1631124647-66d575907c0c0646a184b8c463ba4648 (848584), страница 24
Текст из файла (страница 24)
СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА86запаздывающим делением, T – время их жизни, то есть время вылета запоздавшего нейтрона,очень большое по сравнению с τ . Распадаясь, запаздывающие ядра дают вклад в производствонейтронов.Из первого уравнения видно, что при ρ > β по-прежнему будет очень быстрое размножение на мгновенных нейтронах. По сравнению с простейшим случаем (β = 0) время разгонанесколько возрастает, но особой качественной разницы нет. Значит, этот диапазон реактивности не годится для работы.Наоборот, при 0 < ρ < β будет (ρ−β)N/τ < 0, то есть мгновенных нейтронов недостаточнодля размножения, и оно идет за счет запаздывающих.
Подставляя стандартным образом N =N0 exp(λt), C = C0 exp(λt), получимλN =Cρ−βN+ ,τTλC =βCN− .τTИсключая N , C, найдем характеристическое уравнение системы, которое удобно разрешитьотносительно ρ. Получается так называемая формула обратных часов:ρ=λTβ + λτ .1 + λT(2.15)Рис. 2.4.На рис. 2.4 показана зависимость ρ(λ) (кривая 1, имеющая две ветви; значения константβ = 0,015, τ = 0,001 с, T = 2,5 c). Разгон реактора соответствует положительным значениям λ.Видно, что для этого необходима положительная реактивность ρ. Два характерных времени2.6.
Атомная энергетика. Термоядерные реакции87– τ (миллисекунда) и T (секунды) резко различаются. Поэтому кривая имеет два участкароста – сравнительно быстрый вблизи нуля (первое слагаемое в (2.15)) и очень медленный прибольших λ (второе слагаемое).При больших реактивностях (ρ > β) значения λ также велики. Например, при ρ = 0,018(горизонтальная линия 2) λ ≈ 4,5 1/с, т.е. время разгона 1/λ ≈ 0,22 с неприемлемо мало́.При таких условиях первое слагаемое в (2.15) практически равно β, приближенное значениеλ ≈ (ρ − β)/τ , а время разгона 1/λ ≈ τ /(ρ − β).При ρ < β получаются умеренные λ.
Например, при ρ = 0,008 (горизонтальная линия 3)λ ≈ 0,4 1/с. Тогда можно пренебречь вторым слагаемым в (2.15); получаем λ = ρ/(T (β − ρ)),а время разгона 1/λ = T (β − ρ)/ρ. При ρ = 0,1β это будет около 10T ≈ 25 секунд. 100 секвыйдет при ρ ≈ 0,025β, или 3,75 · 10−4 в абсолютных цифрах. Это в 37,5 раза больше, чембыло бы нужно в отсутствие запаздывания. Во столько же раз легче управлять реактором25 .Поэтому все реакторы работают при ρ < β. Предел ρ = β называют долларом реактивности,а допустимые значения ρ измеряются центами.При включении реактора запас реактивности делают довольно большим (десяткипроцентов). Эта реактивность гасится поглощающими стержнями.
Понемногу вынимая их, доводят реактивность до положительной величины (довольно малой доли β) ипозволяют мощности вырасти до желаемого уровня. Номинальная мощность реактораограничена только возможностями съема тепла, а в принципе можно его разогнать догораздо большей мощности, что и случается при авариях.Со временем выгорает 235 U и накапливаются вредные осколки, поглощающие нейтроны. Запас реактивности падает, и для его восстановления постепенно вынимаютрегулирующие стержни. Когда возможности управления исчерпываются, приходитсяостанавливать реактор и перезаряжать его свежим топливом.
Это делается два-трираза в год26 .Размножение топлива. Описанные реакторы на медленных нейтронах сейчас вомногих странах производят значительную долю электроэнергии. Но они не могут решить глобальную энергетическую проблему, так как активного изотопа (235) мало вприродном уране.В п. 2.6.1 упоминалось, что часть нейтронов в реакторе поглощается ядрами 238 U, ив результате нарабатывается плутоний. В типичных реакторах с замедлителем можетпроизводиться около 6 ядер плутония на 10 сгоревших ядер 235 U (т.е. коэффициентвоспроизводства топлива равен 0,6). Этот плутоний частично также делится нейтронами, что приводит к некоторой экономии 235 U. Остальная часть плутония можетизвлекаться после остановки реактора и использоваться как горючее. Но раз коэффициент воспроизводства заметно меньше 1, такая переработка в плутоний не позволяетиспользовать сколько-нибудь значительную долю 238 U.25В переходном режиме, при ρ ≈ β, упрощенные формулы не годятся.
По ним время получается√нулевым в масштабе T и бесконечным в масштабе τ . На самом деле оно будет порядка τ T .26В некоторых типах реакторов замена топлива может происходить постепенно, без остановки.88Глава 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВАМожно отказаться от замедления и работать на быстрых нейтронах. Такие быстрые реакторы сложнее и дороже, но у них есть важное преимущество: коэффициентвоспроизводства может быть больше единицы, например, 1,3.
Можно говорить уже не овоспроизводстве, а о размножении топлива. В принципе быстрые реакторы могут пережечь на энергию и на плутоний весь природный уран, что дает потенциальный выигрыш по запасам в 140 раз. Однако из-за технологических трудностей27 в мире работаетвсего одна ядерная электростанция на быстрых нейтронах (Белоярская АЭС в России). В некоторых странах, например, Германии и Франции, уже построенные быстрыереакторы законсервированы из-за опасений аварии и протестов общественности. Некоторую роль здесь сыграло английское название быстрого реактора – размножителя:fast breeder, что вызывает в массовом сознании образ агрегата, с огромной скоростьюпроизводящего плутоний.Безопасность.
Атомная промышленность – одна из наиболее молодых отраслей, иона развивалась уже при современных требованиях безопасности. В идеале при любыхусловиях радиоактивность не должна выйти наружу. Поэтому современные станциисооружаются внутри герметичного бетонного купола (см. рис. 2.5 на стр. 104), которыйобязан удержать в себе все последствия любой аварии.Существует понятие «барьеров безопасности», последним из которых и являетсякупол.
Прочный котел, рассчитанный с запасом на рабочее давление – это тоже барьер.Следующий – оболочки твэлов из циркония или нержавеющей стали. Наконец, первыйбарьер – это физическое состояние топлива. Сейчас принято использовать окись урана(UO2 ), то есть химически инертное твердое вещество в виде таблеток, набитых в твэлы. Осколки деления в норме остаются внутри таблетки топлива. В первых реакторахиспользовался и металлический уран. Он лучше, как топливо (более концентрирован),но крайне опасен при контакте с водой, так как мгновенно воспламеняется.Кроме физической защиты, важны организационные меры, как грамотное управление реактором, на что существуют строгие правила.
Исключительно надежными должны быть все конструкции. Все должно работать как следует – на АЭС нет «пустяков».При любой серьезной угрозе автоматика должна прекратить цепную реакцию.Проплавление. Любой объект должен выдерживать так называемую максимальнуюпроектную аварию (МПА). Для АЭС такой аварией считается разрыв главного трубопровода, питающего котел водой. Тогда вся вода из котла под давлением 150 атмвырывается наружу. По существу, происходит сильный взрыв, каких было много в раннюю эпоху паровых машин. Как уже говорилось, эта вода радиоактивна.Но опаснее та радиоактивность, что осталась в активной зоне. Конечно, без воды – замедлителя цепная реакция прекращается сама, даже без усилий персонала иавтоматики. Это один из факторов внутренней безопасности.
Но не только цепная ре27В частности, теплоносителем в быстром реакторе может быть жидкий металл, натрий или свинцовый сплав.2.6. Атомная энергетика. Термоядерные реакции89акция идет в твэлах. Нельзя выключить β-распад осколков деления. Поэтому послеостановки реактора в топливе продолжает выделяться тепло с мощностью в несколькопроцентов от номинальной.
Эта активность спадает довольно медленно. Твэлы, оказавшиеся «голыми», без охлаждения водой, начнут разогреваться. Если не отбирать этотепло, топливо расплавится. Получится кипящее озеро на дне котла, которое его проплавит и выльется на бетонный пол реакторного зала.
Затем проплавится пол, и сотнитонн топлива вырвутся наружу. Конвекция и пожары разнесут активность на тысячикилометров. Это называют проплавлением, или расплавом активной зоны (core meltdown).Пока полномасштабного проплавления не случилось, хотя не раз до него оставалось совсем немного, а в Чернобыле произошла по меньшей мере равноценная авария.Несколько характерных аварий на атомных станциях рассмотрены в приложении 2.
Этиинциденты, и в особенности чернобыльский, изменили отношение общества к ядернойэнергетике. Оценки безопасности, которые давали тысячи лет до первой серьезной аварии, оказались неверны из-за невозможности учесть ошибки персонала. В то же времяпоследствием аварий стало несомненное повышение уровня безопасности. Вспомним,что в 19 веке часты были взрывы паровых котлов, а сейчас о них как-то забыли. Прогресс технологии часто зависит от масштаба аварий.Экология. При нормальной работе атомная электростанция гораздо экологичнее обыкновенной тепловой.
Она потребляет немного топлива, не дает золы, углекислоты, окислов серы и подобных химикатов. Даже чисто радиоактивных выбросов получается меньше, чем у угольной станции (так как уголь всегда содержит радиоактивные примеси).В ядерном цикле единственная радиоактивность, с которой ничего нельзя сделать –это изотопы благородных газов, которые и выпускают в трубу. Все остальное химически связывается и выдерживается в хранилищах, пока не спадет радиоактивность,для последующей переработки. Считается, что в устойчивых геологических формацияхотходы, при тщательной упаковке, могут лежать тысячи лет даже без присмотра28 .Естественный ядерный реактор Окло. Как отмечалось в предыдущем разделе, присовременном составе урана цепная реакция возможна только в специальных условиях,достижимых при развитой технологии.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
