Физика. Теоретические курсы / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики / Ландсберг Г.С. Элементарный учебник физики. Том 3

В момент взрыва температура в атомной бомбе поднимается до миллионов градусов. Ввиду этого взрыв атомной бомбы, если он происходит в подходящей среде, может вызвать вспышку термоядерной реакции (см. § 226). К числу веществ, обладающих наиболее благоприятными свойствами для развития термоядерной реакции, относятся тяжелый водород (дейтерий 2D), сверхтяжелый водород (тритий 3Т), литий и др. В смеси этих веществ могут идти, например, следующие ядерные реакции:

D + T → 42Не + n + 17,5 МэВ, D + D → T + p + 4,0 МэВ,

63Li + n → 42Не + T + 4,8 МэВ,

63Li + D → 73Li + p + 5,0 МэВ и т. д.

Система из атомной бомбы и вещества, в котором при ее взрыве возникает мощная термоядерная реакция, получила название термоядерной или водородной бомбы. Сила взрыва водородной бомбы в сотни раз превосходит силу взрыва атомной бомбы. Дело в том, что количество «взрывчатки» (235U) в атомной бомбе ограничено: масса каждой ее части должна быть меньше критической во избежание преждевременного взрыва. Для количества же «взрывчатки» водородной бомбы такого ограничения нет, так как дейтерий, тритий, их смесь и т. п. сами собой взорваться не могут.

В отличие от реакции деления до настоящего времени еще не осуществлено использование термоядерной реакции для практического получения тепловой и электрической энергии. Однако интенсивные исследования в этом направлении ведутся в СССР

и в других странах. Применение термоядерной реакции для получения энергии представляет огромный интерес, так как запасы сырья для этой реакции огромны (дейтерий в составе воды в океанах!), тогда как запасы урана ограничены.

Для возбуждения термоядерной реакции ядерное «горючее» должно быть нагрето до температуры порядка десяти миллионов градусов. При таких температурах вещество переходит в состояние сильно ионизованного газа — плазмы. Чтобы реакция не затухала, плазму нужно удерживать от расширения, т. е. надо ограничить свободу движения частиц плазмы — ионов и электронов. Этого нельзя достигнуть простым заключением плазмы в замкнутый сосуд, так как никакие стенки не могут противостоять температуре, в тысячи раз превышающей температуру испарения самых жаростойких материалов (изоляция плазмы от стенок нужна еще и потому, что интенсивная передача тепла стенкам затруднила бы нагрев плазмы).

счете осуществить управляемую, а не взрывную, как в водородной бомбе, термоядерную реакцию.

При взрыве атомной и водородной бомбы в добавление к эффектам, характерным для любого мощного взрыва, испускается еще много нейтронов и γ-излучение, а также образуется большое количество радиоактивных веществ. Излучения этих веществ делают район взрыва опасным для жизни еще в течение некоторого времени после взрыва. Радиоактивные продукты взрыва разносятся потоками воздуха на тысячи километров от места взрыва. Отметив с помощью счетчика излучений повышенную против обычного радиоактивность воздуха, можно с достоверностью установить факт взрыва атомной или водородной бомбы.

§ 229. Ядерные реакторы и их применения. Устройство,

вкотором происходит управляемая цепная реакция деления ядер, называется ядерным реактором. В качестве делящегося вещества (ядерного топлива) применяют уран и плутоний (получаемый искусственно радиоактивный элемент с порядковым номером Z = 94).

Ядерные реакторы используются для выработки энергии, для получения искусственных радиоактивных изотопов (в том числе трансурановых элементов, т. е. элементов с Z > 92) и как источники мощных пучков нейтронов. Рассмотрим эти применения.

1.Получение энергии. Осколки деления тормозятся в уране на очень малом пути (менее 5 мкм). Ввиду этого почти вся энергия, освобождаемая в реакторе, выделяется в виде тепла в массе урана. Это тепло можно использовать, например, для нагревания и испарения жидкости, омывающей уран, и затем через посредство турбины или другой тепловой машины превратить его в механическую и далее в электрическую энергию (рис. 409). Первая

вмире атомная электростанция, основанная на таком принципе, была осуществлена в Советском Союзе в 1954 г. (рис. 410). Чертеж реактора этой электростанции приведен на рис. 411. Главной частью реактора являются «топливные» элементы с ураном, помещенные в графитовый замедлитель. «Топливные» элементы представляют собой две тонкостенные трубки из нержавеющей стали, вставленные одна в другую. В полость между трубками герметически заделывается уран, а внутренняя полость образует канал для протекания воды, отбирающей тепло, выделяющееся

вуране при работе реактора. Герметическая закупорка урана необходима ввиду его химической нестойкости, а также для предохранения от утечки вредных радиоактивных газов, образующихся в качестве продуктов деления. Для облегчения раз-

вития цепной реакции «топливные» элементы изготовлены из урана искусственно обогащенного легко делящимся изотопом 235U (в применяемом о б о г а щ е н н о м уране содержится 5 % 235U против 0,7 % в природном уране).

Рис. 409. Принципиальная схема атомной электростанции. Урановые стержни реактора омываются теплоносителем (газом, водой или расплавленным металлом), который отбирает тепло, выделяющееся в стержнях, и в теплообменнике передает его воде, образующей пар. Пар, как и на обычной электростанции, приводит в движение паровую турбину и соединенный с ней электрогенератор. В другом варианте, который также находит применение, пар образуется непосредственно

в реакторе, а теплообменник отсутствует

Действие уранового реактора сопровождается интенсивной радиоактивностью. Для защиты людей от радиоактивных излучений и от нейтронов, которые в больших дозах также вредны для здоровья, реактор окружается толстостенной защитой из бетона и других материалов (рис. 411, 412).

Как источник энергии ядерный реактор замечателен малым расходом топлива. Деление 1 г 235U по теплообразованию равноценно сжиганию нескольких т о н н каменного угля. Это делает особенно перспективным применение реакторов в пунктах, удаленных от залежей угля и нефти, а также на транспорте — на кораблях, подводных лодках, самолетах. В СССР сооружен ряд крупных атомных теплоэлектростанций, построено несколько ледоколов с атомными двигателями, имеются атомные подводные лодки.

Ядерная энергетика имеет огромное значение для будущего. Подсчитано, что при современных темпах роста мирового потреб-

Рис. 411. Реактор первой советской атомной электростанции: 1 — графитовая кладка реактора, заключенная в герметическую стальную оболочку; штриховыми линиями очерчена активная зона реактора, в которой расположен уран; остальной графит служит отражателем нейтронов; 2 — верхняя плита (чугун), 3 — один из 128 рабочих каналов, в которых помещаются урановые стержни и протекает охлаждающая вода (давление 100 атм), 4 — канал для перемещения регулирующего стержня, содержащего поглотитель нейтронов (бор); регулирующие стержни служат для регулировки мощности реактора и прекращения реакции; 5 — ионизационная камера для измерения интенсивности реакции в реакторе, 6 — водяная защита, задерживающая нейтроны 7, 8 — подвод и отвод воды из реактора, 9 — верхняя защитная крышка

(чугун), 10 — бетонная защита (в основном от γ-излучения)

дами. Другим искусственным ядерным горючим является изотоп урана 233U с периодом полураспада 162 000 лет, которого в природном уране нет. 233U образуется, аналогично плутонию, в результате облучения нейтронами т о р и я. Таким образом, трудно делящиеся вещества — 238U и торий — могут быть переработаны в ценное ядерное горючее. Эта возможность очень существенна, так как 238U и тория на Земле во много раз больше, чем 235U. Нептуний и плутоний являются представите-

580 Гл. XXIV. Атомные ядра и ядерная энергия

легко может быть опознан по своему излучению (с помощью, например, газоразрядного счетчика). Добавляя к исследуемому элементу радиоактивный изотоп и улавливая в дальнейшем его излучение, мы можем проследить путь этого элемента в организме, в химической реакции, при плавке металла и т. д.

З н а ч е н и е я д е р н о й э н е р г и и. Прошло немного лет со времени открытия способа использования ядерной энергии в земных условиях. Открытие это уже дало свои первые плоды. Несомненно, дальнейшее развитие способов получения и использования ядерной энергии создаст новые невиданные возможности для науки, техники, промышленности. Масштаб этих возможностей на нынешнем этапе трудно еще полностью представить. Освобождение ядерной энергии означает колоссальное расширение власти человека над природой при условии, однако, что ядерная энергия будет использована для мирных целей. Советский Союз, обладая атомными и водородными бомбами, борется за использование атомной энергии только для мирных целей, за запрещение атомного и водородного оружия и других средств массового уничтожения людей.

Отметим еще, что создание ядерных реакторов — это один из наиболее значительных плодов науки о внутреннем строе-

з р и м о м у п р а к т и ч е с к о м у результату — освобождению и использованию ядерной энергии, скрытой в уране. Этот успех самым убедительным образом доказывает, что наши научные представления об атоме и атомном ядре являются и с т и н н ы- м и, т. е. в основном правильно отражают объективную действительность природы.

?36. Запишите символически следующие ядерные реакции: а) соударение двух дейтронов между собой, в результате которого образуются две частицы, более легкая из которых — протон; б) то же, но более легкая частица — нейтрон (символ n, масса равна единице, заряд равен нулю); в) соударение протона с ядром изотопа лития

смассой 7 с образованием двух α-частиц; г) соударение дейтрона с ядром алюминия с образованием в результате нового ядра и протона.

37.Почему α-частицы, испускаемые радиоактивными препаратами, не могут вызывать ядерных реакций в тяжелых элементах, хотя они вызывают их в легких?

38.Азот облучался в течение 1 ч пучком α-частиц, ускоренных в циклотроне. Найдите количество образовавшегося 17O, если ток в пучке равен 200 мкА и если ядерную реакцию (218.1) вызывает одна α-частица из каждых 100 000 частиц в пучке.