Источники энергии - история и современность (стр. 8 из 9)
Устройство реактора данного типа представлено на рисунке.
Основой реактора служит сфера из нержавеющей стали диаметром около 30 сантиметров, что приближает активную зону к размерам атомной бомбы. Но начало неуправляемой цепной реакции предотвращает механизм саморегулирования (замедление хода реакции из-за увеличения амплитуды колебаний замедлителя и делящегося материала - нейтроны пролетают мимо них, температура понижается, реакция остаётся управляемой).
Делящимся материалом служит раствор сульфата уранила, замедлителем - тяжёлая вода, отражателем - графит высшей химической чистоты. Теплоносителем может служить вода или жидкий натрий.
Аварийная защита реактора аналогична аварийной защите реактора на тяжёлой воде.
Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.
С появлением этого типа реакторов стали возможны такие футуристические проекты, как атомный поезд, атомный самолёт и атомный корабль. В реальность была воплощена только последняя идея
Реактор на быстрых нейтронах.
Реактор на быстрых нейтронах служит не только для выработки энергии, но и для получения ядерного горючего Pu- 239.
Конструкция этого типа реакторов представлена на рисунке.
Стержни из сильно обогащенного U- 235 окружены оболочкой из U- 238, а те, в свою очередь - графитовым отражателем. Замедлитель отсутствует (что следует из названия данного типа реакторов).
Теплоносителем может служить вода или жидкий натрий.
Аварийная защита и управление реакцией осуществляется посредством нескольких бронзовых пластин (или стержней), покрытых кадмием - поглотителем нейтронов.
Кроме U- 238 в качестве материала для оболочки может быть использован Th- 232, из которого можно получать U- 233 - искусственный изотоп, делящийся с выделением энергии при тех же условиях, что и U- 235.
Реактор окружён бетонной защитой толщиной до 3 метров.
Реактор этого типа сможет сыграть значительную роль в энергетике будущего, так как при его работе вырабатывается больше ядерного горючего, чем было загружено перед запуском (поэтому этот реактор называют реактором-размножителем). С внедрением этого реактора в широкое производство электроэнергии человечество будет обеспечено энергией на много столетий вперёд.
4.3 Атомная оружие
Заметка из одной газеты от 30 апреля 1939 года: " Доктор Нильс Бор из Копенгагена заявил, что бомбардировка небольшого количества чистого изотопа урана - 235 медленными нейтронами вызовет " цепную реакцию", или атомный взрыв, сила которого будет настолько громадной, что взлетят на воздух лаборатория и все находящиеся в данной местности сооружения в радиусе многих миль".
Первая атомная бомба была изготовлена в США летом 1945 года ("Тринити"), испытана 16 июня 1945 года на атомном полигоне в пустыне Аламогордо. Мощность этой бомбы была равна 20 кт (единица мощности ядерного и термоядерного оружия: масса взрывчатого вещества тротила, мощность взрыва которого равна мощности взрыва данного ядерного или термоядерного заряда; измеряется в килотоннах (кт) - 1000 тонн тротила и мегатоннах (Мт) - 1000 килотонн тротила).
С изобретением атомной бомбы стало ясно, что крупная война между обладателями этого оружия станет последней в истории человечества. Но атомная бомба была и оружием сдерживания, предотвращения этой войны, так как последствия её применения сознавали все обладатели этого оружия. В целом роль атомной бомбы в истории была неоднозначна; в создании этого оружия есть не только отрицательные, но и положительные стороны.
На рисунках изображены две возможные конструкции атомной бомбы. Первая состоит из двух кусков U- 235, которые, соединяясь, образуют массу больше критической. Для того чтобы вызвать взрыв бомбы, надо как можно быстрее сблизить их. Второй метод основан на использовании сходящегося внутрь взрыва. В этом случае поток газов от взрыва обычного взрывчатого вещества направлялся на расположенный внутри делящийся материал и сжимал его до тех пор, пока он не достигал критической массы, и не начиналась цепная реакция.
Взрыв атомной бомбы произойдёт только тогда, когда масса заряда U- 235 или Pu- 239 будет больше критической массы - массы такого куска делящегося вещества, в котором возможна самоподдерживающаяся цепная реакция. По расчётам, критическая масса заряда приблизительно равна 50 кг, но её могли значительно уменьшить следующими способами: во - первых, выбором подходящей формы заряда (чем больше площадь поверхности заряда, тем больше нейтронов бесполезно излучается в окружающую среду). Наименьшей площадью поверхности обладает сфера, следовательно, сферический заряд при прочих равных условиях будет иметь наименьшую критическую массу.
Во-вторых, критическая масса зависит от чистоты и вида делящихся материалов.
В-третьих, критическая масса обратно пропорциональна квадрату плотности этого материала, что позволяет, например, при увеличении плотности заряда в 2 раза, уменьшить критическую массу в 4 раза.
В-четвёртых, критическую массу можно уменьшить, окружив заряд экраном, хорошо отражающим нейтроны. В качестве такого экрана можно использовать свинец, бериллий, вольфрам, природный уран, железо и др.
Только при выполнении этих условий возможно осуществление неуправляемой цепной реакции - атомного взрыва.
4.4 Энергия термоядерного синтеза
Кроме деления тяжёлых ядер, идущего с выделением энергии, возможен синтез лёгких ядер, при котором выделяется ещё большая энергия. Однако этот синтез может происходить только при очень высокой температуре и давлении. Эти условия необходимы для преодоления кулоновского отталкивания заряженных ядер и сближения их до расстояний, когда начинают действовать силы ядерного притяжения.
В качестве термоядерного горючего используются изотопы водорода - дейтерий и тритий. Первый входит в состав молекулы тяжёлой воды, в небольшом количестве, содержащейся в обычной воде. Второй может быть получен из лития посредством указанной реакции.
Сейчас возможно осуществление только неуправляемая термоядерная реакция (термоядерный взрыв), над осуществлением управляемого термоядерного синтеза (УТС) работают учёные России, США, Японии, Франции, Великобритании. Существующие опытные установки ещё не могут обеспечить начало УТС - зажигания дейтериево-тритиевой смеси, но достигнутые до настоящего времени результаты обнадёживают, и скоро уже будет построена первая промышленная установка, на которой будет осуществляться управляемый термоядерный синтез.
Энергия, выделяющаяся при термоядерной реакции, пропорциональна разности энергии связи синтезированного вещества (в случае с дейтерием и тритием это гелий) и энергии связи исходных веществ (дейтерия и трития). Коэффициент пропорциональности равен скорости света в квадрате.
В целом, УТС является весьма выгодным, дешёвым, экологически чистым способом получения энергии. КПД теоретической термоядерной электростанции (ТЯЭС) будет достигать 38% - что является достаточно высоким показателем.
4.4.1 Установки управляемого термоядерного синтеза (УТС)
Основные направления развития УТС идут по двум путям: УТС в ТОКАМАКАХ и лазерный УТС.
ТОКАМАК - аббревиатура, предложенная русскими учёными, расшифровывается как ТОРидальная КАмера с МАГ (К) нитным полем. Возможно, из соображений благозвучия Г заменено на К.
ТОКАМАК представляет собой трансформатор, первичная обмотка которого не имеет каких - либо существенных особенностей, вторичной "обмоткой" является шнур ионизированной смеси дейтерия и трития. Дополнительными катушками продольного поля осуществляется удержание плазмы в нужном состоянии. Так как плазма является вторичной "обмоткой", то в ней индуцируется ток, который и осуществляет подогрев плазмы до требуемой температуры. На крупнейшей установке этого типа - "ТОКАМАК-15" - расположенной в России, возможно удержание плазмы в течение нескольких секунд, и для "зажигания" дейтериево-тритиевой смеси требуется только повышение температуры и давления всего на несколько порядков.
Другим способом осуществления УТС является лазерный УТС. Схема этого способа представлена на рисунке. Сначала идёт облучение DT-мишени, затем следует сжатие мишени и её микровзрыв с выделением большого количества энергии. В целом этот способ перспективен и может быть использован в том случае, когда будут сконструированы лазеры с высоким КПД. Разработка этого способа осуществления УТС также ведётся во многих странах мира, построены установки для проведения опытов с лазерным управляемым термоядерным синтезом, в том числе и в нашей стране. Лазерный УТС будет весьма эффективен после создания мощных лазеров с высоким КПД (КПД современных лазеров большой мощности едва достигает 5%).
4.4.2 Мюонный катализ
Мюонный катализ управляемой термоядерной реакции является альтернативным вариантом двум приведённым выше способам. С помощью мюонного катализа можно не создавать поистине "звёздные" условия для проведения УТС. В чём же заключён этот способ? Всё дело в мезонах. Мю-мезон, неся заряд, равный заряду электрона, тяжелее его более чем в 250 раз, из-за чего мезонная молекула имеет меньший диаметр, вследствие чего возможно сближение ядер мезонной и обычной молекул до расстояний, когда начинают действовать силы притяжения: ядро мезонного атома водорода и ядро атома дейтерия соединяются в одно - происходит синтез, сопровождающийся выделением энергии.