§ 47. Фізичні основи ядерної енергетики

Природний Уран складається переважно з двох ізотопів: ²³⁵₉₂U і ²³⁸₉₂U. Але ізотоп ²³⁵₉₂U становить лише 1/140 частину набагато поширенішого ізотопу ²³⁸₉₂U.

Ядра ²³⁵₉₂U діляться під впливом швидких і повільних нейтронів. Ядра ²³⁸₉₂U можуть ділитися тільки під впливом швидких нейтронів з енергією понад 1 МеВ. Таку енергію має приблизно 60 % нейтронів, що вивільняються під час поділу. Проте приблизно тільки один нейтрон з п’яти спричинює поділ ²³⁸₉₂U. Решта нейтронів захоплюється цим ізотопом без поділу. Тому ланцюгова реакція в чистому ізотопі ²³⁸₉₂U неможлива.

Для ланцюгової реакції необов’язково, щоб кожний нейтрон спричинив поділ ядра. Потрібно тільки, щоб середня кількість вивільнених нейтронів у цій масі урану не зменшувалася із часом.

Ця умова виконується, якщо коефіцієнт розмноження нейтронів k більший від одиниці або дорівнює їй.

Коефіцієнтом розмноження нейтронів називають відношення кількості нейтронів у будь-якому «поколінні» до кількості нейтронів попереднього «покоління».

Під зміною «поколінь» розуміють поділ ядер, при якому поглинаються нейтрони старого «покоління» і народжуються нові нейтрони.

Якщо k ≥ 1, то кількість нейтронів із часом збільшується або не змінюється і відбувається ланцюгова реакція. Якщо k < 1, кількість нейтронів із часом зменшується і ланцюгова реакція неможлива.

Коефіцієнт розмноження визначається такими чотирма чинниками:

1. Захопленням повільних нейтронів ядрами ²³⁵₉₂U з наступним поділом їх або захопленням швидких нейтронів ядрами ²³⁵₉₂U і ²³⁸₉₂U також з наступним поділом.
2. Захопленням нейтронів ядрами ²³⁸₉₂U і ²³⁵₉₂U без поділу.
3. Захопленням нейтронів продуктами поділу, сповільнювачем та конструктивними елементами установки.
4. Вилітанням нейтронів назовні з речовини, яка ділиться.

Тільки перший процес супроводжується збільшенням кількості нейтронів (переважно за рахунок поділу ²³⁵₉₂U). У решті процесів кількість нейтронів зменшується. У чистому ізотопі ²³⁸₉₂U ланцюгова реакція неможлива, оскільки при цьому k < 1 (нейтронів, що захоплюються ядрами без поділу, більше, ніж нейтронів, що знову утворюються при поділі ядер).

Для стаціонарної ланцюгової реакції коефіцієнт розмноження нейтронів має дорівнювати одиниці. І ця умова має виконуватися з великою точністю. Якщо k = 1,01, то майже вмить станеться вибух.

Важливе значення має захоплення повільних нейтронів ядрами ізотопу Урану ²³⁸₉₂U без поділу. Після захоплення утворюється радіоактивний ізотоп ²³⁹₉₂U з періодом піврозпаду 23 хв. Розпад відбувається з випромінюванням електрона і виникненням трансуранового елемента — Нептунію: ²³⁹₉₂U → ²³⁹₉₃Np + ⁰_-1e.

Нептуній β-радіоактивний з періодом піврозпаду близько двох днів. У процесі розпаду Нептунію утворюється інший трансурановий елемент — Плутоній: ²³⁹₉₃Np → ²³⁹₉₄Pu + ⁰_-1e.

Плутоній відносно стабільний, оскільки його період піврозпаду великий — близько 24 000 років. Важливою властивістю Плутонію є те. що він ділиться під впливом повільних нейтронів, так само як ізотоп ²³⁵₉₂U.

Тому за допомогою Плутонію також можна здійснити ланцюгову реакцію, що супроводжується виділенням величезної кількості енергії.

Пристрій, у якому підтримується керована реакція поділу ядер, називають ядерним (атомним) реактором.

Ядра Урану, особливо ядра ізотопу ²³⁵₉₂U, найефективніше захоплюють повільні електрони. Причому ймовірність захоплення повільних нейтронів у сотні разів більша, ніж швидких. Тому в ядерних реакторах, що діють на природному Урані, застосовують сповільнювачі нейтронів і цим підвищують коефіцієнт розмноження нейтронів. Процеси, що відбуваються в ядерному реакторі, схематично подано на малюнку 3.26.

Мал. 3.26

На малюнку 3.27, а показано розріз АЕС, 3.27, б — схему енергетичної установки з ядерним реактором, на малюнку 3.27, в — будову ядерного реактора.

Мал. 3.27

Основні елементи ядерного реактора: ядерне пальне ²³⁵₉₂U, ²³⁹₉₄Pu, ²³⁸₉₂U тощо, сповільнювач нейтронів (важка або звичайна вода, графіт тощо), теплоносій для виведення теплоти, що утворюється під час роботи реактора (вода, рідкий натрій тощо), і пристрій для регулювання швидкості реакції (стержні, які вводять у робочий простір реактора; вони містять кадмій чи бор — речовини, які добре поглинають нейтрони). Зовні реактор оточують захисною оболонкою, що затримує γ-промені і нейтрони, її роблять з бетону із залізним заповнювачем. Найкращий сповільнювач — важка вода. Звичайна ж вода сама захоплює значну кількість нейтронів і перетворюється на важку воду. Добрим сповільнювачем є також графіт, ядра якого не поглинають нейтрони.

Мал. 3.27

Коефіцієнт розмноження k може дорівнювати одиниці лише за умови, що розміри реактора і відповідно маса Урану більші від деяких критичних значень.

Критикою масою називають найменшу масу речовини, що ділиться, при якій може відбуватися ланцюгова ядерна реакція.

Якщо розміри реактора малі, то через поверхню його активної зони (об’єм, у якому розміщуються стержні з ураном) вилітає дуже багато нейтронів.

Зі збільшенням розмірів системи кількість ядер, що беруть участь у поділі, збільшується пропорційно об’єму, а кількість нейтронів, яка втрачається внаслідок вильоту, збільшується пропорційно поверхні. Тому, збільшуючи систему, можна домогтися, що коефіцієнт розмноження буде більший від одиниці (k > 1). Система матиме критичні розміри, якщо кількість нейтронів, втрачених унаслідок захоплення і вильоту, дорівнюватиме кількості нейтронів, що утворюються в процесі поділу. При цьому k = 1. Критичні розміри визначаються типом ядерного пального, сповільнювачем та конструктивними особливостями реактора.

Для сферичного шматка чистого (без сповільнювача) Урану ²³⁵₉₂U критична маса — близько 50 кг. Радіус такої сфери дорівнює приблизно 9 см (уран дуже важка речовина). Застосуванням сповільнювачів нейтронів і берилієвої оболонки, що відбиває нейтрони, критичну масу вдалося зменшити до 250 г.

Керують реактором за допомогою стержнів, у яких міститься кадмій чи бор. Якщо стержні вийнято з активної зони реактора, то k > 1, а якщо їх повністю всунуто, то k < 1. Вставляючи стержні в активну зону, можна в будь-який момент припинити ланцюгову реакцію.

Є реактори, які працюють без сповільнювача на швидких нейтронах. Оскільки ймовірність поділу, спричиненого швидкими нейтронами, мала, то такі реактори не можуть працювати на природному урані. Реакцію можна підтримувати лише в збагаченій суміші, яка містить не менше ніж 15 % ізотопу ²³⁵₉₂U. Перевагою реакторів на швидких нейтронах є те, що під час їхньої роботи утворюється значна кількість плутонію, який можна використовувати як ядерне паливо. Такі реактори називають реакторами-розмножувачами, оскільки вони утворюють матеріал, придатний для поділу. Будують реактори з коефіцієнтом відтворення до 1,5. Це означає, що з 1 кг ізотопу ²³⁵₉₂U одержують до 1,5 кг плутонію. У звичайних реакторах коефіцієнт відтворення — 0,6-0,7.

Уперше ланцюгову ядерну реакцію поділу Урану здійснив у США в грудні 1942 р. колектив учених під керівництвом Фермі.

Перший у Європі ядерний реактор запустили 25 грудня 1946 р.

Нині існують різні типи реакторів, що відрізняються один від одного як потужністю, так і призначенням. Найперспективнішими є реактори-розмножувачі на швидких нейтронах.

На Запорізькій, Південноукраїнській, Рівненській, Хмельницькій — атомних станціях України встановлено реактори потужністю 500-1000 МВт. З 2000 р. було зупинено останній діючий енергоблок Чорнобильської АЕС.

АЕС мають ряд переваг порівняно з ТЕС, що працюють на органічному паливі. Їм не потрібно дефіцитне органічне паливо, атмосферний кисень, вони не засмічують середовище золою та іншими продуктами згоряння. Проте розміщення АЕС у густонаселених районах містить потенційну загрозу. Ядерній енергетиці властиві шкідливі або навіть небезпечні чинники впливу на навколишнє середовище. Складні проблеми виникають у зв’язку з потребою захоронення радіоактивних відходів і демонтажем атомних станцій, які відпрацювали свій термін. Досвід експлуатації АЕС в усьому світі свідчить, що за нормального режиму експлуатації біосфера надійно захищена від радіаційного впливу.

Проте вибух реактора на Чорнобильській АЕС показав, що ризик руйнування активної зони реактора внаслідок прорахунків у конструкції реакторів і помилок персоналу залишається реальністю. Сьогодні найбільшою проблемою японців є АЕС. Унаслідок сейсмічної катастрофи, що відбулася у 2011 р., підземними поштовхами було пошкоджено систему охолодження реакторів на АЕС «Фукусіма-1» і «Фукусіма-2», що створило реальну загрозу ядерного вибуху.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО