Развитие атомной энергетики Реакторы транспортных двигательных установок Реакторы на быстрых нейтронах Реактор РБМК Реактор ВВЭР Реактивностные аварии Аварии с потерей теплоносителя ойлер отзывы

Атомная энергетика. Типы ядерных реакторов

Теперь давайте рассмотрим осколки деления. Их в среднем два, подавляющее большинство ядер делится на два осколка, очень редко бывает тройное деление. В результате тройного деления получается два больших осколка и еще возможно образование трития. Тритий – это радиоактивный изотоп водорода, и, в принципе, избежать выделения трития на АЭС невозможно. На всех АЭС всегда в атмосферу идут сбросы трития. Но, поскольку у него период полураспада 12 лет, уж очень большой радиоактивной опасности он не представляет, но, тем не менее, именно потому, что он рассеивается (он входит в воду, в атмосферу и. т.д) – он и представляет определенную опасность. Поэтому на тритий тоже введены предельно допустимые концентрации и в тех местах, где он находится в концентрированных количествах, тритий представляет, конечно, большую биологическую опасность. Поэтому тритий обязательно учитывается в балансе выбросов радиоактивности в атмосферу.

Давайте рассмотрим осколки деления и нарисуем вот такой график - выход осколков деления g в зависимости от массового числа осколка М. Здесь М - массовое число осколка - т.е. сумма количества нейтронов и протонов в ядре осколка а g - это относительный выход осколка при одном делении. Кривая зависимости выхода продуктов деления от массового числа имеет вот такой интересный вид, который получил название двугорбая кривая (рис.4.3). Все, что находится вправо от середины кривой, называется тяжелым осколком, а влево от середины – легким осколком.

  Легкий осколок Тяжелый осколок

Рис.4.3. Выход осколков деления

Поскольку осколки рождаются всегда парами (не может же родиться один осколок, ядро делится обычно на две части), то обязательно при каждом делении должно сохраняться общее количество нуклонов, или, другими словами, должно выполняться сохранение массового числа. Материя исчезать не может. Вот закон сохранения энергии должен учитывать дефект масс (в соответствии с соотношением Эйнштейна), энергию связи нуклонов в ядре, а вот по количеству тяжелых частиц - нуклонов, всегда должен быть баланс. Сколько их было до деления, столько их должно быть и после деления. Это означает, что если, допустим, произошло какое-то индивидуальное деление и тяжелый осколок родился вот такой, то пара его – легкий осколок - должен в точности отстоять на такое же количество нейтронов от центра симметрии в противоположную сторону. Так, чтобы сумма масс всегда давала 234 (было 235+n, допустим, два нейтрона улетело, осталось 234).

 Почему так? А это вот такие закономерности ядерной физики. Это экспериментальный факт и мы не будем вникать в подробности. Но интересно, что эта кривая, во-первых, нарисована в логарифмическом масштабе, и, во-вторых, нормирована эта кривая на двойку, на пару осколков, т.е. интеграл под этой кривой дает два.

Если вот здесь, допустим, возьмем значение выхода 0,1. Мы видим, что нет таких осколков, а если бы были, то рождались бы, в среднем 10 штук на одно деление. Если бы был осколок, который достигал бы выхода 0,1, это значит, что на 100 делений рождалось бы 10 таких осколков. Максимум кривой выхода приблизительно 0,06, а здесь уже будет 0,01 (это логарифмический масштаб), 0,001, и т.д. Т.е. в принципе, есть все, но с очень маленькой вероятностью. А те, которые с большой – они в очень небольшом диапазоне размещены.

Это распределение осколков деления является как бы визитной карточкой или характерным признаком процесса деления, потому что хотя осколки все рождаются радиоактивными, мы знаем, что нужно в среднем пять или шесть последовательных радиоактивных распадов, чтобы они попали в дорожку стабильности. Т.е. получается определенное распределение, когда стабильные изотопы примут форму химических элементов. И вот это является визитной карточкой процесса деления подобно тому, как в химии атомный спектр определяет какой-то химический элемент. Вот эта кривая выхода продуктов деления позволила однажды однозначно дать ответ на загадку одного открытия, а может природного явления, заключающегося в том, что на земном шаре, много или несколько млрд. лет назад в природе действовал ядерный реактор. Мы знаем, как трудно сделать руками человека реактор, какие усилия были на это потрачены, а тут оказалось, что ничего не надо было делать, в природе, в земле работал естественный ядерный реактор. Я просто так расскажу о нем, это просто интересно, к тому же полезно знать.

В одной из французских ядерных лабораторий, где работали с ураном, обнаружили, что природный уран, который они покупали у какой-то фирмы, имеет содержание 235U в природном уране, чуть-чуть меньше, чем было установлено. Считалось, что содержание 235U в природном уране незыблемая совершенно величина, ведь обогащение природного урана известно с точностью до 7-го знака, масс-спектрометр позволяет буквально это определить. Но вот оказалось, что где-то в третьем знаке после запятой почему то содержание 235U меньше. Первая реакция была такая –проверить показания своего масс-спектрометра. Направили эти образцы в другие лаборатории и те подтвердили, что действительно содержание 235U меньше нормы. Тогда возникло предположение, что какая-то подпольная команда занимается воровством 235U. Как разбавляют воду молоком или водку водой, так и здесь - где-то добывают природный уран и добавляют в него обедненный уран. А ведь там, где есть разделительные заводы, там, где производят обогащенный уран, лежит огромное количество, сотни тысяч тонн обедненного урана, 238U, который не очень охраняется, поскольку он ценности пока никакой не представляет (только доставляет головную боль, как слаборадиоактивное вещество). И вот кто то берет тонну природного урана, размешивает с тонной отваженного урана и продает.

Когда возникло такое предположение, подключили Интерпол – сотрудники Интерпола стали отслеживать все транспортные пути, дошли буквально до рудника, и определили, что все чисто – нигде никто воровством урана не занимается. Тогда решили – а вдруг, пока непонятно почему, в каких-то рудниках сам уран в земле имеет меньшее обогащение. Начали исследовать все рудники и нашли то, что искали. В бельгийском Конго, в Африке, есть месторождение Оккло и в нем, в природном уране, который там добывают из урановой руды, аномально низкое содержание 235U. Ведь когда геологи ищут уран, изотопный состав никто не измеряет, уран ищут как химическое вещество, элемент уран. Никто не мог подумать, что там может быть какое-то другое обогащение 235U. Так вот оказалось, что в этом месторождениии 235U чуть ли не в пять раз меньше, чем во всех других месторождениях.

И вот это сразу стало загадкой. Почему это могло произойти?  Высказали предположение, что причиной (которая пока не имела никаких объяснений) является то, что в земле, в руднике, под землей сложились такие условия, что возникла критическая масса, работал реактор и уран выгорал. 235U выгорал, поэтому и образовалось такое низкое обогащение. Это положение понятно. Но все понимали, как это сложно, хотя знали, что реактор на природном уране создать можно – в случае, если используется  тяжеловодный замедлитель (или графит), если существует определенная структура, но непонятно, как это могло произойти в земле, там все это не упорядочено. Но когда стали думать серьезнее, то стало ясно, что, в принципе, это возможно. Вот как была объяснена принципиальная возможность, не подтверждение, а только принципиальная возможность возникновения естественного реактора. Дело в том, что и 235U и 238U являются естественными радиоактивными элементами. Они a-излучатели, но это не важно. Периоды полураспада у них разные, у 238U – 2 млрд. лет, а у 235U – 700 млн лет (округленно). И вот тогда стали рассуждать так – а давайте от сегодняшнего дня отступим назад, вглубь веков, на один период полураспада 238U. Тогда его будет в два раза больше (по закону радиоактивного распада - период полураспада – это и есть время, когда в два раза уменьшается количество радиоактивных частиц). Значит, 2 млрд. лет в назад 238U было в два раза больше. А если 235U имеет период полураспада 700 млн. лет, то это значит, что для него прошло три периода 235U полураспада. Т.е. 235U 2 млрд. лет назад было в 8 раз больше. Таким образом, 2 млр. 235U было в 8 раз больше, чем сейчас, а 235U – в два раза больше. Этого – в 8, а этого – в 2. Значит, обогащение f2 в природном уране 2 млрд. лет назад было не 0,7 %, а в 4 раза выше (4×0,7=2,8 %).

Вопрос - в 8 раз?

Нет, не в 8. Потому что 235U в 8 раз больше, а 238U – в 2 раза больше – 2 млрд. лет назад. А обогащение зависит от соотношения 235U и 238U. Поэтому нельзя считать 8, потому что того выросло в 2 раза, этого – в 8. Значит, относительно сегодняшнего, относительного содержания 235U его было в 4 раза больше (2 млрд. лет назад). Сейчас обогащение 0,7 %, поэтому было где-то 3 %. А если мы пойдем еще на 2 млрд. лет назад, тогда 235U еще в 4 раза больше будет. Было 3 %, а 4 млрд. лет назад – уже получается в 4 раза больше (3×4 = 12 %), а если взять где-то 5 – 6 млрд. лет, когда Земля образовывалась, уже получается обогащение около 20 %. И стало ясно, что если столько лет, веков назад (или миллиардов лет) было такое высокое обогащение, тогда вполне могла пойти цепная реакция, без всякого замедлителя нейтронов, при условии, что объем рудного месторождения богатый. Так что это предположение о естественном реакторе стало теоретически вроде бы возможно.

Ну а как доказать, что это было? И вот тогда вот пригодилась эта двугорбая кривая выхода осколков деления. Когда взяли эту руду и стали делать химический анализ (содержание химических элементов, которые сопутствуют этой руде, барий, магний, кальций, цирконий, молибден и т.д.) - оказалось, что распределение химических элементов соответствует вот этой двугорбой кривой. И тут уже деваться было некуда, это было, таким образом, уже не предположение, а доказанный факт, потому что случайно такого не могло получиться. Такое распределение химических элементов могло получиться только в результате того, что сотни миллионов лет назад существовал саморегулируемый реактор, в какое-то время он достиг какой-то температуры, но остановился – или выгорел, или же в Земле произошли какие-то сдвижки, или случилось что-то еще и т.д. Потом нашли еще пять аналогичных мест, это где-то было 25 – 30 лет назад – и это тоже было зарегистрировано. Вот такое интересное явление было на заре формирования планеты Земля. И объяснение этому явлению было получено с помощью этой двугорбой кривой выхода осколков деления. 


Система автоматического управления или поддержания мощности реактора