Реферат: Принцип роботи ядерного реактора

КЕРОВАНИЙ ТЕРМОЯДЕРНИЙ СИНТЕЗ (УТС), наукова проблема здійснення синтезу легких ядер з метою виробництва енергії. Рішення проблеми буде досягнуто в плазмі при температурі Т > 108К и виконанні Лоусона критерію (nt > 1014 див-3·с, де n — щільність високотемпературної плазми; t — час утримання її в системі). Дослідження проводяться в квазістаціонарних системах (t > 1 з, n +> 1014 див-3) і імпульсних системах (t ~ 10-8 з, n > 1022 див-3). У перших (токамаки, стеллараторы, дзеркальні пастки і т.д.) утримання і термоізоляція плазми здійснюються в магнітних полях різної конфігурації. В імпульсних системах плазма створюється при опроміненні твердої мішені (крупинки суміші дейтерію і тритію) сфальцьованим випромінюванням могутнього лазера або електронних пучків: при влученні у фокус пучка малих твердотельных мішеней відбувається послідовність термоядерних мікровибухів. Рішення проблеми УТС забезпечить людство енергією практично на необмежений термін.

Принципова схема термоядерного реактора в якому нагрів здійснюється за допомогою лазера.

УРАН (лат. Uranium), U (читається "уран"), радіоактивний хімічний елемент з атомним номером 92, атомна маса 238,0289. Актиноид. Природний уран складається із суміші трьох ізотопів: 238U, 99,2739%, з періодом напіврозпаду Т 1/2 = 4,51·109 років, 235U, 0,7024%, з періодом напіврозпаду Т 1/2 = 7,13·108 років, 234U, 0,0057%, з періодом напіврозпаду Т 1/2 = 2,45·105 років. 238U (уран-I, UI) і 235U (актиноуран, Ас) є родоначальниками радіоактивних рядів. З 11 штучно отриманих радіонуклідів з масовими числами 227-240 долгоживущий 233U ( Т 1/2 = 1,62·105років), він виходить при нейтронному опроміненні тория.

Конфігурація трьох зовнішніх електронних шарів 5 s 2 p 6 d 10f 3 6 s 2 p 6 d 17 s 2 , уран відноситься до f-елементів . Розташований у IIIB групі в 7 періоді періодичної системи елементів. У сполуках виявляє ступеня окислювання +2, +3, +4, +5 і +6, валентності II, III, IV, V і VI.

Радіус нейтрального атома урану 0,156 нм, радіус іонів: U3+ — 0,1024 нм, U4+ — 0,089 нм, U5+ — 0,088 нм і U6+— 0,083 нм. Енергії послідовної іонізації атома 6,19, 11,6, 19,8, 36,7 ев. Электроотрицательность по Полингу 1,22.

ІСТОРІЯ ВІДКРИТТЯ Уран був відкритий у 1789 німецьким хіміком М. Г. Клапротом при дослідженні мінералу "смоляної обманки". Названий їм на честь планети Уран, відкритої У. Гершелем у 1781. У металевому стані уран отриманий у 1841 французьким хіміком Э. Пелиго при відновленні UCl4металевим калієм. Радіоактивні властивості урану знайшов у 1896 француз А. Беккерель.

Спочатку уранові приписували атомну масу 116, але в 1871 Д. И. Менделєєв прийшов до висновку, що її треба подвоїти. Після відкриття елементів з атомними номерами від 90 до 103 американський хімік Г. Сиборг прийшов до висновку, що ці елементи (актиноиды) вірніше розташовувати в періодичній системі в одній клітці з елементом №89 актинієм. Таке розташування зв'язане з тим, що в актиноидов відбувається добудування 5 f -электоронного подуровня.

ЗНАХОДЖЕННЯ В ПРИРОДІ Уран — характерний елемент для гранітного шару й осадової оболонки земної кори. Зміст у земній корі 2,5·10-4% по масі. У морській воді концентрація урану менш 10-9 г/л, усього в морській воді утримується від 109 до 1010 тонн урану. У вільному виді уран у земній корі не зустрічається. Відомо близько 100 мінералів урану, найважливіші з них настуран U3O8, уранініт (U,Th)O2, уранова смоляна руда (містить оксиди урану перемінної сполуки) і тюямунит Ca[(UO2)2(VO4)2]·8H2O.

ОДЕРЖАННЯ Уран одержують з уранових руд, що містять 0,05-0,5% U. Витяг урану починається з одержання концентрату. Руди выщелачивают розчинами сарною, азотної кислот або лугом. В отриманому розчині завжди утримуються домішки інших металів. При відділенні від них урану, використовують розходження в їхніх окислювально-відновних властивостях. Окислювально-відновні процеси сполучать із процесами іонного обміну й екстракції.

З отриманого розчину уран витягають у виді оксиду або тетрафторида UF4, методом металлотермии:

UF4+ 2Mg = 2Mg2+ U

Уран, що утворився, містить у незначних кількостях домішки бор , кадмій і деякі інші елементи, так званих реакторних отрут. Поглинаючи нейтрони, що утворяться при роботі ядерного реактора, вони роблять уран непридатним для використання як ядерне пальне.

Щоб позбутися від домішок, металевий уран розчиняють в азотній кислоті, одержуючи уранилнитрат UO2(NO3)2. Уранилнитрат екстрагують з водного розчину трибутилфосфатом. Продукт очищення з екстракту знову переводять в оксид урану або в тетрафторид, з яких знову одержують метал.

Частина урану одержують регенерацією ядерного пального, що відробив у реакторі. Всі операції по регенерації урану проводять дистанційно.

ХІМІЧНІ ВЛАСТИВОСТІ Уран — сріблисто-білий блискучий метал. Металевий уран існує в трьох аллотропичних модифікаціях. До 669°C стійка a-модифікація з орторомбичної ґратами, параметри а = 0,2854нм, у = 0,5869 нм і з = 0,4956 нм, щільність 19,12 кг/дм3. Від 669°C до 776°C стійка b-модифікація з тетрагональними ґратами (параметри а = 1,0758 нм, з = 0,5656 нм). До температури плавлення 1135°C стійка g-модифікація з кубічною об’ємно-центрированої ґратами ( а = 0,3525 нм). Температура кипіння 4200°C.

Хімічна активність металевого урану висока. На повітрі він покривається плівкою оксиду. Порошкоподібний уран пирофорен, при згорянні урану і термічному розкладанні багатьох його сполук на повітрі утвориться оксид урану U3O8. Якщо цей оксид нагрівати в атмосфері водню при температурі вище 500°C, утвориться диоксид урану UO2:

U3O8 + Н2 = 3UO2 + 2Н2ПРО

Якщо уранилнитрат UO2(NO3)2 нагріти при 500°C, то, розкладаючи, він утворить триоксид урану UO3. Крім оксидів урану стехиометричного сполуки UO2, UO3 і U3ПРО8, відомий оксид урану сполуки U4O9 і кілька метастабільних оксидів і оксидів перемінної сполуки.

При сплавці оксидів урану з оксидами інших металів утворяться уранати: ДО2UO4 (уранат калію), СаUо4 (уранат кальцію), Na2U2O7 (диуранат натрію).

Взаємодіючи з галогенами, уран дає галогеніди урану. Серед них гексафторид UF6 являє собою жовта кристалічна речовина, що легко сублімується навіть при слабкому нагріванні (40-60°C) і настільки ж легко гидролизующееся водою. Найважливіше практичне значення має гексафторид урану UF6. Одержують його взаємодією металевого урану, оксидів урану або UF4 із фтором або фторирующими агентами Br3, Ссl3F (фреон-11) або Ссl2F2 (фреон-12):

U3O8+ 6CCl2F2 = UF4 + 3COCl2 + CCl4 + Cl2

UF4+ F2= UF6

або

U3O8+ 9F2 = 3UF6+ 4O2

Відомі фториди і хлориди, що відповідають ступеням окислювання урану +3, +4, +5 і +6. Отримано броміди урану UBr3, UBr4 і UBr5, а також иодіди урану UI3 і UI4. Синтезовано такі оксигалогеніди урану, як UO2Cl2 UOCl2 і інші.

При взаємодії урану з воднем утвориться гідрид урану UH3, що володіє високою хімічною активністю. При нагріванні гідрид розкладається, утворити водень і порошкоподібний уран. При спіканні урану з бором виникають, у залежності від молярного відношення реагентів і умов проведення процесу, бориди UB2, UB4 і UB12.

З вуглецем уран утворить три карбіди UC, U2C3 і UC2.

Взаємодією урану з кремнієм отримані силіциди U3Si, U3Si2, USi, U3Si5, USi2 і U3Si2.