0 просмотров

Ядерная химия

График энергии связи на нуклон предполагает, что нуклиды с массой более 130 а.е.м. должны спонтанно разделяться на части с образованием более легких и стабильных нуклидов. Экспериментально мы находим, что спонтанные реакции деления происходят только для очень тяжелых нуклидов с массовыми числами 230 и более. Даже когда они происходят, эти реакции часто очень медленные. Период полураспада для спонтанного деления 238 U, например, составляет 10 16 лет, или примерно в два миллиона раз больше, чем возраст нашей планеты!

Однако нам не нужно ждать, пока произойдут медленные спонтанные реакции деления. Облучая образцы тяжелых нуклидов медленными тепловыми нейтронами, можно вызывать реакции деления. Например, когда 235 U поглощает тепловой нейтрон, он распадается на две частицы разной массы и высвобождает в среднем 2,5 нейтрона, как показано на рисунке ниже.

Поглощение нейтрона 238 U вызывает колебания в ядре, которые деформируют его до тех пор, пока оно не расколется на фрагменты, подобно тому, как капля жидкости может разбиться на более мелкие капельки.

Более 370 дочерних нуклидов с атомными массами от 72 до 161 а.е.м. образуются при делении 235 U тепловыми нейтронами, включая два продукта, показанные ниже.

Несколько изотопов урана подвергаются индуцированному делению. Но единственный встречающийся в природе изотоп, деление которого мы можем вызвать тепловыми нейтронами, — это 235 U, содержание которого составляет всего 0,72%. Индуцированное деление этого изотопа высвобождает в среднем 200 МэВ на атом, или 80 миллионов кДж на грамм 235 U. Привлекательность ядерного деления как источника энергии можно понять, сравнив это значение с 50 кДж/г, высвобождаемыми при сжигается природный газ.

Статья в тему:  Это как свидетель ядерной

Первый искусственный ядерный реактор был построен Энрико Ферми и его сотрудниками под футбольным стадионом Чикагского университета и запущен 2 декабря 1942 года. Этот реактор мощностью в несколько киловатт состоял из кучи графитовых блоков весом 385 г. тонн, уложенных слоями вокруг кубического массива из 40 тонн металлического урана и оксида урана. Самопроизвольное деление 238 U или 235 U в этом реакторе произвело очень небольшое количество нейтронов. Но урана было достаточно, чтобы один из этих нейтронов вызвал деление ядра 235 U, тем самым высвобождая в среднем 2,5 нейтрона, которые катализировали деление дополнительных ядер 235 U в цепной реакции, как показано на рисунке ниже. Количество делящегося вещества, необходимое для поддержания цепной реакции, называется критическая масса.

Реактор Ферми в Чикаго послужил прототипом более крупных реакторов, построенных в 1943 году в Ок-Ридже, Теннесси, и Хэнфорде, Вашингтон, для производства 239 Pu для одной из атомных бомб, сброшенных на Японию в конце Второй мировой войны.Как мы видели, часть нейтронов, освобождающихся в цепной реакции, поглощается 238U с образованием 239U, который подвергается распаду путем последовательной потери двух β/i>-частиц с образованием 239Pu. 238 U является примером плодородный нуклид. Он не делится тепловыми нейтронами, но может быть преобразован в 239 Pu, который подвергается делению, индуцированному тепловыми нейтронами.

Реакторы деления могут быть спроектированы так, чтобы работать с естественным изобилием 235 U, а также с топливом, описываемым как слабообогащенное (2–5 % 235 U), высокообогащенное (20–30 % 235 U) или полностью обогащенное (>90 % 235 U). . Тепло, выделяющееся в активной зоне реактора, передается хладагенту в замкнутой системе. Затем хладагент проходит через серию теплообменников, в которых вода нагревается до пара. Пар, произведенный в этих теплообменниках, затем приводит в действие турбину, которая вырабатывает электроэнергию. Существует два способа определения мощности такой установки: тепловая энергия, вырабатываемая реактором, или электрическая энергия, вырабатываемая турбинами. Электрическая мощность станции обычно составляет около одной трети тепловой мощности.

Статья в тему:  Если Россия применит ядерное оружие, что будет с Индией

Для производства одного ватта электроэнергии требуется 10 11 делений в секунду. В результате на один мегаватт произведенной электрической энергии в сутки расходуется около одного грамма топлива. Это означает, что на один мегаватт в сутки производится один грамм отходов, в том числе 0,5 грамма 239 Pu. Эти отходы должны быть либо переработаны для производства большего количества топлива, либо храниться в течение десятков тысяч лет, необходимых для того, чтобы уровень радиации достиг безопасного предела.

Если бы мы могли сконструировать реактор, в котором отношение произведенного 239 Pu или 233 U к потребленному 235 U было бы больше 1, реактор произвел бы больше топлива, чем потреблял. Такие реакторы называются заводчики, а коммерческие реакторы-размножители сейчас работают во Франции.

Ключом к эффективному реактору-размножителю является топливо, которое дает максимально возможное количество нейтронов, высвобождаемых на один поглощенный нейтрон.В строящихся сегодня реакторах-размножителях используется смесь PuO.2 и УО2 в качестве топлива и быстрых нейтронов для активации деления. Быстрые нейтроны несут энергию по крайней мере в несколько кэВ и, следовательно, движутся в 10 000 и более раз быстрее, чем тепловые нейтроны. 239 Pu в топливной сборке поглощает один из этих быстрых нейтронов и подвергается делению с выделением трех нейтронов. Затем 238 U в топливе захватывает один из этих нейтронов, производя дополнительный 239 Pu.

Преимущество реакторов-размножителей очевидно: они означают неограниченный запас топлива для ядерных реакторов. Однако есть существенные недостатки. Реакторы-бридеры дороже в строительстве. Они также бесполезны без подсобного производства по сбору топлива, его переработке и отправке 239 Pu в новые реакторы.

Статья в тему:  Как работает ядерная трансмутация

Именно переработка 239 Pu беспокоит большинство критиков реакторов-размножителей. 239 Pu настолько опасен как канцероген, что ядерная промышленность устанавливает ограничение на воздействие этого материала, которое предполагает, что рабочие вдыхают не более 0,2 микрограмма плутония за время их жизни. Существует также опасение, что 239 Pu, производимый этими реакторами, может быть украден и собран в бомбы террористическими организациями.

Судьба реакторов-размножителей в США связана с экономическими соображениями. Из-за затрат на строительство этих реакторов и безопасную переработку полученного 239 Pu реактор-размножитель становится экономичным только тогда, когда дефицит урана поднимает его цену настолько высоко, что реактор-размножитель становится по сравнению с ним рентабельным. Если ядерная энергия будет играть доминирующую роль в производстве электроэнергии в 21 веке, реакторы-размножители в конечном итоге могут стать необходимыми.

Хотя «котел» Ферми, построенный в Чикагском университете в 1942 году, был первым искусственным ядерным реактором, это был не первый реактор деления, существующий на Земле.В 1972 г. группа французских ученых обнаружила, что урановая руда из месторождения рудника Окло в Габоне, Западная Африка, содержит 0,4 % 235 U вместо 0,72 % содержания, обнаруживаемого во всех других источниках этой руды. Анализ микроэлементов в руде показал, что количество 235 U в этой руде было необычно мало, потому что реакторы естественного деления работали в этом месторождении в течение периода от 600 000 до 800 000 лет около 2 миллиардов лет назад.

Статья в тему:  Как далеко могут долететь ядерные ракеты Северной Кореи

График энергии связи на нуклон предлагает другой способ получения полезной энергии из ядерных реакций. Слияние двух легких ядер может высвободить столько же энергии, сколько при делении 235 U или 239 Pu. Слияние четырех протонов с образованием ядра гелия, двух позитронов (и двух нейтрино), например, генерирует 24,7 МэВ энергии.

Большая часть энергии, излучаемой с поверхности Солнца, производится путем слияния протонов с образованием атомов гелия внутри его ядра.

Реакции синтеза были воспроизведены в искусственных устройствах. Огромная разрушительная сила атомной бомбы с топливом 235 U, сброшенной на Хиросиму 6 августа 1945 года, в результате которой погибло 75 000 человек, и бомбы с топливом 239 Pu, сброшенной на Нагасаки три дня спустя, вызвали ожесточенные дебаты после Второй мировой войны о создание следующего супероружия — термоядерной или «водородной» бомбы. Выпускники Манхэттенского проекта, разработавшие атомную бомбу, разделились по этому вопросу. Эрнест Лоуренс и Эдвард Теллер боролись за создание термоядерного устройства. Дж. Роберт Оппенгеймер и Энрико Ферми выступили против этого. Было принято решение о разработке оружия, и первая реакция искусственного синтеза произошла при испытании водородной бомбы в ноябре 1952 года.

Таким образом, история исследований термоядерного синтеза противоположна исследованиям деления. С делением первым появился реактор, а потом была построена бомба. С помощью термоядерного синтеза бомба была построена задолго до того, как был достигнут какой-либо прогресс в строительстве управляемого термоядерного реактора.Спустя более 40 лет после того, как была взорвана первая водородная бомба, возможность проведения управляемых термоядерных реакций все еще остается предметом дискуссий. Реакцией, которая, скорее всего, станет топливом для первого термоядерного реактора, является термоядерная. д-т, или дейтериево-тритиевая реакция. Эта реакция объединяет два изотопа водорода, дейтерий ( 2 H) и тритий ( ​​3 H), с образованием гелия и нейтрона.

Статья в тему:  Что означает во сне взорваться ядерная бомба

Если мы рассмотрим последствия этой реакции, мы сможем начать понимать, почему она называется термоядерная реакция и почему так трудно производить контролируемым образом. д-т реакция требует, чтобы мы сплавили две положительно заряженные частицы. Это означает, что мы должны предоставить достаточно энергии, чтобы преодолеть силу отталкивания между этими частицами, прежде чем произойдет слияние. Чтобы вызвать самоподдерживающуюся реакцию, мы должны обеспечить частицы достаточной тепловой энергией, чтобы они могли сливаться при столкновении.

Каждая реакция синтеза характеризуется определенным Температура возгорания, которое должно быть превышено, прежде чем может произойти реакция. д-т реакция имеет температуру воспламенения выше 10 8 К. В водородной бомбе реакция деления, производимая небольшой атомной бомбой, используется для нагрева содержимого до температуры, необходимой для начала синтеза. Получить тот же результат в контролируемой реакции гораздо сложнее.

Любое вещество при температурах, приближающихся к 10 8 К, будет существовать в виде полностью ионизированного газа, или плазма. Цели термоядерных исследований в настоящее время включают следующее.

  • Для достижения необходимой температуры зажигается термоядерная реакция.
  • Чтобы удерживать плазму вместе при этой температуре достаточно долго, чтобы получить полезное количество энергии из реакций термоядерного синтеза.
  • Для получения энергии термоядерных реакций больше, чем расходуется на нагрев плазмы до температуры воспламенения.

Это не тривиальные цели. Единственным разумным контейнером для плазмы при температуре 10 8 К является магнитное поле.В качестве термоядерных реакторов предлагались как круглые (тороидальные), так и линейные магнитные бутылки. Но реакторы, которые производят достаточно высокие температуры для воспламенения, отличаются от реакторов, которые обеспечивают достаточно длительное время удержания плазмы, чтобы обеспечить полезное количество энергии.

Статья в тему:  Кто выдал ядерные секреты холодной войны

Второй подход к управляемому термоядерному реактору заключается в поражении топливных таблеток, содержащих подходящие реагенты для термоядерной реакции, импульсными лучами лазерной мощности. Если будет подаваться достаточно энергии, топливные гранулы схлопнутся или взорвутся, достигнув плотности на несколько порядков превышающей нормальную. Это может создать плазму, достаточно горячую и достаточно плотную, чтобы инициировать термоядерные реакции.

голоса
Рейтинг статьи
Ссылка на основную публикацию
0
Оставьте комментарий! Напишите, что думаете по поводу статьи.x
Adblock
detector