2.3. Выделение энергии в активной зоне ядерного реактора

При делении ядра атома урана-235 тепловыми нейтронами с энергией 0,02–0,05 эВ образуются атомные ядра-осколки с общей кинетической энергией Е к =166,2 МэВ, мгновенные нейтроны деления в количестве, равном ν =2,424 в среднем, со средней кинетической энергией Е н =4,8 МэВ и сопутствующие реакции деления «мгновенные» γ -кванты с условной границей запаздывания 10 - 3 с и средней общей энергией Е γ 1 =8 МэВ (рис. 2.15, таблица 2.4).

Эта мгновенно выделившаяся кинетическая энергия деления ядра атома урана-235 превращается в тепловую энергию при торможении данных частиц в материалах активной зоны ядерного реактора. Ядра – продукты ядерной реакции деления ядра урана-235 – радиоактивны и при своих естественных радиоактивных превращениях испускают β -частицы (электроны) с энергией E β =7 МэВ и γ -кванты с энергией Е γ 2 =7,2 МэВ. Эта энергия выделяется постепенно в процессах последовательных радиоактивных превращений продуктов деления.

Одновременно с излучением β -частиц испускается нейтрино с энергией Е γ =9,6 МэВ. Энергия, выделяющаяся при одном делении ядра атома урана-235, представляет собой сумму энергий частиц, образовавшихся при делении:

W o = E k + E n + E γ 1 + Е γ 2 + Е β + Е γ =202,8 МэВ.

Энергия нейтрино в реакторе не выделяется и уносится за пределы последнего из-за его высокой проникающей способности. Также не выделяется энергия ядер – продуктов деления Δ Е с периодом полураспада более 3 лет. Эта энергия выделяется уже в выгруженном из ядерного реактора отработавшем ядерном топливе (ΔЕ =0,1–0,2 МэВ). Таким образом, в реакторе остается W1=Wo–Eγ–ΔE.

Паразитный захват мгновенных (ν -1) нейтронов ядрами атомов материалов активной зоны в различных ядерных реакциях приводит к образованию радиоактивных элементов, при естественном радиоактивном распаде которых выделяется энергия Wn=6МэВ в каждом захвате. Полная энергия, выделяющаяся в ядерном реакторе в расчете на одно деление ядра атома урана-235, равна W=W1+(ν–1) Wn=201,7 МэВ.

Эта кинетическая энергия частиц, переданная атомам и молекулам элементов конструкций активной зоны ядерного реактора в процессах их замедления, торможения и захвата, превращается в тепловую энергию и приводит к разогреву активной зоны. В 1972 году экспериментально определялось энерговыделение на работающем ядерном реакторе с водой под давлением мощностью 150 МВт (эл.) при уровне выгорания 11,5 МВт·сут/кг. При этом учитывалось, что заметная доля общей энергии в реакторе обусловлена делением плутония-239, наработанного в урановом топливе из урана-238. Проведенное в связи с этим усреднение данных в момент измерения привело к величине энерговыделения в расчете на одно деление, равной Е f =203,6 МэВ. При конструировании ядерных реакторов важно знать, в какой точке выделяется кинетическая энергия деления и какое время необходимо для превращения этой энергии в теплоту.

Таблица 2.4 Составляющие энерговыделения тяжелых ядер, МэВ

Рис. 2.15. Схема деления ядра урана (плутония)

Кинетическая энергия осколков деления полностью превращается в тепловую энергию непосредственно в ядерном топливе вблизи точки деления благодаря малому пробегу этих частиц (порядка 10–15 микрометров) за время ~ 10 -1 2 с вследствие быстрого их торможения при ионизации атомов топлива. Эту энергию называют локализованной. Нейтроны и γ -кванты, являясь проникающими излучениями, рассеивают свою энергию на длине своего пробега, который зависит от состава материалов активной зоны ядерного реактора и ее геометрии.

Рис. 2.16. Выход осколков деления

Деление ядра атома урана-235, вызванное тепловыми нейтронами, приводит к распределению ядер – продуктов этой реакции (осколков деления), зависящему от их масс (рис. 2.16).

Существуют более тридцати различных возможностей образования пар осколков деления, имеющих неравные массы в диапазоне А =72–161 атомной единицы массы (а.е.м.). Наиболее вероятные значения масс осколков находятся в областях А ≈ 80–110 и А ≈ 125–155 а.е.м. Наибольший выход, около 6 случаев из 100, соответствует образованию осколков с соотношением масс, равным 2/3. В результате реакции деления ядра атома урана-235 и последующих радиоактивных распадов ядер – продуктов деления с испусканием β -частиц образуются более 200 различных радиоактивных изотопов и элементов (см. рис. 2.16).

Энергия β -частиц и γ -квантов, испускаемых ядрами–осколками реакции деления, составляет около 7% общего количества энергии деления, и она выделяется в течение продолжительного времени. Это связано с различными временами жизни (периодами полураспада) образующихся при делении ядра атома урана-235 ядер-осколков от нескольких секунд до нескольких тысяч лет (рис. 2.17).

Продукты деления могут быть газообразными, летучими и твердыми. Выход продуктов деления для различных делящихся ядер, например урана-235 и плутония-239, неодинаков (см. табл. 2.4 и рис. 2.16). Кроме того, деление некоторых тяжелых ядер может быть вызвано только нейтронами с энергией, превосходящей определенный порог (см. табл. 2.4).

Энергию, выделяемую в процессе радиоактивного распада продуктов деления, особенно важно учитывать при анализе безопасной эксплуатации ядерной энергетической установки. Эта энергия продолжает выделяться и после остановки ядерного реактора (т.е. при отсутствии цепной реакции деления), что требует надежной системы охлаждения активной зоны. Остаточное тепловыделение обусловлено не только радиоактивным распадом продуктов деления, но и радиоактивными превращениями образовавшихся из урана-238, урана-239, нептуния-239 и высших актинидов америция и кюрия.

Мощность остаточного тепловыделения зависит от режима работы ядерного реактора до его остановки и, следовательно, от уровня выгорания ядерного топлива. Например, в ядерном реакторе электрической мощностью 1000 МВт, который долго работал на полной мощности, мощность остаточного тепловыделения в первые сутки после остановки реактора составляет около 15 МВт.

Энергия деления, обусловленная передачей кинетической энергии частицами, образованными в реакции деления, окружающим атомам и молекулам материалов элементов конструкций активной зоны реактора в процессах их замедления, торможения и захвата, превращается в тепловую энергию и приводит к разогреву активной зоны. Благодаря относительно большой доле массы, которая превращается в энергию при делении ядер, выделяемая на единицу массы расходуемого топлива энергия оказывается на много порядков величины больше, чем при химических реакциях, например при сжигании органического топлива.

Рис. 2.17. Остаточное тепловыделение в активной зоне реактора PWR в зависимости от времени после его остановки. Начальное обогащение уранового топлива 3,2%, выгорание топлива 32 ГВт·сут/т

Энергия деления ядер атомов урана-235, преобразованная в тепловую энергию, может быть выведена из активной зоны ядерного реактора и использована в виде теплоты либо преобразована в электроэнергию посредством термодинамических процессов. Почти все ядерные реакторы строятся с расчетом их использования на АЭС.

Полная энергия, выделенная при делении 1 грамма урана-235, равна 8,2·10 1 0 Дж, что эквивалентно 23,2 МВт·ч или почти 1 МВт·сут. При сжигании 1 грамма углерода в химической реакции горения С+О 2 =СО 2 +4 эВ выделяется 3,2·10 4 Дж, что в 2,56 миллионов раз меньше.