Вопрос 22.

Выгорание - процесс непрерывной убыли в работающем реакторе делящихся нуклидов, обусловленный поглощением ими нейтронов реакторного спектра.

Любой делящийся нуклид поглощает нейтроны, и часть поглощений завершается делениями, а оставшаяся часть - непроизводительными радиационными захватами; но в любом из этих случаев делящиеся нуклиды исчезают. Вот этот процесс убыли делящихся нуклидов в работающем реакторе и называется выгоранием ядерного топлива.

Уран! Скорость выгорания - есть не что иное, как скорость реакции поглощения ядрами ²³⁵U тепловых нейтронов. Поэтому дифференциальное уравнение скорости выгорания имеет очень простой вид:

. (15.1.1)

Знак минус в правой части уравнения - свидетельство того, что речь идёт об уменьшении концентрации ядер топлива со временем t.

Основной режим работы энергетического реактора - режим работы на постоянном уровне мощности: N_р(t) = idem. Но величина мощности реактора N_p(t) в любой момент времени t пропорциональна произведению концентрации ядер ²³⁵U N₅(t) и средней плотности потока нейтронов в реакторе Ф(t); вспомните:

N_p(t) = E _f⁵ N₅(t) Ф(t) V_т = С_N N₅(t) Ф(t), (15.1.2)

где С_N обозначено произведение всех постоянных величин: С_N = _f⁵ E V_т. Поэтому для реактора, работающего на постоянном уровне мощности условие N_p(t) = idem равносильно условию:

N₅(t) Ф(t) = idem = N_p / C_N = N_5oФ_o. (15.1.3)

Следовательно, для реактора, работающего на постоянном уровне мощности, дифференциальное уравнение выгорания ²³⁵U с учётом выражения (15.3) примет вид:

. (15.1.4)

Получается, что при постоянной мощности реактора скорость выгорания основного топлива в реакторе (²³⁵U) во времени - постоянна.

Решение уравнения (15.1.4) при начальном условии: t = 0 N₅(0) = N_5o(если обозначатьN_5oначальную концентрацию ядер²³⁵U в первый момент кампании) - имеет вид:

. (15.1.6)

На любом постоянном уровне мощности реактора уменьшение количества основного топлива во времени идёт по линейному закону. Темп уменьшения количества урана-235 в процессе кампании определяется только величиной уровня мощности реактора.

Плутоний!Вторичным ядерным топливом в тепловых реакторах являются два изотопа плутония:²³⁹Pu и²⁴¹Pu. Первый из них образуется в результате поглощения тепловых и резонансных нейтронов ядрами²³⁸U, второй является результатом двукратного радиационного захвата нейтронов ядрами²³⁹Pu. Физическая схема этого процесса выглядит так:

(n,) () () (n,), (n,f) (n,) (n,)

n_o + ²³⁸U ²³⁹U* ²³⁹Np* ²³⁹Pu ²⁴⁰Pu ²⁴¹Pu

T_1/2 = 23 мин Т_1/2 = 55.4 час_a⁹ = 1011барн

_f⁹ = 744 барн

Для понимания закономерности накопления плутония будем принимать во внимание только плутоний-239, пренебрегая в первом приближении образованием плутония-241 (из-за его относительной малости).