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 существенно 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 —u=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 238U и 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 прохождении разности потенциалов в 1 В: 1эВ=1е*1В*1.6-10-12 эрг=4,45-10-26 кВт-ч; 1 эВ - 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 МВт-ч энергии. При сжигании 1 г угля получается всего 7—8 Вт-ч энергии.

При захвате нейтронов ядрами 238U и 232Th образуются плутоний 239Pu 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 232Th 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 рис. 7.3. В СССР в 1973 г. в г. Шевченко начала работать первая в мире промышленная АЭС на быстрых нейтронах.

Рис. 7.3. Урановый цикл размножения на быстрых нейтронах

АТОМНЫЕ ЭЛЕКТРИЧЕСКИЕ СТАНЦИИ