Ядерная энергетика

1. Ядерная энергетика

1.
2.
3.
4.
5.
Деление ядер урана
Цепная ядерная реакция
Ядерный реактор
Атомная электростанция.
Перспективы и проблемы ядерной
энергетики.

2. Деление ядер урана

1. Деление ядер урана
Открытие в 1938 г. О.Ган, Ф.Штрассман
Объяснение в 1939 г. О.Фриш,
Л.Мейтнер
При бомбардировке нейтронами
U
89
наиболее вероятное деление на Kr
и 144 Ba в соотношении
2/3
Деление происходит
235
под действием кулоновских сил
235 U+1 n→144 Ba+89 Kr
92
0
56
36
94
Rb
α -излучение
γ-излучение
+31 0n

3. 2. Цепные ядерные реакции

4.

• При делении ядра урана освобождается два-три нейтрона. Это позволяет
осуществлять цепную реакцию деления урана.
• Ядерной цепной реакцией называется реакция, в которой
частицы, вызывающие ее (нейтроны), образуются как продукты
этой же реакции.
• При делении каждого ядра выделяется около 200 МэВ (1МэВ =1,6*10-13Дж)
238
• Естественный уран: 235
и
U
92
92U
U =1/140*
235
92
238
92
235
235
9292
UU
Делится под
влиянием как
быстрых, так и
медленных
нейтронов.
Цепная реакция с
использованием
этого изотопа
возможна.
U
238
92
U
Делится под
влиянием
нейтронов с
энергией более
1 МэВ.
238
Цепная реакция
с
92
U
использованием
этого изотопа
невозможна.

5. Коэффициент размножения нейтронов

Коэффициентом размножения
нейтронов называют отношение числа
нейтронов в каком-либо «поколении» к
числу нейтронов предшествующего
«поколения».
K ≥1 для 235U
k<1 238
U
92
для 92
Число нейтронов
увеличивается с
течением времени
или остается
постоянным и
цепная реакция
идет.
Число нейтронов
убывает и цепная
реакция
невозможна.

6.

Факторы, определяющие коэффициент размножения:
1) Захват медленных нейтронов ядрами 235U с последующим делением
92
и захват быстрых нейтронов ядрами 235U и 238
92U также с
92
последующим делением (сопровождается увеличением числа 1 0n );
2) Захват нейтронов ядрами урана без деления (приводит к убыли 1 0n)
3) Захват нейтронов продуктами деления, замедлителем и
конструктивными элементами установки (приводит к убыли 1 0n);
4) Вылет нейтронов из делящегося вещества уменьшает число 1 0n.
Очень важным фактором является масса урана, называемая
критической.
Критическая масса – это наименьшая масса урана, при которой
возможно протекание цепной реакции. Для шарообразного куска
урана-235 она составляет m≈50 кг, при этом радиус R=9 см.
Для стационарного течения цепной
реакции коэффициент размножения
должен быть равен 1.
• Если k=1,01 , то произойдет взрыв.

7. Образование плутония

238
• После захвата нейтронов ядрами изотопа урана 92U образуется
радиоактивный изотоп 239
с периодом полураспада 23 минуты.
92U
• Распад происходит с испусканием электрона и возникновением первого
трансуранового элемента – нептуния:
239
→ 239
+ 10 e
93 Np
92U
• Нептуний β-радиоактивен с периодом полураспада около двух дней.
• В процессе распада нептуния образуется следующий трансурановый элемент –
плутоний:
239
239
0
93 Np → 92 Pu + 1 e
• Период полураспада плутония 24000 лет. Он делится под влиянием медленных
нейтронов.
• С помощью плутония также может осуществляться цепная реакция, которая
сопровождается выделением громадной энергии.

8. 3. Ядерный реактор

9.

Ядерным (или атомным) реактором называется
устройство, в котором осуществляется управляемая
цепная ядерная реакция.
Ядра урана (особенно
изотопа 235
) наиболее
92U
эффективно захватывают
медленные нейтроны.
Вероятность захвата медленных
нейтронов с последующим
делением ядер в сотни раз
больше, чем быстрых.
Реакторы на медленных
нейтронах
В ядерных реакторах, работающих на естественном уране,
используются замедлители нейтронов для повышения коэффициенты
размножения нейтронов.

10. Схема процессов в ядерном реакторе:

11. Основные элементы ядерного реактора:

1) ядерное топливо ( 235
92 U,
238
239
U и др.);
94 Pu , 92
2) замедлитель нейтронов
(тяжелая или обычная вода,
графит и др.);
3) теплоноситель для
вывода энергии,
образующейся при работе
реактора (вода, жидкий
натрий и др.);
4) Устройство для регулирования скорости реакции
(вводимые в рабочее
пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор – вещества,
которые хорошо поглощают нейтроны).
5)Снаружи реактор окружают защитной оболочкой, задерживающей γизлучение и нейтроны. Оболочку выполняют из бетона с железным
наполнителем.
6) Бериллиевая оболочка отражает вылетающие нейтроны, возвращая их
обратно в активную зону реактора.

12. Критическая масса.

Критическая масса – наименьшая масса делящегося вещества, при которой
может протекать цепная ядерная реакция.
• При малых размерах велика утечка нейтронов через поверхность активной
зоны реактора (объем, в которой располагаются стержни с ураном).
• С увеличением размеров системы число ядер, участвующих в делении,
растет пропорционально объему, а число нейтронов, теряемых вследствие
утечки, увеличивается пропорционально площади поверхности.
Увеличивая систему, можно достичь значений коэффициента размножения
k=1. Система будет иметь критические размеры , если число нейтронов ,
потерянных вследствие захвата и утечки, равно числу нейтронов , полученных
в процессе деления.
Критические размеры (критическая масса) определяются:
1) типом ядерного горючего;
2) замедлителем;
3) конструктивными особенностями реактора.

13.

• Управление реактором осуществляется при помощи стержней,
содержащих кадмий или бор.
При выдвинутых из активной
зоны реактора стержнях k>1.
При полностью вдвинутых
стержнях k<1.
Вдвигая стержни внутрь активной зоны, можно в
любой момент времени приостановить развитие
цепной реакции.

14. Реакторы на быстрых нейтронах:

• Построены реакторы, работающие без замедлителя на быстрых
нейтронах.
• Вероятность деления, вызванного быстрыми нейтронами мала
такие реакторы не могут работать на естественном уране. Реакцию можно
поддерживать лишь в обогащенной смеси, содержащей не менее 15%
изотопа 235
.
92U
• Преимущество: при их работе образуется значительное количество
плутония, который затем можно использовать в качестве ядерного топлива.
• Эти реакторы называют реакторами - размножителями, так как они
воспроизводят делящийся материал.

15. Первые ядерные реакторы

Впервые цепная ядерная реакция урана была
осуществлена в США коллективом ученых под
руководством Энрико Ферми в декабре 1942г.
Энрико Ферми
(1901-1954)
Игорь Васильевич
Курчатов
(1903-1960)
В нашей стране первый ядерный реактор
был запущен 25 декабря 1946 г. коллективом
физиков, который возглавлял ученый Игорь
Васильевич Курчатов (1903-1960).