Его сиятельство атом

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.

В декабре 2019 г. подала электроэнергию в сеть города Певек (Чукотка) и символически зажгла новогоднюю елку первая в мире плавучая атомная теплоэлектростанция.

Подлодки на атомных двигателях

Применение атомных двигателей решало важнейшую проблему подводных лодок: необходимость дозаправки топливом. Сейчас в России испытывают ядерный реактор для подлодок, который будет обеспечен топливом на все время жизни подлодки – «по сути вечный двигатель», как его охарактеризовал один из специалистов.

Ядерный реактор в атомных подводных лодках (АПЛ) нагревает воду, вода превращается в пар и поступает на парогенератор. Парогенератор обеспечивает лодку электроэнергией и вращает двигатель. К сожалению, АПЛ при этом оставляет заметный тепловой след, который достаточно легко обнаружить.