Глава 3 ядерная энергия

3.1 Масса и энергия

Относительно недавно люди, должно быть, думали, что они преобразовывали массу в энергию, когда сжигали древесину, чтобы приготовить себе пищу и обогреть свой дом. Сегодня любой студент скажет, что это не совсем так. На самом деле одна форма углеродосодержащего вещества (твердая древесина) просто преобразовывалась в другую (в бесцветный газ), который уносился ветром. Водород, содержащийся в первоначальном веществе, также рассеивался как водяной пар. Никакое количество массы при этом не теряется, хотя и выделялась энергия. Однако, развитие ядерной физики в прошлом столетии привело к пониманию того, что масса действительно может превращаться в энергию. Именно это и происходит в ядерном реакторе, использующем атомы некоторых металлов, таких как уран. Уран в 1.7 раз плотней, чем, например, медь, и его атом имеет в своем ядре 92 протона (положительно-заряженные частицы) и 140 нейтронов (не имеющие электрического заряда частицы). Один из типов атомов урана, так называемый "изотоп", имеет в ядре 143 нейтрона. Этот изотоп уран-235 (U-235), который знаменит тем, что при столкновении его ядра с медленным нейтроном (иногда говорят с "тепловым" нейтроном), атом может разделиться на два других и выделить много тепловой энергии (в виде кинетической энергии осколков деления). Этот процесс называют ядерным "расщеплением", и U-235 является "расщепляющимся" изотопом. По теории Эйнштейна при этом теряется некоторое количество массы, которая и преобразовывается в энергию.

Расщепление ядер сопровождается также испусканием нескольких быстрых нейтронов. Если их замедлить специальным поглотителем (например, графитом или водой) они могут заставить расщепиться другие атомы U-235, и, таким образом, породят цепную реакцию ядерного деления (см. Рисунок 14).

Другой главный изотоп естественного урана, U-238, не может самостоятельно расщепляться в реакторе, но каждый атом может поглотить нейтрон, и превратиться в расщепляющийся плутоний-239.  Pu-239 ведет себя аналогично U-235 за исключением того, что количество нейтронов, образующихся при его делении, несколько больше, чем при делении U-235.

Приблизительно одна третья часть энергии, производимой сегодня в ядерных реакторах, получают от расщепления плутония. Ядро ядерного реактора (т.е. область, где происходит реакция ядерного деления) загружается топливом, состоящим из двуокиси урана. В CANDU реакторах используется естественный уран, содержащий 0.7 % изотопа U-235, а в легко-водных реакторах обогащенный до 3-4 % содержания U-235 (см. также Раздел 4.2). В обоих случаях двуокись урана UO₂ имеет форму керамических таблеток, собранных внутри циркониевых или стальных трубок, окруженных охладителем и замедлителем (чтобы замедлить потоки быстрых нейтронов, появляющихся в процессе цепной реакции ядерного деления так, чтобы они с наибольшей вероятностью поддерживали реакцию расщепления U-235). Каждое такое расщепление высвобождает  приблизительно 200 MeV, или 3.2 10 ^-11 Джоулей энергии (для сравнения, при сгорании углеродосодержащего топлива на одну молекулу выделяется примерно  4 eV или 6.5 x 10 ^-19  Джоулей тепловой энергии).

Коммерческое использование ядерной энергии основано на управлении цепной ядерной реакции таким образом, чтобы образующаяся теплота могла использоваться для получения пара, который в свою очередь мог бы производить электроэнергию. Цикл использования ядерного топлива описан в Разделе 4.2.