ФИЛОСОФИЯ 1 страница

2005 год
Оглавление

Ядерная энергия. 4

Единицы измерения в ядерной физике. 5

Модель атома Бора. 6

Типы взаимодействий и радиусы их действия. 7

Способы получения трансурановых элементов. 7

Радиоактивный распад и деление ядер. 8

α—распад. 9

β—распад. 9

β^—-распад. 10

β⁺-распад. 10

Электронный захват (К-захват) 10

γ-излучение. 10

Примерное распределение энергии при делении ядра U²³⁵ 10

Ядерные реакции. 12

Возможные источники ядерной энергии. 14

Выбор делящегося вещества. 15

Замедление нейтронов до тепловых скоростей. 16

Конструкция активной зоны.. 17

Цепная ядерная реакция. 18

Формула четырёх сомножителей. 19

Управление цепной ядерной реакцией. 20

Физические процессы в ядерном реакторе. 22

Выгорание ядерного топлива. 22

Воспроизводство ядерного топлива. 25

Шлакование ядерного топлива. 25

Стационарное отравление ₅₄Xe¹³⁵ 26

Йодная яма (нестационарное отравление ₅₄Xe¹³⁵) 28

Способы расчёта отравления реактора Xe¹³⁵ 30

Расчёт отравления реактора Xe¹³⁵ по графикам.. 30

Расчёт отравления реактора Xe¹³⁵ по формуле ........................................... 31

Стационарное отравление реактора Sm¹⁴⁹ 31

Расчёт стационарного отравления реактора Sm¹⁴⁹ 32

Нестационарное отравление реактора Sm¹⁴⁹ (прометиевый провал) 32

Расчёт нестационарного отравления Sm¹⁴⁹ 33

Температурный эффект реактивности. 34

Выводы.. 36

Физические и теплотехнические характеристики ядерного реактора. 38

Энерговыделение в активной зоне. 39

Температурный режим активной зоны.. 40

Статические характеристики реактора. 43

Управление ядерным реактором.. 46

Подкритический реактор. 46

Критический реактор. 48

Надкритический реактор. 49

Физические характеристики органов управления. 52

ПКР и ЦКР. 52

АР. 53

АЗ. 53

Пуск реактора. 54

Расчёт критического положения. 56

Характеристика методики расчёта критического положения. 56

Методика расчёта критического положения и предельной высоты подъёма ПКР. 57

1. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от энерговыработки — . 57

2. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от отравления Xe — ........ 58

3. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от стационарного отравления Sm — ........... 58

4. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от нестационарного отравления Sm — ............. 58

5. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от средней температуры теплоносителя — ......... 58

6. Определение изменения запаса реактивности в зависимости от положения стержней АР — 59

7. Определение суммарного изменения запаса реактивности — ..... 59

8. Определение предполагаемого критического положения — ....... 59

9. Определение предельной высоты подъёма органов регулирования — ............ 60

10. Документальное оформление, проверка и утверждение расчёта. 60

Разогрев ядерного реактора. 61

Работа на энергетическом уровне. 62

Остановка ядерного реактора. 63

Остаточное тепловыделение. 64

Особенности ядерного реактора. 66

НФИ и ТТП ядерного реактора. 67

Определение критической загрузки. 67

Градуировка органов регулирования. 69

Метод разгона. 69

Метод сравнения. 69

Метод скачка плотности потока нейтронов. 69

Построение дифференциальной и интегральной характеристик КР. 69

Определение ТЭР и отравления Xe. 69

ТТП и ТТИ.. 70

Уточнение характеристик в процессе кампании. 70

Обеспечение ядерной безопасности и теплотехнической надёжности активной зоны (ЯБР и ТТНАЗ) 71

Потенциальная опасность ядерной энергии. 71

Чем обусловлена ядерная опасность ядерного реактора. 73

Основные требования по ЯБР и ТТНАЗ. 74

Обеспечение ЯБР и ТТНАЗ. 74

Технические средства обеспечения ЯБР и ТТНАЗ. 75

Организационные мероприятия по обеспечению ЯБР и ТТНАЗ. 75

Основные требования и мероприятия по обеспечению ЯБР и ТТНАЗ на разных этапах эксплуатации ЯЭУ 76

Ответственность персонала за соблюдение ЯБР и ТТНАЗ. 81

Водоподготовка. 82

Источники коррозии. 82

Кислород О₂ 82

Хлор Cl₂ 82

Ионно-обменные фильтры.. 83

Приложения. 84

Таблица Менделеева Д. И. 84

Зависимость удельной энергии связи ядер от массового числа А.. 85

Сечение деления U²³⁵ нейтронами в зависимости от энергии нейтронов. 86

Сечение радиационного захвата нейтронов ядрами U²³⁸ в резонансной области энергий 86

Выход запаздывающих нейтронов и период полураспада. 87

Кривая энерговыработки. 88

Кривая энерговыработки в абсолютных величинах реактивности. 89

Зависимость стационарного отравления реактора Xe¹³⁵ для различных уровней мощности 90

Кривые отравления реактора Xe¹³⁵после остановки с различных уровней мощности. 91

Значения коэффициентов B и D в зависимости от энерговыработки и уровня мощности реактора перед остановкой. 92

Значения функций и от времени Δt после остановки реактора. 93

Отравление Sm¹⁴⁹ в зависимости от энерговыработки. 94

График зависимости от времени после остановки реактора. 95

График зависимости полного нестационарного отравления Sm¹⁴⁹ от энерговыработки 95

Температурный эффект реактивности. 96

Дифференциальная и интегральная характеристика ПКР. 97

Интегральная характеристика ЦКР. 98

Интегральная характеристика АР и физический вес АЗ. 99

Ядерная энергия

Энергия — это способность производить работу под действием определённых сил.

Тепловая энергия — кинетическая энергия хаотического движения атомов (молекул), из которых состоит любое вещество.

Электромагнитная энергия — энергия сил электромагнитного взаимодействия.

Потенциальная энергия — энергия сил гравитационного взаимодействия.

Химическая энергия — энергия взаимодействия электронов внешних оболочек соседних атомов.

Ядерная энергия — энергия, обусловленная силами ядерного взаимодействия (силами взаимодействия частиц, составляющих атомное ядро).

В ходе физических процессов происходит превращение одних видов энергии в другие. Это приводит к тому, что ядерная энергия в ядерном реакторе преобразуется в электрическую, тепловую, кинетическую энергию, то есть в полезные виды энергий.

Единицы измерения в ядерной физике

Масса в ядерной физике измеряется в атомных единицах массы а.е.м., равной 1/16 массы кислорода О¹⁶ (примерно равна массе нейтрона или протона):

1 а.е.м. = 1.66*10^-27кг

В качестве относительной единицы массы часто используют массу электрона:

m_e = 9.1*10^-31кг.

Единицы активности:

1 Ки = 3.7*10¹⁰распад/сек —

старейшая и наиболее употребительная единица активности;

1 Бк = 1 распад/сек

Микроскопическое сечение σ = σ_f + σ_γ + σ_s — полное микроскопическое сечение, где σ_f – сечение деления, σ_γ – сечение γ-захвата, σ_s – сечение рассеяния:

1 барн = 10^-28м² = 10^-24см²

Макроскопическое сечение Σ = σ*N (см^-1), где σ – микроскопическое сечение, N – число ядер в 1 см³ вещества.

Скорость (или выход) ядерной реакции w_i – число ядерных реакций в 1 см³ за 1 сек – прямо пропорционален количеству частиц, ядер в единице объёма, скорости частиц, макроскопическому сечению реакции.

w_i = n*v*σ_i*N_ядер = Ф*Σ_i – для нейтронов, где

n – плотность нейтронов, v – скорость нейтронов, Ф = n*v – плотность потока нейтронов, N_ядер – концентрация ядер. n = S*l/V, где S – интенсивность источника нейтронов, l – время жизни нейтронов, V – объём среды.

Плотность потока нейтронов – количество нейтронов, прошедших через площадку в 1 см² за 1 сек во всех направлениях.

Флюенс нейтронов F – суммарное количество нейтронов, прошедших через единицу площади за время t.

F = n*v*t = Ф*t

Модель атома Бора

В упрощённой модели атома Бора положительно заряженное ядро содержит протоны и нейтроны (их называют нуклонами) и имеет радиус ~ 1.4 * 10^{-13 см} и плотность ~ 2 * 10¹⁴ г/см³.

Ядро окружено облаком отрицательно заряженных электронов, расположенных на строго определённых энергетических уровнях (орбитах). Радиусы этих орбит находятся в диапазоне 10^-8÷10^-9см.

Протоны в 1836, а нейтроны в 1838 раз тяжелее электронов.

В модели атома Бора ядро представлено как капля, частицами которой являются протоны и нейтроны. Модель хорошо описывает средние и тяжёлые ядра, а также такие физические явления, как устойчивость ядра, ядерные реакции, механизм деления и тому подобное.

Существуют и многие другие модели атомов и ядер, это является отражением несовершенства наших знаний об устройстве ядра и атома.

Химические свойства элементов определяются пространственным распределением электронов. Химический элемент в большинстве случаев представляет собой смесь изотопов. Изотопы имеют очень близкие, хотя и различающиеся, химические свойства, что представляет большие трудности при разделении изотопов.

Обозначение химического элемента X:

(или , или ), где

- A — массовое число атома, или сумма нейтронов и протонов в ядре;

- Z — атомный номер (заряд атома), или число протонов в ядре (равно числу электронов).

Пример: — изотоп урана с массовым числом 235 (заряд атома урана равен 92).

Химический элемент — вид атомов, обладающих одинаковым зарядом атомного ядра.

Нуклид — вид атомов с определённым количеством протонов и нейтронов в атомном ядре.

Изотоп — атомы, обладающие одинаковым числом протонов и различным числом нейтронов в атомном ядре.

Изобары — атомные ядра, имеющие одинаковое массовое число, но различные заряды, то есть принадлежащие разным химическим элементам.

В ядре между нейтронами и протонами (ещё их называют нуклонами) существуют электростатические и ядерные силы взаимодействия (в таблице ниже приведена сравнительная таблица взаимодействий).

Характеристика электростатических сил в ядре:

- действуют так же, как и в макроскопическом мире;

- являются силами отталкивания для одноимённых зарядов;

- являются силами притяжения для разноимённых зарядов;

- действуют на больших расстояниях, то есть на расстояниях, превышающих размер ядра.

Характеристика ядерных сил в ядре атома:

- велики по абсолютной величине — самые сильные из всех сил в природе;

- являются силами притяжения независимо от заряда нуклона;

- действуют на очень близком расстоянии, практически при соприкосновении нуклонов;

- обладают свойством насыщения — энергия связи на нуклон в ядре при увеличении размеров ядра не растёт, а остаётся примерно постоянной.

Начиная с Z > 83, ядра становятся неустойчивыми и с определённой вероятностью распадаются на осколки (α-распад). Происходит это потому, что в ядрах с Z > 83 силы электростатического отталкивания превышают ядерные силы притяжения, действующие на отдельный нуклон (см. рис). Самым тяжёлым из природных элементов является ₉₂U, более тяжёлые элементы получены искусственно.

Кроме ядра, могут распадаться и нуклоны — протоны и нейтроны. Это характерно для атомов любой массы (β-распад).

α- и β-распады сопровождаются γ-излучением.

Типы взаимодействий и радиусы их действия

Способы получения трансурановых элементов

Образование трансурановых элементов идёт в реакторе при его мощных нейтронных потоках:

с последующими β^—-распадами:

;

При Z > 100 этот процесс неэффективен из-за конкуренции с делением.

При ядерных взрывах происходит поглощение сразу нескольких нейтронов с последующими β^—-распадами:

;

Трансурановые элементы образуются также при бомбардировке тяжёлых ядер (например, U²³⁸) α-частицами или ионами тяжёлых ядер (Xe¹³⁵) на циклотронах.

Радиоактивный распад и деление ядер

Радиоактивный распад — самопроизвольное превращение неустойчивого ядра в другое ядро (или ядра) с новым зарядом, массой и энергетическим состоянием.

Радиоактивный распад — частный случай деления ядра атома. Никакой физической разницы между радиоактивностью и распадом ядра не существует.

Ядра, подверженные распаду, называют радиоактивными, тогда как ядра, не испытывающие его, называют стабильными.

1896 год — открытие естественной радиоактивности Анри Беккерелем (затемнение фотопластинки солями урана). Радиоактивность стала первым ядерным процессом, обнаруженным человеком. Мария и Пьер Кюри, изучая это явление, открыли элементы Po и Ra.

1899 год — Эрнст Резерфорд открыл α, β и γ-излучения. Он установил их основные свойства — различное отклонение этих излучений магнитным полем — и проникающую способность, от самой слабой у α-частицы до самой большой у γ-частицы.

Очевидно, что необходимым, но не всегда достаточным условием радиоактивного распада является его энергетическая выгодность — масса ядра должна превышать сумму масс ядра-осколка и частиц, вылетающих при распаде. При радиоактивном распаде всегда выделяется энергия.

Как показывают наблюдения, радиоактивность — процесс статистический. Одинаковые ядра распадаются за различное время. Однако среднее время жизни ядер определённого сорта, оказывается, не зависит от способа получения этих ядер и от внешних условий (температура, давление, агрегатное состояние).

Самым удивительным в явлении радиоактивности являются колоссальные в масштабах микромира времена жизни радиоактивных ядер. Например, в ядре ₉₂U²³⁸, живущем 10¹⁰ лет, нуклоны успевают совершить по 10³⁸ оборотов по своим орбитам, и ничего не происходит, а потом вдруг ядро испускает α-частицу. Очевидно, что должны существовать какие-то специфические физические причины, за счёт которых ядро существует в течение таких гигантских промежутков времени и потом всё-таки самопроизвольно распадается.

Другим примером длительности ядерных реакций могут служить запаздывающие нейтроны, вылетающие из продуктов β^--распада осколков деления U²³⁵ спустя десятки и сотни секунд после распада ядра U²³⁵.

Для описания статистических закономерностей используются вероятности тех или иных событий. Естественной статистической величиной, описывающей радиоактивный распад, является вероятность λ распада ядра за единицу времени. Смысл величины λ, называемой также постоянной распада, состоит в том, что если взять большое число N одинаковых нестабильных ядер, то за единицу времени в среднем будет распадаться λ*N ядер.

Существенным свойством явления радиоактивности является независимость постоянной распада λ от времени. Это выражается в том, что различные моменты времени ничем не выделены друг перед другом с точки зрения вероятности предстоящего распада ядра.

Сформулируем теперь основной закон радиоактивного распада. Если в момент t имеется большое число N радиоактивных ядер и если за промежуток времени dt распадается в среднем dN ядер, то в соответствии с определением величины λ

dN = - λ*N*dt

Результатом интегрирования и является основной закон радиоактивного распада, имеющий вид

N = N₀*e^{- λ*t},

где N₀ — число радиоактивных ядер в произвольно выбранный начальный момент t = 0.

Через постоянную распада λ выражаются две другие величины, характеризующие интенсивность процесса радиоактивности — период полураспада Т_1/2 и среднее время жизни ядра τ. Периодом полураспада называется время, за которое число радиоактивных ядер уменьшается вдвое.

Т_1/2 = (ln2) / λ

τ = 1 / λ

Для простых оценок можно считать, что за время, равное 4-5 периодам полураспада, распадается практически всё первоначальное количество вещества.

α—распад

Явление α-распада состоит в том, что тяжёлые ядра самопроизвольно испускают α-частицы. При этом массовое число ядра уменьшается на 4, а атомный номер — на 2:

Исходное ядро _ZX^A называют материнским, а получающееся после распада ядро _Z-2X^A-4 — дочерним.

α-распад идёт только для тяжёлых ядер (Z > 82). Известно более 200 α-активных ядер.

Периоды полураспада α-активных ядер варьируются в широчайшим пределах, от 1.4*10¹⁷лет у ₈₂Pb²⁰⁴ до 10^-6сек у ₈₆Rn²¹⁵.

Энергии вылетающих α-частиц заключены в пределах 4 ÷ 9 МэВ. α-частицы, вылетающие из ядер определённого сорта, имеют, как правило, определённую энергию (на самом деле несколько близких друг другу значений энергий).

Для того, чтобы α-распад шёл, необходимо (но не достаточно), чтобы он был энергетически возможен, то есть чтобы энергия связи материнского ядра была меньше суммы энергий связи дочернего ядра и α-частицы:

E_A-4,Z-2+E_α > E_A,Z

Энергия связи α-частицы равна 28 МэВ (7 МэВ на нуклон), поэтому α-распад становится энергетически допустимым лишь тогда, когда энергия связи на нуклон становится меньше 7 МэВ.

При α-распаде почти вся энергия уносится α-частицей.

Примеры α-распадов:

²³⁹Pu ® ²³⁵U

₉₂U²³⁸ ® ₉₀^Th234 ® ₈₈Ra²³⁰ …

₉₂U²³⁵ ® ₉₀^Th231 …

β—распад

В процессе β-распада Z увеличивается или уменьшается на 1, а A остаётся постоянным.

3 типа β-распадов:

- β^—-распад (Z = Z + 1)

- β⁺-распад (Z = Z – 1)

- электронный захват (К-захват)

β-распад обусловлен не ядерными, а слабыми взаимодействиями, поэтому времена жизни β-активных атомов имеют в среднем порядок минут и часов.

При β-распаде распадается не ядро, а нуклон. Однако на β-распад оказывает влияние структура ядра.

β-распад возможен для атомов с любым атомным весом.

Энергетическое условие β-распада:

(в общем случае);

(β^—-распад, i — родительское ядро, f — дочернее ядро);

(β⁺-распад)

(e-захват)

β^—-распад

β^—-распад состоит в том, что ядро самопроизвольно распадается согласно уравнению:

β^—-распад можно рассматривать как электронный распад нейтрона в ядре:

(Т_1/2 = 12.8 мин)

β⁺-распад

β⁺-распад состоит в том, что ядро самопроизвольно распадается согласно уравнению:

β⁺-распад можно рассматривать как позитронный распад протона в ядре:

Электронный захват (К-захват)

Состоит в захвате ядром электрона с внутренней оболочки атом, обычно из К-оболочки, с испусканием нейтрино:

Цепочки β-распадов одного из многих осколков деления урана Te и Nd:

γ-излучение

Явление γ-излучения состоит в испускании ядром γ-кванта без изменения A и Z. γ-излучение возникает за счёт энергии возбуждения ядра при α- и β-распадах, спектр его дискретен, поскольку дискретны ядерные уровни.

Времена жизни γ-активных ядер составляет порядок 10-7 — 10-11 сек. Однако существуют такие γ-активные ядра с временами жизни до нескольких часов — так называемые изомеры.

В отличие от γ-излучения R-излучение (рентгеновское) сопровождает изменения в состоянии электронной оболочки атома. В остальном природа γ- и R-излучений одинакова — это электромагнитные излучения высоких энергий.

Примерное распределение энергии при делении ядра U²³⁵

В процессе деления U²³⁵ образуются:

- 2 осколка деления;

- 2-3 мгновенных нейтрона;

- γ-излучение от мгновенных нейтронов;

- продукты β-распада продуктов деления;

- γ-излучение продуктов деления;

- запаздывающие нейтроны.

Наиболее часто встречающиеся деления ядра U²³⁵:

n + ₉₂U²³⁵ ® ₅₇La¹⁴⁷ + ₃₅Br⁸⁷ + 2-3 n

n + ₉₂U²³⁵ ® ₅₅Xe¹⁴⁰ + ₃₈Sr⁹⁴ + 2-3 n

n + ₉₂U²³⁵ ® ₆₂Sm¹⁴⁹ + ₃₀Zn⁸⁵ + 2-3 n

n + ₉₂U²³⁵ ® ₅₆Ba¹³⁹ + ₃₆Kr⁹⁵ + 2-3 n

n + ₉₂U²³⁵ ® ₅₅Cs¹³⁷ + ₃₇Rb⁹⁷ + 2-3 n

n + ₉₂U²³⁵ ® ₃₈Sr⁹⁵ + ₅₄Xe¹³⁸ + 2-3 n

Деление U²³⁵ нейтронами даёт осколки разных масс в соотношении, близком к 2 к 3 (чаще всего массы осколков составляют 95 и 139 а. е. м.). Общее число разновидностей осколков деления U²³⁵ около 60. Осколки деления испытывают в среднем три β^—-распада, поэтому продуктами деления U²³⁵ в конце концов являются примерно 200 радиоактивных изотопов, или почти вся таблица Менделеева.

Количество исходного U²³⁵ и осколков деления остаётся постоянным в ТВэл при работе реактора (за исключением дефекта масс, которым можно пренебречь), поэтому при меньшей плотности осколки занимают больший объём, чем исходный U²³⁵. Это приводит к разбуханию ТВэл и, в конечном счете, снижает надёжность активной зоны.

Ядерные реакции

Ядерная реакция — это превращение атомных ядер при взаимодействии их с частицами (в том числе с γ-квантами) или друг с другом.

Самыми вероятными реакциями ядер являются их реакции с нейтронами и γ-квантами.

Наиболее важны для осуществления и управления ЦЯР следующие ядерные реакции:

- деление тяжёлых ядер U, Pu;

- рассеяние нейтронов;

- поглощение ядром нейтронов и γ-квантов;

- выбивание нейтронов из ядер и заряженных частиц из ядер.

Деление ядер: поглотив нейтрон, ядро U или Pu с большой вероятностью делится на 2 осколка с соотношением масс примерно 2 к 3. Кинетическая энергия осколков составляет примерно 170 МэВ. Остальные продукты деления: мгновенные нейтроны, γ-излучение, продукты радиоактивного распада осколков деления (и β- и γ-излучение как следствие), нейтрино, запаздывающие нейтроны.

Рассеяние нейтронов: столкновение нейтрона с ядром, замедление его и изменение направления движения. Упругое рассеяние – в результате изменяется только кинетическая энергия ядра и нейтрона. Неупругое рассеяние – возбуждение ядра с последующим испусканием γ-кванта.

Радиационный захват: нейтрон поглощается ядром, ядро превращается в новый нуклид с последующим γ-излучением. Используется в компенсирующих решётках и в выгорающем поглотителе:

₄₈Cd¹¹³ (n, γ) ₄₈Cd¹¹⁴

Фотонейтронные (фотоядерные) реакции: реакции выбивания нейтронов из ядра γ-квантом. Играют важную роль при повторных пусках реактора, имеющих в активной зоне воду и бериллий:

₁D² (γ) n + p

₄Be⁹ (γ) ₄Be⁸ + n

Реакции замещения: поглощение одной частицы ядром с последующим рождением новой частицы:

₅B¹⁰ (n, α) ₃Li⁶

Такая реакция используется в ионизационных камерах для регистрации нейтронного потока и в выгорающем поглотителье

₈О¹⁶ (n, p) ₇N¹⁶

активация воды.

Время жизни мгновенных нейтронов в ВВЭР включает в себя:

- время реакции деления ≈ 10^-14 сек;

- время замедления до тепловой энергии ≈ 10^-5 сек;

- время диффузии до поглощения ≈ 10^-5 — 10^-3 сек.

Таким образом, среднее время жизни мгновенных нейтронов определяется временем диффузии и составляет 10^-5 — 10^-3 сек.

Поиск по сайту: