Тепловыми процессами

Так, если следовать морфологическому методу прогнозирования, мы должны будем рассмотреть более 4 тыс. реакторов: 1) по типу деления ядер (3) — тепловыми нейтронами (до 1 эВ), промежуточными (1—10J эВ), быстрыми (выше 10J эВ); 2) по типу горючего (5) — природный уран (0,7% U-235), слабообогащенный уран (до 5% U-235), высокообогащенный уран (до 90% U-235), Pu-23d, U-233; 3) по типу теплоносителя (4) — вода (НаО, D20), жидкая органика (дифенил, терфенил), жидкие металлы (Na, NaK, Bi, Pb), газы (воздух, G02, He, H2); 4) по типу замедлителя (3) — вода (Н20, D20), жидкая органика, твердые вещества (графит, BeO, ZrH); 5) по типу регулирования (4) — механические стержни, выгорающие поглотители, газовое регулирование, движение замедлителя; 6) по типу горючего (6) — металлическое, дисперсное, керамическое, жидкометаллическое, водные растворы, газообразное.

И наконец, носители ядерной энергии — ядерные топлива. Делению тепловыми нейтронами поддается только уран-235, содержание которого в природном уране 0,712%, остальное — уран-238. Последний захватывает тепловые нейтроны, и получить цепную реакцию можно лишь в реакторах очень больших размеров. Поэтому природный уран обогащают на 2—20% ураном-235. В двухступенчатом режиме с получением нового ядерного топлива — плутония-239 и урана-233 — можно применять уран-238 и торий-232, но только деля их быстрыми нейтронами. Это повысит эффективность использования урана с учетом потерь в 20—30 раз и увеличит ресурсы ядерного топлива деления в 2 раза. Такие реакторы-размножители имеют небольшие габариты и вес, им сулят большое будущее. И это все.

гут быть израсходованы в течение 30—100 лет, если их сжигание не прекратят и не начнут применять только как ценнейшее сырье. Правда, по последним прогнозам угля может хватить еще на несколько сот лет. И из-за трудностей в быстром развертывании ядерной энергетики теперь надежды возлагаются на доведение к 2000 г. доли угля в топливно-энергетическом балансе до 50%. Предполагалось же, что к 2000 г. выработка энергии ядерными электростанциями на реакторах деления тепловыми нейтронами должна сравняться с таковой на обычных тепловых электростанциях. Затем должна начаться эра реакторов-размножителей на быстрых нейтронах и за ней, или одновременно с ней, — термоядерной и солнечной энергии. При этом не следует забывать о труднейшей проблеме «захоронения» радиоактивных отходов реакторов деления (отсутствующих у термоядерных установок) и заражения ими окружающей среды.

Природный уран, на 99,28% состоящий из урана-238, содержит лишь 0,714% урана-235, активно делящегося медленными (тепловыми) нейтронами и, следовательно, пригодного для использования в качестве ядерного горючего. Такое содержание урана-235 оказывается достаточным для работы атомных реакторов на медленных нейтронах, но необходимое при этом общее

Цепная реакция будет поддерживаться с определенными трудностями, если энергия поглощаемых нейтронов будет выше 0,1 кэВ. Нейтроны, энергия которых меньше этого значения, называются тепловыми нейтронами. Это название означает, что нейтроны обладают относительно малой энергией, сопоставимой со средней энергией теплового движения молекул. Реакторы, работающие на таких нейтронах, называются тепловыми ядерными реакторами. Поскольку нейтроны, получающиеся в результате цепной реакции, обладают энергией в несколько мегаэлектрон-вольт, то необходим процесс замедления. В обычном реакторе замедлитель помещается или распределяется между топливными стержнями. Наилучшим замедлителем будет такой, в котором нейтроны только замедляются, но не поглощаются, поскольку поглощение нейтронов уменьшает нейтронный поток и затрудняет процесс поддержания цепной реакции. В качестве замедлителя используются легкая (обычная) и тяжелая вода ',-' гелий, графит2. Наиболее широко в энергетических реакторах используется обычная вода.

Цепная реакция будет поддерживаться с определенными трудностями, если энергия поглощаемых нейтронов будет выше 0,1 кэВ. Нейтроны, энергия которых меньше этого значения, называются тепловыми нейтронами. Это название означает, что нейтроны обладают относительно малой энергией, сопоставимой со средней энергией теплового движения молекул. Реакторы, работающие на таких нейтронах, называются тепловыми ядерными реакторами. Поскольку нейтроны, получающиеся в результате цепной реакции, обладают энергией в несколько мегаэлектрон-вольт, то необходим процесс замедления. В обычном реакторе замедлитель помещается или распределяется между топливными стержнями. Наилучшим замедлителем будет такой, в котором нейтроны только замедляются, но не поглощаются, поскольку поглощение нейтронов уменьшает нейтронный поток и затрудняет процесс поддержания цепной реакции. В качестве замедлителя используются легкая (обычная) и тяжелая вода ',- гелий, графит 2. Наиболее широко в энергетических реакторах используется обычная вода.

7.3. Схематическое изображение цепной реакции, вызванной делением ядер урана тепловыми нейтронами .

1 Отношение полного числа нейтронов, испущенных при делении нейтронами всех энергий, к числу нейтронов, испущенных при делении тепловыми нейтронами. (П р им еч. р е д.) '

Таким образом, остается ve(l—/f)p(l — —/yT)f нейтронов, из которых 1—g поглощаются 238U, превращая его в плутоний, или поглощаются 235U, превращая его B236U. Таким образом,- из первоначального количества v нейтронов первого поколения число ' делений 235U, вызываемого тепловыми нейтронами, равное ve(l—lf)p(l— —/ут)/Я вызовет генерацию нейтронов второго поколения. Первоначальное число нейтронов было увеличено с коэффициентом размножения Ке, определяемым выражением

2. Вещество-замедлитель должно состоять из относительно легких атомов. При столкновении нейтрона с ядром тяжелого химического элемента он не потеряет много энергии, но при столкновении с ядром примерно того же веса (например, с ядрами водорода или гелия) энергия нейтрона значительно изменится. Так, например, когда нейтрон сталкивается с неподвижным ядром водорода (протоном), его энергия делится поровну между этими частицами. Конечно, атомы замедлителя не являются неподвижными, а находятся в непрерывном тепловом движении и имеют среднюю энергию, которая в зависимости от рабочей температуры конкретного реактора находится в диапазоне от 0,05 до 0,1 эВ. В результате неоднократных столкновений с ядрами замедлителя нейтроны приобретают энергию того же порядка, то есть устанавливается тепловое равновесие между нейтронами и ядрами замедлителя: в среднем нейтроны приобретают столько же энергии, сколько и теряют при столкновении с ядрами. Отсюда и название тепловой для реактора, в котором расщепление инициируется в основном такими тепловыми нейтронами.

Промежуточные реакторы не получили широкого распространения. Во-первых, существует трудность с «подгонкой» энергий нейтронов до резонансных максимумов расщепления, во-вторых, ядра урана-235, расщепленные нейтронами промежуточных энергий, испускают в среднем меньше нейтронов, чем в случае их расщепления быстрыми или тепловыми нейтронами. Главное же заключается в том, что весьма дорогостоя-

оценить с помощью вольт-амперных характеристик. Для сравнения на 4.8 приведены эти характеристики для германиевого и кремниевого диодов при различных значениях температур. Кремниевые диоды имеют во много раз меньшие обратные токи при одинаковом напряжении, чем германиевые. Допустимое обратное напряжение кремниевых диодов может достигать 1000...1500 В, в то время как у германиевых оно лежит в пределах 100...400 В. Кремниевые диоды могут работать при температурах от —60 до +150° С, а гер-маниевые — от —60 до +85° С. Это обусловлено тепловыми процессами в р — п-переходе, которые подробно рассмотрены в §4.10. Конструкции различных типов диодов показаны на 5.1 и 5.2. На 5.1 видно, что электронно-дырочный переход образуется вплавлением алюминия в кремний. Кристалл кремния 6 с р — п-

энергию. Эта э. д. с. неэлектростатического происхождения. Она может быть сторонней, обусловленной химическими или тепловыми процессами в источнике энергии, либо индуктированной магнитным полем. При введении одной или ряда этих э. д. с. в цепь линейный интеграл вектора напряженности электрического поля по контуру цепи становится равным алгебраической сумме п введенных э. д. с.:

8. Тепловые преобразователи. Тепловыми называют преобразователи, в основу принципа работы которых положены физическиг закономерности, определяемые тепловыми процессами. Основными разновидностями тепловых преобразователей являются термомеханические, терморезистивные и термоэлектрические преобразователи. Тепловые преобразователи —это в основном преобразователи температуры. Однако косвенно они используются и для преобразований других неэлектрических величин, которые проявляются через тепловые процессы и функционально связанны с тепловыми величинами. Например, химический состав веществ, концентрация, скорость движения жидкостей и газов и другие.

4. Тепловые преобразователи. В основу принципа работы тепловых преобразователей положены физические закономерности, определяемые тепловыми и связанными с ними другими процессами. Тепловые преобразователи в основном преобразователи температуры. Однако они широко используются для преобразования других неэлектрических величин, которые функционально связаны с тепловыми процессами. Чаще всего используются термоэлектрические и терморезистивные преобразователи.

В этой главе рассматриваются частотные, временные и фазовые датчики с механическим вращательным и поступательным движением, электрическими, магнитными и тепловыми процессами релаксационного типа, а также датчики, в которых используется распространение импульсных колебаний в системах с распределенными параметрами. Все эти типы и разновидности датчиков имеют общее свойство, заключающееся в том, что в них используется процесс,

1-14. Поле, обусловленное тепловыми процессами, химическими реакциями, контактными явлениями, механическими силами и другими неэлектромагнитными процессами.

описывает ток в цепи только до тех пор, пока определяемое из него значение тока не становится сравнимым с весьма малыми флюкту-ационными токами, определяемыми тепловыми процессами и носящими случайный характер (см. § 12-4). Это замечание относится и ко всем последующим случаям.

4. Тепловые преобразователи. В основу принципа работы тепловых преобразователей положены физические закономерности, определяемые тепловыми и связанными с ними другими процессами. Тепловые преобразователи в основном преобразователи температуры. Однако они широко используются для преобразования других неэлектрических величин, которые функционально связаны с тепловыми процессами. Чаще всего используются термоэлектрические к терморезистивные преобразователи.

Кроме внутреннего («джоулева») источника теплоты на нагрев контактов влияют термоэлектрические эффекты Томсона, Пельтье и Колера, возникающие вследствие взаимодействия между электрическими и тепловыми процессами.

На 5.41 схематически показано распределение зарядов (а), напряженности электрического поля (б) и напряжения (в) в коротком промежутке. Одновременно с тепловыми процессами при изменении по-

Резисторы, нелинейность ВАХ которых обусловлена иными (не тепловыми) процессами, принято называть безынерционными или почти безынерционными.