Цепная реакция деления.  Реакции синтеза (термоядерные реакции). Понятие о ядерной энергетике

Цепная реакция деления

 

Рис. 2. Схема развития цепной реакции.

Одним из двух  принци­пи­ально возможных способов осво­бож­дения ядерной энергии явля­ет­ся деление тяжелых ядер. В 1939 году немецкими учеными О. Ганом и Ф. Штрассманом было открыто деление ядер урана.

Уран встречается в при­ро­де в виде двух изотопов:  (99, 3 %) и  (0, 7 %). При бом­бар­дировке нейтронами ядра обо­их изотопов могут расщепляться на два осколка. При этом реакция де­ления наиболее интенсивно идет на медленных (тепловых) ней­тронах, в то время как ядра вступают в реакцию деления только с быстрыми нейтронами с энергией порядка 1 МэВ.

При полном делении всех ядер, содержащихся в 1 г урана, выделяется такая же энергия, как и при сгорании 3 т угля или 2, 5 т нефти.

При делении ядра урана-235, которое вызвано столк­но­ве­ни­ем с нейтроном, освобождается 2 - 3 нейтрона. При благо­при­ят­ных условиях эти нейтроны могут попасть в другие ядра урана и вызвать их деление. На этом этапе появятся уже от 4 до 9 нейтронов, способных вызвать новые распады ядер урана и т. д. Такой лавино­об­разный процесс называется цепной реакцией.

Цепная реакция в уране с повышенным содержанием урана-235 может развиваться только тогда, когда масса урана превосходит так называемую критическую массу. Для чистого урана-235 критическая масса составляет около 50 кг. Критическую массу урана можно во много раз уменьшить, если использовать так называемые замедлители нейтронов. Наилучшими замедлителями нейтронов являются тяжелая вода D₂O, графит, ядра которого не поглощают нейтронов. При упругом взаимодействии с ядрами дейтерия или углерода нейтроны замедляются до тепловых скоростей.

Применение замедлителей нейтронов и специальной оболочки из бериллия, которая отражает нейтроны, позволяет снизить критическую массу до 250 г.

 

 

 Реакции синтеза (термоядерные реакции)

Второй путь освобождения ядерной энергии связан с реакциями синтеза. При слиянии легких ядер и образовании нового ядра выделяется большое количество энергии:

(5)

 

Реакции слияния легких ядер называются термоядерными реакциями, так как они могут протекать только при очень высоких температурах 10⁸–10⁹ К. Это чрезвычайно высокая температура. При такой температуре вещество находится в полностью ионизированном состоянии, которое называется плазмой.

Осуществление управляемых термоядерных реакций даст человечеству новый экологически чистый и практически неисчерпаемый источник энергии. Однако получение сверхвысоких температур и удержание плазмы, нагретой до миллиарда градусов, представляет собой труднейшую научно-техническую задачу на пути осуществления управляемого термоядерного синтеза.

На данном этапе развития науки и техники удалось осуществить только неуправляемую реакцию синтеза в водородной бомбе. Высокая температура, необходимая для ядерного синтеза, достигается здесь с помощью взрыва обычной урановой или плутониевой бомбы.

 

Понятие о ядерной энергетике

Рис. 3. Схема устройства ядерного реактора.

Устройство, в ко­то­ром поддерживается управ­ляемая реакция деления ядер, называется ядерным (или атомным) реактором.

Первый ядерный реактор был построен в 1942 году в США под руководством Э. Ферми. В нашей стране первый реактор был построен в 1946 году под руководством И. В. Кур­ча­то­ва. Первая в мире атомная электростанция на медлен­ных нейтронах – в Об­нин­ске в 1954 г. мощностью 5 МВт.

Топливо – обога­щен­ная смесь изотопов урана с повышенным содержанием урана-235 (до 3 %). 1 тонна гранита содержит 3 г  и 12 г  

В активную зону вводятся регулирующие стержни, содержащие кадмий или бор, которые интенсивно поглощают нейтроны. Введение стержней в активную зону позволяет управлять скоростью цепной реакции.

Активная зона охлаждается с помощью прокачиваемого теплоносителя, в качестве которого может применяться вода или металл с низкой температурой плавления (например, натрий, имеющий температуру плавления 98 °C). В парогенераторе теплоноситель передает тепловую энергию воде, превращая ее в пар высокого давления. Пар направляется в турбину, соединенную с электрогенератором. Из турбины пар поступает в конденсатор. Во избежание утечки радиации контуры теплоносителя I и парогенератора II работают по замкнутым циклам.

Турбина атомной электростанции является тепловой машиной c КПД~30%. Остальная энергия уносится водой, охлаждающей конденсатор. Это приводит к локальному перегреву естественных водоемов и последующему возникновению экологических проблем.

Однако, главная проблема состоит в обеспечении полной радиационной безопасности. После аварий на некоторых АЭС, в частности на АЭС в Пенсильвании (США, 1979 г. ) и на Чернобыльской АЭС (1986 г. ), проблема безопасности ядерной энергетики встала с особенной остротой.

Наряду с ядерным реактором на медленных нейтронах, большой практический интерес представляют реакторы, работающие на быстрых нейтронах. В таких реакторах ядерным горючим является обогащенная смесь, содержащая не менее 15 % изотопа . Преимущество реакторов на быстрых нейтронах состоит в том, что при их работе ядра урана-238, поглощая нейтроны, посредством двух последовательных β ^–-распадов превращаются в ядра плутония, которые затем можно использовать в качестве ядерного топлива: на 1 кг урана-235 получается до 1, 5 кг плутония.

Первая атомная станция на быстрых нейтронах мощностью 350 МВт построена в г. Шевченко на берегу Каспийского моря. Нововоронежская АЭС имеет мощность 1500 МВт.

Наибольшую энергию на единицу массы дает ядерная реакция синтеза ( термоядерная реакция ). Количество дейтерия в стакане простой воды эквивалентно 60 л бензина. Количество дейтерия в океанской воде 4× 10¹³ т., что соответствует энергии 10¹⁷ МВт× год.

Первая термоядерная реакция в СССР в 1953 г., через полгода – в США. Особый интерес к управляемым термоядерным реакциям. В Токамаке-10, пущенном в 1975 году, плазма в тороидальной камере имеет температуру (7¸ 8)10⁶ К. Проблемы: устойчивость плазмы, тепловая защита стенки камеры.

 

 

⇐ Предыдущая3456789101112Следующая ⇒

Поделиться:

Воспользуйтесь поиском по сайту: