Плутоний - искусственный элемент. До атомной эры в природе были только его "следы" - несколько десятков килограммов во всей толще земной коры. Сейчас - сотни тонн, и не во всей земной коре, а в бомбах и на складах, плюс тонны, развеянные по поверхности планеты.

Всего лишь за один год все реакторы мира производят 10 тысяч тонн ОЯТ, в котором содержится 100 тонн плутония, то есть в каждой тонне ОЯТ содержится ~ 10 кг плутония (для сравнения, в бомбе, сброшенной на Нагасаки, его было лишь 6,2 кг).

Хотя реакторный плутоний, выделенный при переработке ОЯТ, не имеет оружейного качества, но бомбу из него сделать всё-таки можно. Мир уже полон выделенного плутония для изготовления бомб. Его очень много: в развёрнутых системах вооружения, в боеголовках, предназначенных к демонтажу, в отходах при очистке ядерно-оружейных комплексов, на складах при перерабатывающих заводах.

Делящимся, то есть оружейным, является изотоп - плутоний-239. Для его наработки в реактор военного назначения, кроме обогащённого урана (топливо), помещали и необогащённый, природный, уран ("сырьё") в виде металлических блочков, заключённых в герметичную алюминиевую оболочку. При реакции деления в активной зоне реактора возникает большой поток нейтронов и происходит облучение урановых блочков этими нейтронами (отсюда и термин "облучённый уран" или облучённое ядерное горючее).

При захвате нейтронов ядра атомов урана превращаются в ядра плутония, поэтому внутри блочков неделящийся уран-238 постепенно превращался в делящийся (оружейный) плутоний-239. За время выдержки в реакторе (3-6 месяцев) из каждой тонны природного урана в плутоний-239 превращалось несколько сотен граммов урана-238.

Ядерное топливо - материал, используемый в ядерных реакторах для проведения управляемой цепной реакции. Оно чрезвычайно энергоемко и небезопасно для человека, что накладывает ряд ограничений на его использование. Сегодня мы с вами узнаем, что собой представляет топливо ядерного реактора, как оно классифицируется и производится, где применяется.

Ход цепной реакции

Во время цепной ядерной реакции, ядро делится на две части, которые называют осколками деления. Одновременно с этим выделяется несколько (2-3) нейтронов, которые впоследствии вызывают деление следующих ядер. Процесс происходит при попадании нейтрона в ядро исходного вещества. Осколки деления имеют большую кинетическую энергию. Их торможение в веществе сопровождается выделением огромного количества тепла.

Осколки деления, вместе с продуктами их распада, называют продуктами деления. Ядра, которые делятся нейтронами любой энергии, называют ядерным горючим. Как правило, они представляют собой вещества с нечетным количеством атомов. Некоторые ядра делятся сугубо нейтронами, энергия которых выше определенного порогового значения. Это преимущественно элементы с четным числом атомов. Такие ядра называют сырьевым материалом, так как в момент захвата нейтрона пороговым ядром образуются ядра горючего. Комбинация горючего и сырьевого материала называется тем самым ядерным топливом.

Классификация

Ядерное топливо делится на два класса:

1. Природное урановое. Оно содержит делящиеся ядра урана-235 и сырье урана-238, которое способно образовывать плутоний-239 при захвате нейтрона.
2. Вторичное топливо, не встречающееся в природе. К нему, кроме всего прочего, относится плутоний-239, который получается из топлива первого вида, а также уран-233, образующийся при захвате нейтронов ядрами тория-232.

С точки зрения химического состава, бывают такие виды ядерного топлива:

1. Металлическое (в том числе сплавы);
2. Оксидное (к примеру, UO 2);
3. Карбидное (к примеру PuC 1-x);
4. Смешанное;
5. Нитридное.

ТВЭЛ и ТВС

Топливо для ядерных реакторов используется в виде таблеток небольшого размера. Они помещаются в герметично-закрытые тепловыделяющие элементы (ТВЭЛы), которые, в свою очередь, по несколько сотен объединяются в тепловыделяющие сборки (ТВС). К ядерному топливу предъявляются высокие требования по совместимости с оболочками ТВЭЛов. Оно должно иметь достаточную температуру плавления и испарения, хорошую теплопроводность и не сильно увеличиваться в объеме при нейтронном облучении. Также во внимание берется технологичность производства.

Применение

На атомные электростанции и другие ядерные установки топливо приходит в виде ТВС. Они могут загружаться в реактор как во время его работы (на место выгоревших ТВС), так и во время ремонтной кампании. В последнем случае тепловыделяющие сборки меняют крупными группами. При этом лишь третья часть топлива заменяется полностью. Наиболее выгоревшие сборки выгружаются из центральной части реактора, а на их место ставятся частично выгоревшие сборки, которые ранее находились в менее активных областях. Следовательно, на место последних устанавливаются новые ТВС. Эта нехитрая схема перестановки считается традиционной и имеет ряд преимуществ, главным из которых является обеспечение равномерного энерговыделения. Конечно же, это условная схема, которая дает лишь общие представления о процессе.

Выдержка

После изъятия отработанного ядерного топлива из активной зоны реактора, его отправляют в бассейн выдержки, который, как правило, находится неподалеку. Дело в том, что в отработанных ТВС содержится огромное количество осколков деления урана. После выгрузки из реактора каждый ТВЭЛ содержит порядка 300 тысяч Кюри радиоактивных веществ, выделяющих 100 кВт/час энергии. За счет нее топливо саморазогревается и становится высокорадиоактивным.

Температура недавно выгруженного топлива может достигать 300°С. Поэтому его выдерживают на протяжении 3-4 лет под слоем воды, температура которой поддерживается в установленном диапазоне. По мере хранения под водой, радиоактивность топлива и мощность его остаточных выделений падает. Примерно через три года саморазогрев ТВС доходит уже до 50-60°С. Тогда топливо извлекают из бассейнов и отправляют на переработку или захоронение.

Металлический уран

Металлический уран используется в качестве топлива для ядерных реакторов относительно редко. Когда вещество достигает температуры 660°С, происходит фазовый переход, сопровождающийся изменением его структуры. Попросту говоря, уран увеличивается в объеме, что может привести к разрушению ТВЭЛа. В случае длительного облучения при температуре 200-500°С вещество подвергается радиационному росту. Суть этого явления заключается в удлинении облученного уранового стержня в 2-3 раза.

Применение металлического урана при температуре более 500°С затрудняется из-за его распухания. После деления ядра образуется два осколка, суммарный объем которых превышает объем того самого ядра. Часть осколков деления представлена атомами газов (ксенон, криптон и др.). Газ накапливается в порах урана и формирует внутреннее давление, которое растет по мере увеличения температуры. За счет увеличения объема атомов и повышения давления газов ядерное топливо начинает распухать. Таким образом, под этим подразумевается относительное изменение объема, связанное с делением ядер.

Сила распухания зависит от температуры ТВЭЛов и выгорания. С увеличением выгорания, возрастает количество осколков деления, а с увеличение температуры и выгорания - внутреннее давление газов. Если топливо обладает более высокими механическими качествами, то оно менее подвержено распуханию. Металлический уран к таким материалам не относится. Поэтому его применение в качестве топлива для ядерных реакторов ограничивает глубину выгорания, являющуюся одной из главных характеристик такого топлива.

Механические свойства урана и его радиационная стойкость улучшаются путем легирования материала. Это процесс предполагает добавление к нему алюминия, молибдена и других металлов. Благодаря легирующим добавкам, число нейтронов деления, необходимое на один захват, снижается. Поэтому для этих целей используются материалы, которые слабо поглощают нейтроны.

Тугоплавкие соединения

Хорошим ядерным топливом считаются некоторые тугоплавкие соединения урана: карбиды, окислы и интерметаллические соединения. Наиболее распространенным из них является диоксид урана (керамика). Его температура плавления составляет 2800°С, а плотность - 10,2 г/см 3 .

Так как у этого материала нет фазовых переходов, он менее подвержен распуханию, нежели сплавы урана. Благодаря этой особенности температуру выгорания можно повысить на несколько процентов. На высоких температурах керамика не взаимодействует с ниобием, цирконием, нержавеющей сталью и прочими материалами. Ее главный недостаток заключается в низкой теплопроводности - 4,5 кДж (м*К), ограничивающей удельную мощность реактора. Кроме того, горячая керамика склонна к растрескиванию.

Плутоний

Плутоний считается низкоплавким металлом. Он плавится при температуре 640°С. Из-за плохих пластических свойств он практически не поддается механической обработке. Токсичность вещества усложняет технологию изготовления ТВЭЛов. В атомной промышленности неоднократно предпринимались попытки использования плутония и его соединений, однако они не увенчались успехом. Использовать топливо для атомных электростанций, содержащее плутоний, нецелесообразно из-за примерно 2-кратного уменьшения периода разгона, на что не рассчитаны стандартные системы управления реакторами.

Для изготовления ядерного топлива, как правило, используют диоксид плутония, сплавы плутония с минералами, а также смесь карбидов плутония с карбидами урана. Высокими механическими свойствами и теплопроводностью обладают дисперсионные топлива, в которые частицы соединений урана и плутония размещаются в металлической матрице из молибдена, алюминия, нержавеющей стали и прочих металлов. От материала матрицы зависит радиационная стойкость и теплопроводность дисперсионного топлива. К примеру, на первой АЭС дисперсионное топливо состояло из частиц уранового сплава с 9% молибдена, которые были залиты молибденом.

Что касается ториевого топлива, то оно на сегодня не используется в силу трудностей производства и переработки ТВЭЛов.

Добыча

Значительные объемы основного сырья для ядерного топлива - урана сконцентрированы в нескольких странах: Россия, США, Франция, Канада и ЮАР. Его залежи, как правило, находятся около золота и меди, поэтому все эти материалы добывают одновременно.

Здоровье людей, работающих на разработках, подвержено большой опасности. Дело в том, что уран является токсичным материалом, и газы, выделяющиеся в процессе его добычи, могут вызывать рак. И это притом, что в руде содержится не более 1% этого вещества.

Получение

Производство ядерного топлива из урановой руды включает в себя такие стадии, как:

1. Гидрометаллургическая переработка. Включает в себя выщелачивание, дробление и экстракционное или сорбционное извлечение. Результатом гидрометаллургической переработки является очищенная взвесь закиси оксиурана, диураната натрия или диураната аммония.
2. Перевод вещества из оксида в тетрафторид или гексафторид, используемый для обогащения урана-235.
3. Обогащение вещества путем центрифугирования или газовой термодиффузии.
4. Перевод обогащенного материала в диоксид, из которого производят «таблетки» ТВЭЛов.

Регенерация

Во время работы ядерного реактора топливо не может полностью выгорать, поэтому воспроизводятся свободные изотопы. В этой связи отработанные ТВЭЛЫ подлежат регенерации с целью повторного использования.

На сегодня эту задачу решают путем пьюрекс-процесса, состоящего из таких этапов, как:

1. Разрезание ТВЭЛов на две части и растворение их в азотной кислоте;
2. Очистка раствора от продуктов деления и частей оболочки;
3. Выделение чистых соединений урана и плутония.

После этого полученный диоксид плутония идет на производство новых сердечников, а уран - на обогащение или также изготовление сердечников. Переработка ядерного топлива является сложным и дорогостоящим процессом. Ее стоимость оказывает существенное влияние на экономическую целесообразность использования атомных электростанций. То же самое можно сказать и про захоронение отходов ядерного топлива, не пригодных к регенерации.

уран 235 75, уран 235/75r15
Ура́н-235 (англ. uranium-235), историческое название актиноура́н (лат. Actin Uranium, обозначается символом AcU ) - радиоактивный нуклид химического элемента урана с атомным номером 92 и массовым числом 235. Изотопная распространённость урана-235 в природе составляет 0,7200(51) %. Является родоначальником радиоактивного семейства 4n+3, называемого рядом актиния. Открыт в 1935 году Артуром Демпстером (англ. Arthur Jeffrey Dempster).

В отличие от другого, наиболее распространенного изотопа урана 238U, в 235U возможна самоподдерживающаяся цепная ядерная реакция. Поэтому этот изотоп используется как топливо в ядерных реакторах, а также в ядерном оружии.

Активность одного грамма данного нуклида составляет приблизительно 80 кБк.

• 1 Образование и распад
• 2 Вынужденное деление
  • 2.1 Цепная ядерная реакция
• 3 Изомеры
• 4 Применение
• 5 См. также
• 6 Примечания

Образование и распад

Уран-235 образуется в результате следующих распадов:

• β−-распад нуклида 235Pa (период полураспада составляет 24,44(11) мин):

• K-захват, осуществляемый нуклидом 235Np (период полураспада составляет 396,1(12) дня):

• α-распад нуклида 239Pu (период полураспада составляет 2,411(3)·104 лет):

Распад урана-235 происходит по следующим направлениям:

• α-распад в 231Th (вероятность 100 %, энергия распада 4 678,3(7) кэВ):

• Спонтанное деление (вероятность 7(2)·10−9 %);
• Кластерный распад с образованием нуклидов 20Ne, 25Ne и 28Mg (вероятности соответственно составляют 8(4)·10−10 %, 8·10−10 %, 8·10−10 %):

Вынужденное деление

Основная статья: Деление ядра Кривая выхода продуктов деления урана-235 для различных энергий делящих нейтронов.

В начале 1930-х гг. Энрико Ферми проводил облучение урана нейтронами, преследуя цель получить таким образом трансурановые элементы. Но в 1939 г. О. Ган и Ф. Штрассман смогли показать, что при поглощении нейтрона ядром урана происходит вынужденная реакция деления. Как правило, ядро делится на два осколка, при этом высвобождается 2-3 нейтрона (см. схему).

В продуктах деления урана-235 было обнаружено около 300 изотопов различных элементов: от Z=30 (цинк) до Z=64 (гадолиний). Кривая зависимости относительного выхода изотопов, образующихся при облучении урана-235 медленными нейтронами, от массового числа - симметрична и по форме напоминает букву «M». Два выраженных максимума этой кривой соответствуют массовым числам 95 и 134, а минимум приходится на диапазон массовых чисел от 110 до 125. Таким образом, деление урана на осколки равной массы (с массовыми числами 115-119) происходит с меньшей вероятностью, чем асимметричное деление, такая тенденция наблюдается у всех делящихся изотопов и не связана с какими-то индивидуальными свойствами ядер или частиц, а присуща самому механизму деления ядра. Однако асимметрия уменьшается при увеличении энергии возбуждения делящегося ядра и при энергии нейтрона более 100 МэВ распределение осколков деления по массам имеет один максимум, соответствующий симметричному делению ядра.

Один из вариантов вынужденного деления урана-235 после поглощения нейтрона (схема)

Осколки, образующиеся при делении ядра урана, в свою очередь являются радиоактивными, и подвергаются цепочке β−-распадов, при которых постепенно в течение длительного времени выделяется дополнительная энергия. Средняя энергия, выделяющаяся при распаде одного ядра урана-235 с учётом распада осколков, составляет приблизительно 202,5 МэВ = 3,244·10−11 Дж, или 19,54 ТДж/моль = 83,14 ТДж/кг.

Деление ядер - лишь один из множества процессов, возможных при взаимодействии нейтронов с ядрами, именно он лежит в основе работы любого ядерного реактора.

Цепная ядерная реакция

Основная статья: Цепная ядерная реакция

При распаде одного ядра 235U обычно испускается от 1 до 8 (в среднем - 2.5) свободных нейтрона. Каждый нейтрон, образовавшийся при распаде ядра 235U, при условии взаимодействия с другим ядром 235U, может вызвать новый акт распада, это явление называется цепной реакцией деления ядра.

Гипотетически, число нейтронов второго поколения (после второго этапа распада ядер) может превышать 3² = 9. С каждым последующим этапом реакции деления количество образующихся нейтронов может нарастать лавинообразно. реальных условиях свободные нейтроны могут не порождать новый акт деления, покидая образец до захвата 235U, или будучи захваченными как самим изотопом 235U с превращением его в 236U, так и иными материалами (например, 238U, или образовавшимися осколками деления ядер, такими как 149Sm или 135Xe).

Если в среднем каждый акт деления порождает еще один новый акт деления, то реакция становится самоподдерживающейся; это состояние называется критическим. (см. также Коэффициент размножения нейтронов)

В реальных условиях достичь критического состояния урана не так просто, поскольку на протекание реакции влияет ряд факторов. Например, природный уран лишь на 0,72 % состоит из 235U, 99,2745 % составляет 238U, который поглощает нейтроны, образующиеся при делении ядер 235U. Это приводит к тому, что в природном уране в настоящее время цепная реакция деления очень быстро затухает. Осуществить незатухающую цепную реакцию деления можно несколькими основными путями:

• Увеличить объём образца (для выделенного из руды урана возможно достижение критической массы за счёт увеличения объёма);
• Осуществить разделение изотопов, повысив концентрацию 235U в образце;
• Уменьшить потерю свободных нейтронов через поверхность образца с помощью применения различного рода отражателей;
• Использовать вещество - замедлитель нейтронов для повышения концентрации тепловых нейтронов.

Изомеры

Известен единственный изомер 235Um со следующими характеристиками:

• Избыток массы: 40 920,6(1,8) кэВ
• Энергия возбуждения: 76,5(4) эВ
• Период полураспада: 26 мин
• Спин и чётность ядра: 1/2+

Распад изомерного состояния осуществляется путём изомерного перехода в основное состояние.

Применение

• Уран-235 используется в качестве топлива для ядерных реакторов, в которых осуществляется управляемая цепная ядерная реакция деления;
• Уран с высокой степенью обогащения применяется для создания ядерного оружия. этом случае для высвобождения большого количества энергии (взрыва) используется неуправляемая цепная ядерная реакция.

См. также

• Изотопы урана
• Разделение изотопов

Примечания

1. 1 2 3 4 5 G. Audi, A.H. Wapstra, and C. Thibault (2003). «The AME2003 atomic mass evaluation (II). Tables, graphs, and references.». Nuclear Physics A 729 : 337-676. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.003. Bibcode: 2003NuPhA.729..337A.
2. 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 G. Audi, O. Bersillon, J. Blachot and A. H. Wapstra (2003). «The NUBASE evaluation of nuclear and decay properties». Nuclear Physics A 729 : 3–128. DOI:10.1016/j.nuclphysa.2003.11.001. Bibcode: 2003NuPhA.729....3A.
3. Гофман К. Можно ли сделать золото? - 2-е изд. стер. - Л.: Химия, 1987. - С. 130. - 232 с. - 50 000 экз.
4. Today in science history
5. 1 2 3 Фиалков Ю. Я. Применение изотопов в химии и химической промышленности. - Киев: Техніка, 1975. - С. 87. - 240 с. - 2 000 экз.
6. Table of Physical and Chemical Constants, Sec 4.7.1: Nuclear Fission. Kaye & Laby Online. Архивировано из первоисточника 8 апреля 2012.
7. Бартоломей Г. Г., Байбаков В. Д., Алхутов М. С., Бать Г. А. Основы теории и методы расчета ядерных энергетических реакторов. - М.: Энергоатомиздат, 1982. - С. 512.

уран 235 50, уран 235 75, уран 235 area, уран 235/75r15

Как это часто к сожалению бывает, полезные изобретения часто используют и для дурных целей. Это относится и к использованию цепной реакции деления. Борьба с распространением атомного оружия идет с переменным успехом. Наибольшую опасность представляет обладание атомным оружием у авторитарных режимов и, тем более у террористов. Рассмотрим различные типы атомных бомб и опасности, связанные с возможностью распространения технологий их производства.

Бомба из урана-235

Атомную бомбу можно изготовить из U-235, Pu-239 и U-233. Из них только U-235 существует в природе. Pu-239 и U-233 получаются бомбардировкой других изотопов нейтронами.
Проще всего можно изготовить атомную бомбу из урана. Для этого не надо реактора. Например, для этого нужно иметь необходимое количество природного урана, газовые центрифуги. Уран переводится в газообразное состояние − гексафторид урана UF 6 , который пропускается через центрифуги. Степень разделения определяется количеством отдельных центрифуг, собранных в каскад. "Немного" терпения, и у вас оружейный уран (>90% 235 U). Для того, чтобы создать урановую бомбу без плутония) необходимо около 15-20 кг оружейного урана.
Однако, хотя в принципе процесс обогащения урана известен, для того, чтобы получить достаточное количество высокообогащенного урана требуется сырье, квалификация, инфраструктура и большое количество энергии. Так что даже получение высокообогащенного урана террористами весьма маловероятно. Скорее всего, его постараются просто украсть. Таким образом, страны, обладающие запасами оружейного урана должны строго следить за своими хранилищами. Наработка оружейного урана посильна только странам с достаточно развитой технологической базой.
Кроме того из обогащенного урана надо еще изготовить бомбу. Наиболее примитивная атомная бомба − так называемая бомба " пушечного" типа.

Бомба "пушечного" типа
Бомба "пушечного" типа проста по конструкции. В ней один "кусок" U-235 "выстреливается с помощью соответствующего заряда в другой "кусок", при этомобразуется критическая масса. В результате возникает цепная реакция. Такая бомба неэффективно использует делящийся материал; только 1.4% высокообогащенного урана в бомбе этого типа разделилась. Таую бомбу сбросили на Хиросиму. Она слишком велика для ракеты однако может быть доставлена, например, на самолете.

Бомба из плутония-239

Плутонии является побочным продуктом всех реакторов. Однако, для того, чтобы его использовать как делящийся материал, его надо химически очистить от остатков высокоактивных отходов. Это дорогостоящий и опасный процесс, требующий специальных знаний и оборудования.

Плутоний образуется в ядерном реакторе при бомбардировке U-238 тепловыми нейтронами

Для производства ядерного оружия используется Pu-239. Сечения деления и рассеяния, а также количество нейтронов при делении у Pu-239 больше, чем у U-235 и, соответственно меньшая критическая масса, т.е. для реализации самоподдерживающейся реакции деления плутония надо меньше, чем урана. Для плутониевой атомной бомбы обычно необходимо 3-5 кг Pu-239.
Из-за относительно небольшого периода полураспада (в сравнении с U-235), Pu-239 из-за испускаемого им излучения заметно нагревается. Тепловыделение Pu-239 - 1.92 Вт/кг. Так, хорошо изолированный кусок плутония за два часа нагревается от комнатной температуры до 100 о. Это, естественно, создает трудности при конструировании бомбы. Физические свойства плутония таковы, что в бомбе пушечного типа не удается достаточно быстро соединить два куска плутония, чтобы образовать критическую массу. Для плутония нужно применять более сложную схему.

Бомба имплозионного типа
В центре бомбы имплозионного типа находится плутоний высокообогащенный уран или их смесь. Направленный внутрь на плутониевый кор взрыв реализуется с помощью системы специальных линз, которые срабатывают одновременно. Плутоний сильно и равномерно сжимается. Масса становится критической. Однако, простое сжатие плутония до критической массы еще не гарантирует начала цепной реакции. Для этого необходимы нейтроны от нейтронного источника, который располагается в центре устройства и одновременно со сжатием облучает плутоний.
Плутоний экстрагируемый из облученного топлива и снова используемый в реакторе становится все менее пригодным для производства оружия из-за увеличения в нем доли Pu-238, Pu-240 и Pu-242.
Основная вредная примесь для оружейного плутония − Pu-240 из-за его высокой скорости спонтанного деления. Она больше, чем у Pu-239 в 30000 раз. Всего 1% Pu-240 в смеси производит такое количество нейтронов, что в имплозионной системе возможен взрыв. Наличие последнего в больших пропорциях существенно осложняет задачу проектирования надежного боезаряда с заданными характеристиками (номинальная мощность, безопасность при длительном хранении и т. д.)
Оружейный плутоний, характеризуется весьма высоким (свыше 90 %) содержанием делящегося изотопа 239 Pu и малым содержанием изотопа 240 Pu (до ~5 %).
«Гражданский» плутоний, выделяемый при переработке (репроцессинге) отработавшего топлива ядерных реакторов АЭС и характеризующийся средним соотношением содержания изотопов 239 (60 %) и 240 (40 %). Использование «гражданского» плутония для изготовления ядерных боезарядов в принципе возможно.

Бомба из урана-233

В странах, где мало урана, но много тория (например Индия), представляет интерес получения делящегося изотопа U-233 с помощью цепочки реакций:

Как взрывчатый материал 233 U почти так же эффективен как 239 Pu. Осложняет ситуацию в военном применении 233 U примеси 232 U, дочерние продукты которого, являются сильными гамма-источниками, что осложняет работу с ним.
232 U образуется в результате реакции.