Ядерные реакции, ядерное топливо
Советский физик Я. И. Френкель разработал «капельную» теорию ядра, рассматривающую процесс деления ядра атома по аналогии с делением капли «ядерной жидкости». При захвате ядром тяжелого элемента внешней частицы (нейтрона) происходит нарушение равновесия ядерных сил. Ядро растягивается и в конце концов принимает форму двух меньших капель, соединенных тонкой «шейкой». Электростатические силы отталкивания протонов в двух каплях разрывают «шейку», и образуются две самостоятельные «капли» — осколки деления атомного ядра. Сумма электрических зарядов осколков (протонов) равна электрическому заряду целого ядра, а сумма всех нуклонов (протонов и нейтронов) осколков на две-три единицы меньше количества Нуклонов целого ядра. Эти два-три свободных нейтрона, получающиеся при расщеплении ядра, называются нейтронами деления. Каждый из них может вызвать деление следующего ядра атома. Так возникает саморазвивающаяся цепная реакция деления ядер, в которой количество делящихся ядер возрастает по геометрической прогрессии.
Г. Н. Флеров и К. А. Петржак в 1940 году установили, что ядра урана могут также делиться на осколки без бомбардировки посторонними частицами, т. е. в уране происходит самопроизвольный распад ядер с выделением свободных нейтронов. В 1 грамме урана в течение часа получается несколько десятков нейтронов деления. Однако эти нейтроны в обычных условиях не могут вызвать цепной реакции в природном уране, в котором более 99 процентов составляет уран238, делящийся только под воздействием нейтронов с очень большой энергией.
Природный уран состоит из трех изотопов в весовой пропорции:
уран 234 —0,0054 %, уран 235 —0,712%, уран 238 — 99,28 %.
Ядра всех трех изотопов урана содержат по 92 протона, в оболочках атомов имеется по 92 электрона. Количество нейтронов в ядрах этих изотопов составляет соответственно 142, 143 и 146. Изотопы урана могут разделяться путем диффузии или электромагнитными методами. Уран235 отделяется от урана238 путем многократной (до 4000 раз) диффузии газообразного шестифтористого соединения природного урана через специальные пористые фильтры. Молекулы газа, содержащие уран235, быстрее проходят через фильтры, чем молекулы, содержащие уран238. Выделение урана235 методом диффузии или электромагнитным методом связано с затратой большого количества энергии и времени и требует сложного и громоздкого оборудования.
Только ядра урана235 могут делиться под воздействием нейтронов любой энергии (медленных или тепловых, — со скоростью 2—4 километра в секунду), быстрых (порядка 10 000 км/сек) или промежуточных. Ядра урана238 делятся преимущественно с помощью быстрых нейтронов.
При захвате свободного нейтрона ядро урана238 превращается в ядро неустойчивого изотопа урана (урана239). Эта реакция не сопровождается делением ядра. В результате захвата свободного нейтрона ядром урана235 оно превращается в ядро урана236 и последнее претерпевает деление на два осколка.
Поскольку в природном уране на каждый атом урана235 приходится 140 атомов урана238, вероятность захвата нейтронов деления ядрами урана235 невелика. Значительно более велика вероятность захвата нейтронов ядрами урана238 без деления последних, так как энергия быстрых нейтронов за короткий промежуток времени снижается от 2 мэв до величины, меньшей 1 мэв, недостаточной для деления ядра урана238. Если скорость быстрых нейтронов уменьшается до 45—50 километров в секунду, то нейтроны с такой скоростью особенно интенсивно захватываются ядрами урана238. Эта область, в которой энергия нейтрона равна энергии возбуждения ядра при переходе его на соответствующий энергетический уровень, называется областью резонансного захвата.
Рис. 3. Схема цепных реакций расщепления для природного урана и урана 233 с торием.
Резонансное поглощение нейтронов ядрами урана238 не позволяет развиваться цепной реакции деления на природном уране, так как не остается достаточного количества нейтронов для деления ядер урана235.
Чтобы предохранить нейтроны от попадания в резонансную область, необходимо снизить их скорость до величины скорости теплового движения молекул. Это дости гается применением замедлителей, при столкновении с атомами которых быстрые нейтроны деления теряют большую часть своей скорости. Тепловые нейтроны с большей вероятностью захватываются ядрами урана235, вызывая их деление, что создает условия для -развития реакции на природном уране.
Вероятность захвата нейтронов деления ядрами урана235 увеличивается также при обогащении урана (увеличении содержания урана235 до 1,5—5 процентов против 0,7 процента в природном уране).
В качестве замедлителя могут быть использованы вода, тяжелая вода, графит, бериллий.
На рис. 3 даны условные схемы реакций расщепления ядер урана235, природного урана и урана238, а также схемы превращения урана238 в плутоний239 и тория232 в уран 233.
Уран235 является единственным природным ядерным топливом. Плутоний239 и уран233 — искусственно получаемые ядерные топлива. Все эти три ядерных топлива могут использоваться как в мгновенных (взрывных), так и в регулируемых (энергетических) реакциях деления, обладая способностью делиться под действием быстрых, промежуточных и медленных нейтронов.
Как уже указывалось, при захвате свободного нейтрона ядро урана235 превращается в ядро неустойчивого изотопа урана236, делящегося на два осколка. Осколки ядра разлетаются со скоростью до 10 000—15 000 километров в секунду. При делении одного ядра урана выделяется около 200 мэв энергии. Из них около 166 мэв приходится на долю кинетической энергии осколков ядра. При столкновении осколков ядра с атомами урана, осколков предыдущих делений и конструкционных материалов эта кинетическая энергия превращается в тепловую. Около 5 мэв приходится на долю энергии нейтронов деления, более 10 мэв — на долю гамма-излучений и более 18 мэв — на долю бета-излучений и нейтрино. Гамма-излучения являются электромагнитными излучениями типа рентгеновых, но с большей жесткостью. Бета-излучения — это поток быстрых электронов.
Осколки деления ядра имеют массовые числа от 70 до 160; обычно отношение масс осколков близко к величине 2:3. Сумма чисел зарядов (протонов) осколков равна числу зарядов исходного ядра.
Избыток нейтронов в ядрах осколков может устраниться путем испускания излишних нейтронов, в форме альфа- и бета-излучений, в результате чего массовое число ядра приходит в соответствие с его зарядом. Обычно происходит другой процесс — превращение избыточных нейтронов ядра в протон с испусканием электрона и нейтрино. В этом случае массовое число ядра сохраняется, но атомный номер увеличивается на единицу, то есть один химический элемент превращается в другой химический элемент с большим на единицу атомным весом.
Другой процесс происходит при захвате нейтронов ядрами урана238. При этом захвате число нейтронов в ядре увеличивается с 146 до 147, то есть получается новый изотоп урана — уран239. Это неустойчивый элемент с периодом полураспада 23 минуты. Один из нейтронов ядра урана239 превращается в протон, испуская электрон (бета- частицу) и нейтрино. Такая реакция носит название бета- распада. В результате бета-распада в ядре вместо 92 протонов получается 93 протона. Возникает новый химический элемент — 93-й элемент периодической системы. Этот атомный номер принадлежит нептунию239. Как и уран239, нептуний 239 является неустойчивым элементом. Период полураспада этого радиоактивного элемента равен 2,3 дня. В результате бета-распада (превращения одного из нейтронов ядра в прогон) число протонов в ядре увеличивается с 93 до 94. В периодической системе этому атомному номеру соответствует элемент плутоний 239. Это элемент с периодом полураспада 24 тысячи лет.
Если преследуется цель получения из урана238 плутония239, то через соответствующие промежутки времени урановые элементы заменяются свежими, а отработавшие элементы отправляются на химический завод для выделения плутония239. Энергетические установки проектируются таким образом, что получающийся плутоний 239 участвует, наряду с ураном235, в реакции деления с выделением тепла. Таким образом, расход урана235 частично или полностью компенсируется выработкой плутония239, и мощность установки длительное время может поддерживаться постоянной без добавления дополнительного количества свежего урана.
Искусственный расщепляющийся материал уран233 в сплаве с торием 232 может поддерживать цепную реакцию подобно урану235 в природном уране. В этом случае при захвате нейтронов ядром урана233 происходит его деление с выделением теплоты. При захвате же нейтрона ядром тория 232 происходит двукратный бета-распад, подобный описанному бета-распаду урана238. Из ядра тория232 получается неустойчивое ядро тория233 с периодом полураспада 23 минуты. В результате превращения нейтрона этого ядра в протон образуется неустойчивое ядро протактиния (91-й элемент таблицы Менделеева) с периодом полураспада 27 дней. Бета-распад в ядре протактиния приводит к образованию ядра урана233. Это элемент с периодом полураспада около 163 тысяч лет.
Таким образом, сырьем для атомных электростанций в настоящее время могут служить природный уран и торий. Уран может использоваться в качестве топлива в природном состоянии или после обогащения (повышения содержания урана 235), а также путем переработки урана238 в плутоний239. Торий намечается использовать путем переработки его в уран233 или в виде сплава с ураном233. Период полураспада урана238 — около 4 миллиардов 500 миллионов лет, урана235 — около 710 миллионов лет и тория232 — около 13 миллиардов 900 миллионов лет.
Если мировых запасов органического топлива достаточно примерно на тысячу лет, то запасов урана и тория достаточно по крайней мере на 20 тысяч лет. При освоении ядерных реакций синтеза легких элементов запасы ядерного топлива станут практически неограниченными.
