Расписание лекций по курсу Ядерный топливный цикл для

Расписание лекций по курсу «Ядерный топливный цикл» для студентов 4 курса (специализация: Физика ядерных реакторов и атомных энергетических установок) День недели Четверг 418 1400 – 1535 418 321 1730 – 1905 контрольная -1 321 215 422 1000 – 1135 Среда 205 1000 – 1135 Суббота 1000 – 1135 815 – 950 Пятница 205 1730 – 1905 Четверг 19 декабря 815 – 950 1545 – 1720 Среда 18 декабря Ауд. 1545 – 1735 Вторник 17 декабря Время 1145 – 1320 Понедельник Число 418 20 декабря 21 декабря 22 декабря 26 декабря 27 декабря 1145 – 1320 контрольная -2 1000 – 1135 консультация с 1500 зачет 418 422

17 Ф. И. О 18 18 19 19 20 20 21 21 22 22 26 27 12 12 12 12 № 17 12 12 12 12 1 Дойникова Анастасия Вячеславовна + 2 Зиновенко Екатерина Сергеевна - 3 Карпович Глеб Владиславович 4 Кильковский Станиславович 5 Латушко Алексей Владимирович + + + 6 Мороз Илья Викторович + + + 7 Насанович Леонид Николаевич + 8 Невдох Кристина Олеговна + 9 Нехайчик Евгений Дмитриевич + 10 Русецкий Никита Сергеевич + 11 Селеня Дмитрий Анатольевич + 12 Тимонин Артем Васильевич - 13 Щерба Ирина Михайловна + 14 Яроцкая Екатерина Михайловна + + - _

2. ТОПЛИВНЫЕ ЦИКЛЫ 3. 1. Ядерные материалы. В современные ядерные топливные циклы вовлечены изотопы элементов c номерами в интервале 90 ≤ Z ≤ 96, т. е. от Th до Cm. В природе доступны только один изотоп 232 Th и три изотопа урана с А = 234, 235 и 238. Все остальные ядерные материалы были получены искусственно и нарабатываются в ядерных реакторах. Торий Это радиоактивный химический элемент, первый член семейства актиноидов; серебристо-белый пластичный металл со свойствами: плотность – 11, 72 г/см 3 температура плавления – 1750 о С температура кипения 4788 о С период полураспада – 1, 39∙ 1010 лет. Торий распространён в верхней части земной коры – гранитном слое (концентрация по массе – 1, 8∙ 10 -3 %) и осадочной оболочке (концентрация по массе – 1, 3∙ 10 -3 %). Главные минералы Th: монацит (3. 5 – 10% Th. O 2) и торит (до 77% Th. O 2). Максимальное содержание тория в рудах достигает 3 – 6%. Диоксид тория Th. O 2 плавится при 3200 о С и имеет высокую химическую устойчивость.

Уран Это радиоактивный химический элемент, открытый в 1789 г. , член семейства актиноидов; по цвету похожий на сталь металл со свойствами: • плотность – 18, 95 г/см 3 • температура плавления – 1135 о С • температура кипения 4131 о С Торий распространён в верхней части земной коры – гранитном слое и осадочной оболочке. Среднее содержание урана по массе – 2, 5∙ 10 -4 %. По содержанию урана выделяют 5 сортов руд: • очень богатые • средние • рядовые • бедные – свыше 1% урана, - 1 – 0, 5%, - 0, 5 – 0, 25%, - 0, 25 - 0, 1%, - менее 0, 1%. В микроколичествах (10 -5 – 10 -8 %) уран содержится в тканях растений, животных и человека. В тканях животных и человека содержание урана не превышает 10 -7 г/г. Постановление Государственного комитета обороны СССР «О добыче урана» от 27 -го ноября 1942 предписывало к 1 мая 1943 года организовать добычу и переработку урановых руд и получение урановых солей в количестве 4 тонн на Табашарском заводе Главредмета в Средней Азии.

Слиток металлического урана

Природный уран содержит три изотопа с А = 234, 235 и 238. Уран-235 и уран-238 были синтезированы при вторичном нуклеосинтезе в очень больших нейтронных потоках при взрыве сверхновых до образования планет солнечной системы. Уран 234 возникает в результате цепочки распадов 238 U(α, 4, 468· 109 Изотоп Т 1/2, лет 234 U 2, 455· 105 235 U 238 U Только изотоп лет) → 234 Th(β-, 24, 1 д ) → 234 Pa(β-, 6, 7 ч ) → 234 U концентрация, % спонт. дел. % Т 1/2(сп. дел. ), лет 0, 0054 / 0, 0055 1, 6· 10 -9 1, 5· 1016 7, 038· 108 0, 7110 / 0, 7204 7, 0· 10 -9 9, 8· 1018 4, 468· 109 99, 2836 / 99, 2742 5, 4· 10 -5 8, 2· 1015 235 U Массовая/атомная делится тепловыми нейтронами, изотоп деления нейтронами около 1 Мэ. В. 238 U имеет порог

После образования солнечной системы примерно 4, 5∙ 109 лет не было поступлений урана извне, поэтому соотношение содержаний изотопов менялось со временем и сейчас имеем следующие атомные концентрации: 234 U – 0. 0054%, 235 U – 0. 7204%, 238 U – 99. 2742%. Изменение отношения концентраций 235 U and 238 U со временем. 235 U / 238 U Формирование солнечной системы 235 U / 238 U =0, 29 Конец синтеза 235 U / 238 U =0, 65 уменьшение 235 U / 238 U = 0. 0072 Время от настоящего (109 лет)

критическая масса, кг Критическая масса урановой сферы с отражателем Обогащение 235 U, % по массе Толщина бериллиевого рефлектора равна 10 см

Плутоний Это искусственно полученный радиоактивный химический элемент с номером Z = 94, член семейства актиноидов; блестящий белый металл со свойствами: плотность – 19, 84 г/см 3 температура плавления – 640 о С температура кипения 3228 о С Впервые плутоний был синтезирован в 1941 г. группой Г. Сиборга в США, которые при облучении урана дейтронами получили изотоп 238 Pu. Из всех изотопов плутония наиболее важным является αрадиоактивный изотоп 239 Pu (Т 1/2 = 24110 лет) – оружейный плутоний. Технология производства оружейного плутония в СССР была разработана под руководством академика В. Г. Хлопина (Радиевый институт АН СССР), и он был выделен в 1945 г. из урана, облучённого нейтронами в реакторе. Первый завод по получению оружейного плутония в СССР начал работать в 1949 г.

Выделение тепла изотопами плутония Изотоп Тип распада Т 1/2, лет Q, Вт/кг n, 1/(г·с) 238 Pu α 87, 74 560 2600 24100 1, 9 0, 022 6560 6, 8 910 14, 4 4, 2 0, 049 376000 0, 1 1700 239 Pu 240 Pu 241 Pu 242 Pu α α, сп. дел. βα Изотоп 238 Pu является хорошим источником энергии для многих приложений. Делящиеся изотопы (233 U, 235 U, 239 Pu, 241 Pu) делятся тепловыми нейтронами Сырьевые изотопы (232 Th, 238 U) могут быть превращены в делящиеся изотопы в ядерных реакторах.

Сечения (барн) для топливных изотопов Изотоп T 1/2 (мода) σγтн σfтн RIγ RIf σγбн σfбн 232 Th 1. 41× 1010 лет (α) 7 -- 84 -- 0. 09 0. 08 233 Th 22. 3 мин (β) 1285 13 643 11 0. 09 0. 11 234 Th 24. 1 дней (β) 2 -- 94 -- 0. 11 0. 04 233 Pa 27. 0 дней (β) 35 -- 864 -- 0. 28 0. 33 232 U 68. 9 лет (α) 64 66 173 364 0. 03 2. 01 233 U 1. 59× 105 лет (α) 41 469 138 774 0. 07 1. 95 234 U 2. 46× 105 лет (α) 88 6 631 7 0. 22 1. 22 235 U 7. 04× 108 лет (α) 87 507 133 278 0. 09 1. 24 236 U 2. 34× 106 лет (α) 5 54 346 8 0. 11 0. 59 237 U 6. 75 дней (β) 392 1 1084 49 0. 93 0. 74 238 U 4. 47× 109 лет (α) 2 -- 278 2 0. 07 0. 31 236 Np 1. 54× 105 лет (β) 621 2453 259 1032 0. 19 1. 92 237 Np 2. 14× 106 лет (α) 144 20 661 7 0. 17 1. 33 238 Np 2. 12 дней (β) 399 1835 201 940 0. 11 1. 42 238 Pu 87. 7 лет (α) 458 15 154 33 0. 10 1. 99 239 Pu 2. 41× 104 лет (α) 274 698 182 303 0. 05 1. 80 240 Pu 6. 56× 103 лет (α) 264 53 8103 9 0. 10 1. 36 241 Pu 14. 4 лет (β) 326 938 180 576 0. 12 1. 65 242 Pu 3. 73× 105 лет (α) 17 -- 1130 -- 0. 09 1. 13 241 Am 432 лет (α) 532 3 1305 14 0. 23 1. 38

3. 2 Уран-ториевый топливный цикл. В уран-ториевом цикле в качестве делящегося изотопа можно использовать 235 U на начальной стадии развития цикла, а затем наработанный делящийся изотоп 233 U. Сырьевым материалом служит 232 Th, который в результате захвата нейтрона и распадов превращается в 233 U : 232 Th + n → 233 Th(β-, 22, 3 м) → 233 Pa(β-, 26, 967 д) → 233 U Преимущества: 1. 2. 3. 4. 5. Доступные запасы тория в природе в несколько раз больше запасов урана. При захвате нейтрона ядром 233 U отношение σnf /(σnf + σnγ) ≈ 0, 92, и наработка трансплутониевых элементов значительно меньше по сравнению с плутоний урановым ядерным циклом. Коэффициент воспроизводства ядерного топлива может больше по сравнению с плутоний - урановым ядерным циклом. Диоксид тория (Th. O 2) имеет более высокие температуру плавления и теплопроводность, более низкий коэффициент теплового расширения и химически более стабилен по сравнению с диоксидом урана (UO 2), что улучшает характеристики реактора. Наработанный в реакторе 233 U содержит 232 U, который невозможно отделить химическим путём, что сильно затрудняет его использование для создания ядерного оружия.

Недостатки: 1. При использовании уран-ториевого цикла образуется нескольким каналам: 232 U(α, 68, 9 л) по 233 U (n, 2 n) 232 U 232 Th (n, γ) → 233 Th (β-, 22, 3 м) → 233 Pa (n, 2 n) 232 Pa (β-, 26, 967 д) → 232 U 232 Th (n, 2 n) 231 Pa (n, γ) → 232 Pa (β-, 26, 967 д) → 232 U Накопление 232 U через реакцию (n, 2 n) индуцируют нейтроны высокоэнергетической части спектра мгновенных нейтронов деления. α- распад 232 U сразу приводит к цепочке распадов радиоактивного ряда 232 Th, следующей за 228 Th. При распаде нуклидов этой цепочки (212 Bi и 208 Tl) возникает жёсткое гамма-излучение, которое создаёт значительные трудности при операциях с отработавшим ядерном топливом. 2. В цепочке наработки 233 U предшественник 233 Pa имеет большое сечение радиационного захвата при относительно не малом периоде полураспада (27 д), что приводит к ухудшению экономии нейтронов и увеличению наработки трансурановых изотопов. Был построен и исследован в США в 1964 - 1969 годах только единственный реактор, в котором активная зона представляла солевой расплав с Th. F 3. Исторически мирная атомная энергетика возникла как приложение к военным программам, где Th не нашёл применения, и развитие ториевого цикла не получило необходимой поддержки.

232 U(α, 68, 9 л)

Критические массы, выделяемое тепло (Вт/кг) и нейтронная эмиссия (н/(г∙ с)) для изотопов топливного цикла.

3. 3. Плутоний-урановый топливный цикл. В Pu - U цикле в качестве делящегося изотопа используется 235 U на начальной стадии развития цикла, а затем наработанные делящиеся изотопы плутония: 239 Pu, 241 Pu. Сырьевым материалом служит 238 U, который в результате захвата нейтрона и распадов частично трансмутируется в плутоний: 238 U (n, γ) → 239 U(β-, 23, 45 м) → 239 Np(β-, 2, 356 д) → 239 Pu (n, γ) → 240 Pu (n, γ) → 241 Pu Ресурсы топлива. Доступные ресурсы топлива для Pu - U цикла включают: • природные месторождения урана, • обеднённый уран в хвостах обогатительного производства, • уран в отработавшем ядерном топливе (ОЯТ), • оружейный уран со снятых с вооружения боеголовок, • плутоний в ОЯТ, • оружейный плутоний со снятых с вооружения боеголовок.

Содержание урана в верхнем слое земной коры. земная кора граниты фосфаты пресная вода в океанах урановые рудники Содержание урана в руде, частей на миллион

Энергетические ресурсы России. 238 U- 86, 7% К. уголь -8, 7% Пр. газ– 3, 4% 235 U- 0, 4% нефть– 0, 8% нефть – 9. 9× 109 т, природный газ – 4. 8× 1013 м 3, Каменный уголь – 1. 57× 1011 т, U– 6. 15× 105 т.

Распределение ресурсов ядерного топлива по категориям На срок потребления при мощности АЭС 1 в 2000 г. Объявленные в 1999 г. ресурсы, 1000 т U Складированный уран 200 4 Высокообаг. U and Pu 600 12 Известные природные месторождения Не изученные природные месторождения < 40 $/kg. U < 80 $/kg. U < 130 $/kg. U >1254 3002 3954 < 80 $/kg. U 1460 < 130 $/kg. U 5338 итого 11459 1 2540. 5 230 22 000 U в фосфатах U в морской воде 80 440 4 200 000 ГВтч в 2000 г. при 3. 7% обогащении U. 80 000

Изотопный состав оружейного и реакторного U и Pu (весовые %). изотоп Оружейный Реакторный изотоп Pu Pu U U 238 Pu 0. 01 1. 30 234 U 0. 12 0. 025 239 Pu 93. 8 60. 3 235 U 94. 00 3. 500 240 Pu 5. 80 24. 3 238 U 5. 88 96. 475 241 Pu 0. 13 5. 60 242 Pu 0. 02 5. 00 243 Pu 0. 22 3. 50

Ресурсы ядерного топлива в России