1631124647-66d575907c0c0646a184b8c463ba4648 (848584), страница 25
Текст из файла (страница 25)
Напомним, что легкий изотоп менее устойчив(период полураспада около 0,7 млрд. лет против 4,5 млрд. для 238 U). Процент 235 U современем падает. И, значит, в прошлом он был больше. Два миллиарда лет назад доля235U была приблизительно 3,7%, т.е. состав урана был примерно тот же, как сейчас втвэлах атомных электростанций. В 1956 г. П. Курода предсказал возможность самопроизвольных цепных реакций в богатых урановых месторождениях в далеком прошлом,в присутствии воды, замедляющей нейтроны. Как водится, никто не поверил.Однако в 1972 г. в Габоне (Западная Африка) был открыт естественный ядерный28Проект хранилища Юкка-Маунтин в США предусматривает безопасное размещение отработанногоядерного топлива на период 10000 лет; в первые 300 лет предусматривается мониторинг.Глава 2.
СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВА90реактор. Добытая там урановая руда перерабатывалась во Франции (Габон – это бывшая французская колония). Поскольку уран добывают не для развлечения, а с цельюконцентрации 235 U, содержание этого изотопа постоянно проверяется, в том числе этомера против воровства и терроризма. И вот заметили, что в некоторых пробах легкого изотопа нехватает (0,717% вместо 0,72). Вначале предполагалось загрязнение рудыобедненным ураном (из «хвостов» переработки). Когда эта возможность не подтвердилась, рассматривались в том числе и такие гипотезы, как занесение отработанногоурана из реакторов, построенных древними цивилизациями либо инопланетянами.
Наконец, расследование показало, что «дефектный» уран прибывал с месторождения Окло. Месторождение состоит из ряда «линз» руды (каждая поперечником порядка 10 ми толщиной до метра), причем некоторые представляют собой почти чистую UO2 . Примерно таковы размеры активной зоны реакторов, созданных человеком. Около 2 млрдлет назад урановая руда собралась на дне древней реки в достаточной концентрации.Вода, проникая в трещины и поры руды, замедляла нейтроны и обеспечивала цепнуюреакцию.
При чрезмерном росте мощности вода выкипала, замедление ослабевало и реакция гасилась. Таким образом реакторы саморегулировались; всего в месторожденииобнаружено 15 реакторных зон.Работал реактор порядка полумиллиона лет при очень малой средней мощности(десятки кВт). В некоторых линзах выгорание 235 U достигало 40%. Сейчас осколкиделения почти полностью распались. Следов вредного влияния радиации в округе необнаружено. Правда, есть мнение, что современная жизнь зародилась именно тогда ичто реактор мог этому способствовать. К концу 1998 года месторождение выработано, итолько небольшая часть реакторной зоны № 2 сохранена в виде природного памятника.Известен еще один естественный реактор в Бангомбе (30 км от Окло, одна реакторнаязона).
Его судьба (на 1997 г.) зависела от решения французского правительства: надобыло выкупить месторождение за 3,5 млн долларов у владельца.2.6.3Термоядерные реакцииЕсли в ядерных электростанциях и атомных бомбах извлекается по сути электрическаяэнергия (спуск с «кулоновского склона» долины устойчивости при распаде тяжелогоядра), то в термоядерных реакциях уже дело идет о настоящей ядерной энергии, тоесть работе ядерных сил притяжения.
Топографически это соответствует очень крутомуобрыву в долину устойчивости со стороны легких ядер. Происходит синтез ядер из болеелегких.Простейшая реакция синтеза – это образование дейтона:1H + n → 2H(2 H также обозначается D). Выделяется 2,2 МэВ (энергия связи) и, значит, выход наединицу массы примерно тот же, что в реакции деления (≈ 1 МэВ/нуклон). Энергия2.6. Атомная энергетика.
Термоядерные реакции91связи выделяется в виде γ-кванта.Слияние легких ядер. Строго говоря, нейтрон – это не ядро. Настоящая реакциясинтеза из ядер, например, такая:2H + 3 H → 4 He + n (+ 17,6 МэВ) .3H – это тритий (T). Здесь выделяется 17,6/5 = 3,5 МэВ/нуклон. Эта реакция идетсравнительно легко и сейчас выглядит перспективной для управляемого синтеза.Слиянию ядер препятствует электрическое отталкивание.
Ядра надо столкнуть достаточно энергично, чтобы преодолеть кулоновский барьер и сблизить их на 10−13 см,куда уже достают ядерные силы притяжения. Не обязательно для этого разгонять ихдо энергии в МэВ, так как ядра – волны и могут проникать под барьер. Считаетсядостаточной температура в 10 кэВ, или 100 млн. градусов. По нашим масштабам этотоже горячо, поэтому реакции синтеза и называют термоядерными.С ростом заряда исходных ядер растет кулоновский барьер, а выигрыш в энергиисвязи падает. Поэтому эффективен может быть только синтез из ядер с минимальнымизарядами – изотопов водорода и, может быть, 3 He.
По той же причине термоядерныебомбы называют еще водородными.В реакции 1 H + n → 2 H кулоновского барьера нет вообще, так как нейтрон не заряжен. Захват нейтрона происходит, например, в воде с образованием HDO и D2 O наядерных реакторах (отчего несколько снижается реактивность).
Но нейтроны нестабильны, поэтому их нельзя накапливать в виде некого «вещества» для переделки вдейтоны. Только в работающих ядерных реакторах нейтроны имеются в заметных количествах; уже говорилось и о других «синтезах» с захватом нейтрона, которые вносятизвестный вклад в общее энерговыделение реактора.Водородная бомба. Еще в апреле 1943 г. в Лос-Аламосе велась проработка термоядерного оружия. Правда, работа в то время имела низкий приоритет, и это направлениеотдали Э. Теллеру, как самому неуправляемому сотруднику теоретического отдела (которым руководил Г. Бете).После удачного создания атомных бомб началась гонка вооружений.
29 августа 1949г. прошло успешное испытание атомной бомбы в СССР. Почти сразу воздушная разведка США обнаружила в атмосфере следы этого ядерного взрыва. Бомба, как теперьизвестно, была практически копией американской (в Лос-Аламосе работало несколькоинформаторов). Однако потенциал СССР был достаточен и для изготовления оригинальных конструкций.Мощность атомной бомбы ограничена (с ростом массы заряда падает кпд) на уровнесотен килотонн. Наоборот, синтез идет тем лучше, чем крупнее бомба.
Явилась идеяиспользовать атомный взрыв для создания высоких температур, необходимых для термоядерного взрыва. Активнее других в США действовал Теллер, в СССР основнойвклад принадлежит Сахарову, Зельдовичу и Тамму.В 1951 г. в США проведено первое испытание с заметным выделением термоядер-92Глава 2. СТРОЕНИЕ ВЕЩЕСТВАной энергии. Дейтерий и тритий были в жидком состоянии, и из-за малой вообще плотности жидкого водорода изделие имело размер железнодорожного вагона.
Во второмиспытании – «Майк», атолл Эниветок, 1 ноября 1952 г.) выделилась энергия 3 Мт (подругим данным 20 Мт). Была создана параллельная Лос-Аламосской структура (Ливерморская лаборатория им. Лоуренса) для ускорения работ по водородным бомбам, иначалась работа по транспортабельной конструкции.12 августа 1953 г. произведено советское испытание водородной бомбы («слойка» Сахарова). По предложению И. Гинзбурга, взрывчатым материалом был дейтерид лития-6(LiD) – твердое вещество, не требующее криогенных операций. Идет такая цепь реакций:6Li + n → 4 He + 3 H + 4,785 МэВ ,2H + 3 H → 4 He + n + 17,590 МэВ .Тритий делается прямо в бомбе из лития и нейтрона.
Первые нейтроны дает атомный взрыв, а остальные берутся из второй реакции синтеза. Слои LiD чередовалисьсо слоями урана-238. При высоких температурах взрыва тепло распространяется оченьбыстро (излучением). Поэтому температура выравнивается раньше, чем давление (впротивоположность нашему житейскому опыту). Уран имеет 92 электрона и, когдаполностью ионизуется, дает 93 частицы. Все они «давят» и сжимают слои термоядерного топлива, облегчая реакцию. К тому же часть 14–МэВ нейтронов расшибает ядраурана, с выделением энергии распада.«Сухая» бомба опередила американцев, хотя основные идеи в США были высказаны раньше. Частично опережение можно объяснить тем, что американцы больше силизрасходовали на совершенствование ядерных бомб и на криогенные конструкции.Современные водородные бомбы основаны на «третьей» идее.
Как сейчас известно,это идея имплозии (сжатия внутрь) термоядерного заряда. Атомная бомба взрываетсяне внутри основного заряда, а рядом. Излучение взрыва нагревает и испаряет поверхность заряда. Возникает реактивная сила, сжимающая вещество. При остановке сжатияпроисходит сильный нагрев, и зажигается реакция.Бомба может иметь также внешнюю урановую оболочку для более полной реакции,дополнительного энерговыделения и эффективного заражения местности.
1 марта 1954г. на атолле Бикини была испытана такая трехступенчатая бомба. Из-за непредвиденнойсмены направления ветра под радиоактивный след попали японские рыбаки, один изкоторых вскоре умер. Сейчас на вооружении стоят в основном «чистые» бомбы, таккак точность средств доставки стала очень высокой и поражать большие территориине нужно (радиация опасна и для нападающей стороны).Советская бомба, основанная на «третьей идее», испытана осенью 1955 г. под Семипалатинском. 30 октября 1961 г. на Новой Земле взорвана 50-Мт бомба.Реакции в звездах. Термоядерные реакции обеспечивают энерговыделение и светимость звезд.
![](https://s.studizba.com/z.php?f=/templates/si/i/noavatar.png&w=100&h=100&t=1"){kind=avatar}
