Что характерно для ядерного синтеза?

В предыдущем разделе мы перечислили четыре характеристики радиоактивности и ядерного распада, которые составляют основу использования радиоизотопов в медицинских и биологических науках. Пятой характеристикой ядерных реакций является то, что они высвобождают огромное количество энергии. Первый ядерный реактор для контролируемого распада ядер был построен в начале 1940-х годов Энрико Ферми и его коллегами из Чикагского университета. С того времени было вложено много усилий и средств в разработку ядерных реакторов как источника энергии. Ядерные реакции, которые в настоящее время используются или изучаются в ядерной энергетике, делятся на две категории: реакции деления и реакции синтеза.

А. Деление
При делении ядра большое ядро ​​распадается на два ядра среднего размера. Известно лишь несколько ядер, способных к делению.Используемые в настоящее время атомные электростанции зависят в первую очередь от деления урана-235 и плутония-239.

Когда ядро ​​урана-235 подвергается делению, оно распадается на два меньших атома и в то же время высвобождает нейтроны ( n ) и энергию. Часть этих нейтронов поглощается другими атомами урана-235. В свою очередь, эти атомы распадаются, высвобождая больше энергии и больше нейтронов. Типичная реакция:

Скобки вокруг U указывают на то, что он имеет очень нестабильное ядро. При надлежащих условиях деление нескольких ядер урана-235 запускает цепную реакцию (рис. 4.6), которая может протекать со взрывной силой, если ее не контролировать. Фактически эта реакция является источником энергии в атомной бомбе.

На атомных электростанциях энергия, выделяемая при управляемом делении урана-235, собирается в реакторе и используется для производства пара в теплообменнике. Затем пар приводит в действие турбину для производства электроэнергии. Выработку энергии можно регулировать, вставляя регулирующие стержни между топливными стержнями в реакторе для поглощения избыточных нейтронов, тем самым контролируя скорость цепной реакции. Типичная действующая сегодня атомная электростанция использует около 2 кг урана-235 для выработки 1000 мегаватт электроэнергии. Для производства такого же количества электроэнергии на обычной электростанции требуется около 5600 тонн (5,1 х 10 6 кг) угля.

Уран-235 (естественное содержание 0,71%) очень дефицитен, и его трудно отделить от урана-238 (естественное содержание 99,28%). Гораздо более распространенный уран-238 не подвергается делению и поэтому не может использоваться в качестве топлива для ядерных реакторов. Однако если уран-238 бомбардировать нейтронами (например, из урана-235), он поглощает нейтрон и превращается в уран-239.Этот изотоп подвергается бета-излучению с образованием нептуния-239, который, в свою очередь, подвергается другому бета-излучению с образованием плутония-239:

Плутоний-239 также подвергается делению с образованием большего количества энергии и большего количества нейтронов. Затем эти нейтроны можно использовать для получения большего количества плутония-239 из урана-238. Таким образом, так называемый реактор-размножитель может самостоятельно производить расщепляющийся материал. В настоящее время в Европе работает несколько реакторов-размножителей.

Ядерные реакторы, использующие расщепляющиеся материалы, представляют несколько серьезных рисков для окружающей среды. Во-первых, это постоянная опасность того, что утечки, аварии или акты саботажа приведут к выбросу радиоактивных материалов из реактора в окружающую среду. Эта проблема вызывала постоянную озабоченность после аварии на АЭС «Три-Майл-Айленд» в марте 1979 г., которая усилилась после аварии на Чернобыльской АЭС в бывшем Советском Союзе в апреле 1986 г., когда радиоактивные осадки распространились в течение суток по всему миру. Во-вторых, многие продукты ядерного деления сами по себе радиоактивны. Радиоактивность отработавшего ядерного топлива и продуктов ядерного деления останется смертельной на тысячи лет; безопасная утилизация этих материалов — проблема, которая до сих пор не решена. В-третьих, устаревшие электростанции также представляют проблему для будущих поколений, поскольку содержат много радиоактивного материала. Одно из предложений состояло в том, чтобы забетонировать такие заводы на 100 лет и более. Хотя это может оказаться необходимым, это решение вряд ли будет простым или постоянным.

Б. Фьюжн
Ядерный синтез, другой изучаемый в настоящее время процесс получения атомной энергии, зависит от объединения или слияния двух ядер в одно ядро. Одна из наиболее многообещающих реакций синтеза генерирует энергию путем слияния двух атомов дейтерия (водорода-2) с образованием атома гелия-3:

Такие реакции требуют чрезвычайно высокой энергии, чтобы заставить два положительно заряженных ядра сблизиться достаточно близко друг к другу, чтобы слиться. Однако при слиянии ядер высвобождается гораздо больше энергии, чем требуется для реакции. Ядерный синтез происходит в ядре Солнца, где температура составляет примерно 40 миллионов градусов по Цельсию. К сожалению, ученые еще не нашли способ производить и контролировать термоядерный синтез на Земле. Управляемый ядерный синтез почти не производит радиоактивных отходов и, следовательно, является экологически чистым источником энергии. В нашей стране и за рубежом предпринимаются огромные усилия, чтобы найти способы использования этого источника энергии.