Ядерный реактор. Термоядерные реакции

Открытие деления тяжёлых ядер привело к возникновению и развитию ядерной (или атомной) энергетики, основанной на использовании энергии, запасённой внутри ядра атома. Установки, на которых эта энергия преобразуется в электрическую, получили название атомных электростанций (АЭС).

Интересно, что называя энергию, выделяющуюся при делении ядра, атомной, мы допускаем двойную неточность. Во-первых, делится не атом, а ядро. А во-вторых, выражение «атомная энергия» в буквальном смысле означает «энергия неделимого». Для устранения этих неточностей Фредери́к Со́дди предлагал взамен термин «томная энергия» (то есть «энергия делимого»). Однако «томная» энергия не прижилась, а так и осталась «a-томной». Правильно же её называть ядерной энергией.

Всем вам наверняка известно, что на современных АЭС для получения электроэнергии используется энергия, выделяющаяся в результате цепной реакции деления. Давайте вспомним, что цепной называется реакция, в которой частицы, вызывающие ядерную реакцию распада, образуются как продукты этой же реакции.

Как мы уже знаем, цепная реакция может быть управляемой и неуправляемой.

Для управления цепной реакцией необходимо очень точно контролировать процесс размножения нейтронов, делая его таким, чтобы число нейтронов в процессе реакции оставалось практически неизменным.

Так, например, при коэффициенте размножения нейтронов примерно равным одной целой и шести тысячным (k ≈ 1,006) цепная ядерная реакция может принять неуправляемый характер. Если же хоть чуть-чуть превысить этот предел, то мгновенно происходит ядерный взрыв.

Управляемые цепные реакции деления ядер осуществляются в ядерных реакторах.

Ядерный реактор — это устройство, в котором происходит управляемая цепная ядерная реакция деления ядер тяжёлых элементов под действием нейтронов.

Энергия, освобождаемая при делении ядра, уносится осколками деления, нейтронами, гамма-квантами и электронами с сопровождающими их антинейтрино. В конечном итоге вся энергия деления ядра (а это около 200 МэВ), переходит во внутреннюю энергию, которая выделяется как в самом реакторе, так и в окружающих его материалах. Эту энергию и используют для производства электрической энергии.

Напомним, что впервые управляемая цепная реакция деления ядер была осуществлена в 1942 году в США под руководством итальянского физика Энрико Ферми.

Секретная разработка реактора была первым крупным техническим достижением для Манхэттенского проекта (создания атомной бомбы во время Второй мировой войны). В качестве топлива использовался природный (необогащённый) уран в виде прессованных оксидов общей массой около тридцати семи тонн (около 33 т UO₂ и около 3,7 т U₃O₈) и металлических слитков, общей массой около пяти целых и шести десятых тонны (5,6 т). Замедлителем был выбран графит, общей массой около 350 т.

Активная зона была выполнена в виде послойно уложенных графитовых блоков, укреплённых деревянным каркасом. Блоки каждого второго слоя имели полости, в которые укладывалось ядерное топливо, образуя кубическую решётку. Цепная реакция с k = 1,0006 длилась всего 28 минут, после чего реактор был остановлен.

Первый ядерный реактор (Ф-1) в Советском Союзе и в Европе в целом был запущен в 1946 году под руководством академика Игоря Васильевича Курчатова. Он проработал почти 66 лет и был заглушен 2012 году.

Как правило, ядерный реактор имеет пять основных составных частей. Главную часть реактора называют активной зоной. Она содержит ядерное горючее в виде таблеток, находящихся в специальных тепловыделяющих элементах (ТВЭЛах по первым буквам словосочетания). ТВЭЛы представляют собой очень длинные трубки, проходящие через всю активную зону реактора. Масса топлива в каждом ТВЭЛе значительно меньше критической (критической принято называть минимальную массу вещества, необходимую для осуществления цепной ядерной реакции). Поэтому в одном стержне цепная реакция происходить не может (это делается специально из соображений безопасности). Она начинается после погружения в активную зону всех стержней, то есть когда масса делящегося вещества достигнет критического значения.

Активная зона окружена отражателем нейтронов, возвращающим их внутрь активной зоны для продолжения реакции. Хорошим отражателем нейтронов является бериллий.

В качестве ядерного горючего используется три вида радиоактивных изотопов: урана-238, уран-235, а также изотопа плутония-239. Последние два изотопа наиболее эффективно делятся под действием медленных (тепловых) нейтронов. Но вторичные нейтроны, образующиеся при делении ядер, являются быстрыми с энергией порядка 2 МэВ. Поэтому их замедляют, вводя в активную зону замедлитель. В качестве замедлителя обычно используется простая (Н₂О) или тяжёлая (D₂O) вода. Замедлитель эффективно отбирает энергию у быстрых нейтронов, рождающихся в реакции деления.

Чтобы понять принцип работы замедлителя, проведём аналогию с двумя бильярдными шарами. Итак, при лобовом столкновении движущегося шара с неподвижным налетающий шар останавливается, а изначально неподвижный приобретает его скорость. В случае не лобового столкновения энергия движущегося шара уменьшается частично. Аналогичная картина происходит при торможении нейтронов водой. Для уменьшения энергии нейтрона с 2—3 МэВ до тепловых значений, требуется в среднем около 18 его столкновений с ядрами водорода в молекулах воды. Хорошим замедлителем также считается графит, ядра которого не поглощают нейтронов.

Для управления цепной реакцией в реакторе предусмотрены регулирующие стержни, которые состоят из материалов (чаще из соединения кадмия или бора), активно поглощающих нейтроны. Если стержни с поглотителем ввести в активную зону, то коэффициент размножения нейтронов уменьшается. И наоборот, выведение стержней из активной зоны увеличивает коэффициент размножения. Этим и достигается управление реакцией. Обычно это делается автоматически. В случае же внештатных ситуаций предусмотрена ручная регулировка погружения стержней.

Для отвода из активной зоны реактора выделяющуюся энергию, чаще всего используется обычная вода. Она нагревается стенками ТВЭЛов в среднем до 300 ^оС и под высоким давлением (порядка 100 атм) выводится из активной зоны. Далее вода превращается в пар и направляется к паровым турбинам для генерации электрической энергии.

Снаружи активная зона реактора окружена отражателем нейтронов. А поверх отражателя располагаются стальной корпус реактора и защитный слой бетона, которые ослабляют радиоактивное излучение до биологически безопасного уровня.

Мы рассмотрели принцип действия реактора на медленных нейтронах, под действием которых делятся лишь достаточно редкие в природе изотопы урана-235, и не встречающиеся в природе изотопы урана-233 и плутония-239, в то время как гораздо более распространённые изотопы урана-238 поглощают тепловые нейтроны без деления на осколки.

Для решения этой проблемы в 1958 году в СССР в городе Обнинске был построен первый в мире реактор на быстрых нейтронах с ненулевой мощностью — БР-5. В реакторах на быстрых нейтронах используются урано-плутониевый цикл, в котором ядро урана-238 превращается в ядро плутония-239. И ториевый цикл, в котором ядро тория-230 превращается в ядро урана-233. Ядра этих изотопов по способности к взаимодействию с нейтронами похожи на изотопы урана-235. При захвате нейтрона их ядра делятся с испусканием в среднем трёх нейтронов, которые способны поддерживать развитие цепной реакции.

Ядерный реактор на быстрых нейтронах выполняет одновременно две функции — производство энергии и воспроизводство ядерного горючего. Именно поэтому он называется ещё реактором-размножителем (бридером).

Как мы упоминали в начале урока, выработка электроэнергии, основанная на использовании управляемой ядерной реакции, производится на атомных электростанциях. Первая в мире АЭС была построена в СССР в городе Обнинске и дала ток 27 июня 1954 года. Её мощность составляла всего 5 МВт.

Несмотря на то что атомные электростанции экологически более чистые по сравнению с тепловыми электростанциями и потребляют значительно меньше топлива, у атомной энергетики есть существенные недостатки, которые можно устранить, если для получения энергии использовать не реакции деления тяжёлых ядер, а реакции синтеза лёгких ядер. Эти реакции эффективно протекают при сверхвысоких температурах и само-поддерживаются за счёт значительного выделения в них энергии. Такие реакции были названы термоядерными. Причина выделения энергии та же, что и в случае реакций деления, — удельная энергия связи продуктов реакции выше, чем исходных материалов.

Как мы уже с вами знаем, частицы в атомном ядре удерживаются ядерными силами, которые действуют только на сверхмалых расстояниях. Поэтому при реакциях синтеза необходимо сблизить ядра на столь малое расстояние, чтобы «в игру вступили» ядерные силы. Но этому сближению будут препятствовать силы электрического отталкивания, действующие между положительно заряженными ядрами. Поэтому для преодоления этих сил, ядра изотопов изначально должны обладать большой кинетической энергией. А большая кинетическая энергия теплового движения ядер означает, что вещество должно обладать очень высокой температурой.

Возможность использования термоядерных реакций открывает перед человечеством новый путь получения практически неисчерпаемого источника энергии. Одной из самых перспективных в этом отношении является реакция

Давайте рассчитаем энергию, выделяющуюся при такой реакции.

Одной из основных проблем, возникающих при попытке осуществить управляемый термоядерный синтез — это удержания высокотемпературной дейтерий-тритиевой смеси. Эта смесь не должна касаться стенок установки, в которой она находится, иначе стенки просто испарятся. Ещё в середине ХХ века российские учёные Андрей Дмитриевич Сахаров и Игорь Евгеньевич Тамм предложили для удержания термоядерной смеси использовать магнитное поле особой конфигурации. Данная идея в последствии была реализована в установках типа «ТОКАМАК» — ТОроида́льных КАмерах с МАгнитными Катушками. Однако проблема удержания высокотемпературной плазмы в течение длительного времени не решена и по сей день.

Сейчас «мировой рекорд» принадлежит китайским учёным, которым в ночь на 3 июля 2017 года удалось удерживать плазменный шнур в стабильном состоянии более 100 секунд. Но о полноценной управляемой термоядерной реакции пока речь не идёт. На данном этапе своей эволюции человечество смогло осуществить лишь неуправляемую термоядерную реакцию взрывного типа в водородной бомбе.

В естественных условиях термоядерные реакции синтеза протекают в недрах звёзд и являются основным источником их энергии. Поэтому термоядерные реакции играют очень важную роль в эволюции Вселенной, в частности в преобразованиях химических веществ в ней.