Ядерное горючее - делящиеся нуклиды, используемые в ядерных реакторах для осуществления ядерной
цепной реакции деления.
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).
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 Кв, 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
Кв 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 Кв>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 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.
Рис. 2. Цепочка радиоактивного распада 232U.
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.
* Не определена.
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.
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.
И. С. Головнин
Релятивисты и позитивисты утверждают, что "мысленный эксперимент" весьма полезный интрумент для проверки теорий (также возникающих в нашем уме) на непротиворечивость. В этом они обманывают людей, так как любая проверка может осуществляться только независимым от объекта проверки источником. Сам заявитель гипотезы не может быть проверкой своего же заявления, так как причина самого этого заявления есть отсутствие видимых для заявителя противоречий в заявлении.
Это мы видим на примере СТО и ОТО, превратившихся в своеобразный вид религии, управляющей наукой и общественным мнением. Никакое количество фактов, противоречащих им, не может преодолеть формулу Эйнштейна: "Если факт не соответствует теории - измените факт" (В другом варианте " - Факт не соответствует теории? - Тем хуже для факта").
Максимально, на что может претендовать "мысленный эксперимент" - это только на внутреннюю непротиворечивость гипотезы в рамках собственной, часто отнюдь не истинной логики заявителя. Соответсвие практике это не проверяет. Настоящая проверка может состояться только в действительном физическом эксперименте.
Эксперимент на то и эксперимент, что он есть не изощрение мысли, а проверка мысли. Непротиворечивая внутри себя мысль не может сама себя проверить. Это доказано Куртом Гёделем.
Понятие "мысленный эксперимент" придумано специально спекулянтами - релятивистами для шулерской подмены реальной проверки мысли на практике (эксперимента) своим "честным словом". Подробнее читайте в FAQ по эфирной физике.