Чтение онлайн

Мы знаем, что в природном уране необходимо учитывать два конкурирующих процесса: деление ядер урана235 и захват нейтронов ядрами урана238. От того, какой из процессов сильнее, зависит возможность осуществления цепной реакции. Если преобладает поглощение нейтронов, реакция не может поддерживаться, как, например, в природном уране, в случае непосредственного использования быстрых нейтронов деления. Здесь процесс может идти только при использовании медленных нейтронов, или, как говорят, на медленных нейтронах. Но при замедлении нейтроны не сразу приобретают тепловую скорость. Если замедлителем является, например, графит, то, чтобы стать тепловыми, нейтроны должны испытать в среднем 110 соударений. За это время их могут поглотить ядра урана238, и поэтому в однородной смеси природного урана с графитом цепной процесс осуществить нельзя.

Гомогенные реакторы. Очень эффективным замедлителем является тяжелая вода. В каждом соударении с ядром тяжелого водорода нейтрон теряет значительную энергию, и уже после 18–20 соударений скорость его так мала, что вероятность его поглощения ядром урана238 незначительна. Такой нейтрон очень активно производит деление ядер урана235. Поэтому цепной процесс возможен даже в однородной смеси природного урана с тяжелой водой.

Такой гомогенный реактор (рис. 17) состоит из бака с тяжелой водой, в которой растворены урановые соли. Для уменьшения размеров реактора бак окружают слоем отражателя, снижающего утечку нейтронов наружу. Управление котлом, как обычно, производится с помощью стержня из кадмия.

Рис. 17. Схема гомогенного ядерного реактора на тяжелой воде. В растворе урана в тяжелой воде идет цепной процесс. Вода нагревается и дает пар высокого давления

Если применять уран с большим содержанием легкого изотопа (обогащенный уран), то в гомогенном реакторе может применяться и другой замедлитель. Расчеты показывают, что можно изготовить реактор, состоящий из 15 литров простой воды и одного килограмма солей урана235.

Забегая несколько вперед, нужно отметить, что реактор с тяжелой или простой водой является одновременно паровым котлом. Вода в нем непрерывно нагревается и может давать пар высокого давления. Температуру воды и давление пара можно сравнительно легко регулировать с помощью кадмиевых стержней.

Классификация ядерных реакторов. Итак, мы теперь знаем с вами два основных типа ядерных реакторов: на быстрых и медленных нейтронах. Однако иногда выгодно применять для осуществления цепного процесса нейтроны средних (промежуточных) скоростей. Такие нейтроны слабее, чем медленные, поглощаются ураном238 и довольно активно делят ядра урана235. В реакторах на промежуточных нейтронах обычно применяются довольно тяжелые замедлители (например, натрий), в которых замедление происходит не так эффективно, как в воде.

Ядерные реакторы на медленных и промежуточных нейтронах в свою очередь можно разделить на гетерогенные и гомогенные. Все эти реакторы могут быть использованы для получения атомной энергии в промышленных целях.

Позже мы подробнее расскажем об их устройстве и практическом использовании.

Искусственное ядерное горючее. Что же происходит, когда ядро урана238 поглощает нейтрон? Очевидно, в этом случае получается новое ядро, состоящее уже из 239 частиц. Нейтрон не принес в ядро дополнительного заряда, поэтому химические свойства нового вещества остаются прежними. Это новый изотоп урана:

Уран238+нейтрон1– >уран239.

Такого изотопа нет в природной смеси урана. Это легко понять, если учесть, что ядро урана239 очень неустойчиво: половина всех ядер урана239 распадается примерно за 23 минуты, излучая электрон и нейтрино. При этом, как мы знаем, один из нейтронов превращается в протон. Получающееся ядро имеет на один элементарный положительный заряд больше, чем у урана. Следовательно, в этой ядерной реакции образуется новый элемент периодической системы. Читатель помнит, что в нашей планетной системе за Ураном следует Нептун. В честь этой планеты ученые назвали новый, 93-й элемент нептунием. Таким образом, 93-й элемент может быть получен в реакции:

Уран239– >нептуний239+электрон+нейтрино.

Но изотоп нептуний239 также радиоактивен, и половина его ядер за очень короткое время (2,3 дня) распадается, образуя следующий, 94-й элемент — плутоний:

Нептуний239– >плутоний239+электрон+нейтрино.

Плутоний также радиоактивный изотоп, но с очень большим периодом полураспада: половина его ядер распадается за 24 тысячи лет.

Все эти превращения схематически показаны на рис. 18.

Рис. 18. Образование плутония239

В настоящее время в лабораториях уже получено десять новых, так называемых трансурановых элементов, которые в периодической системе элементов Менделеева стоят после урана и заняли места до сто второго номера включительно. Из этих элементов, пожалуй, самым ценным оказался изотоп плутония — плутоний239.

Плутоний239 является расцепляющимся материалом. Он делится таким же образом, как и уран235, и может заменить его в любой установке, где выделяется атомная энергия.

Искусственное ядерное горючее может быть получено также из радиоактивного элемента — тория (рис. 19). У тория имеется всего один изотоп с достаточно большим периодом полураспада (14 миллиардов лет) — торий232. При облучении его нейтронами образуется неустойчивый изотоп тория, который после ряда радиоактивных превращений переходит в изотоп урана — уран233. Уран233, так же как уран235 и плутоний239, является хорошим расщепляющимся материалом. Его период полураспада равен примерно 163 тысячам лет.

Рис. 19. Образование урана233

Новые возможности. Итак, теперь мы имеем три сорта ядерного горючего: уран235, уран233 и плутоний239. Энергия, выделяющаяся при делении ядер этих веществ, практически одна и та же, поскольку любое из этих ядер делится на два ядра меньшей массы, а разность энергии связи «осколков» и исходного ядра для всех сортов ядерного горючего почти одинакова.

Из всех расщепляющихся веществ только уран235 в небольшом количестве имеется в природе. Урана233 и плутония239 в природе нет, и чтобы их получить, нужно облучать мощным потоком нейтронов соответственно торий232 и уран238.

Но как получить такое большое количество нейтронов?

Физики уже довольно давно научились изготовлять так называемые искусственные источники нейтронов. Для этой цели обычно используется реакция:

Бериллий9+гелий4– >углерод12+нейтрон1.