§ XV.3. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГЕТИКА

Ядерное деление.

В конце 30-х годов итальянским ученым Э. Ферми и немецким ученым О. Ганом было открыто деление ядер урана при облучении нейтронами, а советскими учеными Петржаком и Г. Флеровым — самопроизвольное деление ядер урана. Реакция деления урана сопровождается выделением громадного количества энергии. Например, при делении 1 кг урана по реакции

выделяется энергия, эквивалентная энергии реакции горения 2 млн. кг угля.

Как видно из уравнения, в процессе реакции увеличивается число нейтронов, которые в свою очередь могут вызвать новые деления ядер, т. е. возникает цепная ядерная реакция — ядерный взрыв. Разветвленная ядерная реакция осуществляется в атомной бомбе.

Атомные реакторы.

Число нейтронов, способных к продолжению ядерной реакции, можно регулировать введением в реакционный объем стержней, замедляющих или поглощающих нейтроны. При этом ядерная реакция становится управляемой и используется в атомных реакторах для получения электрической энергии на электростанциях (АЭС), электрической и тепловой энергии на атомных теплоцентралях, электрической и механической энергии на транспортных объектах (атомоходах).

Основным ядерным топливом в атомных реакторах служит уран-235, способный к ядерному делению при облучении нейтронами, имеющими определенную скорость движения. Обычно в атомных реакторах используется диоксид урана Кроме того, в качестве ядерного топлива могут быть использованы плутоний-239 и уран-233.

В природном уране содержится 99,3% урана-238 и лишь

урана-235. При таком соотношении изотопов цепная ядерная реакция не развивается. Для обеспечения протекания ядерной реакции природный уран обогащают ураном-235, примерно до 3%. Так как содержание урана-235 в природе невелико, то при ускоренном развитии атомной энергетики природные запасы его могут быстро истощиться. Однако учеными открыты ядерные реакции, в результате которых выделяется энергия и вырабатывается новое ядерное топливо, например:

Образующиеся в результате реакций плутоний-239 и уран-233 могут использоваться для получения атомной энергии.

Процесс воспроизводства ядерного горючего осуществляется в атомных реакторах — размножителях. На пути их создания встретились многие технические трудности, при решении которых значительно расширяются ресурсы ядерного сырья. В этом случае атомную энергию будут применять не только для выработки электрической энергии и для теплофикации, но и для получения тепловой энергии, необходимой для технологических нужд различных производств.

Атомная энергетика получает все более широкое применение, так как обеспечивает экономию органического топлива и соответственно снижает загрязнение окружающей среды, вызванное сжиганием природного органического топлива. Вместе с тем в процессе работы ядерных реакторов накапливается значительное

количество радиоактивных продуктов ядерных реакций. Поэтому очень важное значение имеет биологическая защита реакторов, регенерация и утилизация ценных продуктов реакций, удаление и захоронение радиоактивных отходов атомных реакторов.

Термоядерный синтез.

Энергия может быть получена не только при делении тяжелых ядер, но и при слиянии легких ядер, при этом возникает дефект массы. За счет реакции слияния легких ядер выделяется энергия на Солнце. Реакция слияния легких ядер получила название ядерного синтеза. Некоторые реакции ядерного синтеза приведены ниже:

Как видно, при протекании ядерного синтеза выделяется громадное количество энергии, которое в миллиарды и десятки миллиардов раз превышает количество энергии, выделяемое при горении органического топлива. Особенно энергетически выгодны реакции (1) и (4). Следует также отметить, что продукты ядерного синтеза, как правило, не радиоактивны.

Однако такие реакции могут осуществляться при очень высоких температурах, составляющих миллионы градусов, поэтому они называются термоядерными. Например, для реакции (1) необходима температура 40 млн. градусов. Для достижения таких высоких начальных температур требуется специальный источник энергии, например энергия мощных лазеров. Очень трудной является также задача ограничения реакции в пространстве. Если удастся преодолеть эти трудности, человечество получит практически неограниченный источник энергии.