Ядерная энергетика

Ядерным реактором называется устройство, в котором осуществляется управляемая ядерная реакция, сопровождающаяся выделением энергии. Первый ядерный реактор построен в 1942 г. в США под руководством итал. физика Э. Ферми. (1901-1954). В Европе первый ядерный реактор создан в 1946 г. сов. физиками под руководством И.В. Курчатова (1903-1960).

Основные части любого ядерного реактора: активная зона, где находится ядерное топливо и протекает цепная реакция деления ядер с выделением энергии; отражатель нейтронов, окружающий активную зону; теплоноситель, используемый для охлаждения активной зоны; система регулирования цепной реакции и радиационная защита. Мощность ядерного реактора 1 МВт соответствует цепной реакции, в которой происходит 310¹⁶ актов деления в 1 с.

Если активная зона, кроме ядерного топлива, содержит замедлитель нейтронов (графит, воду или другие вещества, содержащие легкие ядра), то основная часть делений ядер происходит под действием тепловых нейтронов с энергией 10^-3 – 0,5 эВ. Если замедлителя в активной зоне нет, то основная часть делений происходит под влиянием быстрых нейтронов с энергией Е 10000 эВ. Возможны также ядерные реакторы на нейтронах с промежуточной энергией (Е = 1-10000 эВ).

В настоящее время разработано большое количество моделей ядерных реакторов. Они различаются по виду ядерного топлива (естественный уран, слабообогащенный уран, чистый изотоп урана), по химическому составу ядерного топлива (U, UO₂ и т.д.), по виду теплоносителя (Н₂О, D₂O, газ, органические жидкости, расплавленный металл), по роду замедлителя (С, Н₂О, Ве, гидриды металлов).

По назначению ядерные реакторы делятся на: экспериментальные, исследовательские, изотопные, энергетические.

Мощность современного энергетического ядерного реактора достигает 5 млн. кВт. В настоящее время в различных странах работают около 400 энергетических ядерных реакторов суммарной мощностью более 240 млн. кВт, что составляет примерно 14% суммарной мощности всех используемых на Земле источников электроэнергии.

Среди ядерных реакторов особое место занимают реакторы размножители. В них наряду с выработкой электроэнергии идет процесс воспроизводства ядерного горючего. Это означает, что в реакторе на естественном или слабообогащенном уране используется не только изотоп , но и . В настоящее время основой ядерной энергетики с воспроизводством горючего являются реакторы на быстрых нейтронах (бридеры).

Реакция синтеза атомных ядер. Проблема управляемых термоядерных реакций

Источником огромной энергии может служить реакция синтеза атомных ядер – образование из легких ядер более тяжелых. В качестве примеров рассмотрим реакции:

(Q = 4,0 МэВ),

(Q = 3,3 МэВ),

(Q = 17,6 МэВ),

(Q = 22,4 МэВ).

Реакции синтеза обладают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер. Например, если при делении ядра выделяется энергия примерно 200 МэВ, что составляет примерно 0,84 МэВ на один нуклон, то в реакциях приведенных выше эта величина равна 17,6 / 5 МэВ ≈ 3,5 МэВ.

Однако здесь существует некоторая проблема. Например, для соединения ядер дейтерия их надо сблизить до расстояния , равного радиусу действия ядерных сил, преодолевая при этом потенциальную энергию отталкивания ≈ 0,7 МэВ. Получается, что реакция синтеза ядер дейтерия может происходить лишь при температуре . На самом деле для протекания реакции синтеза оказывается достаточно температуры порядка . Это связано с двумя факторами: 1) при температурах, характерных для реакций синтеза атомных ядер, любое вещество находится в состоянии плазмы, распределение частиц которой подчиняется закону Максвелла; поэтому всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение; 2) синтез ядер может происходить вследствие туннельного эффекта.

Термоядерные реакции являются одним из источников энергии Солнца и звезд. Эти реакции дают наибольший выход энергии на единицу массы, чем любые другие превращения. Например, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в нашей стране (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бомбы, являющегося неуправляемой реакцией. Взрывчатым веществом служила смесь дейтерия и трития, а запалом – атомная бомба, при взрыве которой возникает необходимая температура.

Особый интерес представляет осуществление управляемой термоядерной реакции, для обеспечения которой необходимо создание и поддержание в ограниченном объеме температуры порядка . Так как при данной температуре термоядерное рабочее вещество представляет собой ионизованную плазму, возникает проблема ее термоизоляции от стенок рабочего объема. На данном этапе перспективным считается удержание плазмы в ограниченном объеме сильными магнитными полями специальной формы (“Токамак”).