяжелой воды. В гетерогенной системе она идет в том случае, когда замедлителем служит гораздо более дешевый графит.
5. Для осуществления цепной реакции наиболее выгодна система, форма которой близка к сферической. Для нее утечка нейтронов через поверхности будет минимальной. 6. Цепная реакция будет идти лишь в том случае, когда ядерного горючего достаточно много. Минимальная масса топлива, при которой еще протекает ядерная реакция, называется критической массой. Значение критической массы определяется геометрией физической системы, ее структурой и внешним окружением. Например, для сферы из чистого урана-235 критическая масса равна 47 кг. Это шар диаметром 17 см. Но если тот же уран прослоен тонкими полиэтиленовыми пленками и окружен бериллиевой оболочкой, то критическая масса снижается до 242 г (шар диаметром около 3 см.). Оболочка служит здесь отражателем нейтронов, направляющим их обратно в зону реакции. Таким образом, применительно к ядерному реактору при значении коэффициента размножения k=1 реакция протекает стационарно (рабочий режим реактора). При k>1 интенсивность нарастает (режим разогрева реактора или взрыва бомбы). При k<1 реакция гаснет (режим выключения реактора или вообще отсутствие реакции). Система при k=1 называется критической, при k>1 - надкритической, при k<1 - подкритической. Цепную реакцию деления можно осуществить с использованием разных видов топлива и замедлителя: 1) естественного урана с тяжеловодным или графитовым замедлителем; 2) слабообогащенного урана с любым замедлителем; 3) сильнообогащенного урана или искусственного ядерного топлива (плутония) без замедлителя (цепная реакция на быстрых нейтронах).
|
||||||
Последнее изменение этой страницы: 2017-01-19; просмотров: 635; Нарушение авторского права страницы; Мы поможем в написании вашей работы! infopedia.su Все материалы представленные на сайте исключительно с целью ознакомления читателями и не преследуют коммерческих целей или нарушение авторских прав. Обратная связь - 18.232.35.62 (0.007 с.) |