Физико-технические основы современной ядерной энергетики. Перспективы и экологические аспекты


В.А. АПСЭ, А.И. КСЕНОФОНТОВ, В.И. САВАНДЕР, Г.В. ТИХОМИРОВ, А.Н. ШМЕЛЕВ




                ФИЗИКО-ТЕХНИЧЕСКИЕ ОСНОВЫ СОВРЕМЕННОЙ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГЕТИКИ




        ПЕРСПЕКТИВЫ И ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ








Издательский Дом
ИНТЕЛЛЕКТ

ДОЛГОПРУДНЫЙ
2014

 В.А. Апсэ, А.И. Ксенофонтов, В.И. Савандер, Г.В. Тихомиров, А.Н. Шмелев
   Физико-технические основы современной ядерной энергетики. Перспективы и экологические аспекты: Учебное пособие / В.А. Апсэ, А.И. Ксенофонтов, В.И. Савандер, Г.В. Тихомиров, А.Н. Шмелев — Долгопрудный: Издательский Дом «Интеллект», 2014. - 296 с.
 ISBN 978-5-91559-142-3

   Учебное пособие посвящено систематическому рассмотрению основных вопросов, возникающих при желании понять масштаб возможностей, открываемой ядерной энергетикой, и масштаб трудностей, с которыми ей приходится ежедневно сталкиваться.
    В начале книги кратко описана история главных физических открытий конца XIX— начала XX века, которые заложили основу становления и развития современной ядерной энергетики. Сейчас общепризнано, что ядерная энергетика стала мощной альтернативой энергетике, связанной со сжиганием ископаемого органического топлива и, как следствие, с возникновением серьезнейших экологических проблем (загрязнение окружающей среды, глобальное потепление).
   Последующие главы непосредственно связаны с самой ядерной энергетикой, рассматриваются основы топливных циклов АЭС и ядерные технологии, предназначенные для изготовления, использования и переработки ядерного топлива. Большое внимание в книге уделено проблемам, без решения которых невозможно дальнейшее развитие ядерной энергетики. Это проблема нераспространения материалов, пригодных для создания ядерного оружия, и проблема безопасного обращения с радиоактивными отходами, представляющими основную угрозу для людей и для окружающей среды.
   Книга предназначена для студентов и преподавателей инженернофизических, экологических и энергетических специальностей и широкого круга специалистов атомной промышленности и энергетики.





  ISBN 978-5-91559-142-3         © 2014, В.А. Апсэ,
                                    А.И. Ксенофонтов,
                                    В.И. Савандер,
                                  Г.В. Тихомиров, А.Н. Шмелев © 2014, 000 Издательский Дом
                                    «Интеллект», оригинал-макет, оформление

          ОГЛАВЛЕНИЕ










    Список обозначений..............................................7

    Глава 1
    ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ.................................................8
        1.1. Атомистическая теория строения вещества................8
             1.1.1. Атомистическая теория в химии...................8
             1.1.2. Атомная масса.................................. 9
             1.1.3. Число Авогадро ............................... 10
             1.1.4. Атом Томсона.................................. 11
        1.2. Ядерная структура атома.............................. 11
             1.2.1. Альфа-частицы................................. 11
             1.2.2. Атом Резерфорда—Бора.......................... 13
             1.2.3. Протон-электронная модель ядра................ 14
             1.2.4. Протон-нейтронная модель...................... 15
             1.2.5. Состав ядра................................... 15
        1.3. Масса ядра и энергия связи........................... 17
             1.3.1. Массыядер..................................... 17
             1.3.2. Энергия связи................................. 18
             1.3.3. Структура стабильных ядер..................... 20
             1.3.4. Устойчивость изобаров ........................ 22
             1.3.5. Оболочечная структура ядер ................... 24
             1.3.6. Возбужденные состояния ядер .................. 25
        1.4. Явление радиоактивности и ядерные реакции.............28
             1.4.1. Радиоактивность ядер.......................... 28
             1.4.2. Цепочки превращений........................... 31
             1.4.3. Бета-распад................................... 31
             1.4.4. Альфа-распад.................................. 35
             1.4.5. Ядерные реакции............................... 40

—I Оглавление

        1.5. Деление тяжелых ядер................................50
            1.5.1. Принципиальная возможность деления тяжелых ядер. 50
            1.5.2. Делимые и делящиеся нуклиды.................. 51
            1.5.3. Механизм деления............................. 53
        1.6. Взаимодействие нейтронов с веществом................58
            1.6.1. Качественная картина взаимодействия.......... 58
            1.6.2. Формула Брейта—Вигнера....................... 62
            1.6.3. Энергетические области....................... 65
        Контрольные вопросы......................................73
        Литература...............................................74

    Глава 2
    ОСНОВЫ ФИЗИКИ ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРОВ..............................75
        2.1. Цепной процесс размножения нейтронов................75
            2.1.1. Замедление нейтронов......................... 77
            2.1.2. Основные компоненты ядерного реактора ....... 82
            2.1.3. Коэффициент размножения нейтронов............ 84
            2.1.4. Понятие критической массы.................... 87
            2.1.5. Формула четырех сомножителей................. 88
            2.1.6. Поток нейтронов и плотность столкновений..... 90
            2.1.7. Групповой подход для энергетического распределения нейтронов .......................................... 92
            2.1.8. Баланс нейтронов в групповом приближении..... 93
            2.1.9. Отражатель нейтронов......................... 99
           2.1.10. Гетерогенные структуры активной зоны ......... 102
           2.1.11. Изменение состава топлива при работе реактора на мощности........................................... 111
           2.1.12. Коэффициент неравномерности энерговыделения..... 114
        2.2. Физические особенности ядерных реакторов различных типов.................................................... 116
            2.2.1. Классификация ядерных реакторов............. 116
            2.2.2. Легководные реакторы........................ 118
            2.2.3. Тяжеловодные реакторы ...................... 131
            2.2.4. Графитовые реакторы......................... 136
            2.2.5. Газо-графитовые реакторы.................... 142
            2.2.6. Реакторы на быстрых нейтронах............... 148
        2.3. Обеспечение безопасности ядерных реакторов.......... 154
        2.4. Современное состояние ядерной энергетики............ 157
        Контрольные вопросы...................................... 160

Литература............................................... 161

Оглавление -i\r 5

    Глава 3
    ЯДЕРНЫЕ ТОПЛИВНЫЕ ЦИКЛЫ........................................ 162
        3.1. Делящиеся и воспроизводящие изотопы................... 162
        3.2. Открытый и замкнутый ядерный топливный цикл.......... 164
        3.3. Уран-плутониевый и торий-урановый ядерные топливные циклы.......................................... 166
        3.4. Начальная стадия ЯТЦ.................................. 168
            3.4.1. Мировые запасы урановых и ториевых руд.......... 168
            3.4.2. Добыча и гидрометаллургическая переработка урановых руд .......................................... 173
            3.4.3. Изотопное обогащение урана...................... 179
            3.4.4. Технологии изготовления твэлов и ТВС............ 201
        3.5. Основная стадия ЯТЦ. Технологии использования топлива на АЭС............................................208
            3.5.1. Цели топливных перегрузок....................... 208
            3.5.2. Стратегии топливных перегрузок.................. 209
            3.5.3. Технологии проведения перегрузочных работ...... 213
        3.6. Транспортировка облученного ядерного топлива...........216
        3.7. Заключительная стадия ЯТЦ..............................218
            3.7.1. Технологии переработки облученного ядерного топлива................................................ 218
                 З.7.1.1. Классификация технологий переработки ОЯТ. 220
                 З.7.1.2. Водные экстракционные технологии. Основные стадии PUREX-технологии......................... 220
                 З.7.1.З. Основные стадии SAFAR-технологии ........ 227
                 З.7.1.4. Неводные технологии. Основные стадии пирохимической газофторидной технологии ........ 228
                 З.7.1.5. Основные стадии пирометаллургической технологии ..................................... 230
                 З.7.1.6. Основные стадии DUPIC-технологии......... 231
            3.7.2. Технологии переработки радиоактивных отходов ... 233
                 З.7.2.1. Классификация РАО........................ 234
                 З.7.2.2. Переработка высокоактивных отходов....... 235
                 З.7.2.З. Захоронение высокоактивных отходов....... 238
                 З.7.2.4. Переработка жидких средне-активных и низко-активных отходов........................ 242
                 З.7.2.5. Переработка газообразных РАО............. 243
                 З.7.2.6. Переработка твердых РАО.................. 245
        Контрольные вопросы.........................................247
        Контрольные задачи..........................................249

    Литература...............................................250

—I Оглавление

  Глава 4

  ЭКОЛОГИЧЕСКИЕ АСПЕКТЫ ИСПОЛЬЗОВАНИЯ ЯДЕРНОЙ ЭНЕРГИИ......................................251
     4.1. Человек и радиация в современном мире.........251
     4.2. Нормативно-правовое регулирование безопасности при использовании атомной энергии в Российской Федерации.........................................256
     4.3. Роль ядерной энергетики в устойчивом развитии обществ...........................................260
     4.4. Воздействие предприятий ядерно-топливного цикла на окружающую среду...............................265
     4.5. Обращение с радиоактивными отходами АЭС......275
     4.6. Радиационные аварии..........................281
     Контрольные вопросы...............................289
     Литература........................................290

  Словарь..............................................291

        СПИСОК ОБОЗНАЧЕНИЙ











мох    смешанное уран-плутониевое оксидное топливо        
SYNROC минерало-подобные материалы                        
иох    урановое оксидное топливо                          
АУК    аммоний-уранил-карбонат                            
ВАО    высокоактивные отходы                              
ГД     газовая диффузия                                   
ицч    ионная циклотронная частота                        
КВ     коэффициент воспроизводства                        
МАГАТЭ Международное агентство по атомной энергии         
НАО    низкоактивные отходы                               
НИИАР  Научно-исследовательский институт атомных реакторов
ОТВС   облученная тепловыделяющая сборка                  
ОЯТ    облученное ядерное топливо                         
ПД     продукты деления                                   
РАО    радиоактивные отходы                               
РБМК   реактор большой мощности, канальный                
РЗМ    разгрузочно-загрузочная машина                     
РХЗ    радиохимический завод                              
РЧП    равномерно-частичная перегрузка                    
САО    среднеактивные отходы                              
ТБФ    три-бутил-фосфат                                   
ТВС    тепловыделяющая сборка                             
ЯТЦ    ядерный топливный цикл                             

ГЛАВА


        ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ


1

1.1.    АТОМИСТИЧЕСКАЯ ТЕОРИЯ
         СТРОЕНИЯ ВЕЩЕСТВА

1.1.1.  Атомистическая теория в химии

         Впервые атомистические представления зародились в химии. Идея атома почти неизбежно вытекает из попыток объяснить простые количественные закономерности при изучении весового баланса в химических реакциях. Прежде всего, было установлено, что общий вес участвующих в реакции веществ остается неизменным. Затем оказалось, что вещества соединяются лишь в одних и тех же простых весовых соотношениях, так что некоторое количество одного реактива может прореагировать только с определенным количеством другого; при этом весовое отношение прореагировавших веществ не зависит от внешних условий — например, от того, в какой пропорции они были смешаны первоначально. Это так называемый закон постоянных и кратных отношений.
   В случае газов простые закономерности выполняются не только для весов реагирующих веществ, но также и для их объемов. Это можно объяснить (как и сделал Авогадро) следующим образом: любой газ состоит из огромного числа частичек — атомов и молекул. При одних и тех же температуре и давлении равные объемы всех газов содержит равное число молекул. Тот факт, что два объема водорода, соединяясь с одним объемом кислорода, образуют два объема водяного пара, эквивалентно утверждению, что две молекулы водорода, соединяясь с молекулой кислорода, образуют две молекулы воды. Аналогично, образование девяти весовых частей воды при соединении одной весовой части во

                 1.1. Атомистическая теория строения вещества —1 9

дорода с восемью весовыми частями кислорода означает, что молекула кислорода должна быть в восемь раз, а молекула воды — в девять раз тяжелее, чем две молекулы водорода (2Н₂ + О₂ = 2Н₂О весовые соотношения 1 г водорода, соединяясь с 8 г кислорода дает 9 г воды).
   Таким путем мы приходим к понятию молекулярного и атомного веса д. Это соответственно вес одной молекулы и одного атома вещества. Он измеряется не в граммах, а определяется относительно некоторого стандартного (воображаемого) газа, атомный вес которого полагается единице. Ранее это был водород, затем кислород, принимая его атомный вес 16. С 1962 г. за единицу атомной массы принята 1/12 часть массы атома углерода ¹²С.
   Количество вещества, масса которого составляет д килограмм, называется килогамм-молекулой, или молем (даже в том случае, когда вещество не может существовать химически). Из самого определения следует, что 1 моль вещества всегда содержит одно и тоже количество молекул. Это число, называемое числом Авогад-ро, играет важную роль в кинетической теории газов.

1.1.2.    Атомная масса

           Оказалось, что атомная масса А^ — является индивидуальной характеристикой простого вещества. В 1869 г. русский химик Д.И. Менделев открыл периодический закон, который заключался в том, что периодичность химических свойств элементов обнаруживается в функции возрастающей атомной массы. Относительные массы атомов А^ определялись в опытах с макроскопическими телами, состоящими из огромного числа атомов. Чтобы получить данные об абсолютных массах и размеров отдельных атомов, необходимо знать число атомов в единице объема ,так называемое число Лошмидта, или в единице массы вещества.
   Решение этой задачи было получено с помощью кинетической теории атомов. Макроскопические характеристики веществ на основе кинетической теории газов можно связать с индивидуальными характеристиками атомов, включая их размеры и число частиц в единице объема. На основе этих данных были получены оценки размеров отдельных атомов и числа молекул в единице объема.

¹⁰ -V

Глава 1. Ядерная энергия

1.1.3.  Число Авогадро


           Поскольку число частиц в единице объема зависит от агрегатного состояния вещества, его плотности и температуры, а число частиц в единице массы обратно пропорционально молекулярной или атомной массе вещества, то за стандартное число молекул или атомов принимают число частиц, содержащихся в одной килограмм-молекуле или в одном килограмм-атоме вещества. Это число одинаково для всех веществ и называется числом Авогадро. Атомная концентрация или число атомов в единице объема вещества равна


У п = —, т

где у — обычная плотность вещества (кг/м³); т₀ — масса одного атома (кг). Считая известным число Авогадро, можно выразить массу 1 атома


та


А
\\ ’

где А — килограмм-атом данного вещества. Тогда число Авогадро выражается через найденное число Лошмидта

Na

пА
У

    В настоящее время число Авогадро принято равным
N^ = 6,022 • 10²⁶ 1/кмоль.
    Радиусы атомов не обнаруживают систематического роста при увеличении атомной массы и у всех атомов имеют значения порядка 10⁻¹⁰ м с небольшими отклонениями от этого значения вследствие периодической зависимости радиуса от атомной массы. В дальнейшем, применяя физические методы для изучения поведения атомов, в частности, в электрических и магнитных полях, было обнаружены ионы атомов, имеющие положительный заряд, а при прохождении тока через разреженные газы были открыты отрицательно заряженные частицы, заряд которых по величине был равен заряду ионов. Этот заряд оказался численно равен элементар

1.2. Ядерная структура атома

Л

11

ному заряду, полученному при пропускании тока через растворы электролитов. Фарадей в 1834 г. обнаружил, что при пропускании тока через растворы электролитов на электродах осаждаются вещества, причем при осаждении 1 кг-моля вещества необходимо через раствор пропустить F = 9,648 • 10⁷ Кл электричества. После определения числа Авогадро, был определен элементарный заряд

е = — = 1,60219 • 10’¹⁹ Кл. N ’
    Таким образом, было доказано существование атомного электричества. Отрицательно заряженные частицы в атомах были названы электронами, которые имели определенную массу. А массы ионов, несущие положительный заряд, были связаны с массами атомов, то есть не было обнаружено частицы, переносящей единичный положительный заряд.


1.1.4.    Атом Томсона

          Первую модель атома построил Томсон, который предполагал, что атом представляет собой сферическое тело, радиусом около 10⁻¹⁰ м. В этом объеме равномерно распределено положительное электричество, в котором располагается такое число отрицательных электронов, которое обеспечивает электрическую нейтральность атома. Относительно природы положительного электричества и его связи с массой атома ничего известно не было, так же как не было известно количество электронов в каждом атоме. Было установлено, что для быстрых электронов обычные вещества достаточно прозрачны, откуда следовало, что атомный объем не сплошь заполнен веществом.



1.2.   ЯДЕРНАЯ СТРУКТУРА АТОМА


1.2.1.  Альфа-частицы


           В 1896 г. французский физик Беккерель обнаружил, что образец урановой руды оставляет на фотопластинке контуры этого образца. Он предположил, что уран испускает какое-то излучение, регистрируемое фотопластинкой. Изучение свойств этого

¹²

Глава 1. Ядерная энергия

излучение выявило, что оно состоит из заряженных частиц и проникающего излучения. Заряженными частицами оказались электроны, впоследствии названные р-частицами, и дважды ионизированные атомы гелия, названные а-частицами. Это явление, заключающееся в самопроизвольном распаде вещества, в дальнейшем получило название радиоактивности.
   Энергии испускаемых частиц оказались столь велики, что их стали использовать для изучения строения вещества. Само явление радиоактивности, как было показано позже, представляет собой процесс самопроизвольного превращения атомов одних элементов в атомы соседних по периодической системе элементов при испускании заряженных частиц. Измерение скоростей а-частиц показало, что они соответствуют кинетической энергии Еа = 4,5—8 МэВ (1 МэВ = 1,602 - 10⁻¹³ Дж).
   Изучая прохождение коллимированного пучка а-частиц через тонкую металлическую фольгу из золота, Резерфорд обратил внимание на размытие изображения пучка частиц на регистраторе-фотопластинке. Он объяснил такое размытие пучка рассеянием а-частиц. Хотя а -частицы беспрепятственно проходят через объем атомов, присутствие атомного электричества приводит к взаимодействию между атомами и заряженными частицами, что вызывает некоторое искривление их траекторий (объяснимое по модели Томсона). Однако, поместив фотопластинку перед фольгой, он обнаружил, что в редких случаях а-частицы рассеиваются на большие углы, превышающие 90°, что соответствует отталкиванию быстро движущихся заряженных частиц в обратном направлении. Такие случаи рассеяния используя модель атома Томсона было трудно объяснить.
   Атомные электроны не могут осуществить такие акты рассеяния, потому что во-первых, они притягивают положительно заряженную а-частицу, а во-вторых, их масса в несколько тысяч раз меньше массы тяжелой а-частицы. Такое рассеяние может произойти только при столкновении с тяжелым положительно заряженным телом, масса которого существенно больше массы налетающей частицы. Более того, рассеяние в обратном направлении происходит при сильном торможении а-частицы, так что энергия взаимодействия с рассеивающим телом порядка кинетической энергии а-частицы. Учитывая, что энергия электростатического взаимодействия обратно пропорционально расстоянию, то для того,

1.2. Ядерная структура атома —1 13

чтобы энергия электростатического отталкивания стала равна кинетической энергии а-частицы, расстояние от нее до рассеивающего центра должно быть порядка 10⁻¹⁴ м. Такое расстояние примерно в 10 000 раз меньше размера атома, а радиус положительного атомного заряда должен быть еще меньше.
   Опираясь на полученные результаты наблюдений Резерфорд предложил ядерную модель атома. В соответствии с этой моделью в центре атома должно находится массивное ядро, занимающее очень малый объем и несущий положительный заряд. Основной объем атома занимают движущиеся вокруг ядра электроны, число которых равно числу элементарных зарядов ядра, так как атом в целом электронейтрален.

1.2.2.    Атом Резерфорда—Бора

           Предложенная Резерфордом планетарная модель атома обладала существенным изъяном: такой атом не мог быть устойчивым. Действительно, для того, чтобы электроны не были стянуты в ядро, они должны были двигаться по круговым орбитам. Однако вращательное движение заряженных частиц, поскольку оно является ускоренным, с точки зрения классической электродинамики должно сопровождаться излучением энергии в окружающую среду. В результате за очень малое время электроны теряя энергию на излучение должны двигаясь по спирали упасть на ядро, прекратив его существование.
   Стационарную модель простейшего атома с одним электроном предложил датский физик Нильс Бор в 1913 г. Бор связал устойчивость атома с квантовой природой излучения. К тому времени немецкий физик Макс Планк для объяснения спектра излучения абсолютно черного тела ввел гипотезу квантов излучения энергии микроскопическими системами. Он предположил, что микроскопические системы способны излучать энергию лишь строго определенными порциями — квантами, частота излучения которых связана с энергией кванта соотношением Е = h v, где h = 6,62 • 10⁻³⁴ Дж - с — универсальная постоянная Планка. Хотя сам Планк не верил в существование квантов и считал их введение некоторым математическим приемом для получения нужной зависимости, тем не менее, именно его считают родоначальником квантовой теории вещества. В дальнейшем Альберт Эйнштейн

—I Глава 1. Ядерная энергия

показал, что излучение не только испускается квантами, но также и поглощается веществом целыми квантами. С их помощью он дал физическое объяснение явлению фотоэффекта, при котором под действием излучения из вещества выбиваются электроны.
       Для преодоления электромагнитной неустойчивости атома Бор предположил, что энергия атомного электрона в кулоновском поле ядра меняется не непрерывно, а принимает ряд устойчивых дискретных значений, которым соответствуют стационарные орбиты электронов. При движении по стационарным орбитам электрон не излучает энергии. Излучение возникает лишь при переходе электрона с орбиты с более высоким значением энергии Eₜ на другую стационарную орбиту с энергией Ej. Частота этого излучения v определяется разностью энергий двух стационарных состояний hv = Eₜ — Ej. Оказалось, что стационарные орбиты удовлетворяют условию, согласно которому момент количества движения электрона на ней равен целому кратному числу единиц h, т. е. т vrₙ = nh. Однако, на вопрос, почему на стационарных орбитах электрон не излучает, Нильс Бор не дал исчерпывающего ответа, приняв это условие как постулат теории.

    1.2.3.    Протон-электронная модель ядра

              Со времени открытия атомного ядра в 1911 г. ведет начало ядерная физика, изучающая строение и свойства ядер. Было установлено, что, во-первых, ядра имеют положительный заряд, а, во-вторых, массы ядер примерно равны массам атомов. Самый легкий атом водорода, как показали опыты по его ионизации, а также выводы одноэлектронной модели атома водорода Бора, имеет один электрон и единичный заряд ядра. Ядру самого легкого атома была отведена роль структурной частицы всех ядер и оно стало называться протоном. Это связано с тем фактом, что массы всех стабильных ядер оказалось кратными массе ядра водорода. Однако для объяснения структуры даже легких ядер, как например, гелия недостаточно было только протонов, так масса ядра гелия в 4 раза больше ядра водорода, а заряд только в два раза больше. Для объяснения этого факта была выдвинута гипотеза типа атома Томсона, что в ядрах содержаться и электроны. Однако она была быстро опровергнута последующими измерениями других характеристик ядер.