Воспроизводство ядерного горючего

15.4.2 Воспроизводство ядерного горючего

Цепную реакцию деления ядер можно получить с помощью изотопа урана 235U. В природе встречаются два вида изотопа урана – 235U и 238U в неодинако­вом количестве. Запасы 238U составляют 99,3 % от общих запасов урана, запасы  235U – всего лишь 0,7 %.

Ядро 235U чрезвычайно неустойчиво и делится при попадании в него нейтро­нов любых энергий. Ядро 238U устойчиво и делится только при попадании быст­рых нейтронов (обладающих большой энергией). Выделение нейтронов при деле­нии 238U невелико, и вызвать цепную реакцию этого изотопа урана невозможно.

Вероятность захвата нейтронов ядрами в значительной степени зависит от скорости нейтронов. По аналогии с определением вероятности попадания в сече­ние выделенной фигуры, которая возрастает с увеличением площади сечения, ве­роятность захвата ядром нейтрона характеризуется сечением захвата. Непосредст­венно в момент деления ядер урана скорость нейтронов примерно равна 20000 км/с, при этом сечение захвата нейтронов ядрами 235U мало. Поэтому нейтроны необходимо замедлить, пропустив их через вещество из легких элементов, не по­глощающих нейтроны: воду, тяжелую воду, графит, бериллий.

При скорости нейтронов υ = 30 км/с наступает резонансный захват нейтронов ядрами урана 238U, которые образуют плутоний 239Рu, сходный по ядерным ха­рактеристикам с ураном 235U.

Дальнейшее снижение скорости нейтронов вызывает уменьшение сечения за­хвата ядрами 238Uи увеличение его ядрами 235U. Нейтроны, имеющие скорости около 2 км/с, называются тепловыми. Сечение захвата тепловых нейтронов ядрами 235U в 20 000 раз больше, чем ядер 238U. Тепловые нейтроны могут вызывать цепную реакцию у природного (необогащенного) урана.

При делении одного ядра урана выделяется 200 МэВ энергии, причем 1 эВ – это энергия, которую получает частица с зарядом, равным заряду электрона при  нахождении  разности  потенциалов  в   1 В:   1 эВ = 1еּ1Вּ1,6ּ10¹² эрг = 4,45-10²⁶кВтּч. 1эВ – основная единица измерения энергии в ядерной и атом­ной физике.

В 1 г урана содержится 2,6-10²¹ ядер, при делении которых можно получить 23,2 МВтּч энергии. При сжигании 1 г угля получается всего 7 – 8 Вт-ч энергии.

При захвате нейтронов ядрами 238U и 232Th образуются плутоний 239Рu и уран 233U, способные создавать цепные реакции деления и, следовательно, рас­сматриваемые как ядерное топливо. Такое ядерное топливо получают в специаль­ных реакторах – размножителях.

В ядерной физике «размножителем» называют реактор, который на 1 атом со­жженного топлива производит свыше одного расщепляющегося атома. Изотопы 232Тh и 238U называют воспроизводящими. Деление одного ядра 235U в среднем сопровождается выделением 2,5 нейтрона, из которых один нейтрон необходим для поддержания цепной реакции, а оставшиеся 1,5 нейтрона используются для погло­щения неделящимися ядрами.

Урановый цикл размножения на быстрых нейтронах показан на рисунке 4.3. В СССР в 1973 г. в г. Шевченко начала работать первая в мире промышленная АЭС на быстрых нейтронах.

Рисунок 15.4.3 – Урановый цикл размножения на быстрых нейтронах