Ядерное горючее. РЕАЛЬНАЯ ФИЗИКА. Глоссарий по физике

К ядерному горючему относятся такие нуклиды, к-рые при взаимодействии с нейтронами делятся с испусканием не менее двух нейтронов и, кроме того, обладают ядерно-физ. свойствами, обеспечивающими создание критической массы в реальных геом. размерах активной зоны реактора. Требованиям, предъявляемым к ядерному горючему, удовлетворяют четно-нечётные ядра актиноидов (с чётным числом протонов и нечётным числом нейтронов), в т. ч. природный изотоп ²³⁵U, искусств. изотопы ²³³U, ²³⁹Pu, ²⁴¹Pu, ²⁴³Рu, к-рые делятся во всём спектре энергий нейтронов, начиная с тепловых, и способны создавать цепные реакции деления. Четно-чётные ядра актиноидов (природные изотопы ²³⁸U, ²³² Th, искусств. изотопы ²³²U, ²³⁴U, ²³⁶U, ²⁴⁰Pu, ²⁴²Pu и др.) могут делиться только на нейтронах с энергией

1 МэВ и более. Используя эти изотопы, невозможно создать цепную реакцию вследствие низких вероятности деления и ср. выхода нейтронов. Однако в процессе ней-. тронного захвата эти ядра способны превращаться в делящиеся изотопы. Т. о., открывается реальная возможность воспроизводства ядерного горючего и возвращения его в топливный цикл (замкнутый топливный цикл).

Цепочки превращений ядерного горючего

Наиб. значение для воспроиз-ва ядерного горючего имеют природные изотопы ²³⁸U и ²³²Th (рис. 1), к-рые при поглощении нейтронов образуют несуществующие в природе изотопы ²³⁹Рu и ²³³U (оборотное ядерное горючее). Природный уран в осн. состоит из ²³⁸U и лишь на 0,714 % по массе из изотопа ²³⁵ U. Природный торий состоит практически полностью из ²³²Th. Как исходный материал для воспроиз-ва ядерного горючего изотопы ²³⁸U и ²³²Th получили назв. "топливного сырья". Эффективность воспроиз-ва ядерного горючего определяется коэф. воспроиз-ва К_в, равным отношению кол-ва воспроизведённого ядерного горючего к кол-ву "выгоревшего" за то же время и существенно зависящим от нейтронного энергетич. спектра реактора. В реакторах на тепловых нейтронах К_в не превышает 0,5-0,8. Повысить кол-во использованного природного урана за счёт воспроиз-ва в тепловых реакторах возможно не более чем на 2 % по массе. В реакторах на быстрых нейтронах К_в>1, что обеспечивает расширенное воспро-из-во ядерного горючего и практически полное использование всего добываемого урана, а в будущем и тория (см. Реактор-размножитель).

Рис. 1. Цепочки превращений ²³⁸U - ²³⁹Pu и ²³²Th - ²³³U.

При делении ядер актиноидов выделяется энергия

200 МэВ на один акт деления. Эта энергия распределяется между разлетающимися осколками ядра и возникающими частицами. Ок. 90% энергии (кинетич. энергия осколков и частиц) превращается в тепловую. В результате деления 1 г²³⁵U выделяется

1 МВт^.сутки энергии. Энергетич. эквивалент 1 г плутония соответствует 1 т нефти.

В земной коре содержится до 10¹⁴ т урана. Разведанные запасы урановых руд во всём мире, разработка месторождений к-рых экономически оправдана, составляют более 5 млн. т, что по энергетич. эквиваленту в десятки раз превышает запасы угля. Тория в земной коре в 4-5 раз больше, чем урана, однако разведанных запасов его руд не более 2 млн. т. Добыча и переработка урановых и в особенности ториевых руд - трудоёмкий и дорогостоящий процесс в связи с низким содержанием извлекаемых компонентов. Богатой считается руда, содержащая неск. процентов урана, а рентабельность добычи бедных руд при совр. уровне технологий ограничивается содержанием урана 0,02% по массе.

Торий (²³²Th) как сырьевой материал для получения делящихся ядер ²³³U пока не нашёл применения по неск. причинам: ²³²Th не образует богатых месторождений, технология его извлечения из руд сложнее; кроме того, ²³²Th наряду с ²³³U даёт изотоп ²³²U, к-рый при распаде образует g-активные ядра (²¹²Bi, ²⁰⁸Tl), ухудшающие радиац. свойства ядерного горючего (рис. 2).

Ядерное топливо

Ядерное горючее в чистом виде в ядерном реакторе использоваться не может из-за низкой температуры плавления, хим. активности, коррозионной неустойчивости, высокого уд. энерговыделения и др. причин. Вещество, содержащее делящиеся нуклиды и размещаемое в виде сердечников тепловыделяющих элементов (ТВЭЛов)в активной зоне реактора, наз. ядерным топливом. Оно представляет собой радиационно и химически устойчивую композицию. Горючая компонента в топливе составляет сравнительно небольшую часть.

По химическому составу топливо может быть металлическим (U, Pu, сплавы) либо керамическим, с использованием стойких в реакторных условиях хим. соединений (оксиды, карбиды, нитриды и др.). По степени возрастания коэф. воспроиз-ва ядерное топливо располагается в след. порядке: (U, Pu)O₂, (U, Pu)C, (U, Pu)N, сплавы. Преимущества керамич. топлива: высокая темп-pa плавления, совместимость с материалами оболочек ТВЭЛов и теплоносителем. К недостаткам относятся более низкая теплопроводность по сравнению со сплавами, повышенное поглощение нейтронов, низкая прочность и др. В табл. приведены нек-рые свойства топливных материалов при комнатной температуре.

Наиб. широкое применение получило диоксидное топливо. В реакторах с жидкометаллич. охлаждением представляется оптимальным использование нитридного уранового и уран-плутониевого топлива. Изучается также возможность использования металлич. топлива в виде сплава U-Pu-Zr и др. Топливо в ТВЭЛах, как правило, гомогенное. Иногда применяется т. н. дисперсионное, или матричное, топливо, когда крупицы топлива (чаще в виде керамики) включаются в матрицу из инертного (неделящегося) разбавителя, обладающего хорошими ядерными и механическими свойствами и приемлемой теплопроводностью.

Существенное влияние на ресурс работы топлива и ТВЭЛов оказывают неравномерность энерговыделения в активной зоне, определяющаяся искажением нейтронных полей, вносимым регулирующими стержнями (переходные мощностные режимы) и утечкой нейтронов из объёма активной зоны реактора, а также "выгорание" ядерного горючего, соответствующее массовому накоплению осколков в топливе.

"Выгорание" ядерного горючего достигает 2-6 % по массе в реакторах на тепловых нейтронах и более 10% - в реакторах на быстрых нейтронах. Оно приводит к существенному изменению свойств топлива: возникает зашлаковывание высокопоглощающими нейтроны нуклидами, носящее нестационарный характер, изменяется кристаллич. структура топлива, снижается температура плавления, изменяются теплофиз. и прочностные характеристики и т. д. Накопление и выход из топлива хим. активных легколетучих элементов приводят к деградации свойств материалов ТВЭЛов. В металлич. топливных композициях накапливающиеся осколки входят в кристаллич. решётку по типу замещения или внедрения с последующим выделением избыточных фаз. При делении ядер элементов, связанных в хим. соединения, освобождаются соответственно О₂, С, N₂, ³/₄ из к-рых, соединяясь с осколочными элементами, могут переходить в твёрдый раствор топливной матрицы с последующим выделением избыточных фаз. Особую роль играют газовые осколочные элементы - ксенон и криптон, создающие по мере накопления значит. избыточное давление в порах топливного материала и под оболочкой ТВЭЛа. В результате этих процессов происходит общее "распухание" топливного материала примерно от 0,4 до 2,5 % на 1 % выгоревших актиноидов в зависимости от условий облучения и типа топливной композиции.

Неравномерность энерговыделения, нестационар. мощностные режимы, формоизменение и деградация свойств топливных материалов - осн. явления, определяющие допустимый уровень напряжений в оболочках и ресурс работы топлива и ТВЭЛов. Дисперсионные металлокерамич. и керметные топливные композиции позволяют повысить ресурс "работоспособности" ТВЭЛов.

Замкнутый ядерный топливный цикл

К числу осн. предприятий ядерного топливного цикла помимо специализир. транспорта относятся рудники и рудоперерабатывающие заводы, произ-ва разделения изотопов урана, произ-ва ТВЭЛов и тепловыделяющих сборок (ТВС) из природного и оборотного горючего, ядерные энергетич. реакторные установки, радиохим. заводы по переработке отработавших ТВЭЛов и топлива и фракционированию радиоизотопов в отходах радиохим. произ-в, установки отверждения отходов временного контролируемого хранения, могильники (рис. 3).

Рис. 3. Урановый и уран-плутониевый замкнутые ядерные топливные циклы.

Отработанное ядерное топливо после извлечения из реактора обладает наведённой активностью в неск. млн. Ки на тонну, обусловленной содержанием 3-10 % и более осколочных элементов, в осн. короткоживущих. При хранении в течение 2-4 месяцев его активность падает на два-три порядка, затем спад замедляется. Осн. масса дол-гоживущих радиоизотопов распадается до уровня естеств. фона за 300-400 лет, после чего может быть захоронена. Относительно небольшая доля радионуклидов (~1 %)- малые актиноиды и нек-рые осколки, напр., ⁹⁹Тс, ¹²⁹I, ¹⁵⁰Gd с периодами полураспада от десятков до сотен тыс. лет и более - длительно сохраняют высокую радиоактивность и не могут быть захоронены в геол. формации Земли. Такие радионуклиды подлежат извлечению при фракционировании отходов и превращению (трансмутации) в делящиеся или короткоживущие изотопы путём облучения в спец. ядерных реакторах. Использование реакторов на быстрых нейтронах позволяет достаточно полно "выжигать" все актиноиды, а также уничтожать актиноиды, накапливающиеся в реакторах на тепловых нейтронах, вследствие эфф. превращения их в делящиеся нук-лиды.

Регенерируемый в замкнутом топливном цикле уран при многократном использовании накапливает в заметных кол-вах изотопы ²³⁴U, ²³⁶U (балласт), снижающие ядерные характеристики топлива, и ²³²U, ухудшающий его радиац. свойства. Восстановление эксплуатац. характеристик регенерируемого урана возможно путём разделения изотопов с последующей трансмутацией балластных.

Литература по ядерному горючему

Знаете ли Вы, что любой разумный человек скажет, что не может быть улыбки без кота и дыма без огня, что-то там, в космосе, должно быть, теплое, излучающее ЭМ-волны, соответствующее температуре 2.7ºК. Действительно, наблюдаемое космическое микроволновое излучение (CMB) есть тепловое излучение частиц эфира, имеющих температуру 2.7ºK. Еще в начале ХХ века великие химики и физики Д. И. Менделеев и Вальтер Нернст предсказали, что такое излучение (температура) должно обнаруживаться в космосе. В 1933 году проф. Эрих Регенер из Штуттгарта с помощью стратосферных зондов измерил эту температуру. Его измерения дали 2.8ºK - практически точное современное значение. Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.