Номер 859, страница 127 - гдз по физике 9 класс сборник вопросов и задач Марон, Марон

Состав атомного ядра. Ядерные силы. Энергия связи. Деление ядер урана. Строение атома и атомного ядра. Использование энергии атомных ядер - номер 859, страница 127.

► 859. Реакторы на быстрых нейтронах экономически более выгодны, чем на медленных «тепловых» нейтронах. Почему?

Решение

Экономическая выгодность реакторов на быстрых нейтронах по сравнению с реакторами на медленных («тепловых») нейтронах объясняется несколькими фундаментальными преимуществами в области топливного цикла и обращения с радиоактивными отходами.

1. Эффективное использование ядерного топлива. В природе уран состоит в основном из двух изотопов: урана-238 ($_{92}^{238}U$) — более 99.2%, и урана-235 ($_{92}^{235}U$) — около 0.7%. Традиционные реакторы на тепловых нейтронах могут использовать в качестве топлива только делящийся изотоп уран-235. Это требует дорогостоящего процесса обогащения урана, а огромные запасы урана-238 остаются практически неиспользованными. Реакторы на быстрых нейтронах способны вовлекать в ядерную реакцию уран-238, превращая его в новый делящийся материал — плутоний-239 ($_{94}^{239}Pu$). Это позволяет использовать практически весь добываемый уран, увеличивая топливную базу мировой энергетики в десятки раз.

2. Воспроизводство ядерного топлива (бридинг). Ключевой особенностью быстрых реакторов является возможность работать в режиме «бридера» (размножителя), то есть производить больше нового делящегося материала, чем потребляется в ходе реакции. Это достигается за счет захвата быстрых нейтронов ядрами урана-238. Процесс превращения выглядит следующим образом:

$_{92}^{238}U + n \rightarrow _{92}^{239}U \xrightarrow{\beta^-} _{93}^{239}Np \xrightarrow{\beta^-} _{94}^{239}Pu$

Полученный плутоний-239 сам является высокоэффективным ядерным топливом. Таким образом, быстрые реакторы позволяют создать замкнутый ядерный топливный цикл, в котором отработавшее топливо одних реакторов становится сырьем для производства нового топлива.

3. Трансмутация («выжигание») радиоактивных отходов. Отработавшее ядерное топливо тепловых реакторов содержит долгоживущие высокоактивные отходы, в частности так называемые минорные актиниды (америций, кюрий, нептуний), которые остаются опасными на протяжении десятков и сотен тысяч лет. Их безопасное захоронение — сложная и чрезвычайно дорогостоящая задача. Поток быстрых нейтронов в активной зоне быстрого реактора способен эффективно делить ядра этих долгоживущих изотопов, превращая их в короткоживущие или стабильные элементы. Этот процесс называется трансмутацией. Он позволяет кардинально снизить радиотоксичность и объем отходов, подлежащих длительному геологическому захоронению, что решает одну из главных проблем атомной энергетики и приносит огромный экономический эффект.

Ответ:

Экономическая выгода реакторов на быстрых нейтронах обусловлена тем, что они позволяют создать замкнутый ядерный топливный цикл. Это достигается за счет трех основных преимуществ: 1) использования в качестве сырья для топлива не только редкого урана-235, но и основного изотопа природного урана — урана-238; 2) воспроизводства нового ядерного топлива (плутония-239) в количестве, превышающем потребление, что устраняет необходимость в дорогостоящем обогащении урана; 3) «выжигания» (трансмутации) наиболее опасных долгоживущих радиоактивных отходов, что значительно удешевляет и упрощает обращение с ними.