Штехер М.С. Топлива и рабочие тела ракетных двигателей (1241539), страница 58
Текст из файла (страница 58)
После нейтронной бомбардировки они становятся способными к делению. К этой группе относятся уран-238, торий-232 и плутоний-240. 2. Делящиеся вещества — вещества, способные делиться, ив результате их деления возникает цепная реакция. Это изотопы. уран-233, уран-235, плутоний-239, плутоний-241. Деление на ядерное сырье и собственно делящиеся вещества условно, так как под влиянием нейтронной бомбардировки можно вызвать деление и у веществ, входящих в группу сырья. Так, например, уран-238 при бомбардировке быстрыми нейтронами, энергия которых около 100 кэВ, способен к делению. 3.
Теплоносители — рабочие тела. Это газы, жидкости или твердые вещества, переходящие в расплавы. Основное их назначение — съем тепла в реакторе и перенос его в исполнительный орган силовой установки, например из камеры-реактора в сопло ядерно-ракетного двигателя. Теплоносителей — рабочих тел очень много, они весьма разнообразны. 4. Замедлнтелн нейтронов — это вещества, способные замедлять быстрые нейтроны, т.
е. переводить их в категорию медленных нейтронов с энергией не более 0,025 эВ. 5. Поглотители нейтронов — материалы, способные поглощать нейтроны с различным уровнем энергии. Эта немногочисленная группа материалов используется для регулирования работы реактора.
6. Защитные материалы, защищающие пространство, окружающее реактор, от всех видов излучений а, р, у. Излучение, возникающее в результате реакции деления, очень опасно для обслуживающего персонала, а также для конструкционных материалов, поэтому рабочая зона реактора должна быть покрыта защитными материалами. 7. Конструкционные материалы, применяемые в ядерно-ракетном двигателестроении.
Это очень обширная группа материалов. Рассмотрим только первые три группы — ядерное сырье, делящиеся вещества н теплоноснтели — рабочие тела. Ядерное сырье и делящиеся вещества принимаются нами в соответствии с назначением реакции, т. е. для реакции деле- ния это тяжелые вещества с большим массовым числом — уран, торий или их изотопы; для реакции синтеза это наиболее легкие вещества с наименьшим массовым числом, например водород, дейтерий, тритий, литий и т. д. Теплоносители — рабочие тела.
Подбор их может варьироваться в широких пределах, но они должны удовлетворять определенным техническим требованиям, очень многочисленным и важным. Такие же технические требования могут предъявляться и к делящимся материалам ~8, 43). Технические треооваиия, предъявляемые к ядерному сырью и горючему В настоящее время только в первом приближении можно сформулировать технические требования к ядерному сырью и горючему потому, что их проверка практикой еще недостаточна. Однако, некоторые общие условия уже устанавливаются и их целесообразно иметь в виду при подборе веществ, используемых в реакциях деления: 1.
Сырье и делящееся вещество должнй иметь возможно большее значение массового числа А. 2. Предпочтительно использовать такие вещества, у которых число нейтронов, образующихся в результате деления, будет больше единицы, еще лучше, если больше двух. 3. Осколки деления не должны заметно поглощать образующиеся нейтроны.
4. Предпочтительны материалы, способные к делению под воздействием «медленных» нейтронов. 5. Само деляшееся вещество также не должно поглощать образующиеся нейтроны. 6. При назначении конкретного делящегося вещества эти условия могут дополняться частными требованиями, определяющими, например, фазовое состояние, степень дисперсности, концентрацию и т. д. Ядерное сырье Уран.
Природный уран добывается из руды, называемой «урановая смолка». Естественные месторождения урановой смолки расположены по всему земному шару, но особенно богатые запасы руды имеются в Конго, Канаде, Индии П4, 22]. Металлический уран извлекается из руды методами гидрометаллургии, главным образом, сульфатацией с последующей очень тщательной очисткой. Материалы, применяемые в реакторостроенни, должны отличаться исключительной чистотой, так как даже незначительное количество примесей существенно влияет на поглощение нейтронного потока.
Особенно вредны 262 примеси бора, кадмия и других веществ, обладающих высокой способностью поглощать нейтроны. В естественном, природном уране, содержится 99,28% основного изотопа урана-238, 0,71% изотопа урана-235 и 0,0058% изотопа урана-234. Уран-238 поглощает большую часть медленных нейтронов, не давая реакции деления, но при бомбардировке быстрыми нейтронами деление возможно и уран-238 может быть использован как основное делящееся вешество.
Основные физико-химические свойства урана-238 следующие: металл серебристо-серого цвета, пластичный, плотный (у=19 г/см'), температура плавления 1133'С, температура кипения 3800'С, коэффициент линейного расширения а=!6,2Х Х10-' при 325' С и 20,5 10 — ' при 650' С и выше. Теплопроводность урана 7.=2!+алз кал/м.ч 'С, При комнатной температуре уран-238 химически устойчив, при температуре более 100' С становится химически активным. При нагреве в воздухе может самовоспламеняться и гореть.
Бурное окисление начинается при тсмпературах выше 100' С, с влагой воздуха быстро корродирует. Уран в виде порошка на воздухе самовоспламеняется и поэтому должен быть изолирован слоем жидкости. Уран и его изотопы очень токсичны [47]. Все изотопы очень опасны, так как при процессе естественного распада имеют место ач р- и у-излучения. Все работы с ураном должны проводиться в соответствии с правилами техники безопасности при работе с радиоактивными изотопами. При облучении нейтронным потоком уран-238 переходит в плутоний-239, Этот переход осуществляется по реакции ! ~336+ в 11239 Ярз99 Рц239 ° з 23 мкн 2,З хил То р и й — (Тп) (36, 43, 50].
По утверждсншо геологов запасы тория в земной коре превышают запасы урана в три раза и практически имеются во всех странах мира. Основное сырье— руда, это минерал-моноцид, относящийся к группе редкоземельных элементов. Торий выделяется также методами гидрометаллургии — путем растворения моноцида серной кислотой. Внешне торий представляет собой металл серебристого цвета. Чистый, очень пластичен, ничтожные примеси резко снижают его качество. Плотность торна 11,71 г/см', температура плавления 1690' С, температура кипения более 3000' С. Торий токсичен и очень опасен, так как при работе с ним может произойти облучение.
В ядерной энергетике используется устойчивый изотоп торий-232, он не делится под воздействием нейтронного потока, но легко переходит в изотоп урана У-233, в соответствии с реакцией: Тьззз ~ и тьззз 3 Рпззз 3 Пззз 23,6 мин 27,4 дня Делящиеся материалы Делящимися материалами являются изотопы урана, плутония и других элементов, способные к делению и устойчивому поддерживанию цепной реакции. Различают делящиеся материалы первичные и вторичные. Первичное делящееся вещество — это естественные изотопы урана; уран-233 или уран-235. Вторичное делящееся вещество получается после облучения нейтронным потоком урана-238 или тория-232, которые после облучения превращаются в плутоний-239 или уран-233. Разделение на первичные и вторичные условно. Накопленные вторичные делящиеся материалы, будучи использованы в реакторе в качестве первоисточника нейтронного потока, практически представляются как первичные.
По своим физическим свойствам уран-235 так же, как иуран- 233, ие отличается от основного изотопа урана-238 и поэтому раздельно не рассматривается. Природный изотоп урана уран-235 способен делиться под действием медленных нейтронов. Именно эта его способность позволила впервые получить реакцию деления и построить ядерно-энергетические установки. Поэтому уран-235 называют п е рвичным ядерным горючим. Образующийся при делении ядер урана-235 нейтронный поток в количестве немногим более двух нейтронов в первом приближении распределяется так, что один нейтрон обеспечивает продолжение цепной реакции, а все остальное захватывается ядрами урана-238, поглощается замедлителем, теплоносителем, частично вылетает за пределы реактора и улавливается защитными материалами.
Захват нейтронов ядрами урана-238 приводит к образованию неустойчивого изотопа уран-239, который дает бета-излучение с периодом полураспада в 23 мин. В результате образуется новый элемент нептуний-239 (Ыр-239), период полураспада его 2, 3 дня. После бета-распада нептуния образуется изотоп плутония плутоний-239: з 1ззз+ л з 1ззз ~црззз е рцззз 23 мин 2,3 дня Его период полураспада очень велик, он составляет 24360 лет, и поэтому его можно считать устойчивым. Изотоп плутония-239 способен к делению под действием медленных и быстрых нейтронов. Изотоп плутоний-239 в природе не встречается, он по- 264 лучается только искусственным путем в результате нейтронного облучения урана-238, поэтому его называют вторичным ядерным горючим.
П л у то н и й-239, получаемый как вторичный делящийся материал после нейтронного облучения (Зйзз, представляет собой металл серебристо-серого цвета. Обладает исключительной токсичностью и радиоактивностью и в силу этих свойств требует особых мер предосторожности при работе с ним. Плотность плутония переменна, зависит от его изотопного состава и колеблется в пределах от 15,92 до 19,81 г/смз.
Температура плавления небольшая 639,5'С, температура кипения около 3235'С. Химически очень активен со многими материалами. При делении дает от 2 до 3 нейтронов, т. е. несколько больше, чем уран-235, поэтому можно получить некоторое сокращение объема и массы реактора, что особенно важно для ракетных двигателей. Нейтронное облучение тория-232 также приводит к получению делящегося изотопа урана-233, который тожеотносится ко вторичному ядерному горючему. Уран-233 получается в результате захвата нейтрона торием- 232 и образования изотопа торий-233.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
