ТЕПЛОВЫДЕЛЕНИЕ В ЯДЕРНЫХ РЕАКТОРАХ
1
Деление U 235
Масса любого ядра меньше суммы масс нуклонов его составляющих Внутренняя энергия ядра E m c2
Энергия, содержащаяся в ядре:
энергия, обусловленная ядерными силами, которая делает возможным существование ядра
поправка на силы типа поверхностного натяжения энергия, обусловленная электрическим (кулоновским) отталкиванием
Энергия Е для каждого изотопа вычисляется, если известно
m mi mo
где m0 - масса изотопа; mi - сумма масс нуклонов, составляющих изотоп
2
Деление U 235
Два пути для извлечения ядерной энергии:
соединение легких ядер (синтез); расщепление тяжелых ядер на
В обоих случаях ядерная энергия –
энергия связи протонов и нейтронов.
А
Энергия связи, приходящаяся на один нуклон
При сжигании 1кг угля выделяется 3,5 106 Дж
При делении 1кг U235 - 8,2 1013 Дж
3
Деление U 235
U 23592
|
МэВ |
|
|
|
Е кин. осколков деления |
= 165-167 |
выделяется |
||
Е кин. нейтронов деления = 5 |
|
|||
|
мгновенно |
|||
Энергия мгновенного |
|
|
||
|
10-12 с |
|||
-излучения |
= 6-7 |
|||
Энергия -частиц при распаде |
|
|
||
продуктов деления |
= 6-8 |
выделяется |
||
Энергия -распада |
|
|||
|
постепенно |
|||
продуктов деления |
= 7-10 |
|||
|
||||
теряется, поскольку
Энергия нейтрино = 10-12 не взаимодействует с материалами
реактора
Полная энергия |
~200-205 МэВ/дел |
|
4
Деление U 235
Полная энергия, выделяемая при делении 1 г U235
E |
1 |
6,02 1023 |
200 |
|
1,6 10 13 |
8,2 1010 Дж |
|||
|
|
||||||||
235 |
|||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Число |
|
Число МэВ |
|
|
||
|
|
|
Авогадро |
|
|
в 1 Дж |
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
|
Для обеспечения тепловой мощности 1 МВт в сутки расходуется около 1г топлива ( 1 Вт соответствует 3.109 делений в секунду);
В реакторах на тепловых нейтронах при мощности 1 МВт в сутки "сгорает" примерно 1,2 г U235 или 1,5 г Pu239.
5
Тепловая мощность реактора, Вт
|
NT |
f VАЗ |
|
NT |
f N AMU |
|||||
|
|
|
|
|
|
|
|
|||
C |
|
A C |
||||||||
|
|
|
|
|
|
|||||
|
|
|
|
MU - масса топлива, г; |
||||||
|
|
|
|
|||||||
Ф - средняя плотность потока нейтронов, 1/(см2.с); |
|
|
|
N A |
|
|||||
f - среднее макроскопическое сечение деления, см-1, |
f f |
|
||||||||
|
||||||||||
|
|
|
|
|
|
|
|
A |
||
- плотность, г/см-3; f - среднее микроскопическое сечение деления, см-2 (для 235U в тепловой области - 582.10-24; для 239Pu - 742.10-24 cм-2).
А - число нуклонов в ядре; |
N A 6,02 1023 - число Авогадро; |
VАЗ - объем активной зоны, см3;
С3,1 1010- число делений в секунду при мощности 1 Вт
6
Распределение
энерговыделения в реакторе
Активные зоны разной формы
r
r
z
x y z
7
Распределение энерговыделения в реакторе
цилиндр |
|
2,405 r |
cos |
z |
|
|
( r,z ) max Jo |
R |
|
H |
|
|
|
|
|
||
Коэффициенты неравномерности энерговыделения
по радиусу |
по высоте |
по объему |
||||||||
Kr q |
max |
K z |
q |
max |
Kv Kr Kz q |
max |
||||
|
|
|
||||||||
qz |
||||||||||
|
|
|
|
|||||||
qr |
||||||||||
|
|
qv |
||||||||
1,8-2,1 |
|
1,35-1,5 |
|
2,5-3,0 |
|
|
||||
8
Функции Бесселя
9
Выравнивание энерговыделения
Избежать напряженных условий работы твэлов можно при более равномерном распределении энерговыделения.
Два способа выравнивания энерговыделения:
(1) Зонное выравнивание - создание нескольких зон с разным обогащением 235U или перестановка ТВС (свежее топливо загружается на периферию, а частично выгоревшее - в центр ).
(2) Выгорающие поглотители (ВП) позволяют выровнять распределение энерговыделения. ВП помещаются в области, где плотность потока нейтронов велика.
10