Физика (стр. 47 )

Нарастающая цепная реакция деления ядер урана используется в устройстве атомной бомбы (рис. 5.2.1).

 

Рис. 5.2.1

В металлическом корпусе К на некотором расстоянии расположены два урановых заряда У. Каждый из них имеет массу, меньшую критической. Заряды окружены оболочкой О из бериллия, отражающего нейтроны. Приведение бомбы в действие производится при помощи заряда взрывчатого вещества З, который, взрываясь в нужный момент, соединяет урановые заряды в одну общую массу. Время взрыва – миллионные доли секунды, температура ~, давление ~.

Можно осуществить и управляемую цепную реакцию деления ядер урана . Для этого необходимо регулировать количество нейтронов, которые, освободившись при делении ядер, могут вызвать деление ядер соседних атомов. Для этого применяют искусственное поглощение нейтронов веществами, помещенными для этой цели внутрь массы урана . Поглотителями нейтронов служат кадмий, карбид бора и др.

Однако получение энергии для промышленных целей посредством управляемой реакции деления ядер урана экономически невыгодно, так как в природном уране его мало. Необходимо использовать в качестве «горючего» уран , который составляет основную массу природного урана. Ядро урана способно к делению только под действием нейтронов с высокой энергией (2 – 3 МэВ). (Медленные нейтроны поглощаются ядром , превращая его в радиоактивный изотоп , который, испуская электрон, превращается в новые элементы: изотопы нептуния и плутония. Плутоний обладает способностью к делению, как и уран .)

Большое количество нейтронов с высокой энергией получить затруднительно, поэтому ученые пошли другим путем: стали использовать замедление быстрых вторичных нейтронов до скоростей теплового движения. Замедленные нейтроны лучше поглощаются ураном , чем ураном . В этом случае становится возможной незатухающая реакция с природным ураном, в котором имеется . Для этого тонкие стержни из природного урана помещают в виде редкой решетки в замедлитель (рис. 5.2.2), в качестве которого используются вещества, слабо поглощающие нейтроны (графит, тяжелая вода, бериллий). Если в одном стержне произошло деление ядра урана, то быстрые вторичные нейтроны влетят в замедлитель, где замедлятся до тепловых скоростей. В таком состоянии они скорей всего поглотятся ураном , нежели ураном , и вызовут новые деления ядер.

Для регулирования реакции в нескольких местах замедлителя вставляются подвижные стержни Н из поглотителя нейтронов, которые прекращают реакцию. Для пуска блока стержни Н следует выдвинуть.

 

Рис. 5.2.2

Энергия, вырабатываемая в урановых стержнях, является главным образом кинетической энергией осколков, которая при соударении осколков с окружающими частицами превращается в тепловую. Урановые стержни разогреваются до 500–600°С. Урановые стержни – полые. По ним циркулирует охлаждающая жидкость (например, вода под давлением с температурой кипения 309°С). Охлаждающая жидкость отводится в парообразователь для дальнейшего использования тепла. Таков принцип работы атомного реактора.

5.2.4. Термоядерные реакции

Несколько слов о термоядерных реакциях. Общая внутренняя и потенциальная энергия свободных частиц больше, чем энергия этих же частиц в условиях, когда они образуют ядро атома, т. е. когда они связаны ядерными силами. Разность между этими силами называется энергией связи ядра и численно равна работе, которую надо совершить внешними силами, чтобы разъединить эти частицы, т. е. разрушить ядро. Эта работа переходит в потенциальную энергию свободных частиц, поэтому их общая энергия больше. Отсюда следует, что при образовании ядра атома из свободных частиц – протонов и нейтронов – или при укрупнении ядер легких элементов должна выделиться энергия связи, очень значительная по величине.

Однако для осуществления подобной реакции следует предварительно, преодолевая силы электростатического отталкивания между протонами, сблизить их на расстояние действия ядерных сил. Чтобы преодолеть кулоновское отталкивание, ядра с порядковыми номерами и должны обладать энергией , где – радиус действия ядерных сил. Даже для самых легких ядер () эта энергия составляет примерно . На долю каждого сталкивающегося ядра приходится половина этой величины. Средней энергии теплового движения, равной , соответствует температура . Однако синтез легких ядер может протекать и при значительно меньших температурах. Дело в том, что из-за случайного распределения частиц по скоростям всегда имеется некоторое число ядер, энергия которых значительно превышает среднее значение. Поэтому некоторые термоядерные реакции могут протекать с заметной интенсивностью уже при температурах порядка .

Особенно благоприятны условия для синтеза ядер дейтерия и трития (тяжелого и сверхтяжелого водорода). Именно эти вещества образуют заряд водородной (или термоядерной) бомбы. Запалом в такой бомбе служит обычная атомная бомба, при взрыве которой возникает температура . Реакция синтеза дейтерия и трития:

сопровождается выделением энергии , что составляет примерно на нуклон. Для сравнения: при делении ядра урана высвобождается примерно на нуклон.

В водородной бомбе термоядерная реакция носит неконтролируемый характер. Для осуществления управляемых термоядерных реакций нужно создать и поддерживать в некотором объеме температуру порядка . При столь высокой температуре вещество представляет собой полностью ионизированную плазму. Но соприкосновение плазмы со стенками сосуда приведет к ее остыванию. Кроме того, стенка из любого вещества при такой температуре немедленно испарится. Советские физики и предложили удерживать плазму в заданном объеме с помощью магнитного поля. Высокую температуру в плазме получают, пропуская через нее очень сильный электрический ток. Магнитное поле этого тока сжимает разрядный канал, отрывая плазменный шнур от стенок канала. Действительно, как следует из рис. 5.2.3, лоренцева сила , действующая на любой движущийся вдоль плазменного шнура заряд, имеет направление к оси шнура. Чтобы избежать необходимости удерживать плазму от соприкосновения с концами канала, применяли разрядные трубки в виде тороида.

 

Рис. 5.2.3

К сожалению, плазменный шнур оказался очень неустойчивым, и пока удается удерживать плазму от соприкосновения со стенками разрядной трубки в течение очень короткого времени. Достигнутые таким путем температуры (порядка ) также недостаточны для возникновения реакции синтеза.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза даст человечеству практически неисчерпаемый источник энергии, поэтому работы по овладению управляемыми термоядерными реакциями ведутся во многих странах.