3.Состав оружейного плутония. Требования к конструкции и эксплуатационному циклу реактора-наработчика, оценка его производительности по плутонию.
Еще один физический процесс, неразрывно связывающий атомную энергетику и атомное оружие — возникновение плутония в ходе физических превращений урана.
Плутоний возникает в результате бомбардировки нейтронами уранового топлива в атомном реакторе: U-238, который составляет большую часть массы топлива в атомном реакторе, поглощая нейтроны, превращается в Pu-239 (и поэтому уран-238 называется «воспроизводящим» радионуклидом). В результате облучения U-238 потоком нейтронов он превращается в U239 , который затем превращается в нептуний (Np-239) (период полураспада — 59,5 час.), который затем в свою очередь превращается в плутоний Pu-239: U238 + n -> U239; U239 -> Np239; Np239 -> Pu239.
Через некоторое время после начала работы реактора, отработавшее ядерное топливо (ОЯТ) содержат больше плутония-239, чем урана-235. Меняя время нахождения топливных стержней в атомном реакторе, можно изменять и содержание разных изотопов плутония в облученном топливе. При поглощении нейтрона плутоний-239 превращается в плутоний-240. Последний также может поддерживать цепную реакцию, и поэтому пригоден для изготовления ядерного взрывного устройства.
Превращение урана-238 в плутоний происходит эффективнее под воздействием «быстрых» нейтронов (с кинетической энергией более 10кэВ). В тонне ОЯТ, только что извлеченной из реактора типа ВВЭР после нескольких лет облучения в реакторе, содержится 950-980 кг урана (U-235 + U-238), 5 — 10 кг плутония, 1,2 — 1,3 кг цезия-137, около 770 г технеция-99. около 500 г стронция-90, 500 г нептуния — 237, 120- 350 г америция (Am-241 и Am-243), около 200 г йода-129, около 60 г кюрия (Cu-242 и Cu-244), 12-15 г самария-151 и т.д. Плутоний выделяется из этой смеси изотопов разных элементов с помощью химических реакций (т.н. «репроцессинг»). В среднем, один энергетический реактор мощностью 1000 МВ производит в год плутония, достаточного для изготовления 40—50 ядерных боезарядов. Даже в исследовательских реакторах мощностью в несколько мегаватт можно быстро наработать количество плутония, необходимое для создания маленькой бомбы (табл.2).
Билет 4
1. Зависимость энергии связи на нуклон от массы ядра (кривая Бете-Вайцзекера). Оценка по этой зависимости энерговыделения при делении.
Это средняя эн-я, кот приходится на 1 нуклон в ядре (кривая Бете-Вайцзекера)
Кривая не гладкая, т.к. четные массы всегда имеют большую энергию связей
Есв ~ CA2 = A!/ (2!*(A-2)!) = (A*(A-1)*(A-2)!) / (2!*(A-2)!) = (A*(A-1))/2 ~= A2/2 => Есв /A ~ A =>
Яд силы необычайно мощны по масштабу величин и короткодействующие => Яд силы облад св-вом насыщения
То, что в реакции деления должна освобождаться энергия, следует из зависимости удельной энергии связи ядра (средней энергии связи нуклона в ядре) от массового числа А
Способы выд-я яд энергии:
Заставить слиться легк ядра (термояд энергетика)
Заставить тяж ядра разделиться
Ядро урана-238, поделившись пополам, выдел эн-ю: 0,8МэВ * 2(осколки) * 120(m) 200МэВ
Эта энергия выделяется в основном в виде кинетической энергии разлетающихся осколков. Осколки разлет с огромной скоростью. Если их затормозить, произойдет нагрев (перед тепл. Эн-ии при ударе)
0,8МэВ – выигрыш эн-ии на нуклон при дел-ии ядра урана-238
Общее условие энергетической выгодности деления:
Мя (ZF, NF)
Моск(1) (ZF, NF) + Моск (2)
Тяжел ядра связаны менее плотно => выгодно поделиться
Ēср = 3/2 * kT
k = 0,86 * 10-4 эВ/К
E = 0,5 * 106 эВ
T = 2Ē/3k 106 эВ / (2,5 * 10-4 эВ/К) = 4*109 °К
Ядро может разделиться на два осколка с близкими (и даже равными) массами. Но это происходит редко. Чаще один из осколков тяжелее другого (примерно в 1.5 раза). Одна из наиболее типичных реакций деления ядра урана-235 выглядит так:
Она протекает за время не более, чем 10-12 сек и сопровождается испусканием трёх нейтронов. Увеличение числа нейтронов в процессе деления открывает возможность протекания цепной ядерной реакции деления.