Д.В. Сивухин - Общий курс физики. Том 5. Атомная и ядерная физика (1121281), страница 165
Текст из файла (страница 165)
Наиболее распространены гетерогенные ядерные реакторы на тепловых нейтронах с замедлителями из С, НгО, ПаО и теплоносителями из НаО, газа, ОзО. 11. Важная роль в ядерной энергетике в настоящее время отводится реакторам-размножителлм (иначе называемгям бридерами). В будущем роль таких реакторов должна становиться все большей и большей и в конце концов сделаться определяющей.
Реактором-размножителем называется такой реактор, в котором происходит не только выработка энергии, но и расширенное воспроизводство делящегося материала. 11иклы воспроизводства основаны на ядерных реакциях (94.2) и (95.1). В первой реакции не делящееся медленными нейтронами ядро ™11 превращается в ядро ггэРп. Во второй реакции ядро аззТЬ, также не делящееся медленными нейтронами, превращается в ядро гззС. Ядра же гзэРп и гзз В в отношении деления не хуже, а даже лучше ядра аэв В, Существенно заметить, что выделение образовавшегося ззэРи из гэ" С, а также образовавшегося язв В из гзгТЬ производится химически, а это [Гл. Х!Н Нейтроны и деление отомньге ядер 648 несравненно легче и быстрее, чем в трудоемких и медленно идущих процессах разделения изотопов.
Коэффициевтоле воспроизводства К, реактора-размножителя называется отношение скорости образования делящихся ядер к скорости уничтожения исходных делящихся ядер. Для получения К, > 1 необходимо, чтобы на одно поглощение нейтрона исходным делящимся ядром приходилось болыпе двух (»1 > 2) рождающихся нейтронов, так как один из этих нейтронов должон расходоваться на продолжение цепной реакции деления. Фактически из-за поглощения нейтронов в конструкционных материалах и продуктах деления необходимо »1 > 2,2-2,3. На изотопах язв Н и оа" Рп расширенное воспроизводство ядерного горючего практически возможно только в реакторах на быстрых нейтронах, так как для медленных нейтронов величина 71 слишком мало отличается от 2 (»1 = 2,07 для озв11 и »1 = 2,11 для оэ"Рп). На быстрых же нейтронах »1 заметно превышает 2 (2,3 и 2,7 соответственно). У урана озз11 коэффициент 0 достаточно велик (2,28) уже для тепловых нейтронов и мало повышается (до 2,45) при переходе к быстрым нейтронам, Поэтому расширенное воспроизводство на оэаН можно было бы вести и в тепловых реакторах.
В реакторах-размножителях пока применяется обоющенный уран с высоким содержанием овей (до 30%), но в будущем, по мере накопления запасов оаэРп, ядерным топливом будет служить смесь естественного урана с плутонием. Торий ~э~ТЬ как сырьевой материал для получения делящихся ядер Н пока не нашел применения. Этот элемент не образует богатых месторождений, и технология его извлечения из руд сложнее технологии извлечения урана. Но в перспективе торий должен будет использован в ядерной энергетике широко, твк как его запасы на Земле в десятки раз больше, чем урана. В реакторах-размножителях активная зона окружена слоем воспроизводящего вещества, называемым зоной воспроизводство.
Через реактор в качестве теплоносителя прокачивается жидкий натрий, который практически не замедляет нейтроны, но хорошо отводит тепло. Ядерные реакторы на тепловых нейтронах могут «сжечь» 0,5 — 1% урана. Использование же реакторов-размножителей увеличивает это число в десятки раз. 12. В заключение остановимся на мо гивах, которые диктуют необходимость развития ядерной энергетики.
В начале нашего века потребление энергии в мире удваивалось приблизительно за 50 лет. В середине века это происходило уже за 30 лет, а сейчас за 10 — 15 лет. В настоящее время около 70»У» энергопогребления в мире обеспечивается нефтью и газом. Однако мировые запасы нефти и ~аза ограничены. С учетом роста энергопотребления они могут быть исчерпаны в течение 20, максимум 50 лет.
Кроме того, нефть и газ необходимо было бы сохранить на более длительное время как сырье для получения ряда химических продуктов, пластмасс, для производства белка за счет микробиологического синтеза и т. д, Каковы же пути преодоления надвигающегося тотального энергетического кризиса? з 96) Природный ядерный реактор а Окло 649 Необходимо перестроить энергетику на новой основе. Прежде всего надо шире использовать уголь, так как запасы угля на Земле значительно превосходят запасы других природных горючих.
В дальнейшем должна быть широко использована ядерная энергия. Сравнительно дешевого урана, пригодного для энергетических цолей, на Земле по оценкам не так уж много — около 4 млн тонн. Сейчас на атомных электростанциях потребляется почти исключительно уран-235 и лишь около 1% урана-238 включается в топливный цикл, который реализуется в существующих реакторах. Этих ресурсов хватит примерно на такое же время, что нефти и газа.
Использование реакторов-размножителей меняет дело. В таких реакторах каждый килограмм природного урана может отдавать энергии в 30 — 40 раз больше, чем в обычных ядерных реакторах на тепловых нейтронах. Поэтому можно использовать не только дешевый, но и дорогой уран, а также торий. В результате энергетическими ресурсами станут десятки миллионов тонн урана, которые находятся, например, в океанской воде, в бедных урановых рудах, горных породах, а также сотни миллиардов тонн тория. А таких ядерных ресурсов хватит на тысячи лет. Еще более кардинальное решение энергетического кризиса дало бы использование термоядерной энергии, но эта проблема пока еще не решена.
О ней говорится в 9 98. Существенным недостатком атомных электростанций является накопление радиоактивных отходов, которые необходимо весьма надежно и длительно хранить, чтобы предотвратить опасное загрязнение внешней среды. Это трудная инженерная проблема, которая, однако, может быть надежно решена при любых масштабах производства энергии. Волее того, исследования показали, что вред, наносимый окружающей среде электростанциями на угольном топливе., существенно больше, чем вред от атомных электростанций. 8 96. Природный ядерный реактор в Окло 1.
В 1972 г. во время масс-спектрографического анализа на заводе Пьсрлатте (Франция), где проводилось обогащение ядерного топлива из гексафторида урана (С1ее), было обнаружено, что в этом материале из общего числа атомов урана содержится 0,717%а атомов урана-235, тогда как в земных породах, метеоритах и образцах лунного грунта содержание урана-235 больше, а именно 0,72%о, Урановая руда для переработки доставлялась из рудника Окло, расположенного в Габоне вблизи города Франсфиля (Африка). Как выяснилось позднее, уже в более раннее время (в 1970-.1972 гг.) на переработку поступала руда, содержащая временами до 20% урана, обедненного до 0,64% изотопом ззвП. Так как руда при добыче перемешивалась, то обеднение ураном- 235 в отдельных образцах могло бы гь еще сильнее.
Всего обедненного урана, использованного в цепной реакции деления, было добыто более 700 т, причем дефицит урана-235 (не замеченный первоначально) составил примерно 200 кг. Изотопный анализ урановых образцов., значительно обедненных ураном-235, обнаружил также заметные отклонения от [Гл. Х!Н Нейтроны и деление атоленьее лдер 650 природного распределения именно тех редкоземельных изотопов, которые являются продуктами деления ядер урана. Каковы же возможные причины этих отклонений7 Урановое месторождение Окло, исследованное по методу содержания свинца в урановой руде, сформировалось примерно 1,8 10" лет тому назад. Как полагают геологи, в дельте древней реки образовался осадочный слой богатого ураном песчаника толщиной 4 — 10 м и шириной 600 — 900 м. Под ним находилась базальтовая порода, которая под действием тектонических процессов опустилась на глубину в несколько километров.
При таком опускании урановая жила растрескалась, и в нее проникли грунтовые воды. Десятки миллионов лет тому назад месторождение поднялось вверх до современного уровня. В руде со средней весовой концентрацией урана 0,5% были обнаружены 6 глинистых линз, т. е.
образований размером от 10 до 20 м н толщиной порядка метра, в которых концентрация урана доходит до 20 — 40оУе и больше. Образование линз со сверхвысоким содержанием урана произошло, повидимому, под действием фильтрационных вод, хо"гя детальная картина этого процесса и не ясна. 2. Урановый рудник в Окло в какой-то мере напоминает гетерогенный ядерный реактор. Роль '!'ВЭЛов выполняют линзы, содержащие уран, роль замедлителя — грунтовая вода между ними. Цепная реакция в таком руднике была бы невозможна, если бы изотопный состав урана в нем был бы таким же, как и изотопный состав современного естественного урана.
И действительно, в настоящее время цепная реакция в руднике не идет. Однако уран-238 распадается медленнее., чем уран-235. Их периоды полураспада равны соответственно 4,5 10" и 7,1 10в лет. Исходя из этих данных, нетрудно подсчитать, что 1,8 10э лет тому назад содержание атомов изотопа зэв11 должно было составлять примерно 3,1 7е от общего количества атомов урана. А для такого обогащенного урана в присутствии воды (в качестве замедлитсля) коэффициент размножения 1е, мог достигнуть критического значения й, = 1 и даже несколько превзойти его. При таких условиях в далекие времена могла возникнуть самопроизвольная цепная ядерная реакция, что, по-видимому, и произошло на самом деле.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
