Использование ядерных превращений

6.5.1.Ядерная энергетика

Продукты деления ядер обладают кинетической энергией . Так, при делении ядра урана-238 на две равные доли, выделяющаяся энергия составляет примерно 240 Мэв.

Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен в 1942 году в США под руководством итальянского физика Э. Ферми. (1901-1954). В Европе первый ядерный реактор создан в 1946 году советскими физиками под руководством И. В. Курчатова (1903-1960).

Применение ядерной энергии для преобразования её в электрическую впервые было осуществлено в нашей стране в 1954 г (Обнинская АЭС мощностью 5 МВт)

Основная проблема ядерной энергетики заключается в создании условий для поддержания на постоянном уровне реакции деления ядер, т.е. условия К = 0. Практически управлять реакцией удается лишь в том случае, если комплекс технических решений позволяет величину К менять достаточно медленно и плавно. Такая управляемая цепная реакция осуществляется в различного типа ядерных реакторах.

Т.к. ,

то условие К = 0 выполняется при

При использовании какого-либо ядерного горючего управление реакцией осуществляется в основном через параметры: g, v и L.

Поэтому ядерный реактор на АЭС включает в себя ядерное горючее ( и др.), замедлитель нейтронов (графит, тяжелая или обычная вода), теплоноситель для вывода энергии (вода, жидкий натрий и др.) и устройство для управления скоростью реакции (вводимые в рабочее пространство реактора стержни, содержащие кадмий или бор - вещества, которые хорошо поглощают нейтроны).

В настоящее время разработано большое количество различных моделей ядерных реакторов, которые различаются по виду ядерного топлива (естественный уран, слабообогащенный уран, чистый изотоп урана), по химическому составу ядерного топлива (U, UO₂ и т.д.), по виду теплоносителя (Н₂О, D₂O, газ, органические жидкости, расплавленный металл), по роду замедлителя (С, Н₂О, Ве, гидриды металлов).

По назначению ядерные реакторы подразделяются на: экспериментальные, исследовательские, изотопные, энергетические.

Мощность современного энергетического ядерного реактора достигает 5 млн кВт. В настоящее время в различных странах работают около 400 энергетических ядерных реакторов суммарной мощностью более 240 млн кВт, что составляет примерно 14% суммарной мощности всех используемых на Земле источников электроэнергии.

6.5.2.Атомная бомба

Если g < f и , то начавшаяся цепная реакция будет неуправляемой и закончится взрывом. Такая неуправляемая реакция была использована для военных целей в атомных бомбах. Величина L_k называется критическим размером и зависит от свойств ядерного горючего, имеющихся в нем примесей и геометрической формы. Часто пользуются понятием критической массы m_k

, где ρ - плотность используемого ядерного горючего.

6.5.3.Реакция синтеза атомных ядер

Проблема управляемых термоядерных реакций

Реакция синтеза лёгких ядер в более тяжёлые должны сопровождаться выделением большого количества энергии, так как удельная энергия связи ядер резко возрастает при переходе от ядер тяжёлого водорода (дейтерия и трития ) к литию и особенно к гелию . Поэтому реакция синтеза атомных ядер (образование из лёгких ядер более тяжёлых) может служить колоссальным источником энергии.

Например, при такой реакции синтеза: + (6.4)

выделяется энергия Q = 17,6МэВ, что составляет на один нуклон , а при делении ядра выделяется энергия ≈ 200МэВ, что составляет на один нуклон ≈ 0,84МэВ.

Для протекания реакций синтеза атомных ядер требуется температура порядка 10⁷К и выше. При таких температурах любое вещество находится в состоянии плазмы.

Неуправляемая термоядерная реакция впервые осуществлена в 1953 г. в СССР, затем в США. Это были взрывы водородных бомб. Взрывчатым веществом, в котором происходила реакция (6.4) является смесь дейтерия и трития, а запалом – атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции температура.

Проблема управляемого термоядерного синтеза не решена до сих пор.