Физика в технике - [19]
Существуют два различных способа получения ядерной энергии.
Во-первых, можно соединять легкие атомные ядра в более тяжелые (путь от водорода к железу). При этом, как правило, энергия, затраченная в процессе соединения легких ядер, будет меньше, чем энергия, выделяющаяся при образовании более тяжелого конечного ядра. Разность энергий выделится в виде энергии ядерной реакции.
Во-вторых, можно «раздроблять» тяжелые ядра на более легкие. Это относится к ядрам — изотопов (разновидностей) урана и искусственно получаемого плутония.
Первый способ заключается в назревании легких химических элементов до очень высоких температур. Хорошо соединяются при температурах порядка десятков и сотен миллионов градусов ядра дейтерия (тяжелого водорода), образуя ядра гелия (рис. 22). Реакции такого типа называют термоядерными.
Термоядерные реакции широко распространены: в космосе. Мощное излучение Солнца и звезд обусловлено тем, что в их внутренних слоях, имеющих достаточно высокую температуру, интенсивно протекают термоядерные реакции. Вместе с тем громадные силы всемирного тяготения, действующие на Солнце и звездах, сдерживают раскаленные массы от разлета, несмотря на интенсивное выделение энергии,
Иначе обстоит дело в земных условиях, где термоядерная реакция протекает как взрыв чрезвычайно большой силы. Это объясняется тем, что на Земле пока не удалось создать силы, способные удержать в неизменном объеме реагирующую массу.
Взрывы, подобные термоядерным, имеют место, по-видимому, также и на Юпитере, но они скрыты плотной атмосферой этой планеты, и до нас доходят только импульсы радиоволн, порождаемых взрывами.
Так происходят реакции при синтезе атомных ядер. По-иному происходит распад или деление тяжелых ядер. При делении ядер урана и плутония среди «осколков» ядра получаются свободные нейтроны, способные проникнуть в ядра урана с атомными весами 235 и 233, а также в ядра плутония и вызвать их деление (рис. 23).
Если собрать достаточную массу этих видов атомного горючего и окружить ее веществом, отражающим нейтроны, можно получить ядерную реакцию любой интенсивности — от самого слабого разогрева реагирующего вещества до ядерного (атомного) (взрыва чрезвычайной силы.
Управление скоростью реакции сравнительно легко и точно осуществляется при помощи замедлителей. Вводя в зону реакции стержни из кадмия или бора, которые сильно поглощают нейтроны, можно регулировать реакцию, которая сопровождается выделением в основном тепловой энергии. Таким образом, установка, где протекает ядерная реакция деления тяжелых элементов, т. е. ядерный (атомный) реактор, является по существу своеобразной нагревательной машиной. Реактор можно использовать для нагревания парового котла турбин, которые приводят в движение генераторы электрического тока. По такому принципу работают атомные электростанции.
Энергия атомных электростанций все больше используется в промышленности и сельском хозяйстве. Атомная электростанция может быть установлена на корабле и снабжать током электродвигатели, вращающие гребные винты корабля. На атомном топливе работает первый в мире советский атомный ледокол «Ленин».
Ядерные реакторы излучают опасные для человека потоки гамма-лучей и нейтронов. Для предохранения от их воздействия необходима громоздкая и тяжелая защитная оболочка. Эта оболочка, обычно состоящая из стали, бетона и воды, может иметь вес в несколько десятков или даже сотен тонн. Поэтому пока нельзя устанавливать атомные двигатели на обычных автомобилях, катерах, самолетах и железнодорожных локомотивах.
Зато атомные двигатели очень удобны на крупных кораблях дальнего плавания, потому что запас топлива для них ничтожен по весу и объему и время плавания кораблей ограничивается только работой машин, требующих текущего ремонта.
Атомные двигатели устанавливают и на военных подводных лодках. Подводные лодки типа «Наутилус», построенные в США, оборудованы атомной двигательной установкой и способны находиться в подводном положении в течение нескольких недель и даже месяцев. Преимущество таких лодок перед обычными подводными лодками состоит прежде всего в том, что нет необходимости часто пополнять запасы горючего, так как в сутки атомный двигатель расходует всего несколько сотен граммов ядерного топлива. Поэтому максимальная продолжительность плавания на атомной подводной лодке определяется скорее выносливостью ее экипажа ил;и необходимостью ремонта, а не запасами топлива.
Помимо использования на кораблях, атомные двигатели применяют в отдаленных и малодоступных районах, куда трудно доставлять в достаточных количествах обычное топливо.
Атомные двигатели за рубежом предполагают устанавливать на автоматических самолетах и ракетах, где нет экипажа, и поэтому не нужна тяжелая и громоздкая защита. Пока еще преждевременно считать, что атомная энергия сможет быстро заменить другие виды энергии в народном хозяйстве, потому что по своим техническим и экономическим показателям она не всегда удовлетворяет современным требованиям.
