Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6



Скачать 77.93 Kb.
Дата22.10.2014
Размер77.93 Kb.
ТипКраткое содержание
Лекция 1.
Физические принципы атомной энергетики.
Основные этапы Ядерного топливного цикла
К. Некрасов

Содержание


Содержание 1

Введение 1

Краткое содержание лекции 2

Структура и деление атомного ядра 2

Утечка нейтронов из реактора 5

Критический радиус 6

Делящиеся вещества 6

Стационарная работа реактора 7

Осколки деления 7

Радиоактивность ядерного горючего 8

Добыча и обработка урановой руды 8

Процессы извлечения урана из руды 8

Методы повышения содержания урана в руде 9

Гексафторид урана UF6 9

Обогащение урана изотопом 235U 9

Топливо ядерных реакторов 10

Переработка облучённого ядерного топлива (технология PUREX) 10

Ядерный топливный цикл и вероятности хищения ядерных материалов 11

Ториевый ядерный цикл и нераспространение 11

Возможность использования природного урана 11

Наработка плутония без оружейного качества 11

Безопасность хранения облучённого топлива 12

Значение примеси U-232 12




Введение


Для того, чтобы освоить практическое исполь­зование ядерной энергетики, разрабо­тать и построить эф­фективные, надёжные и безопас­ные ядер­ные реакторы, людям потребовалось глубоко изучить теорию атомно-го ядра, на-учиться создавать и поддерживать условия, при которых протекает управляемая цепная реак-ция деления ядер, исследовать физические и химические свойства ядерного горючего, найти и создать необходимые конструкционные материалы, реализовать очень сложные технологии обогащения урана и обращения с радиоактивным облучённым топливом. Длинным оказывается даже простой список важнейших задач, возникающих и решаемых в ядерной энергетике. Несколько лекций могут быть только введением в круг этих вопросов. В рамках настоящей лекции мы обсудим самые основные физические принципы ядерной энергетики, а также увидим, как эти принципы можно объединить в одну систему между собой и с основными этапами ядерного топливного цикла.

Краткое содержание лекции


 Структура атомного ядра. Ядерные реакции и цепная реакция деления ядер;

 Состав горючего атомных реакторов. Возмож-ность воспроизводства делящихся изотопов;

 Облучённое топливо, отработавшее в реакторе. Состав и возможности переработки;

 Краткие характеристики основных этапов ядерного топливного цикла;


Структура и деление атомного ядра


Ядра атомов представляют собой системы из протонов и нейтронов, связанных очень большими силами притяжения, действующими только на очень маленьких расстояниях. Характерный размер ядра – 10-5 нм.

Как и большинство других физических систем, ядра стремятся к конфигурациям, минимизирующим суммарную энергию протонов и нейтронов. Самым оптимальным для этого размером является размер ядра железа.

Если же размер ядра примерно в два раза больше, то такое ядро (например, ядро урана-235 или плутония-239) при распаде на два осколка выделяет большую энергию, примерно в миллион раз большую, чем энергии химических реакций.

Рис. 1. Деление атомного ядра

Рис. 2. Процесс столкновения нейтрона с ядром

Рис. 3. Цепная реакция деления ядер



Утечка нейтронов из реактора


Рис. 4. Утечка нейтронов из реактора при недостаточных количестве или плотности вещества. Препятствует протеканию цепной реакции


Критический радиус


Рис. 5. Критический радиус реактора соответствует ситуации, когда утечка нейтронов достаточно мала для поддержания цепной реакции


Делящиеся вещества


Таблица 1

Делящиеся вещества

Изотоп

Критическая масса, кг

Критический диаметр,см

232Th

232Th + n  (233Th)*  233U

233U

14.4

11.3

235U

45.6

16.6

238U

238U + n  (239U)*  239Pu

238Pu

8.2

9.29

239Pu

10.3

10.0

241Pu

12.4

10.7

242Am

12.8

12.2

243Cm

9.9

11.2

Стационарная работа реактора


Рис. 6. Стационарная цепная реакция


Осколки деления


Рис. 7. Распределение осколков деления по массам


Радиоактивность ядерного горючего


Таблица 2

Радиологическая опасность ядерного горючего




3.5 % 235U

Реакт. Pu

Оруж. Pu

Выделение
тепла, Вт/кг


0.012

340

52

Индекс ра­диолог. опас­ности, м3

6.5

28106

4.2106

Реакторный плутоний: 1.3% Pu-238, 60.3% Pu-239, 24.3% Pu-240, 5.6% Pu-241, 5.0% Pu-242, 3.5% Am-241

Оружейный плутоний: 0.01% Pu-238, 93.8% Pu-239, 5.8% Pu-240, 0.13% Pu-241, 0.02% Pu-242, 0.22% Am-241

Добыча и обработка урановой руды




 В состав горных пород уран вхо­дит преиму­щественно как оксид U3O8; Содержание урана в породе – от 0.05 до ~1 %;



Состав природного урана:

238U – 99.28%,
235U – 0.71%,

234U – 0.005%

Общие запасы урана – около 1014 тонн

Процессы извлечения урана из руды


 Дробление и удаление пустой породы;

 Выщелачивание урана кислотами или щелочами;

 Выделение урана из растворов методами сорбции, экстракции, химического осаждения;

 Получение уранового концентрата, чистых соединений природного урана


Методы повышения содержания урана в руде


 Радиометрическое обогащение. Выби­раются куски породы, имеющие более высокую гамма-активность;

 Гравитационное обогащение. В водном потоке тяжёлые частицы с ураном быстрее опускаются на дно;

 Флотационное обогащение. Частицы различ­ных минералов по-разному прилипают к пузырькам воздуха, пропускаемым через водную взвесь

Гексафторид урана UF6


 Фтор содержит только один стабильный изотоп 19F;

 UF6 может находиться и в газообразном, и в твёр­дом, и в жидком состояниях при умеренных темпе­ратурах и давлениях; Тройная точка – T = 64С, P = 1.5 атм;

 В реакции с газообразным фтором получают ура­нил-фторид UO2F2. Затем при пониженной темпе­ратуре (~270С) в реакции с фтором из UO2F2 об­разуется UF6.

Обогащение урана изотопом 235U


 Более лёгкий 235UF6 стремится к центру центрифуги.

Рис. 8. Схема простейшего каскада из разделительных элементов для обогащения урана


Топливо ядерных реакторов




UO2

Достоинства диоксида урана:  Высокая темпера­тура плавления (2780С);

 Химическая устойчивость к теплоносителям;

 Совместимость с материа­лами оболочек;


 Высокая плотность табле­ток (до 95 %);

 Приемлемая радиационная стойкость (до 3-х лет);

 Изотропность кристаллической решётки.

Переработка облучённого ядерного топлива (технология PUREX)


 Извлечение ОЯТ из тепловыделяющих элементов;

 Предварительное окисление ОЯТ (волоксидация);

 Растворение ОЯТ;

 Экстракция и регенерация экстрагента;

 Отделение плутония от урана.

Ядерный топливный цикл и вероятности хищения ядерных материалов


Рис. 8. Схема ядерного топливного цикла. Количество чёрных «шаров» характеризует привлекательность каждого из этапов для хищения ядерных материалов с целью изготовления ядерного оружия.


Ториевый ядерный цикл и нераспространение


Факт превращения сырьевых изотопов U238 и Th232 в делящиеся изотопы при нейтронных реакциях означает теоретическую возможность полного “сжигания” урана и тория в ядерных реакторах. В идеале, это позволило бы повы­сить эффективность использования топлива в 80 раз.

Возможность использования природного урана


Первый этап индийской ядерной программы состоял в постройке реакторов на тяжелой воде, которые работают на природном, необо­гащённом уране. При этом, вообще нет произ­водства, хранения либо использования урана, обогащенного изотопом U235, из которого проще всего изготавливать ядерные взрывные уст­ройства.

Наработка плутония без оружейного качества


Плутоний, нарабатываемый в центральной области ториевого реактора, не будет иметь оружейного ка­чества, поскольку окажется загрязнённым примесью Pu238. Изотоп Pu238 имеет период полураспада 88 лет. Он является сильным -излучателем с выделением тепла, которое будет достаточным даже для расплав­ления некоторых деталей конструкции взрывного устройства. Кроме того, Pu238 характеризуется не­приемлемо сильным спонтанным испусканием нейт­ронов, 2600 n/(гс). Оружейный плутоний должен был бы содержать не более 0.1 % Pu238.

Безопасность хранения облучённого топлива


Ториевое облучённое топливо более безопасно при длительном хранении, в силу сравнительно быстрого снижения радиоактив­ности. В первые месяцы после извлечения из реактора, радиоактивность топлива опреде­ляется в основном распадом короткоживущих осколков деления, таких, как Sr-90 и Cs-137. После распада этих осколков основной вклад в радиоактивность топлива вносят нестабильные актиниды (трансурановые элементы, такие, как Am-241) с периодами полураспада свыше 30 лет. В ториевом топливе радиоактивных трансурановых элементов образуется сущест­венно меньше, чем в урановом, посколь­ку ядро тория содержит на 2 нейтрона меньше. Расчеты показывают, что через 100 лет хранения активность отработанного ториевого топлива будет в 100 раз ниже, чем уранового, а через 500 лет – в 10 тыс. раз ниже.

Значение примеси U-232


Уран-233, извлеченный из отработанного то­риевого топлива, окажется очень гамма-актив­ным из-за неизбежной примеси изотопа U232. Этот изотоп подвержен -распаду с периодом полураспада 69 лет. Некоторые из дочерних изотопов, образующиеся в цепочке распада U232, являются сильными гамма-излучателями. В частности, таллий-208 излучает гамма-кванты с энергией 2.7 МэВ. Такое излучение, к тому же, имеет высокую проникающую способность.

Из-за накопления таких продуктов распада, радиоактивность смеси U233+U232 возрастает со временем в течение примерно 10 лет. При содер­жании 0.1 % U232, характерном для то­риевых реак­торов, смесь становится смер­тель­но опасной через месяц после извлечения из реактора. 20 кг такой смеси, необходимые для изготовления ядерного заряда, через год будут иметь активность 0.5 мЗв/час на расстоянии 0.5 м, а через 10 лет – 1.6 мЗв/час. Для сравнения, максимально допус­тимая доза облу­чения в США составляет 50 мЗв/год.

Похожие:

Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6 iconПродление срока эксплуатации реакторных установок аэс, выработавших
Наибольшая активность образуется в активной зоне реактора в виде продуктов деления ядер ядм на осколки и в остальных компонентах...
Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6 iconПоложительно заряженная часть атома, где сосредоточено до 99,97% его массы. Радиус ядра R~10
Число протонов в ядре равно заряду ядра z и определяет атомный номер элемента в периодической системе. Сумму числа протонов и числа...
Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6 iconСамостоятельная работа №1 по теме: «Строение атома и атомного ядра» Вариант 1 Начальный уровень
Чему равно число протонов и число нейтронов в изотопе бора 511B ? Выберите правильный ответ
Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6 iconКраткое содержание лекций № лек. Тема лекции, краткое содержание Количество часов 1 2 3 1
Введение предмет начертательной геометрии проецирование основной метод начертательной геометрии обратимость чертежа
Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6 iconКомпьютерное моделирование фоновых условий в эксперименте gerda и радиационной обстановки на поверхности Луны 01. 04. 16  физика атомного ядра и элементарных частиц
При планировании, подготовке и интерпретации результатов экспериментов в физике атомного ядра, элементарных частиц, неускорительной...
Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6 iconУдк 539. 12. 01 Структура пиона в модели инстантонной жидкости
Структура пиона в модели инстантонной жидкости. Аникин И. В., Дорохов А. Е., Томио Л. Физика элементарных частиц и атомного ядра,...
Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6 iconПредставления о строении атома А́том
Атом состоит из атомного ядра и окружающего его электронного облака. Ядро атома состоит из положительно заряженных протонов и электрически...
Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6 iconВ курс. Открытие атомного ядра. Общие понятия о ядре
Физика ядра и частиц” заключительный раздел общего курса физики. Изучаемые объекты изображены на рис Это атомные ядра и элементарные...
Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6 iconРеакции делятся: по роду участвующих в ядерных реакциях частиц
Ядерной реакцией называется процесс сильного взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или с другим ядром, приводящий...
Краткое содержание лекции 2 Структура и деление атомного ядра 2 Утечка нейтронов из реактора 5 Критический радиус 6 icon«Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер» Радиоактивность
Вопросы к зачету по теме «Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер»
Разместите кнопку на своём сайте:
ru.convdocs.org


База данных защищена авторским правом ©ru.convdocs.org 2016
обратиться к администрации
ru.convdocs.org