Использование ядерной энергии

Мы выяснили, что все атомные ядра характеризуются энергией связи и что при делении ядра, т. е. распаде его на два осколка более или менее одинаковой массы, может выделиться значительная энергия. Кроме того (и это очень важно!), при делении освобождается два-три нейтрона, обладающих кинетической энергией порядка нескольких мегаэлектронвольт; их называют «быстрыми» в отличие от «медленных» нейтронов (энергия их меньше 1 МэВ) и «тепловых» нейтронов, имеющих энергию порядка сотых долейэлектронвольта, т. е. соизмеримую с энергией атомов при такой же температуре. Освобожденные нейтроны, захватываясь другими ядрами делящегося вещества, могут вызвать их деление и т. д. Такой процесс может иметь практическое значение, если удастся осуществить цепную реакцию, т. е. вызвать быстрое нарастание процесса, остановку нарастания и создание стационарного процесса, уровень которого может устанавливаться экспериментатором.

Наиболее подходящим для цепной реакции является природный уран. Однако распространенный изотоп природного урана 238U делится только под действием быстрых нейтронов, и то с небольшой вероятностью, так как имее;гся ряд процессов, при которых захват нейтрона не сопровождается делением. В естественном уране, содержащем более 99% ядер 238U, цепная реакция самопроизвольно не возникает.

Редкий изотоп 235U, присутствующий в природном уране в количестве 0,7%, делится как быстрыми, так и медленными нейтронами, причем вероятность деления после захвата нейтрона гораздо больше, чем у 238U.

Поэтому в устройствах для получения ядерной энергии (ядерных реакторах), работающих на необогащенном природном уране, основную роль играют деления именно редкого изотопа 235U. Некоторые из так называемых гетерогенных реакторов (т. е. реакторов с разделенными веществами) представляют систему графитовых блоков, в которые вставлены в определенном порядке урановые стержни, а между последними помещены подвижные стержни, содержащие кадмий. Уран является ядерным .горючим; графит служит для замедления быстрых нейтронов (замедлитель); кадмий, хорошо поглощающий нейтроны (поглотитель), позволяет регулировать интенсивность процесса деления: для его ослабления стержни с кадмием вдвигают в реактор, для ускорения выдвигают из него. Область, где разыгрывается реакция (активная зона), окружена слоем вещества, отражающего нейтроны, стремящиеся вылететь из зоны (слой бериллия), и защитным внешним слоем, поглощающим вредные для человека излучения, возникающие при делении ядер урана.

Помимо делений ядер 235U, вызываемых главным образом нейтронами, замедленными в трафите до «тепловых» скоростей, при захвате такого нейтрона ядром 238U образуется изотоп 239U; он неустойчив и претерпевает два бета-превращения по схеме:

образуя изотопы нептуния и плутония, последний сам способен делиться при поглощении нейтрона, освобождая значительную энергию.

При правильно выбранном режиме работы реактора ежесекундное число превращений 238U и делений 235U и 239Ри примерно одинаково, так что реактор длительно работает в устойчивом режиме. При этом в нем постепенно накапливается плутоний, который сравнительно легко отделить от урана химическими методами и использовать для других целей.

Возникающие при делении ядер нейтроны далеко не все принимают участие в дальнейших делениях. Они могут замедляться, захватываться ядрами, не вызывая их деления, могут просто покидать реактор и т. д. Среднее число нейтронов, возникающих при каждом акте деления и участвующих в дальнейших делениях, называют коэффициентом размножения нейтронов k. Эта величина, конечно, меньше, чем истинное число появляющихся нейтронов. Для развития цепной реакции необходимо иметь k> 1; для стационарной реакции нужно k = 1. Наконец, при k<.\ реакция прекращается (или не возникает).

Для уменьшения потерь нейтронов нужен замедлитель с малым поглощением; размеры реактора должны быть не слишком малы, поверхность его — по возможности малой.

Последующие ступени цепной реакции следуют друг за другом очень быстро (примерно через 10-8 с). Поэтому при малейшем увеличении коэффициента размножения k сверх единицы реакция нарастает весьма бурно. Расчеты показывают, что при k — 1,005 число нейтронов уже через 1 с возрастает в 150 раз. Поэтому регулировку интенсивности (перемещение стержней, содержащих кадмий) производят автоматически и очень быстро.

Для уменьшения размеров активной зоны (при заданной интенсивности делений) применяют обогащенный уран, в котором содержание 235U повышено до нескольких процентов.

Для отвода выделяющейся в реакторе энергии применяется система охлаждения при помощи воды, находящейся под большим давлением (до 107 Па, причем температура кипения достигает 300°С), или жидкого легкоплавкого металла (натрий, висмут). Циркулируя в реакторе, охлаждающая жидкость нагревается, а вне реактора она нагревает воду, содержащуюся в другой системе труб. В них происходит парообразование (давление там невелико), и пар подается в паротурбогенератор электрической энергии. По описанной схеме работает ряд атомных (точнее, ядерных) электростанций промышленного значения.

Другим видом реакторов является гомогенный реактор (однородный); в нем горючее — соли урана — растворено в замедлителе — тяжелой воде, обладающей малым поглощением и прекрасными замедляющими свойствами. В тяжелой воде быстрые нейтроны, теряя энергию при неупругих столкновениях, превращаются в тепловые (в среднем) после 35 соударений, а в углероде (графите) для этого требовалось около 115 столкновений. Так как тяжелая вода очень дорога, то ее заменяют обычной водой, также являющейся хорошим замедлителем, но поглощающим нейтроны более сильно.

Если тело из делящегося вещества занимает малый объем, но имеет большую поверхность, то из-за потерь нейтронов через поверхность ядерная цепная реакция не возникает. Наименьший размер, при котором она начинается, называют «критическим размером». При быстром соединении двух тел, каждое из которых имеет размеры, меньшие критического, а вместе они обладают размером, превосходящим критический, возникает неуправляемая бурная цепная реакция — такая реакция происходит в атомной бомбе, обладающей громадной разрушительной силой.

Работы по освоению ядерной энергии в СССР велись под руководством И. В. Курчатова (1903—1960). В 1954 г. начала работать первая в мире атомная электростанция, в 1967 г. построен первый в мире атомный ледокол, позволивший значительно улучшить условия навигации по Северному морскому пути.

В настоящее время доля атомных электростанций среди других типов электростанций непрерывно растет в соответствии с широкими планами мирного использования ядерной энергии.

В § 15.7 мы говорили о том, что у элементов с малым Z энергия связи меньше, чем у элементов, расположенных в середине таблицы Менделеева. Поэтому в принципе возможно получение ядерной энергии при синтезе тяжелых элементов из более легких, в частности из водорода.

Так как у гелия () энергия связи очень велика (28,3 МэВ), то возможно получение ядерной энергии, например, при осуществлении таких реакций:

(при этом освобождается энергия 17,5 МэВ);

(при этом освобождается энергия 15,1 МэВ).

В обеих реакциях (и в других возможных случаях) бомбардирующая частица несет положительный заряд. Поэтому проникновение ее в ядро затруднено, и она должна обладать большой энергией, т. е. реакция может развиваться лишь при очень высоких температурах — порядка миллионов градусов; такие реакции называют термоядерными.

Термоядерные реакции, несомненно, идут в недрах звезд и служат одним из основных источников звездной энергии. По-видимому, многие звезды образовались из первичного водородного газового облака под действием гравитационного сжатия случайного уплотнения, возникшего в-газовом облаке. В процессе сжатия звезда разогревается, и рано или поздно в ее недрах может начаться следующая цепь реакций, ведущая к дальнейшему разогреву звезды:

1. Образование дейтронов:

На Земле эта реакция не наблюдалась; теоретическая оценка ее вероятности дает весьма малые значения; однако за время эволюции звезды реакция проявляется достаточно четко.

2. После накопления дейтронов дальнейшие реакции ускоряются:

3. Возможен и более сложный случай:

Таким образом, в результате такого водородного цикла из четырех протонов получается ядро гелия. Полный энергетический выход составляет 28,3 МэВ.

Если же в недрах звезды образовались тем или иным путем более тяжелые элементы, то возможны и другие циклы. Например, цепочка последовательных превращений с участием изотопа углерода также приводит к образованию гелия из четырех протонов.Водородный цикл играет основную роль при более низких температурах, а углеродный — при более высоких. После исчерпания ядерного горючего звезда остывает и вступает в фазу дальнейшего сжатия и уменьшения светимости.