5.8. Ядерные реакции

Ядерные реакции осуществляются при бомбардировке атомного ядра нейтронами, протонами, электронами или ядрами других элементов, сопровождающиеся изменением состава ядер. Если радиоактивный распад осуществляется самопроизвольно, то ядерные реакции происходят при воздействии на ядро извне. Реакция деления атомных ядер используется для получения энергии на атомных электростанциях и в различных видах ядерного оружия. Практическое значение имеют три радионуклидаи. Последний иногда называют оружейным плутонием. Схема ядерного деления, сопровождающаяся выделение энергии в форме теплоты и электромагнитного излучения, представлена на рис. 57.

Рис. 57. Цепная реакция деления урана-235. Деление одного ядра под действием нейтрона сопровождается выделением нескольких нейтронов, которые в свою очередь вызывают деление новых ядер урана-235

Уран-235 делится различными способами, например, возможно такое деление:

+  ++ 2

Делящегося металла должно быть такое количество и его атомы должны быть на таком расстоянии, чтобы нейтроны имели возможность, сталкиваясь с ядрами, продолжить цепное деление.

Атомная бомба

В атомной бомбе атомный взрыв достигается двумя способами (рис 58).

Рис. 58. Схема устройства атомной бомбы (по Э. Дж Холлу «Радиация и жизнь»)

В одном случае заряд бомбы состоит из двух субкритических масс радиоактивного вещества, урана-235 или плутония-239. Когда массы уранового заряда соединяются практически мгновенно вместе, образуется критическая масса металла. В таком количестве массы происходит неконтролируемая цепная ядерная реакция деления – атомный взрыв (рис. 58, а). В случае атомного заряда, представленного на рис. 58, б, критическая масса достигается при сжатии урана или плутония.

Размер атомных бомб, сброшенных на японские города, невелик. Одна из них («Малыш») была длиной 3,1 м и диаметром 70 см, содержала урановый заряд. Другая («Толстяк») имела длину 3.2 м и диаметр 1.5 м и содержала плутониевый заряд. Атомными бомбами было уничтожено население и здания двух городов (Хиросима и Нагасаки). Оставшиеся в живых люди подверглись радиоактивному облучению.

Атомная электростанция

Атомная электростанция работает в условиях контролируемой и управляемой цепной реакции деления урана-235, идущей в ядерном реакторе. В отличие от атомной бомбы, в которой делящимся веществом является металлический уран-235 или плутоний-239, в ядерном реакторе используется оксид урана UO₂, содержащий изотопы: уран-238 (~ 97%) и уран-235 (~ 3%).

Делящимся веществом является уран-235. Каждый акт деления сопровождается выделением энергии. Температура повышается в результате увеличения скорости разлетающихся продуктов (осколков деления). Масса образовавшихся продуктов деления лишь немного меньше массы исходного делящегося урана-235. Уменьшение массы сопровождается выделением эквивалентного исчезнувшей массе количества энергии в форме теплоты и электромагнитного излучения.

В соответствии с законом сохранения массы-энергии:

Е = mc²,

можно оценить количество энергии, которое выделяется в ядерной реакции деления. Уменьшение массы вещества на 1 г эквивалентно выделению энергии в количестве:

Е = mc² = 110^3 кг (310⁸)² м²с^2 = 910¹³ Дж.

Для сравнения такое же количество энергии в форме теплоты выделится при сжигании 3000 т каменного угля, содержащего 93 мас.% углерода:

С(т) + О₂(г)  СО₂; △Н = 393.5 кДж/моль.

или 3000 т.

Отступление. Чтобы иметь представление о современной атомной электростанции, рассмотрим некоторые особенности ее устройства (рис. 59).

Защитная бетонная оболочка

Рис. 59. Схема реактора атомной электростанции

Стальной реактор высотой 21 м и шириной 9 м с толщиной стенок 20 см закрыт бетонной защитной оболочкой, исключающей выход потока нейтронов и -излучения в окружающую среду. Внутри реактора располагаются тепловыделяющие элементы и стержни управления и защиты. Реактор заполнен водой – замедлителем быстрых нейтронов (медленные нейтроны вызывают деление урана-235). Вода выполняет также функцию теплоносителя.

Тепловыделяющие элементы (твэлы) длиной 3.7 м представляют собой герметично закрытые трубки диаметром 10 мм из сплава циркония, заполненные таблетками (размером с наперсток) оксида урана UO₂. Всего в реактор помещают массу ядерного топлива, содержащуюся в 40 000 – 50 000 стержней. В такой массе осуществляется самоподдерживающаяся цепная реакция деления.

Контрольные стержни из самария Sm, европия Eu или гадолиния Gd (f-элементы) предназначены для поддержания стационарной работы ядерного реактора. Они захватывают медленные нейтроны и не позволяют развиваться неконтролируемому цепному делению урана-235 и перегреву ядерного реактора. В случае аварийной ситуации или при остановке реактора для замены отработанных твэлов контрольные стержни погружают в пространство между твэлами для полного поглощения нейтронов.

При эксплуатации атомных электростанций существуют проблемы, связанные с авариями. Такие аварии произошли в США (1979 г.) и в СССР (крупнейшая авария на Чернобыльской АЭС, 1986 г.). Существуют серьезные проблемы с переработкой и хранением радиоактивных отходов, большинство из которых (после выделения из отходов урана и плутония) имеют период полураспада не превышающий 30 лет.

Период полураспада t_1/2 – время, необходимое для превращения половины любого заданного количества вещества. Скорость распада радиоактивного вещества подчиняется уравнению реакции первого порядка. Например, радиоактивный распад каждого ядра тория-232 сопровождается испусканием -частицы:

Th-232  Ra-228 + -частица

Специальное устройство (счетчик Гейгера) позволяет регистрировать -частицы и измерять скорость радиоактивного распада:

или .

.

При интегрировании получаем: ,

где N₀ – исходное число ядер тория-232 в момент времени t = 0;

N – число ядер, не распавшихся по истечении времени t; k – константа радиоактивного распада

Так как t = t_1/2, если N =N₀/2, то между константой скорости радиоактивного распада и периодом полураспада существует следующее соотношение:

или t_1/2 = 0.693/k.

Период полураспада тория-232 можно определить, не дожидаясь, когда распадется половина ядер радионуклида. Например, если счетчик Гейгера регистрирует 57 -частиц, испускаемых в минуту образцом, содержащим 10^6 моль соединения тория-232, то

 = kN₀

57 = k 10^66.0210²³, где 6.0210²³ – число Авогадро

k = 9.468 10^17 мин^1

t_1/2 = 0.693/9.468 10^17 мин или 1.410¹⁰ лет.

Практика эксплуатации ядерных реакторов показала, что атомная электростанция мощностью 1000 МВт потребляет в год 175 т урана. Такой же мощности тепловая электростанция сжигает 2 млн т угля.