Расщепление ядер
В 1930-х годах ученые открыли, что можно запускать некоторые ядерные реакции, а также управлять ими (см. раздел «Радиоактивность и искусственный радиоактивный распад»). Ученые решают эту задачу, бомбардируя большой изотоп другой, меньшей, частицей — обычно нейтроном.
В результате столкновения ядро атома тяжелого элемента делится, как минимум, на два более легких ядра; этот процесс называется расщеплением (делением) ядра. Ниже приведено уравнение, показывающее деление ядра урана-235.
В результате этой реакции высвобождается много энергии. Откуда она берется? Если очень точно измерить массы всех атомов и субатомных частиц до реакции и после нее, а затем сравнить полученные результаты, то обнаружится некоторая «недостача» массы. Другими словами, в результате ядерной реакции происходит исчезновение вещества. Эта потеря вещества называется дефектом массы. Исчезающее вещество превращается в энергию.
На самом деле количество энергии, выделяющейся в результате ядерной реакции, можно вычислить с помощью довольно простого соотношения, которое было выведено Эйнштейном:
E = mc .
Здесь E — количество произведенной энергии; m — «недостающая» масса, или дефект массы; c — скорость света, которая равна 300 000 км/с. Поскольку скорость света возводится в квадрат, в правой части формулы имеем очень большое число, при умножении которого даже на очень малую массу получается довольно большое количество энергии.
Цепные реакции и критическая масса
Посмотрите еще раз на уравнение расщепления урана-235. Обратите внимание, что при этом израсходован один нейтрон, зато создано целых три. Так вот, эти три нейтрона, встретив другие атомы урана-235, могут вызвать другие случаи расщепления, создающие еще больше нейтронов. Это давно известный эффект домино. На языке ядерной химии этот непрерывный каскад расщеплений называется цепной реакцией. Цепная реакция урана-235 показана на рис. 5.3.
Цепная реакция зависит от того, будет ли при очередной ядерной реакции выпущено нейтронов больше, чем израсходовано. Написав уравнение расщепления ядра урана-238, более распространенного изотопа урана, вы увидите, что расходуется столько же нейтронов, сколько и получено, — ровно один. Таким образом, с ураном-238 цепная реакция невозможна. Но она возможна с теми изотопами, при расщеплении которых создается избыток нейтронов. Эти изотопы называются расщепляемыми, и при ядерных реакциях в основном используются только два из них: уран-235 и плутоний-239.
Чтобы ядерная реакция могла протекать самостоятельно, требуется некоторое минимальное количество расщепляемого вещества, определяемое числом избыточных нейтронов. Если порция расщепляемого вещества будет недостаточной, то нейтроны вряд ли вылетят из нее, перед тем как попасть в ядра урана-235. А если они не попадут в эти ядра, то не будет ни дополнительных нейтронов, ни дополнительной энергии, т. е. реакция просто «выдохнется».
Минимальное количество расщепляемого материала, необходимое для того, чтобы произошла цепная реакция, называется критической массой. А любая меньшая масса этого материала называется субкритической.
Атомные бомбы: реальность, а не теория
Поскольку при цепной реакции расщепления освобождается гигантское количество энергии, понятно, как велико значение ядерных реакций для военных целей. Первая атомная бомба была сброшена 6 августа 1945 года на японский город Хиросиму.
В атомной бомбе две части расщепляемого изотопа находятся отдельно друг от друга. Каждый из них сам по себе имеет субкритическую массу. В момент взрыва обычное взрывчатое вещество заставляет обе части соединиться и образовать критическую массу. Цепная реакция является неуправляемой, при этом практически мгновенно освобождается громадное количество энергии.
Впрочем, «высший пилотаж» — это возможность управления цепной реакцией, чтобы ее энергия освобождалась постепенно и реакция заканчивалась до появления разрушений.
Атомные электростанции
Секрет управления цепной реакцией заключается в умении управлять нейтронами. Если найден способ управления нейтронами, значит, освобождение энергии также является управляемым процессом. Вот этот принцип ученые и применили к атомным станциям.
Во многом атомная электростанция похожа на обычную тепловую. На электростанциях, работающих на ископаемом топливе (уголь, нефть, природный газ), оно сжигается и полу-
ченное тепло используется для нагревания воды, необходимой, в свою очередь, для образования пара. Затем пар используется для вращения турбины, соединенной с генератором, который производит электричество.
Различие между обычной и атомной электростанцией состоит в том, что принцип работы последней основан на производстве тепла с помощью цепных реакций деления ядер.
Как атомная станция производит электричество
Многие считают, что принцип работы атомных электростанций ужасно сложен. На самом деле это не так. Атомные электростанции похожи на обычные, которые работают на ископаемом топливе.
Расщепляемый изотоп находится в топливных стержнях, расположенных в активной зоне реактора. Все эти стержни вместе образуют критическую массу. Кроме топливных, в активной зоне находятся и управляющие стержни, обычно изготовленные из бора или кадмия; с помощью этих стержней, действующих как нейтронные губки, управляют скоростью радиоактивного распада. Операторы могут полностью остановить цепную реакцию, целиком поместив управляющие стержни в активную зону реактора, где они будут поглощать все нейтроны. Далее, чтобы получить нужное количество тепла, операторы могут на некоторое время извлекать эти стержни.
По активной зоне циркулирует жидкость (вода или жидкий натрий), поглощая тепло, образованное реакцией расщепления. Затем жидкость направляется в парогенератор, где преобразуется в пар. Далее этот пар направляется по трубам в паровую турбину, соединенную с электрическим генератором. Таким образом вода и пар циркулируют в замкнутой системе, т. е. используются многократно.
Жидкость, циркулирующая по активной зоне реактора, также является частью замкнутой системы. Эта замкнутая система обеспечивает защиту атмосферы или водной среды от загрязнения. Впрочем, иногда не обходится без проблем.
Ой, как много проблем
В Соединенных Штатах Америки находится приблизительно 100 ядерных реакторов, и на их долю приходится чуть больше 20% производимого в стране электричества. Что касается Франции, то почти 80% ее электричества производится с помощью расщепления ядер. Атомные электростанции имеют некоторые преимущества. Во-первых, не сжигается ископаемое топливо (таким образом сохраняются ископаемые ресурсы, например для производства пластмасс и лекарств); во-вторых, отсутствуют продукты сгорания, такие, как двуокись углерода, двуокись серы и т. д., следовательно, не происходит загрязнение атмосферы и водной среды. Однако проблемы, связанные с использованием атомных электростанций, все же существуют.
Одной из них является стоимость. Строительство и обслуживание атомных электростанций обходится достаточно дорого. Производимое на атомных электростанциях электричество примерно в два раза дороже, чем получаемое на тепловых или гидроэлектростанциях. Другой проблемой является то, что запасы расщепляемого урана-235 весьма ограниченны. Природный уран в основном состоит из нерасщепляемого урана-238, а уран-235 составляет только 0,75%. При современных темпах использования урана-235 его природных запасов хватит менее чем на 100 лет. Если использовать размножительные реакторы (см. раздел «Размножи-тельный реактор: как создать больше радиоактивного материала» далее в главе), то природных запасов урана-238 хватит еще на несколько десятков лет. Однако запасы ядерного топлива на нашей планете ограниченны, как, впрочем, и запасы ископаемого топлива.
И все же, главные проблемы атомной энергетики — это аварии (безопасность) и захоронение ядерных отходов.
vАварии: Тримайл Айленд и Чернобыль
Несмотря на то что реакторы атомных электростанций зарекомендовали себя как безопасные, недоверие и страх, связанные с радиацией, все же заставляют задуматься о вопросах безопасности. В Соединенных Штатах Америки самая крупная авария произошла в 1979 году на атомной станции Тримайл Айленд (штат Пенсильвания). Сочетание ошибки оператора и отказа оборудования привело к потере охлаждающей жидкости в активной зоне реактора. Потеря охлаждающей жидкости, в свою очередь, привела к тому, что часть оборудования расплавилась и произошел выброс в атмосферу небольшого количества радиоактивного газа. К счастью, ни местное население, ни персонал станции не пострадали.
Гораздо более крупная катастрофа произошла в 1986 году в Чернобыле (Украина). Человеческая ошибка в сочетании с плохим проектом реактора и плохим инженерным обеспечением стали причиной сильного перегрева активной зоны реактора, что, в свою очередь, привело к ее разрыву. В результате произошли два взрыва и вспыхнул огонь; активная зона была разрушена, и произошел выброс радиоактивных компонентов реактора в атмосферу. Радиоактивное облако достигло Европы и даже Азии. В 30-километровой зоне вокруг электростанции нельзя жить до сих пор. Реактор был «упакован» в бетон и должен оставаться в таком виде сотни лет. Погибли сотни людей. Многие из тех, кто остался в живых, так или иначе почувствовали на себе воздействие радиоактивного заражения. В близлежащих городах резко увеличилось количество случаев заболевания раком щитовидной железы, который, вероятно, был вызван утечкой иода-13. Пройдут еще многие годы, прежде чем станут известны все последствия этой катастрофы.
Как избавляться от ядерных отходов
Как правило, в результате ядерных реакций в больших количествах образуются радиоактивные изотопы. Взгляните на табл. 5.2, и вы увидите, что у некоторых изотопов достаточно продолжительные периоды полураспада. Абсолютно безопасными радиоактивные изотопы становятся только тогда, когда пройдет десять таких периодов. Поэтому актуальной становится проблема переработки и хранения реакторных отходов.
Со временем каждый реактор придется «заправлять» новым ядерным топливом. Кроме того, в процессе утилизации ядерного оружия нужно что-то делать с его радиоактивным материалом. Многие отходы атомных электростанций имеют большие периоды полураспада. Как обеспечить безопасное хранение изотопов до тех пор, пока их остаточная радиоактивность не снизится до безопасных пределов (т. е. пока не пройдет десять периодов полураспада)? Каким образом следует защищать от этих отходов окружающую среду, самих себя, а также своих детей ради будущих поколений? Эти вопросы, без сомнения, являются самой серьезной проблемой, связанной с мирным использованием атомной энергии.
В зависимости от количества излучаемой радиации, ядерные отходы делятся на низко- и высокоуровневые. В США низкоуровневые отходы обычно хранятся на территории атомных электростанций или в специальных хранилищах. Захоронение отходов и их охрана обычно осуществляются на территории этих электростанций. Что же касается высокоуровневых отходов, то их утилизация представляет более сложную проблему. В настоящее время они хранятся на территории атомных электростанций. В дальнейшем планируется поместить эти отходы в стеклянные герметические капсулы цилиндрической формы. Затем капсулы будут захоронены под землей в штате Невада. Как бы там ни было, отходы должны сохраняться в целости и неприкосновенности не менее 10 000 лет. Другие страны также сталкиваются с аналогичными проблемами. Некоторые пытались решить вопрос с отходами, сбрасывая ядерные материалы в глубокие морские впадины. Однако подобную практику осудили многие страны.
Размножительный реактор: как создать больше радиоактивного материала
Из изотопов урана расщепляемым является только уран-235, так как только в нем образуется избыток нейтронов, необходимых для поддержания цепной реакции. Что касается более распространенного изотопа урана-238, то он избыточных нейтронов не образует.
Другой обычно используемый расщепляемый изотоп, плутоний-239 (Pu-239), в природе встречается крайне редко. Однако существует способ получения плутония-239 из урана-238 в специальном реакторе, который называется размножительным реактором. Вначале ядра урана-238 подвергаются бомбардировке нейтронами, образуя уран-239, из которого в результате распада образуется плутоний-239. Этот процесс представлен на рис. 5.4.
Размножительные реакторы способны «растянуть» запасы расщепляемого топлива на многие-многие годы. В настоящее время эти реакторы используются во Франции. Однако в США размножительные реакторы пока не нашли широкого распространения, так как с ними связано несколько проблем. Во-первых, их строительство обходится довольно дорого. Во-вторых, они производят большое количество ядерных отходов. И в-третьих, создаваемый плутоний намного опаснее в применении, чем уран, и из него очень просто изготовить атомную бомбу.