книги / Неорганическая химия

Деление ядер II235 сопровождается выделением огромного количе­ ства энергии.

Выделение вторичных нейтронов само по себе еще не приводит к цепному процессу. Часть нейтронов может поглощаться приме­ сями других элементов, часть вылетать за пределы куска урана, не успев столкнуться с новым ядром урана и т. д. Необходимо, чтобы процесс протекал в условиях, исключающих непроизводи­ тельную потерю нейтронов. Для этого необходимо, чтобы уран был по возможности очищен от примесей и его было бы достаточ-

Щ^бпуждоюший нейтрон

Рис. 125. Схема цепной реакции деления урана с замедлением-нейтронов

ное количество (так называемая критическая масса, или критиче­ ский минимум), в котором мог бы развиваться цепной процесс. Если количество урана невелико по сравнению с критическим ко­ личеством, то цепной процесс деления ядер может остановиться; при большой массе цепная реакция будет развиваться быстрее и может принять характер взрыва.

Быстрые (с энергией 1—2 Мэе) и медленные нейтроны по-раз­ ному вызывают в уране ядерные превращения. Ядерные реакции с быстрыми нейтронами, происходящие в тяжелом изотопе урана У238, сопровождаются образованием ядра искусственного элемента нептуния 9зЫр239 с излучением электрона; ядро нептуния затем превращается в более стойкое ядро плутония д4Ри23!) по схеме:

Наоборот, медленные нейтроны более энергично поглощаются ядрами легкого изотопа ХЛ286, вызывают цепной процесс распада этих ядер на два осколочных ядра средней по массе величине (см. рис. 125). Следовательно, цепной процесс развивается только с атомами легкого изотопа И236. Установлено также, что ядра ато­ мов разных элементов более энергично поглощают нейтроны оп­ ределенной скорости (так называемое резонансное поглощение). Например, резонансное поглощение кадмия и бора особенно вы­ ражено по отношению тепловых нейтронов. Другие элементы, как цирконий, наоборот, обладают высокой отражательной способ­ ностью нейтронов. Таким образом, были выяснены все необходи­ мые условия для успешного осуществления цепной ядерной реак­ ции.

Начало цепного процесса в куске урана может быть вызвано даже любым одиночным нейтроном, входящим в состав космиче­ ских лучей, достигающих Земли, или выделяющихся при спонтан­ ном делении ядер.в природе. В ядерной технике для получения за­ медленных нейтронов, которые вызывают цепной процесс в ядрах II235, быстрые нейтроны пропускают через тяжелую воду, слой графита, бериллия, которые замедляют быстрые нейтроны.

Природная урановая руда состоит на 99,29% из Л238 и на 0,7% из и 286. Поэтому цепная реакция в природном уране развиваться не может, так как вторичные нейтроны, не успев замедлиться, уже захватываются ядрами О238 и другими примесями, не вызывая дальнейшего расщепления ядер.

Для осуществления цепного процесса или отделяют уран-235 от урана-238, что сопряжено с большими техническими трудностя­ ми, или урановую массу обогащают изотопом Л235. В такой массе цепной процесс развивается сравнительно медленно и скорость расщепления легко регулируется.

Для выработки ядерной энергии, кроме Л235, используют плутоний Ри239, получаемый искусственным путем из II238. и II233,

зываются термоядерными реакциями. Они могут происходить только при очень высоких температурах — более 1 млн. градусов.

Только при таких условиях ядра атомов легких элементов могут преодолевать значительные силы кулоновского отталкивания и синтезироваться с образованием ядер более тяжелых элементов. Наиболее характерны в этом отношении следующие реакции:

гии. Ядра атомов тяжелых элементов (тяжелее серебра) при ядерных процессах расщепляются, выделяя энергию; ядра атомов лег­ ких элементов могут соединяться в более тяжелые также с выделе­ нием энергии. Чем дальше элементы от середины таблицы периоди­ ческой системы, тем большие количества энергии могут выделяться в ядерных процессах. Отсюда «концы» периодической таблицы представляют для энергетиков особенно большой интерес. Расщеп­ ление ядер тяжелых элементов сравнительно хорошо изучено и в настоящее время успешно осуществляется. Синтез из ядер ато­ мов легких «элементов, в более сложные представляет большие труд­ ности, так как для начала такого процесса требуются очень вы­

вещество при очень высокой температуре (десятки млн. градусов). Атомы плазмы полностью ионизованы, состоят из свободных ядер и электронов, движущихся беспорядочно с большой скоростью относительно друг друга. Примером может служить внутренняя часть Солнца, где тепловая энергия всех частиц так велика, что все молекулярные и атомные связи в веществе разрушены.

Предполагается, что на Солнце происходят термоядерные про­ цессы с переходом ядер водорода Н1 (которого на Солнце около 80 %) в ядра гелия. Солнечная энергия, излучающаяся в колос­ сальных количествах в мировое пространство — результат этих процессов.

Американским ученым Бете предложена следующая схема ядер­ ных превращений водорода в гелий, протекающих на Солнце:

вС13+ хН1- 7М“ - И

7№ 4 + 1н 1 - . во 1з- ь т

8о 1&- > 7ы 154 - 1р ° 4 - у

7Ы15 1Н1- » дС18-)- аНе4-{- 7

41Н1-+ 2Не44 -2 р - + 2Т

определенном порядке — отдельными изолированными блоками урана (или плутония), или раствором урана с замедлителем, спла­ вом, взвесью и т. д. Это зависит как от вида замедлителя (тяжелая вода, графит, бериллий и др.)» так и от условий работы реактора. Тепло, накапливающееся в реакторе, отводят с помощью тепло­ носителя (воды, жидких легкоплавких металлов, различных га­ зов и т. п.). Теплоноситель проходя через реактор, отнимает теп­ ло, нагревается и далее поступает в теплообменник, где отдает свое тепло воде, циркулирующей по змеевику. Вода, нагреваясь, пе­ реходит в пар, который поступает на паровую турбину, приводя ее в движение.

•* Цепной реакцией в реакторе управляют регулирующими стерж­ нями, способными поглощать нейтроны (из сплавов кадмия, бористой стали, бора). Опусканием стержней внутрь реактора цепная реакция обрывается, так как часть нейтронов поглощается стерж­ нями; при поднятии стержней, наоборот, цепная реакция ускоряется.

В реакторе создается большое количество радиоактивных изо­ топов разных элементов, происходит сильное у-излучение, край­ не опасное для живого организма. Поэтому реакторы окружают мощной защитной стенкой из бетона толщиной в несколько метров^

Чтобы представить, какое количество горючего расходует ядерная электростанция по сравнению с тепловой, можно отметить, что первая ядерная электростанция в СССР на 5000 кет расходует в сутки всего только 30 г 1123?, тогда как обычная тепловая элект­ ростанция той же мощности расходует в сутки 100 т каменного угля.

Созданы и начали широко применяться новые, более совершен­ ные, простые в эксплуатации и относительно дешевые водо-водя­ ные реакторы (рис. 127). В них замедлителем и отражателем нейт­ ронов, а также теплоносителем и частично защитой от излучений служит обыкновенная очищенная вода. С помощью таких реакто­ ров в настоящее время широко проводятся опыты по изучению влияния облучения на семена -растений, действия излучений на различного рода вещества, разработке эффективных средств за­ щиты от ядерных излучений и др.

Другой путь непосредственного превращения ядерной энергии в электрическую — это создание ядерных электрогенераторов, ба­ тарей на основе использования искусственных радиоактивных ве­ ществ, получаемых в атомном реакторе. Такие батареи с исполь­ зованием, например, радиоактивного изотопа 5г90 применяются для питания радио, телефонных установок, создания простых ак­ кумуляторов электрической энергии. Атомная электрическая бата­ рея может действовать без зарядки (без смены радиоактивного изотопа) длительное время (несколько десятков лет).

В технике искусственные радиоактивные изотопы находят ши­ рокое применение для контроля технологических процессов, так

как они, будучи радиоактивными, могут обнаруживаться в разного рода испытуемых объектах в ничтож­

ных температурах с большим выходом бензина, чем при обычном крекинге. Пластмассы до последнего времени получали с помощью химических реакций при высоких температурах в присутствии специальных катализаторов; теперь при действии у-излучений их получают без катализаторов и с новыми более ценными свбйства-

МИ.

В аналитической химии радиоактивные изотопы благодаря ис­ ключительно высокой чувствительности также получили широкое применение. В настоящее время успешно развиваются специаль­ ные радиохимические методы количественного анализа.

Радиоактивные изотопы нашли широкое применение также в геологии, в поисках полезных ископаемых, рудных месторожде­ ний, мест залегания нефти и др. Опуская, например, в буровую скважину источник у-излучений или нейтронов и измеряя счетчи­ ком рассеянное излучение, можно определить наличие рудных за­ лежей, нефтеносные скопления, возраст образования и другие ус­ ловия их генезиса.

Радиоактивные изотопы по химическим свойствам аналогичны устойчивым нерадиоактивным изотопам. Но они обладают радио­ активным излучением. Это излучение вызывает ионизацию веще­ ства. Так, при внесении смеси радиоактивных и нерадиоактивных

атомов вещества в какую-либо среду (например, в растительный, животный организм) атомы радиоактивного изотопа, подвергаясь распаду, сигнализируют в форме излучения о местонахождении, движении всей массы атомов данного элемента (рис. 128 и 129).

Они являются своего рода меткой, с помощью которой можно проследить за перемещением, местонакоплением атомов данного элемента в живом организме. В качестве таких меток в сельском хозяйстве используют следующие радиоактивные изотопы: Р за, С14, 5 36, Со™, Ре64, 2п65, Си64, Мп04, Са46, М о", С136, Л131(см. при-

ложение И).

За сравнительно короткий срок ученые получили возможность полнее и во многих случаях по-новому представлять жизнь расте­ ния и животного, их взаимосвязь с окружающей средой, процессы движения в них питательных веществ, построения органического вещества. Так, с помощью радиоактивного изотопа углерода С14 обнаружена новая функция корневой системы: С0 3 в растение по­ ступает не только из воздуха через листья, как это предполагалось раньше, но и через корни из почвы. Поступая затем в листья и другие зеленые части растения, С02 включается в процесс фото­ синтеза. Это открытие показало целесообразность и эффективность применения органических удобрений, являющихся источником почвенной С0 3.

С помощью метода меченых атомов установлено, что в процес­ се фотосинтеза в растениях создаются разнообразные вещества, количество и состав которых изменяется в зависимости от вида рас­ тения, возраста, условий существования и др. Оказалось, что в фотосинтезе большую роль играет спектральный состав света и его интенсивность. Например, красно-желтая часть спектра спо­ собствует синтезу главным образом углеводов; синяя часть спе№ ра — обр азован и ю белков. Это создает возможность более эффек­ тивного использования фотосинтеза в тепличном хозяйстве, где можно создавать различные условия освещения и управлять ка­ чественной и количественной стороной фотосинтеза.

Методом меченых атомов удалось более детально изучить про­ цесс превращения С02 и воды в углеводы. Оказалось, что кисло­ род, выделяемый растениями при синтезе углеводов, образуется из воды, а не из С0 2, что листья способны накапливать солнечную энергию и что процесс фотосинтеза некоторое время продолжается и в темноте.

Ряд опытов также показал, что листья являются для растений источником поглощения не только СОа, но что они способны также всасывать минеральные соли, усиливая питание растений азотом, фосфором и другими элементами пищи. Это открытие позволило применять внекорневую подкормку многих сельскохозяйствен­ ных культур, значительно повышая их урожайность.

Изотопный метод позволил более точно, чем обычный химиче­ ский, изучить особенности процесса фосфорного питания расте­ ний й установить наилучшйе сроки внесения в почву фосфорных удобрений, корневой подкормки, наиболее ответственные периоды в формировании урожая и. др.