|
Меню сайта
Статистика
|
Атомный реакторАтомный реакторКогда говорят об атомном реакторе, невольно представляешь себе огромное здание электростанции (рис. 1), тысячетонную бетонную защиту, сложнейшую автоматику и обязательно высоченную трубу для сброса слегка радиоактивных газов в атмосферу. Между тем первые реакторы выглядели далеко не так монументально. И в современных реакторах главное не технические детали и не размеры. Первоначально в английском языке атомный реактор назывался «pile», т. е. куча, штабель. Первые атомные реакторы действительно больше походили на штабели из графитовых кубиков, чем на современные сложнейшие сооружения. Но как в первом примитивном автомобиле уже был мотор, так и в этих первых штабелях урана и графита уже тлела цепная ядерная реакция. Резерфорда, сделавшего немало открытий в области радиоактивности, однажды спросили, какой практический интерес могут представить его открытия. И великий ученый ответил: «Ровно никакого». Но вот в 1932 г. Джемс Чэдвик открыл нейтрон. Это был ключ почти ко всем атомным ядрам. В 1935 г. Фредерик Жолио-Кюри, получая Нобелевскую премию за открытие искусственной радиоактивности, сказал: «Мы отдаем себе отчет в том, что ученые, которые могут создавать и разрушать элементы, способны также осуществлять ядерные реакции взрывного характера». Ученые долго не замечали способность ядер урана делиться. Ведь все другие элементы, облучавшиеся нейтронами, превращались в более тяжелые ядра, поэтому предполагалось, что и уран должен себя вести так же. С 1935 по 1938 г. ученые пытались разобраться в сложных радиоактивных превращениях при облучении урана нейтронами. Летом 1938 г. Ирен Жолио-Кюри и Павле Савич установили, что при бомбардировке урана нейтронами возникает вещество, очень похожее на лантан. В конце 1938 г. немецкие ученые Отто Ган и Фредерик Штрассман неопровержимо доказали, что при атом образуется барий, т. е. элемент, гораздо более легкий, чем уран. Барий и лантан могли получиться из урана только в результате деления его атомов; так было открыто деление ядер урана. Делиться так могут только ядра тяжелых атомов: тория, урана, плутония. Посмотрите, что происходит с крупными каплями, падающими с крыши. Мелкие капли лишь пульсируют под напором встречного воздушного потока, а самые крупные быстро вытягиваются, становятся похожими на несимметричную гантель с перетяжкой и разделяются на две или несколько дочерних капель. То же самое происходит с крупными ядрами (рис. 2). Попавший в ядро нейтрон образует возбужденное ядро, оно становится неустойчивым и распадается на две, а в редких случаях и на три части. Деление ядер могут вызвать не только нейтроны. Очень быстрые протоны или электроны, g-лучи с высокой энергией также могут вызвать деление ядер. Если налетающая частица обладает энергией в сотни миллионов электрон-вольт, она может вызвать деление даже легких ядер, например ядер атомов кислорода. В наше время уже можно вызвать деление почти любого ядра. Между делением тяжелых и легких ядер очень большая разница: уран делится нейтронами, обладающими ничтожной тепловой энергией, но при этом высвобождается громадная энергия — 200 млн. электрон-вольт от каждого разделившегося ядра! Чем меньше атомный вес элемента, тем больше энергии надо затратить, чтобы разделить его ядро. При делении ядра в атоме серебра выигрыш в энергии сокращается до нуля. Деление ядра в элементах с небольшим атомным номером даст уже не выигрыш, а проигрыш в энергии. В средней части таблицы Менделеева существует область наиболее устойчивых стабильных атомных ядер. Для более тяжелых ядер энергетически выгодно распадаться на более легкие, а для более легких — соединяться в более тяжелые ядра. . На рисунке 3 изображен график энергии связи для каждой частицы всех устойчивых изотопов менделеевской таблицы. Величина энергии связи равна работе, которую надо затратить, чтобы разложить систему на ее составные части. По этому графику можно рассчитать, какое количество энергии выделяется или поглощается при ядерном превращении. Например, для урана-235 энергия связи на один нуклон равна 7,6•106 эв (электрон-вольт), значит, полная энергия связи ядра U235 равна 7,6•106•235»1,8•109 эв. Для ядра, массовое число которого (число нуклонов в ядре) около 120, энергия связи на один нуклон равна 8,5•106 зв и полная энергия связи такого ядра равна 109 эв. Теперь легко подсчитать, что при делении урана-235 на два равных осколка выделится энергия 2•109 эв — 1,80•109 эв ≈2•108 эв. Этот же график показывает, что легким ядрам выгодно соединяться в более тяжелые. Это именно и происходит при термоядерных процессах. Сразу же после того, как было открыто деление урана, физики установили, что оно интересно не только очень большой выделяющейся энергией, но и тем, что при делении возникают вторичные нейтроны. Если, например, разделить ядро 92U238 пополам, получается два ядра палладия 48Pd119. Но в природе существуют только изотопы палладия с массовым числом не более 110. Значит, в каждом из получившихся ядер по 6 «лишних» нейтронов. Эти ядра палладия (осколки деления) будут радиоактивны, а часть нейтронов может при делении сразу же быть отброшенной. Так оно и происходит на самом деле. При делении ядер ура-на-235 отбрасываются в среднем 2,5 нейтрона, «не уместившихся» в разлетающихся осколках. Как только были открыты вторичные нейтроны, стало ясно, что при делении урана возможна цепная реакция. Ведь если один нейтрон вызовет одно деле ние, то следующие 2,5 нейтрона вызовут 2,5 деления и т. д.! Можно было предположить, что стоит взять достаточно большой кусок чистого урана (чтобы доля улетающих наружу нейтронов была невелика), и цепная реакция приведет его к взрыву. Если бы оказалось так, то атомная бомба была бы создана уже в 1939 г. Но ученые установили, что лишь один природный изотоп урана — уран-235 делится при попадании в него любых нейтронов, а этого изотопа в природном уране лишь 0,7% . Основная масса урана — уран-238 делится лишь под действием «быстрых» нейтронов, энергия которых более миллиона электрон-вольт и скорость более 14 000 км/сек. У вторичных нейтронов, испускаемых делящимися ядрами, более высокая энергия. Они могли бы делить и уран-238, но природа подстроила им «ловушку». При столкновении с атомами урана у нейтронов гораздо больше шансов возбудить их и отдать им часть своей энергии, чем разделить. Поэтому в уране-238 вторичные нейтроны хоть и могут вызвать деления, но в небольшом количестве. Цепная реакция развиваться в нем не будет. КАК И ИЗ ЧЕГО ВЕЩЕСТВО ПОСТРОЕНО
|
ПОИСК
Block title
|
