6.3. Деление ядер и термоядерный синтез

Деление тяжелых ядер. Энергия связи на один нуклон для нуклидов урана со­ ставляет приблизительно 7,6 МэВ. Если продуктами деления ядер урана оказываются нуклиды элементов середины периодической таблицы, то разница энергий связи на один нуклон достигнет около 1,0 МэВ9что и составляет выигрыш энергии.

Проведем оценку выделившейся энергии для процесса деления ядер, содержа­

(1 г/235 г • моль"') • 6,022-1023 ядер ■молъх= 2,563-Ю21 ядер. Следовательно, выделившаяся энергия составит

2,563-1021 ядер • 235,0 МэВ/ядро • 106 эВПМэВ • 1,602-10“19Дж/эЯ = 9,60-Ю10Д*с, или 26500 кВт • ч.

Таким образом, грубая оценка показывает, что 1 г «ядерного топлива» выделяет при делении ядер около 26500 кВт-ч энергии. Расчетная величина превышает факти­ ческую примерно на 25 %. Но даже с учетом поправки 1 г 2Ци эквивалентен по выде­ ляемой энергии 2,5 т высококачественного каменного угля.

деления), и даже при наиболее вероятных типах деления образуются нуклиды с мас­ совыми числами А между 95 и 139. Всего образуется более 260 изотопов 35 различ­ ных элементов. Примерами реакций деления ядер 2” U могут быть следующие:

Очень важным представляется то, что на один затраченный на деление ядра ней­

деления ядер создает условия для осуществления цепной ядерной реакции.

Физика процесса деления ядер более сложна, чем может показаться на первый взгляд. Нейтроны, выделившиеся в процессе деления ядер, обычно имеют энергию более 2 МэВ. Такие нейтроны называются быстрыми. Но для процесса деления ядер предпочтительны медленные (тепловые) нейтроны с энергией <0,1 эВ, т.е. энергией, близкой по величине к энергии теплового движения молекул газа. Поэтому быстрые нейтроны замедляют, заставляя их многократно упруго сталкиваться с другими ядра­ ми. Обмен энергией идет лучше в том случае, когда сталкиваются частицы, почти равные друг другу по массе. К тому же ядра замедлителя не должны поглощать ней­ троны. Таким условием удовлетворяют вода (лучше тяжелая) и графит.

Было установлено также, что ядра поглощают нейтроны не в соответствии со своими реальными размерами, а для каждого вида поглощающих ядер проявляется некоторая эффективная поперечная площадь —ядерное сечение захвата нейтронов. Ядерное сечение выражают в барнах: 1 барн = 1CГ2* см2. Некоторые нуклиды, напри­ мер ‘JgCd, обладают очень большими ядерными сечениями. Их специально исполь­ зуют для поглощения нейтронов, что позволяет регулировать ту долю выделившихся нейтронов, которая пойдет на продолжение цепной реакции деления. Продукты деле­ ния (осколки) также способны поглощать нейтроны (без деления ядер). Накопление их в делящемся материале понижает вероятность прохождения реакции деления вплоть до полного прекращения реакции.

Как оказалось, в природе сохранился лишь один нуклид, а именно 2^U, ядра ко­ торого способны делиться под действием нейтронов. Способны делиться еще два нуклида - 2^ Ри и 2ЦU, но они в природе не обнаружены, их получают с помощью ядерных реакций. Схемы реакций, используемые для их получения, приведены ниже.

(6Л6)

(6.17)

В ходе последовательных превращений из нуклидов ^ U H 2^Th, ядра которых не испытывают деления при поглощении нейтронов, можно получать делящиеся ма­ териалы - нуклиды 2^ Ри и 2” U. Поскольку в реакциях деления ядер на каждый по­ глощенный нейтрон вновь выделяется в среднем около 2,5 нейтрона, создается воз­ можность накапливать (размножать) делящиеся материалы.

Ядерные реакторы. Нейтроны, выделившиеся в результате реакции деления ядер, не только расходуются на последующие акты деления, но и могут захватываться другими веществами или уходить за пределы пространства, занятого делящимся ма­ териалом. Поэтому в ядерном реакторе, с учетом потерь нейтронов, должна быть со­ средоточена минимальная масса делящегося материала, обеспечивающая протекание самоподцерживающейся цепной ядерной реакции деления. Ее называют критической

массой. Величина критической массы зависит от вида делящегося материала, его чис­ тоты, от типа замедлителя и от конструкции реактора.

Природный уран содержит лишь 0,7% “*11 Для использования в ядерном реак­ торе уран обогащают и доводят содержание нужного нуклида до 2-3 %• Процесс обо­ гащения урана основан на разделении изотопов одного и того же элемента и является весьма дорогостоящим. Обогащение урана выше 2-3 % по 2Ц\] считается оправдан­

ным только для специальных малогабаритных реакторов, например Для реакторов подводных лодок. Обогащенный уран до сих пор остается основным видом топлива для ядерных реакторов, но в некоторых их типах в качестве ядерного топлива уже начинают использовать плутоний.

Из делящегося материала изготавливают топливные стержни (в алюминиевой или циркониевой оболочке). Их называют также тепловыделяющими элементами (твэлами). В активную зону ядерного реактора помещают не только топливные стержни и замедлитель, но и контрольные стержни. Они содержат такие элементы, как Cd или В, которые имеют большие ядерные сечения захвата нейтронов. За счет различной глубины опускания контрольных стержней в активную зону реактора ре­ гулируется количество нейтронов, участвующих в процессе деления ядер. Такие же стержни не позволяют цепной реакции перейти в неуправляемый режим. В случае не­ обходимости все контрольные стержни «сбрасываются» в пространство, занятое де­ лящимся материалом, и цепная реакция деления ядер прекращается.

Энергия, выделяющаяся при делении ядер, распределяется между кинетически­ ми энергиями осколков деления (« 85%), энергиями распада осколков деления (« 10%), у-излучением (« 2,5%) и энергией нейтронов (2,5 %). Температура в зоне ре­ актора повышается. Если в качестве замедлителя используется вода, например 2Н20 ,

то ее температуру поддерживают на уровне 350 °С (под давлением 150 атм) так, что­ бы она не кипела. Вырабатываемая внутри реактора энергия отводится в форме теп­ ловой энергии. Для этого в реакторе предусмотрен контур, обеспечивающий отвод выделяющейся тепловой энергии благодаря циркуляции теплоносителя. В качестве теплоносителя в реакторах разных конструкций используют газы (С 02, Не), воду, жидкие металлы (расплавленный натрий). Нагретый теплоноситель подают в генера­ тор пара, далее пар используют для выработки электроэнергии по обычной схеме турбина - генератор.

При работе реактора наступает время, когда в составе делящегося материала на­ капливается такое количество продуктов деления, что дальнейшее поддержание цеп­ ной реакции становится невозможным. Тогда топливные стержни извлекают из реак­ тора и заменяют новыми. Отработанное ядерное топливо выдерживают в течение примерно 100 дней, за это время оно «остывает», т.е. теряет значительную долю ра­ диоактивности за счет распада короткоживущих радионуклидов. Затем оно поступает на химическую переработку, в ходе которой выделяют оставшийся уран и вновь обра­ зовавшийся нуклид Ри. Извлекают также некоторые ценные радионуклиды.

Существуют специальные бридерные реакторы (реакторы-размножители), це­ лью которых является не столько получение тепловой энергии, сколько производство нового делящегося материала - нуклида ^ Ри. В бридерных реакторах не используют

замедлителей, они работают на быстрых нейтронах. В качестве ядерного топлива обычно применяют оксид плутония Ри02. Обогащение плутония не требуется,

т.к. все его нуклиды испытывают деление. На пути быстрых нейтронов, покидающих активную зону реактора, ставится оболочка из неделящегося нуклида 2” U. На каж­ дый акт деления ядра плутония образуется в среднем около 2,5 нейтрона. Один из них расходуется на продолжение цепной реакции деления, а 1,5 - на превращение

в 2” Ри (см. схему последовательных ядерных превращений (6.16)). Поэтому

вбридерных реакторах образуется больше плутония, чем расходуется, что отражено

вих названии - размножители ядерного топлива.

Остается упомянуть атомную бомбу. В качестве ядерного заряда в бомбе исполь­ зуют нуклиды 2” U и ”9Ри. Критическая масса делящегося материала составляет 10-20

кг и при плотности р = 18,7 г/см3 занимает объем шара радиусом 4-6 см. До взрыва де­ лящийся материал делится на две части, в каждой из которых цепная реакция невоз­ можна. Для осуществления взрыва одна часть заряда выстреливается в другую, и при их соединении почти мгновенно происходит цепная реакция, которая приводит к взры­ ву. Конструкция заряда в плутониевой бомбе несколько иная. Делящийся материал размещают в виде клиньев у поверхности сферы, клинья выстреливаются за счет хими­ ческого взрыва внутрь сферы. В итоге происходит ядерный взрыв.

При ядерном взрыве резко повышается температура (« до 108 градусов), проис­ ходит колоссальный рост давления и образуется мощная взрывная волна. За счет ре­ акции деления выделяется огромное количество радионуклидов (осколков деления), которые представляют исключительно большую опасность для всего живого.

Пример 6.7. Небольшая урановая атомная бомба эквивалентна по мощности взрыва 20 000 т тротила (тринитротолуола). Оценим массу нуклида ^ U , которая расходуется при взрыве указанной мощности. Известно, что 1 т тротила выделяет при взрыве энергию в количестве 4 1 0 9 Дж.

Решение. Вычислим общее количество энергии, выделяющейся при взрыве 20 000 т тротила. 4Л09Дж/т • 20 000 т = 8- 1013Д*с = 8-Ю10 кДж.

Для вычисления энергии, выделяющейся при делении ядра ^ U , ограничимся одной из воз­ можных реакций деления урана:

292 U *58 Се + 40 Zr + \ п + 6Р".

При выполнении расчетов используем точные значения масс: U 235,0439, Се 139,9054, Zr

93,9063, I, п 1,008665, е"(Р") 0,00054859 а.е.м. Расчеты проведем в соответствии с методикой, изло­ женной в примере 6.6. Результат расчета: 205 МэВ/ядро. Выразим эту же энергию в кДж/молъ.

205МэВ/ядрО'6Щ2Л023ядро/моль'160Ъ\0-19Дж1ЬВ- \06эВ/\МэВ • \кДж/\0?Дж = 2-Ю10кДж/моль.

Определим массу нуклида которую необходимо израсходовать при взрыве в атомной

бомбе.

8-10,окДЬ/с / 2-1010кДж/моль • 235 г/моль = 940 г.

Ответ: в урановой атомной бомбе, эквивалентной по мощности 20 000 т тротила, расходуется при взрыве на реакцию деления 940 г нуклида ^ U.

Термоядерный синтез. Слияние легких ядер - энергетически более выгодный процесс, чем деление тяжелых (рис. 6.1). Именно за счет реакций такого типа выраба­ тывается энергия внутри Солнца и звезд. На Земле процесс слияния легких ядер осу­ ществлен в водородной бомбе. Для того чтобы процесс слияния ядер произошел, они должны иметь при столкновении очень высокую кинетическую энергию.

Эта энергия необходима, чтобы одноименно заряженные ядра сблизить на расстояние 1-2 фм (1фм = 1(Г15л/), при котором начинают проявляться сильные взаимодействия. Для решения этой задачи ускорители не приемлемы. Остается путь нагрева вещества до очень высоких температур - порядка 100 миллионов К. Вещество при таких тем­ пературах переходит в состояние плазмы и распадается на ионы (обнаженные ядра) и электроны. Кинетическая энергия сталкивающихся ядер (по крайней мере части из них) оказывается достаточной для их слияния. Таким образом осуществляется про­ цесс термоядерного синтеза.

Перспективными для термоядерного синтеза представляются реакции

Первая из них привлекательна тем, что ресурсы дейтерия ]Н практически неог­ раниченны: природный водород содержит 0,015 % дейтерия. Но для ее осуществ­ ления требуется весьма высокая температура - АЛО1К, Вторая реакция возможна при более низких температурах. Однако тритий *Н в природе не встречается. Его полу­ чают в ядерном реакторе, облучая нуклид \1л медленными нейтронами:

з’Ы + l0n-> *Н + 42Не.

Этот процесс является достаточно дорогостоящим. К тому же ]Н - радионуклид,

распадающийся по реакции —> 2Не + р ", tm = 12,26 года. Несмотря на указанные сложности, именно реакция слияния ядер |Н и |Н составила основу термоядерного

синтеза в водородной бомбе и в экспериментальных устройствах, используемых при поиске путей осуществления управляемого термоядерного синтеза.

Таким путем запускаются реакции синтеза ядер. Мощность взрыва водородной бом­ бы примерно в 100 раз выше мощности взрыва урановой или плутониевой бомбы.

Трудности на пути создания реакторов управляемого термоядерного синтеза

пока преодолеть не удается. С одной стороны, в отличие от деления тяжелых ядер, синтез легких ядер не требует критической массы ядерного топлива. Но, с другой стороны, для него необходима очень высокая температура и приемлемая плотность плазмы, а время существования плазмы должно быть достаточным для осуществле­ ния реакции синтеза. Очевидно, любые вещества, из которых можно было бы изгото­ вить сосуд для плазмы, при температурах в несколько миллионов градусов просто испарятся (и охладят плазму). Основной путь решения этой задачи - создание коль­ цевого (тороидального) «сосуда» из магнитных полей. Для создания таких полей ис­ пользуются сверхмощные магниты, работающие на основе сверхпроводников. Плаз­ му разогревают с помощью лазерных разрядов. От группы лазеров излучения направ­ ляются в точку, где сосредоточены дейтерий и тритий. В ходе эксперимента плазму стремятся быстро сжать и довести ее плотность до уровня, при котором возможна ре. акция синтеза. Другой путь разогрева плазмы - электрические разряды.

Трудности осуществления управляемого термоядерного синтеза порождают у исследователей стремление искать нетрадиционные пути для осуществления процес­ са слияния ядер. Одна из интересных методик заключается в замене в молекулярном

ионе D ^ H j ) электрона мюоном (его масса 207 те- \ что должно привести к сокра­

щению расстояния D-D в 200 раз и облегчить процесс термоядерного синтеза. Известны попытки осуществить реакции слияния легких ядер без использования

плазмы. В 1989 г. опубликовано сенсационное сообщение о холодном ядерном синте­ зе. Был проведен электролиз тяжелой воды, обогащенной на 99,5 % D20 (D = ]Н). Ее электропроводность обеспечивалась растворением LiOD. Исследователи, прово­ дившие такие эксперименты, утверждали, что обнаружили выделение мощных импульсов тепловой энергии и нейтронов. Но объявленные результаты этих экспери­ ментов не подтвердились. Однако заманчивая идея холодного ядерного синтеза попрежнему привлекает исследователей.

Ученые развивают идею фотоядерных реакций. Если привести в возбуждение электроны внутренних оболочек атомов, то они становятся источником рентгеновско­ го или у-излучения. В свою очередь, эти излучения могут поглощаться ядрами. Воз­ бужденные таким образом ядра могут распадаться, генерируя новые у-кванты и (или) нейтроны. Возникает возможность осуществления энерговыделяющей хемоядерной цепной реакции. Важное условие проявления такой реакции - высокая энергия у-квантов. Полагают, что генерирование атомами у-квантов высокой энергии удастся достигнуть путем механохимического возбуждения атомов с помощью ударных волн.

Нет сомнения, что возникнут новые идеи, способствующие решению проблемы осуществления управляемых реакций слияния легких ядер. Полагают, что эту про­ блему удастся решить в XXI веке и человечество будет обеспечено практически не­ исчерпаемым источником энергии.

Генезис химических элементов и ядерные реакции на Солнце и звездах. Су­ ществует несколько теорий, позволяющих обсуждать пути возникновения Вселенной. Они призваны объяснить процессы, которые приводят к сгущению вещества до ог­ ромных плотностей и к достижению очень высоких температур и давлений. Предпо­ лагают, что исходное вещество Вселенной было представлено атомами водорода. В определенных условиях вещество сгущалось и уплотнялось настолько, что возни­ кали огромные гравитационные силы. С участием этих сил температура поднималась до 106-109 К и создавались условия для ядерных реакций.

Последующее обогащение ядер Не нейтронами не возможно, т.к. период полурас­ пада 2Не равен всего 2-10~21с. В результате таких реакций происходило накопление ге­ лия. И до настоящего времени вещество Вселенной обогащено водородом: содержание

атомов Н = 88,6 %, атомов Не - около 11,3 %. В целом они составляют 99,9 % массы Вселенной. Из вещества примерно такого же состава сформированы звезды.

Не касаясь физики процессов образования и эволюции звезд, отметим лишь, что они представляют собой сгустки вещества огромной плотности (« 108 г/см3) и имеют очень высокую температуру (« 107 К). Температура оказывается достаточной для того, чтобы ядра [ Н при столкновении преодолевали силы взаимного отталкива­ ния и происходили реакции синтеза ядер Не:

Если эти реакции суммировать так, чтобы сократились промежуточные продук­ ты, то получим общее уравнение

Такая серия реакций является основным источником энергии, излучаемой звез­ дами. Они представляют также основной тип реакций, протекающих на Солнце.

Возраст Солнца порядка 5 1 09лет. Но до сих пор в нем сохранилось около 90% водорода. Реак­ ция сжигания (в ядерном смысле) водорода является источником солнечной энергии. Ежесекундно Солнце излучает энергию 3,9-1023 Дж, что соответствует уменьшению его массы на 4,3 тысячи тонн. Но масса Солнца около 2,7-1024 т, и потеря нескольких тысяч тонн оказывается лишь ничтожной до­ лей его массы. Мощность излучения Солнца мало изменилась за несколько миллиардов лет сущест­ вования Солнечной системы.

В более старых и массивных звездах аккумулируются значительные количества ядер Не. И в наиболее плотной и горячей части звезд происходит реакция

3 4Не —> ‘gC + у.

Далее ядра углерода выступают катализатором для превращения протонов в яд­ ра Не. Реакция включает в себя следующие стадии:

! H + “ c - > “ N + y,

'?N —> ‘’С + Р + + v,

!H + “ N-> “ O + Y,

”0 - > “ N + p + + v, ; н + ” м ^ ' б С + ; н е ,

4 [ Н —> j Н + 2р + + 2v + 2у.

Общее уравнение реакции такое же, как при трехстадийном превращении прото­ нов в ядра гелия (см. выше). Но за счет каталитического действия ядер углерода реак­ ция протекает с более высокой скоростью, чем предыдущая.

Элементы с атомными номерами вплоть до 26 образуются внутри звезд. Более тяжелые элементы начинают синтезироваться в значительных количествах, когда во-

дород «выгорает», происходит дальнейшее повышение плотности вещества в сердцевине звезд, и температура достигает 108 К. Наступает стадия «горения» гелия. Так, происходит реакция

2Не + ^ Не —>\ Be + у.

Но бериллий не накапливается. В его составе нечетное число нейтронов, и он неустойчив. Быстро происходят дальнейшие превращения:

jB e + [H - > 58В + у, “В —>2 2Не +р + + v,

которые подтверждают, что нестабильными являются также ядра 8 В. Не накаплива­ ются и ядра Li. Неустойчивость ядер ряда легких элементов приводит к тому, что ге­ лий непосредственно превращается в углерод и кислород. Протекают реакции

3 4Не-> "С + у,

Х\С + 4Не -> ‘JO.

Такие реакции протекают и на Солнце. Но синтез более тяжелых элементов, чем С и О, на Солнце затруднен. Процессы «горения» углерода и кислорода осущест­ вляются в более массивных звездах и при более высоких температурах. Например, протекают реакции

'г>С + 'бС -» ™Ne + 4 Не, If’0 + 1Г’0 - > J48Si+ 4Не.

При температурах порядка 109 К становятся возможными реакции

^ N e+ 4He->f2Mg + Y,

Usi + 2 Не -> ” S + у и другие.

Такие реакции остаются экзотермическими вплоть до образования нуклида Преимущественно образуются те элементы, ядра которых стабильны. Реакции обра­ зования ядер более тяжелых элементов, чем ^Fe, становятся эндотермическими, и их прямой ядерный синтез оказывается нереальным. Но возможны реакции захвата нейтрона с последующими (одним или несколькими) Р "-распадами.

Пример реакций такого типа: первая стадия

$ > + о n —> 3oZn + у,

вторая стадия

зо Zn —» з®Ga + Р ” + v .

В итоге реакции образуется нуклид, атомный номер которого на единицу больше материнского нуклида. Наиболее тяжелые элементы синтезируются при одновременном захвате ядром нескольких нейтронов. Такие реакции вполне возможны в мощных пото-