Предисловие
Я по образованию инженер машиностроения, а не физик-ядерщик. Но, как и любой уважающий себя инженер, я должен хорошо разбираться в смежных областях науки: Физике, Химии, Биологии, и конечно Математике. Я не эксперт в этих науках, но знаю достаточно, чтобы понимать те физико-химические процессы, экономическое обоснование и прочие тонкости ядерной тематики. Однако, я понимаю их на своём «инженерном уровне», и перевести это понимание на доступный язык, непростая задача.
Я постарался раскрыть самую суть темы простым и читаемым "языком". Сейчас узнаете, на сколько хорошо это у меня получилось.
Статья для удобства восприятия материала разбита на 3 раздела: 1. Уран; 2. Тепловые ядерные реакторы; 3. Замкнутый топливный цикл.
Раздел 1. УРАН.
Часть 1. Сырьё для атомной станции.
Вся современная атомная энергетика построена вокруг природного элемента – УРАНА.
Уран – это наиболее тяжёлый «стабильный» химический элемент, образованный в естественных природных условиях. У Урана имеются изотопы, которые также распространены в природе - это Уран 235 и Уран 238.
Изотопы Урана, это и есть сам Уран. Он состоит из 92 протонов (занимает «92 место» в таблице Менделеева), а вот его вес разнится от 235 до 238 единиц атомной массы. То есть, это один и тот же химический элемент, так как у него 92 протона, но вот число нейтронов в ядре у него может быть разное, следовательно, разный атомный вес.
Говоря об Уране, нужно уточнять, с каким именно атомным весом Уран имеется ввиду.
Уран 238 является слаборадиоактивным, и на нем невозможно получить требуемую ядерную реакцию. Только Уран 235 обладает нужными радиоактивными свойствами для получения цепной ядерной реакции.
То есть, в Уране возможно получить реакцию деления ядра, в результате которого, ядро Урана делится на более легкие ядра с высвобождением энергии, и еще нескольких свободных нейтронов, которые обладают большой энергией. Эти нейтроны могут провзаимодействовать с другими ядрами Урана, вызвав их деление. Этот процесс называется – цепная ядерная реакция.
Именно эта цепная ядерная реакция деления осуществляется в процессе взрыва атомной бомбы, или в реакторе атомной станции. Эта реакция возможна только с изотопом Урана 235.
Урана 235 в природе очень мало, его доля в Урановой руде 0,72%, практически всё стальное – это Уран 238.
Но чтобы этот Уран 235 добыть, нужно переработать Урановую руду, в результате которой получается более 99% «отходов производства» - Урана 238, и низкообогащенного Урана 235.
Часть 2. Принцип получения энергии из Урана 235.
В результате развития атомной промышленности, в настоящий момент основная технология получения энергии на Атомных станциях следующая:
Квантовая механика оперирует вероятностью того или иного события при определенных уровнях энергии. Например, при попадании нейтрона в ядро изотопа Урана 235, наиболее вероятный исход – деление ядра. То есть ядро Урана 235 захватывая нейтрон (нейтроны не разбивают ядра атомов, как принято считать, а поглощаются ими), обретает дополнительную массу, становится возбужденным ядром Урана 236.
Возбуждённое состояние ядра обуславливается не только наличием нового нейтрона в ядре атома, но и его энергией, которую он принес в общую энергетическую структуру атома. Если она превышает критическое значение для конкретного Атомного ядра, ядро с большей вероятностью разделится. Так и ядра Урана 235 при захвате нейтрона, с большей вероятностью приведёт к делению нового ядра Урана 236. А с меньшей вероятностью, получим долгоживущий изотоп Уран 236, с периодом полураспада почти в 24 миллиона лет. После взаимодействия нейтрона с ядром Урана 235, образуется более 300 изотопов различных элементов. А у изотопа Урана 238, при попадании нейтрона, наиболее вероятный исход – «захват нейтрона» и преобразование в «другой» элемент.
В процессе деления, ядро Урана 235 распадается на более легкие элементы с высвобождением большого количества энергии, и свободными нейтронами высокой энергией. Такие нейтроны называются – «Быстрые нейтроны».
Так вот, вероятность деления ядра Урана 235 этими быстрыми нейтронами слишком маленькая!
Как бы парадоксально это не звучало (Квантовая механика один большой парадокс).
Для того, чтобы реакция деления ядра Урана 235 шла контролируемо и устойчиво, быстрые нейтроны нужно замедлить. Только тогда они будут прекрасно взаимодействовать с ядрами Урана 235, мы получим нужную нам ядерную реакцию и сможем добывать необходимую энергию. Потому, в большинстве ядерных реакторов используется технология замедления быстрых нейтронов (например, водой) до равновесного теплового состояния с окружающей средой, и дальнейшим делением ими ядер Урана 235. Эти замедленные нейтроны называются – Тепловые нейтроны.
Следовательно, большинство Атомных станций «работают» на тепловых нейтронах.
