Ядерные реакторы и безопасность
ВВЕДЕНИЕ
Возрастающее значение ядерной техники в общем энергетическом балансе выдвигает сегодня как одну из актуальных задач дальнейшее совершенствование ядерных реакторов. Прежде всего это относится к тем реакторам, на основе которых планируется развитие ядерной энергетики в ближайшие 10-15 лет.
Ядерный реактор (атомный реактор) - это устройство для осуществления управляемой ядерной цепной реакции. Принцип действия ядерного реактора основан на использовании энергии деления ядер тяжелых элементов и осуществляется через комплекс самоподдерживающихся ядерно-физических, химических и теплофизических процессов.
1. Понятие цепной реакции
В основе цепного процесса всегда лежит экзоэнергетическая реакция, обладающая тем свойством, что возбуждается частицей и порождает вторичные частицы. Если в каждом акте реакции появляется только одна частица носитель, то цепная реакция называется неразветвленной. Неразветвленная цепная реакция не может стать самоподдерживающейся. Если в каждом акте реакции или в некоторых звеньях цепи появляется более одной частицы, то возникает разветвленная цепная реакция, ибо одна их вторичных частиц продолжает начатую цепь, а другие дают новые цепи, которые снова ветвятся. Правда , с процессом ветвления конкурируют процессы, которые приводят к обрывам цепей. Если число образующихся новых цепей превосходит число обрывов, цепная реакция быстро распространяется по всему объему вещества при появлении хотя бы одной начальной частицы. Состояние при котором число новых цепей равно числу обрывов называется критическим. [ 1 ]
Деление тяжелого ядра возбуждается одним нейтроном, а в результате деления появляется более одного нейтрона. Следовательно, реакция деления может породить самоподдерживающуюся цепную реакцию, носителями которой будут служить нейтроны.
2. Коэффициент размножения
Каждая новая цепь начинается одной частицей и, следовательно, размножение цепей есть размножение частиц. Поэтому для описания развивающихся в разветвленных цепных реакциях явлений пользуются понятием коэффициента размножения частиц, под которыми подразумеваются нейтроны. Каждый нейтрон, участвующий в цепном процессе, проходит цикл обращения: рождается в реакции деления, некоторое время существует в свободном состоянии, затем либо теряется, либо порождает новый акт деления и дает нейтроны следующего поколения.
Коэффициентом размножения нейтронов k называется отношение числа нейтронов последующего поколения к их числу в предшествующем поколении во всем объеме размножающей нейтроны среды. Поколения нейтронов при непрерывном их обращении разделены средним временем нейтронного цикла. [ 1 ]
Критическое состояние характеризуется условием k = 1. При k < 1 состояние вещества называется подкритическим и цепная реакция затухает, если в начальный момент в среде существовало какое-то число нейтронов, а если в начальный момент нейтронов не было, то цепная реакция вообще невозможна. В надкритическом состоянии k > 1 и цепная реакция лавинообразно нарастает до тех пор, пока в силу каких-либо причин не станет k < 1. Поскольку тяжелые ядра могут делится самопроизвольно, то какое-то малое число нейтронов всегда присутствует в среде, включающей тяжелые нуклиды, а значит, всегда находится первый нейтрон, начинающий цепной процесс. Кроме того, свободные нейтроны появляются повсюду как продукты ядерных реакций, возбуждаемых космическими частицами, так что при достижении состояния с k > 1 цепная реакция деления начинается сама по себе и немедленно.
3. Развитие цепной реакции во времени
Изменение числа нейтронов в некритическом реакторе определяется отличием числа k от единицы и временем нейтронной цикла t. Если в некоторый момент времени в реакторе имеется n нейтронов, то по определению коэффициента размножения их число по прошествии одного цикла обращения становится равным kn , а приращение за время цикла составит kn - n = n ( k - 1 ). Следовательно, изменение числа нейтронов в единицу времени
dn n ( k-1 )
= .
dt t
Решение этого уравнения дает зависимость числа нейтронов от времени и, следовательно, энерговыделение в реакторе. В средах из чистых делящихся материалов времена нейтронных циклов имеют порядок 10 -8 с. При k = 1,1 один начальный нейтрон через 6 мкс порождает 10 26 нейтронов, что эквивалентно делению 40 кг урана в момент t = 6 мкс. Эта оценка показывает, что скорость нарастания цепной реакции деления может быть необычайно высока, а практически мгновенное энерговыделение представляет собой ядерный взрыв. Мощности ядерных взрывов обычно оценивают в эквивалентах наиболее распространенного химического взрывчатого вещества - тринитротолуола ( ТНТ ). Выделяющаяся при делении 1 кг урана энергия равна энергии , освобождающейся при взрыве 20 000 т ТНТ. [ 1 ]
4. Делящиеся материалы
В качестве делящегося вещества используются обычно изотопы урана 233 U, 235 U, 238 U, изотопы тория 232 Th, а также изотопы плутония 239 Pu , 240 Pu , 241 Pu. [ 2 ]
В чистом делящемся материале, например в 235 U, цепная реакция легко осуществима, однако стоимость чистых делящихся материалов очень высока из-за сложной технологи получения, и их применение ограничивается главным образом военными целями. Для получения энергии в ядерных реакторах целесообразно использовать природный или обогащенный изотопом 235 U уран.
Изотопный состав имеющегося в природе урана приведен в таблице 1
Таблица 1
|
Изотоп |
Содержание, % |
| 238 U | 99,28 |
| 235 U | 0,714 |
| 234 U | 0,006 |