Его сиятельство атом - [4]
Источник нейтронов первыми получили в лаборатории известного итальянского физика Энрико Ферми (1901–1954) при облучении α-частицами порошка бериллия. Нейтроны вылетали из бериллия со скоростью 30 тысяч километров в секунду. Такие нейтроны называют быстрыми. В лаборатории Ферми провели эксперимент по замедлению нейтронов: пропускали их через слой воды или парафина. В обоих случаях замедлитель нейтронов содержал ядра водорода (протоны). Многократно сталкиваясь с ними, нейтроны замедлялись до скорости в несколько километров в секунду – скорости молекул. Такие нейтроны назвали медленными.
В разных лабораториях мира, в том числе курчатовской, начали изучать влияние потока нейтронов на кремний, алюминий, фосфор и другие вещества. При их облучении образовывались искусственные радиоактивные элементы, ядра которых мало отличались от исходного ядра по числу протонов и нейтронов. Например, в лаборатории И. В. Курчатова при облучении алюминия (в ядре 13 протонов и 14 нейтронов) получали радиоактивный изотоп алюминия, а также радиоактивные изотопы магния (в ядре 12 протонов) и натрия (11 протонов).
Но самое интересное и важное было впереди – деление урана. Предполагалось, что облучение нейтронами урана может привести только к получению элементов с близким числом протонов, как это происходило в экспериментах с другими элементами. Но в 1938 г. Отто Ган (1879–1968) и Фриц Штрассман (1902–1980) показали: ядро урана при взаимодействии с нейтроном делится («расщепляется») на два «легких» ядра (например, бария и криптона). При этом выделяется два нейтрона и очень большое количество энергии. Некоторые физики, в том числе И. В. Курчатов, сразу поняли значение этого открытия и охарактеризовали его как начало новой эпохи в истории человечества. Появился принципиально новый, невиданно мощный источник энергии, практически неисчерпаемый.
При делении ядра выделяется 2–3 нейтрона. Каждый нейтрон может быть либо захвачен другим ядром урана и вызвать его расщепление, либо поглотиться окружающим веществом. Кроме того, если объем вещества невелик, нейтрон способен уйти за его пределы. Очевидно, что, если из выделяющихся нейтронов в среднем один вызывает следующее деление ядра, реакция будет идти с постоянной скоростью. Если среднее число «эффективных» нейтронов больше единицы – будет разрушаться все больше ядер, реакция пойдет ускоренно. В таком случае ее называют цепной ядерной реакцией. Произойдет бурное выделение энергии, возможно атомный взрыв. Среднее число эффективных нейтронов называют коэффициентом размножения и обозначают латинской буквой k. При k меньше 1 ядерная реакция затухает. Значение k определяет границу между атомным взрывом и спокойно работающим атомным реактором. Управлять величиной k можно за счет объема вещества, введения специальных «поглотителей» нейтронов (бор, кадмий и др.), отражателей нейтронов от границ рабочего объема вещества.
В ядерных реакторах в основном используется изотоп U-235, который делится медленными нейтронами. Но в природном уране его мало, 0,7 процента. На специальных обогатительных заводах содержание в уране этого изотопа увеличивают. U-238 делится быстрыми нейтронами и после захвата нейтрона может превратиться в радиоактивный трансурановый элемент плутоний Pu-239, в ядре которого 93 протона. Плутоний тоже может служить ядерным топливом. Так как запасов U-235 на Земле, по современным данным, мало, а U-238 для атомных реакторов должно хватить примерно на 2 500 лет, то для будущего энергетики важно накопление плутония, вторичного ядерного горючего. В области реакторов на быстрых нейтронах Россия имеет наибольший опыт.
Атомная электростанция. Преимущества атомной энергии
27 июня 1954 г. в подмосковном городе Обнинске была запущена первая в мире атомная электростанция (АЭС). Она имела мощность 5 МВт. Станция проработала в безаварийном режиме до 29 апреля 2002 г.
Посмотри на стандартную схему АЭС. Тепло от реактора через теплоноситель (обычно воду) нагревает воду во втором контуре, вода в нем становится паром, который вращает турбину. Энергия вращения турбины в генераторе преобразуется в электрическую энергию и через трансформатор поступает в энергетическую систему. Иногда часть теплоты нагревает теплосистему (отопление) города. Излучения, возникающие на атомных реакторах, могут использоваться для решения разнообразных задач химической промышленности (например, получение водорода из воды). Управляющие стержни состоят из поглотителей нейтронов.
Конструкция блока АЭС варьируется. В реакторе используют разные замедлители нейтронов: обычную воду, тяжелую воду, графит. Тепло от реактора переносит или вода, или расплав легкоплавкого металла, солей, или газ. Ядерное топливо в виде таблеток размером в сантиметры собирают в герметично закрытые элементы, которые в свою очередь объединяют по несколько сотен в тепловыделяющие сборки.
Освоив энергию атома, человек получил невиданно мощный источник энергии, который требует особенно внимательного отношения. Атомные реакторы на электростанциях, подводных лодках, ледоколах – это совокупность разнообразных, самых современных технологий. Специальные материалы, новая электроника, современная компьютерная техника. Блочные щиты управления АЭС похожи на центры управления космическими полетами. Атомные электростанции пока не заменяют традиционные, работающие на нефти и газе. Но такая замена в будущем необходима из экологических соображений: из-за загрязнения воздуха при сжигании углеродного топлива и нарушений озонового слоя. Сейчас мировой энергетический сектор выбрасывает в атмосферу примерно 40 процентов углекислого газа. Пока же АЭС не конкурируют с традиционными электростанциями, а дополняют их. АЭС в основном строят там, где другие типы электростанций возвести невозможно, часто из-за географических особенностей. В России это прежде всего Сибирь и Дальний Восток.
