Принципы ядерной энергетики

1. Принципы ядерной энергетики

2.

Зависимость удельной энергии связи
от количества нуклонов в ядре
Если массивное ядро,
содержащее 250 нуклонов
разделится примерно пополам,
то удельная энергии связи
дочерних ядер увеличится на
1 МэВ
Следовательно,
потенциальная энергия
ядер уменьшается, а
кинетическая энергия
продуктов деления
возрастает.

3.

Следовательно, при делении одного массивного ядра
выделяется более 200 МэВ энергии !
При делении 1 моля делящегося вещества должно
высвобождаться 2 1013 Дж !!!
Масса моля природного урана – около 0,24 кг.
Для сравнения удельная теплота сгорания q:
Вещество
Дрова
Каменный уголь
Природный газ
Нефть
q (МДж/кг)
10,2
22
31,8
41

4.

Для деления
массивного
ядра требуется
энергия
активации EA
Ядро EA (МэВ)
U235
6,5
U238
7,0

5.

Вероятность спонтанного деления даже массивных ядер
очень мала (из-за большой толщины потенциального
барьера).
Ядро
Период спонтанного
полураспада T1/2 (лет)
U235
U238
7,04·108
4,47·109
Вероятность деления в 1 сек.
= ln(2) / T1/2

6.

Сечение реакции деления ядра после поглощения
нейтрона (n, f) сравнима с сечением реакций упругого
рассеяния (n, n) и радиационного захвата (n, ).
Следовательно, вероятность деления ядра,
инициированная нейтроном, достаточно велика.
При поглощения нейтрона
ядро получает энергию
возбуждения E*, равную
энергии связи нейтрона в
ядре, т.е. порядка нескольких
МэВ , которая может
превысить энергию
активации EA деления ядра.

7.

Природное ядерное горючее: уран.
Изотопный состав: U238 99,3 %
U235 0,7 %
Ядра изотопа U235 делятся нейтронами любой малой
энергии, в. т.ч. тепловыми.
Ядра изотопа U238 делятся нейтронами с энергией
больше 1 МэВ, т.е. быстрыми.

8.

Схема инициации нейтроном
реакции деления массивного ядра.
Наиболее вероятным является
деление на два осколка (дочерних
ядра).
Осколки являются очень
нейтронноизбыточными ядрами,
поэтому деление сопровождается
высвобождением нейтронов.
Ядра-осколки образуются в
возбужденном состоянии и испускают
фотоны гамма-диапазона.

9.

Протон-нейтронная
диаграмма
стабильных ядер
130
N
120
110
100
90
80
70
60
В результате деления
массивных ядер
образуются
нейтронноизбыточные
ядра.
50
40
30
20
10
Z
0
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90

10.

Временнáя схема деления ядра на два осколка
5
2
1
4
3
10-14 С
10-17 С
10-14 С
10-9 С
1 – формирование составного ядра; 2 – разлет осколков;
3 – начало испускания «мгновенных» нейтронов;
4 – начало испускания «мгновенных» гамма-фотонов;
5 – нейтрализация и термализация осколков.

11.

Спектр «мгновенных» нейтронов описывается
распределением Максвелла.
E
dn
Nn0 E exp
dE
k BT
При делении ядра U235
средняя энергия нейтронов
равна 2 МэВ, максимум
распределения при энергии
0,7 МэВ.

12.

Осколки после испускания «мгновенных» нейтронов
остаются нейтронноизбыточными, поэтому
претерпевают бета-минус-процессы.
n p + e- +
Дочерние ядра (осколки) образуются, как правило, в
возбужденном состоянии. Возбуждение снимается
испусканием запаздывающих гамма-фотонов и
нейтронов.

13.

Распределение энергии деления ядра
Пример: U235
Продукт
Энергия (МэВ)
Осколки деления
166
«Мгновенные» нейтроны
4,9
«Мгновенные» гамма-фотоны
7,2
Бета-электроны
9,0
Антинейтрино
100
Запаздывающие гамма-фотоны
7,2

14.

Необходимые условия получения
макроскопического количества ядерной
энергии деления
1. Превращение части внутренней (потенциальной)
энергии ядра в кинетическую энергию продуктов
реакции (осколков ядер).
2. Высвобождение свободных нейтронов, которые
совершают деления других ядер.
Таким образом такая реакция должна быть
экзоэнергетической и самоподдерживающейся
(цепной).

15.

Качественная
картина
развития
цепной реакции
деления.
Коэффициент
размножения
нейтронов = 3

16.

Цепной реакции препятствует поглощение нейтронов
с испусканием гамма-фотонов (радиационный захват)
Нейтрон
Гаммафотон
Ядро
Ядро
Z, A
Z, A+1

17.

Для развития цепной реакции деления необходимо,
чтобы средний коэффициент размножения нейтронов
превышал единицу.
k
nf
nf n
(1 P )
– среднее число нейтронов, образующихся при делении
ядра;
nf – сечение деления ядра при поглощении нейтрона;
n – сечение радиационного захвата нейтрона;
Р – вероятность выхода из зоны реакции.

18.

Первый нейтрон для инициации цепной реакции может
возникнуть в результате спонтанного деления.
Цепная реакция начинается, если масса урана
превышает критическую. Тогда коэффициент
размножения нейтронов k превышает единицу.

19.

Схема
развития
цепной
реакции
деления на
ядрах
урана-235.
Среднее время
формирования
поколения
10 8 с

20.

Цепная реакция деления на изотопе U238 (т.е. на природном
уране) невозможна.
Для этих ядер велико сечение неупругого рассеяния (n, n ).
Гаммафотон
Нейтрон
Ядро
Ядро
Z, A
Z, A
Нейтрон
После акта неупругого рассеяния средняя энергия
нейтронов становится меньше энергии активации
деления.

21.

Изотоп U235 получается из природного урана
трудоёмкой и дорогостоящей технологией.
Для получения ядерного горючего (т.е.
вещества, в котором возможна цепная
реакция деления) достаточно обогатить
природный уран изотопом U235 до
содержания в несколько процентов.
Эффективный метод обогащения – газовое
центрифугирование.
Природный уран переводится в
газообразный гексафторид урана UF6.
Быстрое вращение центрифуги постепенно
отделяет более массивные частицы, т.е.
ядра изотопа U238.

22.

Сечение реакции деления nf увеличивается с
уменьшением энергии нейтронов.
Зависимость сечения реакции деления nf
от энергии нейтронов для ядер U235

23.

Для увеличения энерговыхода цепной реакции активное
вещество (уран) перемежают с замедлителем.
Замедлитель – это вещество с малой атомной массой и
малым сечением радиационного захвата n .
Средняя энергия нейтрона после столкновения:
2A
E1 E0 1
2
( A 1)
E0 – начальная энергия нейтрона, A – массовое число ядра.
При столкновении с протоном нейтрон теряет в среднем
половину своей энергии, при столкновении с ядром
углерода – 14% энергии, с ядром U238 – меньше 1% .

24.

Замедлитель должен иметь малое сечение
радиационного захвата n .
Эффективные замедлители – графит, тяжелая вода.
Сечение радиационного захвата тепловых нейтронов
Водород
Дейтерий
n 300 мб
n 0,5 мб

25.

В конструкцию реактора включен поглотитель нейтронов,
действие которого базируется на реакции
радиационного захвата.
Зависимость
сечения
радиационного
захвата ядер
кадмия от
энергии
нейтрона

26.

Стабильное течение цепной ядерной реакции
обеспечивается регулировкой потока запаздывающих
нейтронов.
Источник – нейтронноизбыточные осколки деления ядер
Среднее время испускания – десятки секунд.
Доля запаздывающих нейтронов – менее 0,1 %.

27.

Принципиальная схема активной зоны
ядерного реактора на тепловых нейтронов.
Красный цвет – уран, синий – замедлитель,
зеленый – поглотители, серый – отражатель.

28.

Первый урановый реактор. Чикаго, 1942 г.
Топливо –
оксид урана
(37 тонн) +
уран (6 тонн).
Замедлитель
– графит (350
тонн),
коэффициент
размножения
нейтронов
1,0006

29.

Энрико Ферми
1901 – 1954 гг.
Великий физик –
теоретик и
экспериментатор.
Нобелевский лауреат
1938 г.

30.

Принципиальная схема уранового реактора

31.

Сборка активной зоны ядерного реактора

32.

Веществами, в которых возможна цепная реакция
деления ядер также являются изотопы U233 и Pu239,
которые не встречаются в природе.
Однако, они могут быть приготовлены в урановых
реакторах с помощью нейтронных реакций:
–
–
n + U238 U239 Np239 Pu239
23 мин
2,3 сут
–
–
n + Th232 Th233 Pa233 U233
22 мин
27 сут

33.

«Три́нити» — первое в мире испытание ядерного оружия.
16 июля 1945 года в штате Нью-Мексико (США).
Плутониевая бомба имплозивного типа, 21 килотонн ТНТ.

34.

«Малыш» - урановая бомба пушечного типа

35.

6 августа 1945 года. Хиросима. Около 15 килотонн ТНТ
Количество погибших - от 90 до 166 тысяч

36.

«Толстяк» - плутониевая бомба имплозивного типа,.

37.

9 августа 1945,
Нагасаки.
21 килотонна ТНТ.
Количество
погибших от 60 до 80
тысяч.

38.

РДС-1

39.

РДС-1

40.

29 августа 1949 года.
Взрыв РДС-1.
Мощность более 20 килотонн
ТНТ.
37-метровая башня, на
которой была установлена
бомба, была уничтожена
полностью, на её месте
образовалась воронка
диаметром 3 м и глубиной
1,5 м, покрытая
оплавленным
стеклоподобным веществом.

41.

Результаты взрыва РДС-1