ЯДЕРНОЕ ГОРЮЧЕЕ


ЯДЕРНОЕ ГОРЮЧЕЕ
ЯДЕРНОЕ ГОРЮЧЕЕ

-делящиеся нуклиды, используемые в ядерных реакторах для осуществления ядерной цепной реакции деления.

К Я. г. 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 Я. г., удовлетворяют четно-нечётные ядра актиноидов (с чётным числом протонов и нечётным числом нейтронов), в т. ч. природный изотоп 235U, искусств. изотопы 233U, 239Pu, 241Pu, 243 Рu, 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 5135-3.jpg 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 в о с п р о и з в о д с т в а Я. г. и возвращения его в топливный цикл (замкнутый топливный цикл).

Наиб. значение для воспроиз-ва Я. г. имеют природные изотопы 238U и 232Th (рис. 1), к-рые при поглощении нейтронов образуют несуществующие в природе изотопы 239 Рu и 233U (о б о р о т н о е Я. г.). 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 Я. г. изотопы 238U и 232Th получили назв. "топливного сырья". Эффективность воспроиз-ва Я. г. определяется коэф. воспроиз-ва К в, равным отношению кол-ва воспроизведённого Я. г. 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 Я. г. и практически полное использование всего добываемого урана, а в будущем и тория (см. Реактор-размножитель).

5135-4.jpg

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


При делении ядер актиноидов выделяется энергия 5135-5.jpg 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 г 235U выделяется 5135-6.jpg1 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 Я. г. (рис. 2).

Ядерное топливо. Я. г. в чистом виде в ядерном реакторе использоваться не может из-за низкой темп-ры 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. я д е р н ы м т о п л и в о м. Оно представляет собой радиационно и химически устойчивую композицию. Горючая компонента в топливе составляет сравнительно небольшую часть.

5135-7.jpg

Рис. 2. Цепочка радиоактивного распада 232U.


По хим. 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 темп-ре.

5135-8.jpg

* 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" Я. г., соответствующее массовому накоплению осколков в топливе.

"Выгорание" Я. г. 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 темп-ра 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 О 2, С, N2, 3/4 из к-рых, соединяясь с осколочными элементами, могут переходить в твёрдый раствор топливной матрицы с последующим выделением избыточных фаз. Осoбую 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).

5135-9.jpg

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., 99 Тс, 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.

Лит.: Уолтер А., Рейнольдc А., Реакторы-размножители на быстрых нейтронах, пер. с англ., М., 1986; Физические величины. Справочник, под ред. И. С. Григорьева, Е. 3. Мейлихова, М., 1991; Разработка, производство и эксплуатация ТВЭЛов энергетических реакторов, под ред. Ф. Г. Решетникова, М., 1995. И. С. Головнин.

Физическая энциклопедия. В 5-ти томах. — М.: Советская энциклопедия. . 1988.


.

Смотреть что такое "ЯДЕРНОЕ ГОРЮЧЕЕ" в других словарях:

  • Ядерное горючее — см. Ядерное топливо …   Российская энциклопедия по охране труда

  • ЯДЕРНОЕ ГОРЮЧЕЕ — а) природное изотоп уран 235, б) вторичное искусственно получаемые в ядерном реакторе изотоп урана 233 и изотоп плутония 239 …   Большая политехническая энциклопедия

  • ядерное горючее — branduolinis kuras statusas T sritis chemija apibrėžtis Medžiaga, kurioje vyksta branduolinės reakcijos ir atsipalaiduoja naudinga energija. atitikmenys: angl. nuclear fuel; reactor fuel rus. ядерное горючее …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • ЯДЕРНОЕ ГОРЮЧЕЕ — (ядерное топливо), в во, в к ром протекают ядерные реакции с выделением полезной энергии. Различают делящиеся в ва и термоядерное горючее. Делящиеся в ва (делящиеся материалы) содержат нуклиды, способные к ядерной цепной р ции деления; чаще всего …   Химическая энциклопедия

  • Ядерное горючее — Топливный элемент ядерного реактора Ядерное топливо вещество, которое используется в ядерных реакторах для осуществления цепной ядерной реакции деления. Содержание 1 Общая информация 2 Классификация …   Википедия

  • Ядерное горючее —         делящееся вещество, нуклиды, которые входят в состав ядерного топлива (См. Ядерное топливо) и обеспечивают цепную реакцию деления ядер …   Большая советская энциклопедия

  • ЯДЕРНОЕ ГОРЮЧЕЕ — см. Ядерное топливо …   Большой энциклопедический политехнический словарь

  • ЯДЕРНОЕ ГОРЮЧЕЕ — вещества, способные в рез те реакций деления тяж. ядер нек рых изотопов урана и плутония или синтеза лёгких ядер изотопов водорода выделять тепловую энергию. Различают первичное Я.г.,… …   Военный энциклопедический словарь

  • керамическое ядерное горючее — keraminis branduolinis kuras statusas T sritis chemija apibrėžtis Sunkialydžiai U, Pu arba Th junginiai. atitikmenys: angl. ceramic nuclear fuel rus. керамическое ядерное горючее …   Chemijos terminų aiškinamasis žodynas

  • ЯДЕРНОЕ ТОПЛИВО — вещество, к рое используется в ядерных реакторах для осуществления ядерной цепной реакции деления. . Схема уранового топливного цикла для ат. электростанции (АЭС) электрич. мощностью 1 ГВт (легководный реактор). Существует только одно природное Я …   Физическая энциклопедия

Книги

  • Двойное убийство, . Роман "Двойное убийство" американского мастера детективного жанра О. Макбейна относится к его знаменитой серии "87-й полицейский участок" . В нем герои-полицейские расследуют очередное… Подробнее  Купить за 90 руб


Поделиться ссылкой на выделенное

Прямая ссылка:
Нажмите правой клавишей мыши и выберите «Копировать ссылку»

We are using cookies for the best presentation of our site. Continuing to use this site, you agree with this.