Возможные источники ядерной энергии

Высокие энергетические выходы ядерных реакций делают их использование для получения энергии в больших количествах крайне заманчивым. К примеру, если для химических реакций характерны энергии порядка нескольких электронвольт, то для ядерных реакций свойственны мегаэлектронвольтные энергии. Однако создание установки для получения ядерной энергии в макроскопических масштабах – очень непростое дело.

Прежде всего, среди огромного числа экзотермических ядерных реакций трудно найти подходящую. До сих пор удалось найти три типа реакций:

• деление тяжёлых ядер нейтронами;

• реакции синтеза легчайших ядер;

• экзотермические реакции расщепления легчайших ядер.

Для общей ориентировки в вопросе о том, какие ядерные реакции являются экзотермическими, можно воспользоваться кривой удельной энергии связи (см. приложения). Ядерная реакция экзотермична, когда конечные ядра связаны сильнее начальных. Поэтому, как правило, экзотермичными будут реакции синтеза лёгких ядер или расщепления тяжёлых.

Кроме экзотермичности, должны быть выполнены ещё два общих требования:

• исходные материалы должны быть доступны в достаточных количествах;

• реакция должна быть осуществима в макроскопических масштабах.

Подходящие реакции синтеза:

d + t  α + n + 17.6 МэВ

считается наиболее перспективной для осуществления термоядерного синтеза. Реакции

d + d  t + p + 4 МэВ

d + d  ₂He³ + n + 3.28 МэВ

требуют для своего осуществления гораздо более высоких температур.

Реакции термоядерного деления:

p + ₅B¹¹  3 α + 8.7 МэВ

d + ₂He³  α + p + 18.3 МэВ

p + ₃Li⁷  2 α + 17.3 МэВ

интересны тем, что среди их продуктов нет нейтронов, следовательно, реакторы с использованием этих реакций не будут создавать радиоактивных отходов.

Легко подсчитать, что в процессах деления и синтеза освобождается 0.1-0.3 % энергии покоя ядер. Для более полного высвобождения энергии покоя E = m*c² необходимо разрушать нуклоны, но такое разрушение запрещено законом сохранения барионного заряда.

Управляемая ЦЯРД осуществлена практически на трёх изотопах — это ₉₂U²³⁵, ₉₂U²³³ и ₉₄Pu²³⁹.

Следующая реакция

Be⁹ (α, n) C¹²

используется в нейтронных источниках двух типов:

• Ra-Be (T_1/2 = 1600 лет) и

• Po-Be (T_1/2 = 140 дней).

Выбор делящегося вещества

В качестве делящегося вещества в ядерном реакторе используется U²³⁵. В природном U присутствует три изотопа:

• U²³⁸ — 99.2739 %, T_1/2 = 4.5*10⁹ лет;

• U²³⁵ — 0.7204 %, Т_1/2 = 7.13*10⁸ лет;

• U²³⁴ — 0.0057 %, Т_1/2 = .

Естественную смесь изотопов U можно обогащать по U²³⁵. Это сложный и дорогой процесс из-за того, что химические свойства изотопов почти одинаковы. Приходится пользоваться небольшими различиями в скоростях химических реакций, диффузии и других процессов, возникающими вследствие различия масс изотопов.

При делении U²³⁵ образуются так называемые быстрые нейтроны с энергией ~ 2 МэВ. В процессе столкновений они теряют кинетическую энергию, вплоть до энергии теплового движения (Е ~ 0.025 эВ).

В природном U происходит самопроизвольный распад со скоростью 24 деления в час в 1 грамме.

Вероятность захвата нейтронов U²³⁵ и U²³⁸ в зависимости от энергии нейтронов может быть представлена графиком (см. приложения). Быстрые нейтроны хорошо поглощаются и в U²³⁵,и в U²³⁸, поэтому в природном уране ЦЯРД без замедления нейтронов невозможна.

Для осуществления ЦЯРД создаются специальные условия:

• обогащение U – повышение доли содержания U²³⁵ выше природной;

• быстрое замедление быстрых нейтронов, чтобы в процессе замедления нейтрон не успел поглотиться без деления в U²³⁸.