Под іл ядер

1. Поділ ядер • Вимушений поділ ядер - реакції поділу та ядра, що діляться - нейтрони поділу - перерізи поділу важких ядер • Ланцюгова реакція поділу - ідеалізована ситуація ланцюгової реакції - реалізація ланцюгової реакції - коефіцієнт розмноження - ядерні реактори

2. Вимушений поділ Класифікація нейтронів за енергією • 0,025 ÷ 0,5 еВ – теплові <10-6еВ - ультрахолодні • 0,5 ÷ 1 КеВ – резонансні 10-6÷0,005еВ - холодні • 1 КеВ ÷ 0,5 МеВ – проміжні • 0,5 ÷ 50 МеВ - швидкі

3. Вимушений поділ • Теплові нейтрони – термодинамічна рівновага з навколишнім середовищем; Розподіл за швидкостями є розподілом Максвелла; середня енергія – 0,025еВ→kT за кімнатної температури ≈17о С ≈ 300о К (k=0,8617*10-4 еВ/К) • Гранична енергія 0,5 еВ – максимальна енергія, при якій нейтрони поглинаються кадмієм (для більших енергій є майже повністю прозорим для нейтронів) • Резонансні нейтрони – повний переріз має резонансий вигляд

4. Вимушений поділ • Енергія збудження (повільний нейтрон) – Езб≈ 7 МеВ. Езб>Eпор, Езб <Eпор Eпор – значення енергії при якій спостерігається вимушений поділ (поріг поділу) • Поділ природнього урану (238U – 99.28%, 235U – 0.72%) • При взаємодії з тепловими нейтронами також миттєво діляться ізотопи 233U та 239Pu

5. Вимушений поділ • Ланцюжки отримання ізотопів, що діляться • Характеристики ізотопів • Торій і уран, що використовують для отримання ізотопів, що діляться миттєво, називають ядерною сировиною.

6. Вимушений поділ Перерізи реакцій поділу під дією повільних та швидких нейтронів При енергіях порядку 0,01 еВ перерізи можуть досягати дуже великих значень (≈1000 барн). Ділення на швидких нейтронах – не перевищує 2 барн для Е>1МеВ

7. Вимушений поділ • Поділ супроводжується вильотом нейтронів • Миттєві нейтрони – 10-21÷4*10-14 с ~ 99% • Запізнілі нейтрони – 0,08÷60с < 1%

8. Вимушений поділ • Механізм виникнення запізнілих нейтронів E<0.62 МеВ • - енергія збудження ядра (A,Z+1) • - кінетична енергія нейтрона • - енергія зв’язку нейтрона в ядрі (A,Z+1)

9. Вимушений поділ • Енергетичний спектр миттєвих нейтронів та розподіл енергії ділення між різними частинками

10. Ланцюгова ядерна реакція поділу • Поділ → виліт нейтронів → поділ нейтронами ділення Кількість ядер 2 г 235U Дана кількість урану поділиться після зміни N поколінь

11. Ланцюгова ядерна реакція поділу Відносна імовірність того, що взаємодія з нейтроном призводить до поділу

12. Ланцюгова ядерна реакція поділу • У середовищі, що складається з суміші ядер різних ізотопів урану й різних елементів • - макроскопічний переріз реакції (n,j) на ядрі і-го типу • - повний макроскопічний переріз поглинання нейтрона середовищем

13. Ланцюгова ядерна реакція поділу • Середня енергія нейтронів поділу – 0.7 МеВ. Переріз на теплових нейтронах значно більший → сповільнення нейтронів до енергій <0.5 еВ. • Втрата енергії нейтроном при лобовому зіткненні • Сповільнювачі – H2O, D2O, 12C, 9Be Системи зі сповільнювачем: гомогенні (однорідна суміш палива та сповільнювача); гетерогенні (паливо та сповільнювач розділені).

14. Ланцюгова ядерна реакція поділу • Знайдемо зміну потоку нейтронів з часом

15. Ланцюгова ядерна реакція поділу • Зміна потоку нейтронів з часом описується формулою • - стаціонарний режим (система наз.критичною) • - інтенсивність реакції наростає (надкритична с-ма) • - інтенсивність реакції спадає (підкритична с-ма)

16. Ланцюгова ядерна реакція поділу • Керування ланцюговою ядерною реакцію. Зростання потужності : • Запізнілі нейтрони (частка від усіх β=0,0075)

17. Ланцюгова ядерна реакція поділу • Час життя запізнілих нейтронів набагато більший (0,1с), потужність збільшується набагато повільніше • Завдяки запізнілим нейтронам можлива реалізація керованої ланцюгової реакцї. У реакторах керування ланцюговою реакцією здійснюється за допомогою регулючих стержнів, що поглинають нейтрони.

18. Ланцюгова ядерна реакція поділу • Коефіцієнт keff розмноження нейтронів подають у вигляді • - коефіцієнт розмноження нескінченного середовища • - імовірність того, що нейтрон не вийде із активної зони • Розмір і масу активної зони, а також імовірність , що визначає ситуацію, коли си-ма стає критичною, називаються критичними • 235U – критичні розміри – куля r=9см, 50кг. Сповільнювач та відбивач з берилію зменшують критичну масу до 250г

19. Ланцюгова ядерна реакція поділу • Для реакторів на теплових нейтронів • - імовірніть запобігти резонансного поглинання • - коефіцієнт розмноження на швидких нейтронах • - кількість нейтронів, що виникають при діленні • - коефіцієнт використання теплових нейтронів

20. Пристрій, який дозволяє використовувати енергію поділу ядер, називається ядерним реактором, а енергія, що виділяється – атомною енергією. • За призначенням реактори поділяють – енергетичні, науково-дослідницькі, для отримання нових ізотопів, що діляться (233U, 239Pu) • Енергетичний реактор – основний елемент атомних електростанцій - ядра уламки мають велику кінетичну енергію і сильно розігрівають реактор - тепло від реактора відводять теплоносієм, що постійно в ньому циркулює - тепло використовують для отримання водяного пару, який приводить у дію турбогенератори - Першу у світі атомну електростанцію побудували у СРСР у 1957р (м.Обнінськ, потужність 5 МВт)

21. Ядерні реактори • Реактори класифікують за різними ознаками: - паливо (реактор на природньому урані, на урані збагаченому ізотопами 235U,233U,239Pu) - енергією нейтронів, що викликають поділ (теплові, проміжні, швидкі) - в задежності від типу сповільнювача (вода, важка вода, графіт, берилій) - За характером розподілу палива та сповільнювача – гомогенні, гетерогенні.

22. Ядерні реактори • Гетерогенні реактори – паливо в активній зоні розташовується у формі вертикальних стрижнів, що наз. ТВЕЛами • Накопичення радіоактивних уламків поділу – отруєння реактора • Накопичення стабільних уламків – шлакування реактора

23. Висновки • Створення керованих ядерних реакторів стало можливим завдяки наступним фізичним процесам - поділ ядер нейтронами - появи нових нейтронів при поділі - присутність запізнілих нейтронів • Побудова ядерних реакторів потребує - надійного контролю радіаційної безпеки - забезпечення біологічного захисту персоналу та населення - безпечного захоронення та переробці трансуранових елементів, що утворюються у реакторах у стабільні ізотопи