holydiver_777 | Традиционно

Как и обещал, начну издалека, чтобы понять смысл «мирного атома» и смысл происходящих процессов. Название заметок будет таким же - «Традиционно — Япония».

Ядерный реактор — установка, в которой происходят ядерные реакции - превращения одних химических элементов в другие (до недавнего времени эти установки называли также атомными котлами). Для этих реакций необходимо наличие в реакторе делящегося вещества, которое при своем распаде выделяет элементарные частицы, способные вызвать распад других ядер.
Деление атомного ядра может произойти самопроизвольно или при попадании в него элементарной частицы. Самопроизвольный распад в ядерной энергетике не используется из-за очень низкой его интенсивности.
На современном этапе в качестве делящегося вещества используются изотопы урана — уран-235 и уран-238, а также плутоний-239.
Для работы реактора необходима цепная реакция. Ядра урана или плутония распадаются, при этом образуются два-три ядра элементов середины таблицы Менделеева, выделяется энергия, излучаются гамма-кванты и образуются два или три нейтрона, которые, в свою очередь, могут прореагировать с другими атомами и, вызвав их деление, продолжить цепную реакцию. Для распада какого-либо атомного ядра необходимо попадание в него элементарной частицы с определенной энергией (величина этой энергии должна лежать в определенном диапазоне: более медленная или более быстрая частица просто оттолкнется от ядра, не проникнув в него). Наибольшее значение в ядерной энергетике имеют нейтроны.
В зависимости от скорости элементарной частицы выделяют два вида нейтронов: быстрые и медленные. Нейтроны разных видов по-разному влияют на ядра делящихся элементов.
Уран-238 делится только быстрыми нейтронами. При его делении выделяется энергия и образуется 2-3 быстрых нейтрона. Вследствие того, что эти быстрые нейтроны замедляются в веществе урана-238 до скоростей неспособных вызвать деление ядра урана-238, цепная реакция в уране-238 протекать не может.
В уране-235 цепная реакция протекать может, так как наиболее эффективно его деление происходит, когда нейтроны замедлены в 3-4 раза по сравнению с быстрыми, что происходит при достаточно длинном их пробеге в толще урана без риска быть поглощенными посторонними веществами или при прохождении через вещество, обладающее свойством замедлять нейтроны, не поглощая их.
Естественный уран имеет достаточно большое количество веществ, поглощающих нейтроны (тот же уран-238, который при этом превращается в другой делящийся изотоп — плутоний-239).
В современных ядерных реакторах необходимо для замедления нейтронов применять не сам уран, а другие вещества, мало поглощающие нейтроны (например, графит или тяжелую воду).
Обыкновенная вода нейтроны замедляет очень хорошо, но сильно их поглощает. Поэтому для нормального протекания цепной реакции при использовании в качестве замедлителя обыкновенной легкой воды необходимо использовать уран с высокой долей делящегося изотопа - урана-235 (обогащенный уран).
Графит хорошо замедляет нейтроны и плохо их поглощает. Поэтому при использовании графита в качестве замедлителя можно использовать менее обогащенный уран, чем при использовании легкой воды.
Тяжелая вода очень хорошо замедляет нейтроны и плохо их поглощает. Поэтому при использовании тяжелой воды в качестве замедлителя можно использовать менее обогащенный уран, чем при использовании легкой воды. Но производство тяжелой воды очень трудоемко и экологически опасно.
При попадании медленного нейтрона в ядро урана-235 он может быть захвачен этим ядром. При этом произойдет ряд ядерных реакций, итогом которых станет образование ядра плутония-239.
Плутоний-239 в настоящее время является одним из основных компонентов начинки атомных бомб. Поэтому ядерное топливо в реакторе не только расходуется, но и нарабатывается. У некоторых ядерных реакторов основной задачей является как раз такая наработка.
Другим способом решить проблему необходимости замедления нейтронов является создание реакторов без необходимости их замедлять - реакторов на быстрых нейтронах. В таком реакторе основным делящимся веществом является не уран, а плутоний. Уран же (уран-238) выступает как дополнительный компонент реакции - от быстрого нейтрона, выпущенного при распаде ядра плутония, произойдет распад ядра урана с выделением энергии и испусканием других нейтронов, а при попадании в ядро урана замедлившегося нейтрона он превратится в плутоний-239, возобновляя тем самым запасы ядерного топлива в реакторе. В связи с малой величиной поглощения нейтронов плутонием цепная реакция в сплаве плутония и урана-238 идти будет, причем в ней будет образовываться большое количество нейтронов.
Из выше изложенного следует, что в ядерном реакторе должен использоваться либо обогащенный уран с замедлителем, поглощающем нейтроны, либо необогащенный уран с замедлителем, мало поглощающем нейтроны, либо сплав плутония с ураном без замедлителя.
Для осуществления анализа, рассмотрю показатель критической массы. Основным параметром, определяющим возможность осуществления цепной реакции деления и скорость выделения энергии в ходе этой реакции является коэффициент размножения нейтронов. Этот коэффициент зависит как от свойств делящихся ядер, таких как количество вторичных нейтронов, сечения реакций деления и захвата, так и от внешних факторов, определяющих потери нейтронов вызванные их уходом за пределы массы делящегося вещества. Вероятность ухода нейтронов зависит от геометрической формы образца и увеличивается с увеличением площади его поверхности. Вероятность же захвата нейтрона пропорциональна концентрации ядер делящегося вещества и длине пути, который нейтрон проходит в образце. Если взять образец, имеющий форму шара, то при увеличении массы образца вероятность приводящего к делению захвата нейтрона растет быстрее, чем вероятность его ухода, что приводит к увеличению коэффициента размножения. Массу, при которой подобный образец достигает критического состояния (k=1), называют критической массой делящегося вещества. Для высокообогащенного урана значение критической массы составляет около 52 кг, для плутония-239 - 11 кг. Критическую массу можно уменьшить примерно вдвое окружив образец делящегося вещества слоем материала, отражающего нейтроны, например, бериллия или природного урана. Цепная реакция возможна и при наличии меньшего количества делящегося вещества. Поскольку вероятность захвата пропорциональна концентрации ядер, увеличение плотности образца, например в результате его сжатия, способно привести к возникновению в образце критического состояния. Именно этот способ и применяется в ядерных взрывных устройствах, в которых масса делящегося вещества, находящаяся в подкритическом состоянии переводится в сверхкритическое с помощью направленного взрыва, подвергающего заряд сильной степени сжатия. Минимальное количество делящегося вещества, необходимого для осуществления цепной реакции, зависит в основном от достижимой на практике степени сжатия.
Вопрос: «Зачем последних два абзаца?». Чтобы понять насколько опасно (или не опасно), то что происходит сейчас на Фукусиме.
Исходными данными есть те, что стержни в 3-х реакторах расплавились. Приведу цитату из интервью Владимира Лаговского от 19.03.2011. Замечу, что информации о расплавленном топливе еще нет. Есть догадки.

«Эксперты не исключают, что расплавится топливо по крайней мере в четырех реакторах. И превратятся они в огромные раскаленные радиоактивные комки.
- Уран соберется в критическую массу, получится атомная бомба, - пугают народ паникеры. - Взрыв будет гораздо мощнее, чем в Хиросиме.
Подобные опасения совсем дурацкие или нет? Мы задали вопрос ученому.
- Дурацкие? - отвечает академик Российской академии наук, академик-секретарь отделения энергетики, машиностроения, механики и процессов управления Владимир Фортов. - Нормальный вопрос. Цепная реакция взрывного характера идет на изотопе урана-235, - продолжает Владимир Евгеньевич. - А в ядерном топливе в основном используют уран-238. Уран-235 тоже присутствует в смеси, но его очень мало.
Чтобы произошла детонация, уран-235 должен собраться в критическую массу. Эта критическая масса находится в зависимости от условий на уровне 9 - 10 килограммов. Если вы посмотрите, что собой представляет расплав реактора... Это такая, как вам сказать, лужа расплавленного металла, в которой находятся конструкционные материалы, железо, остатки циркониевых элементов, диоксид урана. Плавает там уран-238. И очень немного 235-го. И все это выглядит как суп, который все время бурлит. В результате все время происходит перемешивание этого сложного состава.
- Чтобы возникли условия для бомбы, - объясняет академик Фортов, - нужно, чтобы уран-235 собрался в одном месте. Это фактически невозможно. Такую ситуацию анализировали, когда был чернобыльский инцидент. И серьезно рассматривали как один из вариантов. Но пришли к выводу, что реализоваться он не может.»

От себя добавлю. Не учтен один маленький-маленький фактор, в сравнении ЧАЭС, повышенная сейсмическая активность. Категоричности в утверждениях ядерщиков я также не заметил.

=Продолжение следует=