Классификация ядерных реакторов.
Итак, мы теперь знаем с вами два основных типа ядерных реакторов: на быстрых и медленных нейтронах. Однако иногда выгодно применять для осуществления цепного процесса нейтроны средних (промежуточных) скоростей. Такие нейтроны слабее, чем медленные, поглощаются ураном238 и довольно активно делят ядра урана235. В реакторах на промежуточных нейтронах обычно применяются довольно тяжелые замедлители (например, натрий), в которых замедление происходит не так эффективно, как в воде.Ядерные реакторы на медленных и промежуточных нейтронах в свою очередь можно разделить на гетерогенные и гомогенные. Все эти реакторы могут быть использованы для получения атомной энергии в промышленных целях.
Позже мы подробнее расскажем об их устройстве и практическом использовании.
Искусственное ядерное горючее.
Что же происходит, когда ядро урана238 поглощает нейтрон? Очевидно, в этом случае получается новое ядро, состоящее уже из 239 частиц. Нейтрон не принес в ядро дополнительного заряда, поэтому химические свойства нового вещества остаются прежними. Это новый изотоп урана:Такого изотопа нет в природной смеси урана. Это легко понять, если учесть, что ядро урана239
очень неустойчиво: половина всех ядер урана239 распадается примерно за 23 минуты, излучая электрон и нейтрино. При этом, как мы знаем, один из нейтронов превращается в протон. Получающееся ядро имеет на один элементарный положительный заряд больше, чем у урана. Следовательно, в этой ядерной реакции образуется новый элемент периодической системы. Читатель помнит, что в нашей планетной системе за Ураном следует Нептун. В честь этой планеты ученые назвали новый, 93-й элемент нептунием. Таким образом, 93-й элемент может быть получен в реакции:Но изотоп нептуний239
также радиоактивен, и половина его ядер за очень короткое время (2,3 дня) распадается, образуя следующий, 94-й элемент — плутоний:Плутоний также радиоактивный изотоп, но с очень большим периодом полураспада: половина его ядер распадается за 24 тысячи лет.
Все эти превращения схематически показаны на рис. 18.
В настоящее время в лабораториях уже получено десять новых, так называемых трансурановых элементов, которые в периодической системе элементов Менделеева стоят после урана и заняли места до сто второго номера включительно. Из этих элементов, пожалуй, самым ценным оказался изотоп плутония — плутоний239
.Плутоний239
является расцепляющимся материалом. Он делится таким же образом, как и уран235, и может заменить его в любой установке, где выделяется атомная энергия.Искусственное ядерное горючее может быть получено также из радиоактивного элемента — тория (рис. 19). У тория имеется всего один изотоп с достаточно большим периодом полураспада (14 миллиардов лет) — торий232
. При облучении его нейтронами образуется неустойчивый изотоп тория, который после ряда радиоактивных превращений переходит в изотоп урана — уран233. Уран233, так же как уран235 и плутоний239, является хорошим расщепляющимся материалом. Его период полураспада равен примерно 163 тысячам лет.Новые возможности.
Итак, теперь мы имеем три сорта ядерного горючего: уран235, уран233 и плутоний239. Энергия, выделяющаяся при делении ядер этих веществ, практически одна и та же, поскольку любое из этих ядер делится на два ядра меньшей массы, а разность энергии связи «осколков» и исходного ядра для всех сортов ядерного горючего почти одинакова.Из всех расщепляющихся веществ только уран235
в небольшом количестве имеется в природе. Урана233 и плутония239 в природе нет, и чтобы их получить, нужно облучать мощным потоком нейтронов соответственно торий232 и уран238.Но как получить такое большое количество нейтронов?
Физики уже довольно давно научились изготовлять так называемые искусственные источники нейтронов. Для этой цели обычно используется реакция:
В качестве источника ядер гелия4
может быть использован радий или полоний, дающие большое количество альфа-частиц. Такой источник обычно состоит из смеси порошка бериллия с солями радия или полония. Маленькие стеклянные или металлические ампулы наполняются смесью и откачиваются до высокого вакуума. Нейтроны почти без потерь проходят через стенки сосуда. Однако наиболее мощные из современных искусственных источников нейтронов дают всего примерно 109 нейтронов в секунду. Но в одном грамме плутония содержится около 3∙1021 ядер. Легко подсчитать, что даже в том случае, если все добытые нейтроны будут поглощаться ядрами урана238, нужно миллион лет, чтобы накопить примерно один грамм ядерного горючего — плутония239.