2.3. Виділення енергії в активній зоні ядерного реактора

При поділі ядра атома урану-235 тепловими нейтронами з енергією 0,02–0,05 еВ утворюються атомні ядра-уламки із загальною кінетичною енергією ЕК=166,2 МеВ, миттєві нейтрони ділення в кількості, що дорівнює ν=2,424 у середньому, зі середньою кінетичною енергією ЕН=4,8 МеВ й супутні реакції поділу «миттєві» γ-кванти з умовною межею запізнювання 10^-3 с й середньою загальною енергією Е^γ1=8 МеВ (мал. 2.15, таблиця 2.4).

Ця кінетична енергія поділу ядра атома урану-235, що миттєво виділилася, перетворюється у теплову енергію при гальмуванні цих частинок в матеріалах активної зони ядерного реактора. Ядра – продукти ядерної реакції поділу ядра урану-235 – радіоактивні й при своїх природних радіоактивних перетвореннях випускають β-частинки (електрони) з енергією Eβ=7 МеВ й γ-кванти з енергією Eγ2=7,2 МеВ. Ця енергія виділяється поступово в процесах послідовних радіоактивних перетворень продуктів ділення.

Одночасно з випромінюванням β-частинок випромінюється нейтрино з енергією E_^γ=9,6 МеВ. Енергія, що виділяється при одному діленні ядра атома урану-235, є сумою енергій частинок, утворених при діленні:

Wo=Ek+En+Eγ1+Еγ2+Еβ+Еγ=202,8 МэВ.

Енергія нейтрино в реакторі не виділяється й виноситься за межі останнього через його високу проникаючу здатність. Також не виділяється енергія ядер – продуктів ділення ΔЕ з періодом піврозпаду більше 3 років. Ця енергія виділяється вже у вивантаженому з ядерного реактора відпрацьованому ядерному паливі (ΔЕ=0,1–0,2 МеВ). Таким чином, у реакторі залишається W1 = Wo – Eγ – ΔE.

Паразитне захоплення миттєвих (ν-1) нейтронів ядрами атомів матеріалів активної зони в різних ядерних реакціях призводить до утворення радіоактивних елементів, при природному радіоактивному розпаді яких виділяється енергія Wn=6 МеВ у кожному захопленні. Повна енергія, що виділяється в ядерному реакторі з розрахунку на один поділ ядра атома урану-235, дорівнює

W=W1+(ν – 1)Wn=201,7 МеВ.

Ця кінетична енергія частинок, передана атомам й молекулам елементів конструкцій активної зони ядерного реактора в процесах їх уповільнення, гальмування та захоплення, перетворюється у теплову енергію й призводить до розігрівання активної зони. У 1972 році експериментально визначалось енерговиділення на працюючому ядерному реакторі із водою під тиском потужністю 150 МВт (ел.) при рівні вигорання 11,5 МВт·доб/кг. При цьому враховувалось, що помітна частка загальної енергії в реакторі обумовлена діленням плутонію 239, напрацьованого в урановому паливі з урану-238. Проведене у зв'язку з цим усереднювання даних у момент вимірювання привело до величини енерговиділення в розрахунку на один поділ, яка дорівнює Еf=203,6 МеВ.

Мал. 2.15. Схема поділу ядра урану (плутонію)

Таблиця 2.4. Складові енерговиділення важких ядер, МеВ

При конструюванні ядерних реакторів важливо знати, в якій точці виділяється кінетична енергія ділення й який час необхідний для перетворення цієї енергії у теплоту.

Мал. 2.16. Вихід осколків діленняКінетична енергія осколків поділу повністю перетворюється у теплову енергію безпосередньо в ядерному паливі поблизу точки ділення завдяки малому пробігу цих частинок (близько 10–15 мікрометрів) за час ~10–12 с через швидке їх гальмування при іонізації атомів палива. Цю енергію називають локалізованою. Нейтрони й γ-кванти, будучи проникаючими випромінюваннями, розсіюють свою енергію на довжині свого пробігу, який залежить від складу матеріалів активної зони ядерного реактора й її геометрії.

Ділення ядра атома урану-235, викликане тепловими нейтронами, призводить до розподілу ядер – продуктів цієї реакції (осколків поділу), залежного від їх мас (мал. 2.16).

Існує більше тридцяти різних можливостей утворення пар осколків поділу, що мають нерівні маси в діапазоні А=72–161 атомних одиниць маси (а.о.м.). Найвірогідніші значення мас осколків знаходяться в областях А≈80–110 і А≈125–155 а.о.м. Найбільший вихід, біля 6 випадків зі 100, відповідає утворенню осколків зі співвідношенням мас, рівним 2/3. У результаті реакції ділення ядра атома урану-235 й подальших радіоактивних розпадів ядер – продуктів ділення з випусканням ?-частинок утворюються більше 200 різних радіоактивних ізотопів і елементів (див. мал. 2.16).

Енергія β-частинок й γ-квантів, що випускаються ядрами–осколками реакції ділення, складає близько 7% загальної кількості енергії ділення, і вона виділяється протягом тривалого часу. Це пов'язано із різною тривалістю життя (періодами напіврозпаду) ядер–осколків, утворюваних при діленні ядра атома урану-235, від декількох секунд до декількох тисяч років (мал. 2.17).

Продукти ділення можуть бути газоподібними, летючими й твердими. Вихід продуктів поділу для різних ядер, що діляться, наприклад урану-235 й плутонію-239, неоднаковий (див. табл. 2.4 й мал. 2.16). Крім того, ділення деяких важких ядер може бути викликане тільки нейтронами з енергією, що перевершує певний поріг (див. табл. 2.4).

Енергію, що виділяється при радіоактивному розпаді продуктів поділу, особливо важливо враховувати при аналізі безпечної експлуатації ядерної енергетичної установки. Ця енергія продовжує виділятися й після зупинки ядерного реактора (тобто за відсутності ланцюгової реакції ділення), що вимагає надійної системи охолоджування активної зони. Залишкове тепловиділення обумовлене не тільки радіоактивним розпадом продуктів ділення, але й радіоактивними перетвореннями утворених із урану-238 урану-239, нептунію-239 й вищих актиноїдів америцію та кюрію.

Потужність залишкового тепловиділення залежить від режиму роботи ядерного реактора до його зупинки і, отже, від рівня вигоряння ядерного палива. Наприклад, в ядерному реакторі електричною потужністю 1000 МВт, який довго працював на повній потужності, потужність залишкового тепловиділення в першу добу після зупинки реактора складає близько 15 МВт.

Енергія ділення, обумовлена передачею кінетичної енергії частинками, утвореними в реакції ділення, навколишнім атомам і молекулам матеріалів елементів конструкцій активної зони реактора в процесах їх уповільнення, гальмування і захоплення, перетворюється у теплову енергію і приводить до розігрівання активної зони. Завдяки відносно великій частці маси, яка перетворюється в енергію при діленні ядер, енергія, що виділяється на одиницю маси палива, котре витрачається, виявляється на багато порядків величини більшою, ніж при хімічних реакціях, наприклад при спалюванні органічного палива.

Мал. 2.17. Залишкове тепловиділення в активній зоні реактора PWR залежно від часу після його зупинки. Початкове збагачення уранового палива 3,2%, вигоряння палива 32 Гвт·доб/т.

Енергія ділення ядер атомів урану-235, перетворена в теплову енергію, може бути виведена з активної зони ядерного реактора й використана у вигляді теплоти або перетворена в електроенергію за допомогою термодинамічних процесів. Майже всі ядерні реактори будуються з розрахунком їх використання на АЕС.

Повна енергія, виділена при діленні 1 грама урану-235, дорівнює 8,2·1010 Дж, що еквівалентно 23,2 МВт·год. При спалюванні 1 г вуглецю в хімічній реакції горіння С+О2=СО2+4 еВ виділяється 3,2·104 Дж, що у 2,56 мільйонів разів менше.