§ 229. Ядерные реакторы и их применения

Устройство, в котором происходит управляемая цепная реакция деления ядер, называется ядерным реактором. В качестве делящегося вещества (ядерного топлива) применяют уран и плутоний (получаемый искусственно радиоактивный элемент с порядковым номером ).

Ядерные реакторы используются для выработки энергии, для получения искусственных радиоактивных изотопов (в том числе трансурановых элементов, т. е. элементов с ) В как источники мощных пучков нейтронов. Рассмотрим эти применения.

1. Получение энергии. Осколки деления тормозятся в уране на очень малом пути (менее ). Ввиду этого почти вся энергия, освобождаемая в реакторе, выделяется в виде тепла в массе урана. Это тепло можно использовать, например, для нагревания и испарения жидкости, омывающей уран, и затем через посредство турбины или другой тепловой машины превратить его в механическую и далее в электрическую энергию (рис. 409). Первая в мире атомная электростанция, основанная на таком принципе, была осуществлена в Советском Союзе в 1954г. (рис. 410). Чертеж реактора этой электростанции приведен на рис. 411. Главной частью реактора являются «топливные» элементы с ураном, помещенные в графитовый замедлитель. «Топливные» элементы представляют собой две тонкостенные трубки из нержавеющей стали, вставленные одна в другую. В полость между трубками герметически заделывается уран, а внутренняя полость образует канал для протекания воды, отбирающей тепло, выделяющееся в уране при работе реактора. Герметическая закупорка урана необходима ввиду его химической нестойкости, а также для предохранения от утечки вредных радиоактивных газов, образующихся в качестве продуктов деления. Для облегчения развития цепной реакции «топливные» элементы изготовлены из урана, искусственно обогащенного легко делящимся изотопом  (в применяемом обогащенном уране содержится  ) против 0,7% в природном уране).

Рис. 409. Принципиальная схема атомной электростанции. Урановые стержни реактора омываются теплоносителем (газом, полой или расплавленным металлом). который отбирает тепло, выделяющееся в стержнях, и в теплообменнике передает его воде, образующей пар. Пар, как и на обычной электростанции, приводит в движение  паровую турбину и соединенный с ней электрогенератор. В другом варианте, который также находит применение, пар образуется непосредственно в реакторе, а теплообменник отсутствует

Рис. 410. Общий вид атомной электростанции (1954 г.): 1 — реактор. 2 — подъемный кран для замены «выгоревших» урановых стержней, 3, 4 — насос с электродвигателем, обеспечивающих циркуляцию воды через реактор, 5 — теплообменник, 6 — помещение управления реактором (пульт управления), 7— щит с приборами, сигнализирующими о появлении недопустимой радиоактивности в различных помещениях станции

 

Действие уранового реактора сопровождается интенсивной радиоактивностью. Для защиты людей от радиоактивных излучений и от нейтронов, которые в больших дозах также вредны для здоровья, реактор окружается толстостенной защитой из бетона и других материалов (рис. 411, 412).

Рис. 411. Реактор первой советской атомной электростанции: 1 — графитовая кладка реактора, заключенная в герметическую стальную оболочку; штриховыми линиями очерчена активная зона реактора, в которой расположен уран; остальной графит служит отражателем нейтронов; 2 — верхняя плита (чугун), 3 — один из 128 рабочих каналов, в которых помешаются урановые стержни и протекает охлаждающая вода (давление 100 атм); 4 — канал для перемещения регулирующего стержня, содержащего поглотитель нейтронов (бор); регулирующие стержни служат для регулировки мощности реактора и прекращения реакции; 5 — ионизационная камера для измерения интенсивности реакции в реакторе, 6 — водяная защита, задерживающая нейтроны, 7,8 — подвод и отвод воды из реактора, 9 — верхняя защитная крышка (чугун), 10 — бетонная защита (в основном от -излучения)

Рис. 412. Верхняя часть реактора без крышки. Видны моторы передвижения регулирующих стержней. Ниже – трубки для подвода воды к рабочим каналам

Как источник энергии ядерный реактор замечателен малым расходом топлива. Деление 1г  по теплообразованию равноценно сжиганию нескольких тонн каменного угля. Это делает особенно перспективным применение реакторов в пунктах, удаленных от залежей угля и нефти, а также на транспорте — на кораблях, подводных лодках, самолетах. В СССР сооружен ряд крупных атомных теплоэлектростанций, построено несколько ледоколов с атомными двигателями, имеются атомные подводные лодки.

Ядерная энергетика имеет огромное значение для будущего. Подсчитано, что при современных темпах роста мирового потребления энергии человечество уже через 50 лет может столкнуться с острой нехваткой угля и нефти. Использование урана спасает положение, так как запас энергии в земных ресурсах урана в 10—20 раз превышает запас энергии в залежах ископаемых органических топлив. Проблема источников энергии получит окончательное решение, когда будет разработана управляемая термоядерная реакция (см. §228).

2. Трансурановые элементы. При облучении урана нейтронами изотоп  превращается в . Последний неустойчив; испытывая -распад, он образует изотоп элемента 93 — нептуния (). В свою очередь  испытывает -распад и в короткое время (период полураспада 2,35 дня) превращается в изотоп элемента 94 — плутония (). Плутоний-239 также неустойчив, но распадается очень медленно (период полураспада 24 000 лет). Поэтому он может накапливаться в больших количествах. Подобно урану-235, плутоннй-239 является хорошим «ядерным горючим», пригодным для устройства ядерных реакторов, а также атомных бомб. Для получения плутония используют реакторы из природного урана с замедлителем. В этих реакторах значительная доля нейтронов поглощается в уране-238, образуя в конце концов плутоний. Накопившийся в уране плутоний может быть выделен химическими методами. Другим искусственным ядерным горючим является изотоп урана  с периодом полураспада 162 000 лет, которого в природном уране нет,  образуется, аналогично плутонию, в результате облучения нейтронами тория. Таким образом, трудно делящиеся вещества —  и торий — могут быть переработаны в ценное ядерное горючее. Эта возможность очень существенна, так как  и тория на Земле во много раз больше, чем . Нептуний и плутоний являются представителями трансурановых элементов, расположенных в таблице Менделеева за ураном.

Вслед за плутонием был получен еще ряд трансурановых элементов вплоть до элемента 107. В природе трансурановые элементы не обнаружены: они все радиоактивны и по сравнению с геологическим возрастом Земли короткоживущий.

3. Получение радиоактивных веществ. В действующем реакторе имеют место интенсивные потоки нейтронов, образующихся при реакции деления. Облучал вещества нейтронами внутри реактора, получают различные искусственно-радиоактивные изотопы (ср. реакцию (222.1)). Другим источником радиоактивности в реакторе являются осколки деления  урана, большинство которых неустойчиво.

Искусственно-радиоактивные элементы находят много применений в науке и технике. Вещества, испускающие -излучение, используются вместо более дорогого радия для просвечивания толстых металлических предметов, для лечения рака и т. д. Свойство больших доз -излучения убивать живые клетки микроорганизма используется при консервировании продуктов питания. Радиоактивные излучения начинают использоваться в химической промышленности, так как они способствуют протеканию многих важных химических реакций. Особенно интересен так называемый метод меченых атомов. Этот метод использует тот факт, что по химическим и многим физическим свойствам радиоактивный изотоп неотличим от устойчивых изотопов того же элемента. В то же время радиоактивный изотоп легко может быть опознан по своему излучению (с помощью, например, газоразрядного счетчика). Добавляя к исследуемому элементу радиоактивный изотоп и улавливая в дальнейшем его излучение, мы можем проследить путь этого элемента в организме, в химической реакции, при плавке металла и т. д.

Значение ядерной энергии. Прошло немного лет со времени открытия способа использования ядерной энергии в земных условиях. Открытие это уже дало свои первые плоды. Несомненно, дальнейшее развитие способов получения и использования ядерной энергии создаст новые невиданные возможности для науки, техники, промышленности. Масштаб этих возможностей на нынешнем этапе трудно еще полностью представить. Освобождение ядерной энергии означает колоссальное расширение власти человека над природой при условии, однако, что ядерная энергия будет использована для мирных целей. Советский Союз, обладая атомными и водородными бомбами, борется за использование атомной энергии только для мирных целей, за запрещение атомного и водородного оружия и других средств массового уничтожения людей.

Отметим еще, что создание ядерных реакторов — это один из наиболее значительных плодов науки о внутреннем строении вещества. Излучение невидимых, неосязаемых атомов и атомных ядер привело к вполне осязаемому и зримому практическому результату — освобождению и использованию ядерной энергии, скрытой в уране. Этот успех самым убедительным образом доказывает, что наши научные представления об атоме и атомном ядре являются истинными, т. е. в основном правильно отражают объективную действительность природы.

36. Зашипите символически следующие ядерные реакции: а) соударение двух дейтронов между собой, в результате которого образуются две частицы, более легкая из которых — протон; б) то же, но более легкая частица — нейтрон (символ , масса равна единице, заряд равен нулю); в) соударение протона с ядром изотопа лития с массой 7 с образованием двух -частиц; г) соударение дейтрона с ядром алюминия с образованием в результате нового ядра и протона.

37. Почему -частицы, испускаемые радиоактивными препаратами, не могут вызывать ядерных реакций в тяжелых элементах, хотя они вызывают их в легких?

38. Азот облучался в течение 1ч пучком -частиц, ускоренных в циклотроне. Найдите количество образовавшегося , если ток в пучке равен  и если ядерную реакцию (218.1) вызывает одна -частица из каждых 100 000 частиц в пучке.

39. Запишите следующие ядерные реакции: а) расщепление -квантом дейтрона на протон и нейтрон; б) захват нейтрона протоном с испусканием -кванта; в) расщепление -квантом ядра  с образованием двух -частиц: г) захват нейтрона ядром изотопа азота с массой 14 с испусканием протона; д) соударение ядра бериллия с дейтроном с испусканием нейтрона.

40. Пучок быстрых нейтронов пересекает железную пластинку толщиной . Найдите долю нейтронов, испытывающих соударение с ядром железа, если радиус последнего . Указание. Искомая величина равна доле поверхности пластинки, перекрытой ядрами.

41. Применив к упругому удару шаров законы сохранения энергии и импульса, вычислите долю энергии, которую теряет нейтрон при лобовом соударении с покоящимся ядром массы А а.е.м. Вычислите максимальную потерю энергии нейтроном при соударении с протоном, ядром углерода и ядром свинца.

42. При столкновении с протоном нейтрон теряет ту или иную долю своей энергии в зависимости от характера столкновения (лобовое, боковое). В среднем в результате одного соударения с покоящимся протоном энергия нейтрона уменьшается вдвое. Найдите среднюю энергию нейтрона после  соударений с протонами.

43. Найдите среднее число соударений с протонами, необходимое для уменьшения энергии нейтрона от  до  (см. упражнение 42).

44. Три одинаковые пластинки серебра облучались нейтронами при одинаковых условиях, но продолжительность облучения была разной: , , . Измерения активности периодом полураспада 2,3 мин показали, что активность второй пластинки в несколько раз больше активности первой, а активность третьей пластинки равна активности второй. Объясните этот результат.

45. В камере Вильсона, перегороженной твердой пластинкой, замечен след частицы, пересекающей пластинку (рис. 413). В какую сторону движется частица? Каков знак ее заряда, если силовые линии магнитного поля направлены на нас.

Рис. 413. К упражнению 45. След заряженной частицы в камере Вильсона. Частица пересекла пластинку П. Камера помещалась в магнитом поле, линии которого направлены на нас.

46. Почему радиоактивные вещества, получаемые бомбардировкой устойчивых ядер -частицами, испытывают электронный распад, если в исходной реакции выделяются протоны, и позитронный распад, если в исходной реакции выделяются нейтроны?

47. Определите минимальную энергию -квантов, необходимую для расщепления ядер бериллия и углерода по реакциям

Значения масс участвующих в реакциях частиц см. в таблице на с. 560.

48. Ядро , испуская -частицу с энергией , превращается в ядро . Определите массу атома , если масса атома  равна 238,1249 а.е.м. Масса атома  приведена на с. 560.

49. Наилучшая точность, с которой измерена масса атома или молекулы, составляет одну миллионную долю а.е.м. (0,000001 а.е.м.). Можно ли при этих условиях использовать закон Эйнштейна для расчета выделения энергии при химических реакциях по измеренным значениям масс участвующих в реакции частиц (выделение энергии при химических реакциях не превышает )?

50. Какие частицы — позитроны или электроны — будут испускать осколки деления  если одним из них является ? (Природный барий состоит из изотопов с массами от 130 до 138 а.е.м., природный криптон состоит из изотопов с массами от 78 до 86 а.е.м.)

51. Найдите мощность реактора, в котором делится 1г  в сутки. Полное выделение энергии при делении одного ядра  принять равным .

52. Кинетическая энергия осколков деления составляет ; энергия нейтронов деления — ; энергия -излучения — .

Какая приблизительно доля энергии, освобождаемой в реакторе, состоящем из замедлителя и тонких стержней урана, выделяется в уране и какая в замедлителе?

53. В каком случае критическая масса урана в реакторе меньше: когда реактор граничит с воздухом или когда он окружен плотным веществом, слабо поглощающим нейтроны?

54. Из числа вторичных нейтронов, испускаемых при делении урана в реакторе, одна часть гибнет, не вызвав новых делений (вылетает за пределы реактора или захватывается ядрами материалов реактора), другая часть вызывает новые деления ядер урана. Число новых делений, производимых вторичными нейтронами, испущенными при делении одного ядра урана, называется коэффициентом размножения реактора (). Коэффициент размножения показывает, во сколько раз возрастает число делений за время жизни одного поколения нейтронов.

Как изменяется со временем мощность реактора, если: а) , б) , в) ?

55. В среднем при делении одного ядра урана испускается 2,5 вторичных нейтрона. В реакторе атомной электростанции захват, не приводящий к делению, испытывают 50% всех нейтронов деления. Определите долю нейтронов деления, вылетающих из этого реактора наружу, если реактор работает с постоянной мощностью.

56. Среднее время жизни одного поколения нейтронов в реакторе равно , коэффициент размножения равен 1,005. Определите время , в течение которого мощность реактора возрастает от  до  Вт.

57. По нефтепроводу качают бензин, а вслед за ним нефть. Предложите способ, как определить момент, когда через данное сечение трубопровода проходит граница раздела бензина и нефти. Пробу из трубопровода не брать