История урана на Земле и влияние распада урана на состояние Земли

Размещено на http://www.allbest.ru/

История урана на Земле и влияние распада урана на состояние Земли

земля топливо глобальный

1. Энергетические ресурсы Земли и место них ядерной энергетики

Классическим объяснением возникновения Земли является образование ее из материала, отторгнутого от Солнца, возможно, под гравитационным воздействием прошедшей близко Звезды. Исторгнутый из Солнца материал первоначально находился в газообразной форме, затем конденсировался в жидкость постепенно отвердевающей поверхностью, образующей земную кору. В настоящее время такой взгляд на происхождение Земли представляется малооправданным , так как элементы, из которых состоит Земля (Fe, Ca, Mg, Al и т.д) , не входят в состав звезд подобных Солнцу. Планеты, такие как Земля, в действительности составляют некое исключение в коллекции галактических материалов, содержащей в основном водород и гелий. Для создание тяжелых элементов, таких как углерод и неон , в реакции синтеза из легких элементов, требуется температура 200 млн , а для еще более тяжелых элементов ( Fe, Co, Ni и т.д ) 4500 млн . Таких температур в Солнце нет, но предполагается , что они могут быть в «сверхновых», т.е при мощнейших взрывах гигантских звезд, прекращающих свое существование .

Современные теории утверждают, что образование планет было двух стадийным процессом. На первом этапе вокруг Солнца образовалась туманность (подобно кольцам Сатурна, состоящим из газов и твердых частиц). Существует несколько теорий этого процесса. Например, туманность могла образоваться в результате взаимодействия Солнца с взорвавшейся рядом звездой или при прохождении Солнца через облако межзвездной пыли, часть которого была захвачена гравитационным полем Солнца. На втором этапе произошло образование планет из этой туманности. Предполагается, что это осуществилось в результате постепенного слипания космической пыли в твердые шары, ставшие планетами. Таким образом, современные теории видят начальную Землю в твердом и холодном состоянии противовес классической теории, согласно которой Земля была сначала расплавленным телом, постепенно охлаждающимся затвердевающим.

В современной теории необходимо определить механизм расплавления центра Земли, и объяснение этого лежит в поведении радиоактивных материалов в толще Земли.

Некоторые изотопы химических элементов являются неустойчивыми и подвергаются различным распадным процессам. При распаде изотопа с испусканием излучения, вновь образующиеся ядра также могут оказаться неустойчивыми и, в свою очередь, распадутся. В конце - концов, образуется стабильное ядро, но прежде чем это будет достигнуто, произойдут многоступенчатые переходы ядер одно в другое. Получающиеся при этом распадные цепочки могут быть очень длинными для изотопов с массами атомов выше 200.

Распадные процессы приводят к образованию тепла по мере поглощения испускаемого излучения. Изотопы урана присутствовали в твердой пыли, из которой образовалась Земля, так же как и многие другие неустойчивые радиоактивные изотопы, например, изотоп калий - , медленно распадающийся в с испусканием Другие неустойчивые ядра, которые могли присутствовать в космической пыли, это . Все процессы радиоактивного распада ведут высвобождению тепловой энергии в земных материалах. Важным параметром, определяющим скорость высвобождения тепловой энергии в этих процессах, является период полураспада нестабильного ядра. Период полураспада - это продолжительность временного интервала, требующегося для того, чтобы распалась половина радиоактивных ядер; через два периода полураспада останется только четверть начального количества ядер, через три периода - одна восьмая и т.д. После десять периодов полураспада сохранится лишь около 0,1% начального материала. Периода полураспада изотопов составляют 4500 млн. и 700 млн. лет соответственно. Период полураспада равен 1300 млн. лет. Другие ядра, бывшие в изобилии в начальном материале Земли, а именно и имеют периода полураспада в 0,7 и 6 млн. лет соответственно.

Хотя распад этих ядер осуществляется крайне медленно, за время существования Земли (4500 млн. лет - сопоставимо с периодом полураспада ) произошло очень большое число распадов. Тепло, выделенное при радиоактивном распаде , могло покинуть Землю, только достигнув земной поверхности посредством теплопроводности и излучившись в космос посредством тепловой радиации. Однако скорость теплопередачи от внутренней части Земли к ее поверхности очень мала. Поэтому, хотя внешняя поверхность Земли поддерживалась при низкой температуре , температура внутренней ее части продолжала увеличиваться и привела расплавлению материала центра Земли. Предполагается, что этот процесс осуществлялся очень быстро. По мнению Littleton-a весь материал центра Земли был расплавлен в сравнительно короткое время, возможно, за минуты, максимум, за несколько часов. Единственной не расплавившейся частью осталась земная кора, охлаждающаяся тепловым излучением в космическое пространство.

Предполагается, что расплавление центра Земли привело к уменьшению ее радиуса примерно на 100 км. Это в свою очередь вызвало катастрофические смещения пластов земной коры и образование гор, что на первый взгляд может показаться удивительным, поскольку большинство материалов при расплавлении расширяются (за исключением воды, которая сжимается). Однако жидкость более сжимаема, чем твердое тело, а все материалы Земли испытывают мощное гравитационное давление (3,5 млн. атом), сжало жидкость в меньший объем. Со времени первоначального расплавления радиус расплавленной зоны увеличивался. Земля продолжала сжиматься, и это сопровождалось сдвигами земной коры, образованием новых гор. Радиоактивный разогрев Земли создал тепловой источник огромной величины. Использование геотермального источника энергии является одним из путей решения энергетических проблем человечества.

Температура центра Земли оценивается 4000, однако из-за теплоизоляционных свойств твердой земной коры тепло отвод от центра Земли к ее поверхности осуществляется очень слабо - со скоростью в 0,06 на земной поверхности. Это соответствует полной тепловой утечке в 8* и составляет очень малую долю тепла, аккумулированного Земле m.o=Естественный выход тепла из Земли равен ~ 3* или (3*). Для сравнения полное мировое потребление электроэнергии составляет 570 ГBm (0.57*), а энергия, получаемая от Солнца, равна 173* ГBm (1,73*).

Энергии, получаемой от Солнца и проходящей от центра Земли, вполне достаточно для поддержания жизни и деятельности человечества. Проблема состоит не в недостатке энергии, а в экономном использовании энергии этих источников. Рассмотрим потоки тепла от Земли и к Земле.

Геотермальный и солнечный источники энергии сильно рассеяны по земному шару и требуют огромных капиталовложений для их использования.

В настоящее время мировая энергетика базируется в основном на использовании органического топлива. В общем энергетическом балансе доля нефти и газа составляет приблизительно 50%, а угля - 35%. И только 15% приходится на долю атомных электростанций, гидроэнергетики и других источников. Однако уже сегодня серьезной проблемой является истощение запасов органического топлива. Темпы роста потребления энергии человеком таковы, что запасов традиционных энергетических ресурсов, таких, как органическое топливо окажется недостаточно уже в следующем столетии. При большом и всевозрастающем объеме современной энергетики существует огромная неравномерность потребление энергии. Если в передовых странах потребление энергии составляет 7-10 kBm на душу населения, то в среднем во всем мире - 2 kBm. Однако всего населения земного шара потребляет 0,45 kBm и почти 400 млн. человек - всего 0,1 kBm. Последняя цифра соответствует энергопотреблению первобытного человека. Тенденция непрерывного уменьшение потребностей человечества в энергии усиливается по мере того, как развивающиеся страны начинают испытывать потребность в стандарте жизни, достигнутом индустриализованными станами. Природные виды топлива (уголь, газ, нефть) ограниченные по запасам, непреложный закон природы - исчерпаемость запасов ископемова топлива и что еще важнее, в силу вступает закон невозобновимости нефти и угля. Ведь уголь концентрирует в себе солнечную энергию, накопленную растениями за 500 млн. лет.

Однако мы расходуем этот природный дар настолько быстро, что огромные запасы в недрах Земли быстро оскудевают, истощаются. Сокращение топливных запасов заставляет человека добывать полезные ископаемые из пластов, которые лежат не на самой поверхности или вблизи нее. Такая добыча требует большего труда, а это приводит к удорожанию производства энергии. Кроме того, повышенная сернистость, зольность тоже приводит к резкому удорожанию и сложности их добычи. Таким образом, добыча органического топлива может оказаться неэкономичной. Экологическое воздействие этого вида энергетики уже сейчас оценивается весьма отрицательно. Огромное количество отходов, загрязнение атмосферы; расходы, связанные с добычей топлива, дорогами для его перевозки и перевозкой; большие территории, занятые добычей и производством топлива. Существуют оценки среднего возрастания глобальной температуры, обусловленного выбросом при сжигании ископаемого топлива. При умеренном темпе роста производства энергии (2% в год), но без снижения темпа роста использования угля к 2100 г средняя температура возрастет, согласно прогнозу, на 2,5 градуса, что вызовет крайне нежелательные климатические изменения. Таким образом, как по запасам органического топлива, так и по экологическому воздействию «органическая» энергетика может быть «долгосрочной».

Непрерывный рост потребностей в энергии, трудности с извлечением запасов ископаемого топлива и загрязнением атмосферы при его сжигании заставляет ученых пересматривать свое отношение к уже известным энергетическим источникам. При решении проблемы получения энергии следует учитывать и запасы топлива, и экономичность способа производства энергии, и уровень технического развития общества, и степень воздействия избранного способа производства энергии на человека и окружающую среду.

Кроме органических видов топлива, существуют альтернативные им источники энергии. К таким альтернативным возобновляемым источникам относятся энергия рек, морских приливов и отливов, солнечного излучения, ветра, морских волн, тепла морей, геотермальная энергия.

Из всех этих перечисленных видов энергии наиболее широко используемой в настоящее время является гидроэнергия. Однако если рассматривать процент ее применения в мировом масштабе, то он весьма незначителен, немногим более 2%. В то же время в некоторых странах удельный вес гидроэнерго ресурсов довольно высок: так в Европе он доходит до 40%. В бывшем СССР запасов гидроэнергии очень высоки, но распределены они весьма неравномерно, из них более 80% сосредоточены в Сибири, на Дальнем Востоке, Средней Азии. В Европейской части, где наиболее напряженный топливный баланс, удельный вес гидроэнерготических ресурсов среди других видов источников энергии достигает 40% и их экономический потенциал практически исчерпан.

Следует заметить, что гидроэнергетика существенно влияет на экологическую обстановку в районе расположения ГЭС. Так, для создания водохранилища выше ГЭС (учитывая сезонную неравномерность поверхностного стока воды в реках) требуется затопить огромные территории, занятые загастую сельскохозяйственными и лесными массивами, населенными пунктами. К примеру, водохранилище Куйбышевской ГЭС имеет объем 58 млрд. м³ и поверхность 20000 км² , Рыбинское водохранилище - объем 25 млрд. м³, поверхность 4600 км². Примером могут служит так же гигантские по мощности Братская и Сално-Шушенская ГЭС в Сибири.

В связи с тем, что гидроэнергетические ресурсы мира очень ограничены, а их использование сопряжена с весьма существенным экологическим воздействием, в мировом топливно-энергетическом балансе гидроэнергетика может играть только вспомогательную роль (5% от ожидаемой потребности в 2020 г).

Энергия морских приливов и отливов с учетом их суточной и месячной неравномерности может, по-видимому, к 2020 г удовлетворит не более 2% мировых потребностей. Над созданием приливных электростанций (ПЭС) работают в ряде стран: во Франции, Великобритании, Аргентине, России. Наиболее продвинуты эти работы во Франции, где в Сан - Мало построена ПЭС мощностью 9МВт и в устье реки Ла - Ране промышленная ПЭС мощностью 240 электрических МВт. В России действует Кислогубская ПЭС на Кольском полуострове.

Из всех альтернативных источников энергии наиболее привлекательной является солнечная энергия, поскольку ее ресурсы практически неисчерпаемы. Большим достоинством является то, что использование солнечной энергии экологически чисто, так как не меняется тепловой баланс Земли и не загрязняется атмосфера. Однако интенсивность солнечной радиации сравнительно низка, нерегулярна во времени и пространстве. Для размещения солнечных элементов необходимы огромные площади. Это приводит к высокой стоимости солнечной энергии, существенно в 4-5 раз превышающей стоимость других современных способов получения энергии. Поэтому на современном уровне наших знаний и технологий не видно путей. Крупно - масштабного использования этих огромных потенциальных возможностей. Средняя интенсивность солнечного излучения на поверхности Земли составляет 160 Вт/м² (практически даже несколько менее). Низкая интенсивность солнечной радиации даже при наилучших атмосферных условиях является главным препятствием ее глобального использования. Например, на экваторе интенсивность солнечного излучения в среднем за сутки составляет около 250 Вт/м² . В то же время в современных парогенераторах на ТЭС тепловой поток составляет 10⁶Вт/м².

Отсюда главная проблема - это разработка методов «собирания» солнечной энергии. Осуществленной проект солнечной тепловой электростанции мощностью 2 МВт (электрических), разработанной во Франции, с размещением гелиостатов (зеркальных модулей) требуют площади, равной 17500 м², не считая целого ряда вспомогательных сооружений и зданий, необходимых для этой СЭС.

Если предположить, что половина мировой потребности в электроэнергии будет обеспечиваться за счет солнечной, то для этого придется отвести земельные пространства в 10-12 млн. км², а это составляет площадь, ни много ни мало занятую ныне под все пахотные земли мира (около 13 млн. км²). Но этого мало, сюда надо добавить еще и участки, которые потребуется занять под различные промышленные предприятия, изготовляющие образование и материалы для солнечных ТЭС. Следует заметить, что солнечная энергетика относится к материалоемким видам производства, что весьма существенно осложняет возможность реализации такой, казалось бы, даровой энергии, как солнечная. В то же время следует указать, что в настоящее время проведен большой комплекс работ по использованию солнечной энергии для отопления и охлаждения зданий. Такие исследования осуществляются в Туркменистане, Узбекистане, Казахстане, Закавказье, Крыму, Молдавии, Южной Украине и т.д. Большой объем таких работ выполнен в США, ФРГ, Японии, Австралии и в ряде других стран.

К 2000 г в клад энергетику низкотемпературных солнечных энергоустановок будет весьма незначителен, в пределах от 2 до 4%. Их применение в качестве дополнительного источника энергии будет, по-видимому, более существенным в начале или в середине XXI века.

Энергия ветрового ресурса служит человечеству с незапамятных времен, однако из-за малых скоростей и непостоянного характера ветра может использовать лишь необходимую часть его энергии. Ветроэнергетика балансе, ее возможная роль в будущем не выходит за пределы добавочного вспомогательного энергоресурса местного знания.

Огромным по объему и площади коллектором солнечной энергии являются океаны со значительным вертикальным градиентом температуры (средняя разность между поверхностными и глубинными слоями - около 25 К). В настоящее время проблема преобразования тепла морей и океанов находится на стадии проектных разработок.

Особое значение имеет тепло недр Земли - геотермальная энергия. Однако экономически и технически в настоящее время оправдана разработка только отдельных источников геотермальной энергии. Расчеты, проведенные для бывшего СССР, показывают, что даже в случае 100%-го использования ее запасов геотермальная энергетика смогла бы обеспечить только 2 % фактического потребления энергии в стране. При этом следует иметь виду, что термальные воды распределены весьма неравномерно: 70%-в районах Сибири и Дальнего Востока и только 15 %-в европейской части страны (на Кавказе, в Предкавказье ив Крыму). Термальные воды принимают для горячего водоснабжения Махачкале, Избербали, Омске, Кызляре, Черкасске, Тбилиси, Тобольске и другие. Близ Петропавловска-на-Камчатке работает геотермальная тепловая электростанция мощностью 205 МВт. Кстати, экологическая чистота геотермальных вод весьма сомнительна, так как геотермальная активность сопровождается загрязнением атмосферы парами ртути, сероводорода, аммиака, двуокиси и окиси углерода, метана и так далее.

Итак, проведенные исследования возобновляемых источников энергии показывают, что они не в состоянии решить задачу покрытия более или менее значительной доли топливно-энергетического баланса. Использование геотермальной и особенно солнечной энергии на базе современных знаний и технологий требует весьма значительных экономических затрат, а проблема разработки новых экономических технологий не может быть разрешена до начала XXI века.

Таким образом, альтернативные энергетические источники (приливные, солнечные, геотермальные и ветровые) играют определенную роль в энергообеспечении и заслуживают поддержки и усовершенствования. Однако даже самые оптимистические их защитники не предполагают превращения этих источников основной инструмент удовлетворения энергетических потребностей. Сбережение энергии также жизненно важно, этому вопросу следует уделять максимальное влияние. Однако не альтернативные источники, ни энергосбережение не в состоянии закрыть брешь между потребностями и возможностями в течение следующего века. Только ядерная энергетика является источником энергии для будущего.

Современное человечество привыкло к проникновению электроэнергию во все отрасли народного хозяйства и в домашний быт. В подавляющем большинстве стан для получения электричества используют теплоту органических топлив, относящихся к числу не возобновляемых энергоресурсов. Запасы органических топлив значительны, но не беспредельны. Уже 1930 г электростанции мира сжигали до 1 % от всех разведанных топливных ресурсов, т.е. их хватило бы лишь на 100 лет. Так как наряду со все возрастающим расходованием органических топлив более интенсивна велась разведка их запасов, в настоящее время считают, что нефти хватит еще на 80-150, угля на 150-300 лет. Однако и эти сроки обозримы. И если ориентироваться в выработке электроэнергии только на органические топлива, то в следующем столетии в ряде стан будет остро ощущаться их нехватка.

Но главное, нельзя сжигать такие топлива, как нефть и ее производные, а также коксующиеся угли. Еще Д.И Менделеев говорил, что использовать нефть для сжигания под котлами - это все равно, что « топить их ассигнациями». В настоящее время еще более обоснован отказ от нефтяного отопления котлов электростанций. И прежде всего потому, что нефть стала важным сырьем для химической промышленности. Кроме того, нефть - источник жидких топлив для таких отраслей народного хозяйства как транспорт (автомобильный, железнодорожный, авиация) и сельское хозяйство. Поэтому атомные электростанции сооружаются даже в нефтедобывающих районах, например в Татарии. Коксующиеся угли важны для металлургии, между тем их запасы в значительной степени уже исчерпаны, в причем в большой мере из-за сжигания их под котлами. Поэтому необходима экономия органических топлив и прежде всего наиболее ценных.

Некоторые страны мира не имеют достаточных топливных ресурсов и их ТЭС работают только на импортном топливе, как, например, Япония. Для Японии некоторых других стран единственным решением является развитие ядерной энергетики.

Важно размещение энергоресурсов по территории страны. Так, основные энергоресурсы России расположены за Уралом (топливные и гидравлические), а основные потребители - в европейской части России, Аналогичная неравномерность размещения энергетических ресурсов по территории страны характерна для КНР, причем в Китае имеются большие запасы урана. В этом первая причина развития ядерной энергетики в КНР.

Вторая причина современного интенсивного развития ядерной энергетики заключается в возможности расположения АЭС в близи располагаемых нагрузок, так как топливно-транспортные расходы малы в связи с весьма высокой «калорийностью» ядерного топлива (в 2*10⁶ раз большей, чем для нефти), концентрацией ее очень малом объеме. Так например, для выработки 1 млн. кВт электроэнергии в год требуется примерно 48000 железнодорожных вагонов угля и только 2 железнодорожных вагона для перевозки уранового топлива.

Третье причина - экологическая. В условиях нормальной эксплуатации АЭС обеспечивается высокая чистота воздушного бассейна и радиационный фон в районе расположения АЭС меньшим, в десятки, а иногда и в сотни раз, чем создаваемый ТЭС и другими промышленными предприятиями. Тепловые электростанции на органическом топливе расходуют значительное количество кислорода (происходит уменьшение кислорода в атмосфере примерно на 20% от воспроизводимого), выбрасывают в атмосферу огромные количества оксидов изотопа и серы, а также золу, содержащую и радиоактивные нуклиды (U²³⁸,Th²³², Ra²²⁶, Ra²²⁸, K⁴⁰). Все это причиняет огромный ущерб природе и человечеству. Особенно важны преимущества атомной энергетики в отношении чистоты воздушного бассейна и ландшафта для стран интенсивного туризма (Швейцария, Италия, Испания) и для стран высокопроизводительного сельского хозяйства (Болгария, Венгрия).

Таким образом, ядерная энергетика представляет собой чистый и эффективный энероресурс, экономичный и компактный, с минимальным экологическим воздействием. Но у всякой медали есть две стороны. Известно, что ядерная энергия - потенциально наиболее опасный вид получения электрической энергии. Опасный с точки зрения возможного радиоактивного загрязнения окружающей среды в случае аварии реактора, расплавления его активной зоны, его тепловыделяющих элементов, начиненных ураном или плутонием. Радиоактивное выпадение в случае аварий ядерных реакторов принесет значительные потери. Поэтому первостепенное значение придается значением вопросам надежности, безопасности и защиты.

Промышленные ядерные электростанции (исторически их принято называть атомными электростанциями) начали свою историю с 1954 года, когда было построена АЭС в Обнинске. Об успешной работе первой в мире атомной электростанции мощностью всего 5 МВт советская делегация доложила на I Международной Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии в 1955 г. В 1956 г. была пущена первая АЭС в Англии, а в 1957г. - в США. В 1958 г. была введена в строй вторая АЭС в СССР. Ко времени II Международной Женевской конференции в 1958 г. суммарная мощность работающих АЭС мира достигла 195 МВт. Это были уже электростанции промышленных мощности, но стоимость строительства их и, главное, себестоимость вырабатываемой электроэнергии были еще высокими. Опыт эксплуатации и дальнейшие работы по совершенствованию оборудования и схем АЭС способствовали тому, что в 1954 г. ко времени

III Международной Женевской конференции суммарная мощность АЭС мира составляла 5000 МВт. Главный итог развития АЭС к этому времени заключался в том, что электростанции на ядерном топливе стали конкурентно-способными с топливными электростанциями, сжигающими угольную пыль.

В настоящее время промышленные ядерные электростанции обеспечивают более 15% мирового производства электроэнергии.

Основным энергетическим ресурсом до 2000 г. останется органическое топливо. Ядерная энергетика привлекается для энергоснабжения тех районов, где экономически эффект от ее применения будет максимальным.

Атомные электростанции дают значительный вклад в мировую энергетику уже сегодня.

В начале будущего века ядерная энергетика будет, по-видимому, основным источником энергии.

В современных АЭС используются ядерные реакторы на тепловых нейтронах. Эти реакторы работают на изотопе U²³⁵ , что позволяет сжигать только 0,7 % природного урана. На этих станциях может быть использована лишь малая часть запасов ядерного горючего, которая примерно эквивалентна запасом органического топлива. Поэтому атомная энергетика на тепловых урановых реакторах не может решить энергетическую проблему.

Возможности атомной энергетики существенно расширяются при использовании реакторов - размножители на быстрых нейтронах, так называемых реакторов - бридеров. Они способны сами вырабатывать ядерное горючее - плутонии - в количестве, превышающем первичную загрузку. Это приводит к радикальному увеличению запасов ядерного топлива, которого при такой схеме использование хватит а много столетии.

В СССР после пуска первой в мире Обнинской АЭС велись разработки крупных АЭС, экономически эффективных со сроком службы 25-30 лет. Цель этих разработок - подготовиться к созданию системы АЭС первого этапа с реакторами на тепловых нейтронах, обеспечивающих выработку электроэнергии с меньшими затратами, чем на электростанциях с обычным топливом.

Эти АЭС кроме выработки электроэнергии создают топливную базу для АЭС второго этапа с реакторами на быстрых нейтронах. Реакторы второго этапа должны обладать таким коэффицентом воспроизводства, который обеспечит необходимый темп роста ядерный топливной базы создаваемых быстрых реакторах. Отличительное положительное качество реакторов на быстрых нейтронах - более эффективное использование исходного ядерного горючего и возможность полного вовлечения в топливный цикл U²³⁵, а также тория - определяет ту важную роль, которое отводится или в ядерной энергетике будущего.

Основной генеральной стратегией развития ядерной энергетики является ориентация на развитие реакторов на быстрых нейтронах с расширенным воспроизводством горючего. Насущной задачей сегодняшнего дня становится широкое использование ядерных реакторов для производства одновременно с электроэнергией тепла, пресной воды, химических продуктов, холода.

Успешная эксплуатация АЭС, их радиационная безопасность создают уверенность в возможности размещения атомных ТЭЦ (АТЭЦ) вблизи крупных городов. Это кроме экономии на длине теплотрассе одновременно позволит решить другую проблему - проблему борьбы с загрязнением окружающей среды продуктами горения. Загрязнение воздуха, происходящее в значительной степени от обычных ТЭЦ, не только приносит ущерб здоровью людей, но и меняет облик природы. АЭС исключают подобное загрязнение воздуха, обеспечивая при этом полную радиационную безопасность.

Другая весьма важная народнохозяйственная проблема - получение пресной воды с помощью атомных реакторов в промышленном масштабе уже решается. На восточном берегу Каспийского моря, в г. Актау, работает крупный промышленный комплекс по опреснению морской воды на базе использования атомной энергии. Практика показывает, что ядерная энергетика получила все права гражданства для покрытия дефицита в классических видах топлива. Использования энергии, образующейся при делении ядер урана и плутония, единственный ныне реальный путь надежного обеспечения человечества так необходимой ему электрической энергией.

2. Открытие деления урана

Открытие в 1939 г. одной из самых замечательных ядерных реакций - деление тяжелых ядер - является выдающимся событием ХХ века. Именно с этого открытия возникла практическая возможность выделение энергии покоя, сосредоточенной в огромных количествах внутри вещества. Исторически сложилось так, что энергия, выделяемая при делении ядра, стала называться не ядерной, а атомной энергией, хотя такое название нечетко отражает физическую сущность данного явления. Поэтому произошло переплетение правильных и неточных терминов: с одной стороны, ядерные реакторы и ядерные энергетические установка, а с другой стороны, атомная энергетика и атомные электростанции (АЭС).

Огромное энерговыделение - вот главная предпосылка, которая вызвала необходимость создание ядерных реакторов и их использование для производства электроэнергии на АЭС. Однако для практического осуществления такой предпосылки требовалось доказать возможность возникновения самоподдерживающейся цепной реакции деления, т.е. появления дополнительных вторичных нейтронов при каждом акте деления.

Раскрытие тайны деление ядра, так же как и открытие радиоактивности, имело элемент случайности, хотя поиск этом направлении был более целенаправленным: «искали одно, а нашли совсем другое».

В 1934 г. Энрико Ферми выдвинул идею и способ получения не встречающихся в природе трансурановых элементов (Z>92). Он надеялся приоткрыть завесу над тайный ограниченного числа химических элементов в периодический системе Менделеева, воздействовал на тяжелые ядра. В качестве воздействующей частицы Ферми выбрал нейтрон, считал, что из за отсутствие электронного заряда он обладает более эффективном взаимодействием с ядром, чем б-частицы, которыми пользовались супруги Жолио-Кюри при получении искусственных элементов. После облучение урана тепловыми нейтронами (ранее им было установлено, что замедление нейтронов существенно повышало эффективность их взаимодействия с ядром) возникла сложная смесь радиоактивных веществ, которые Ферми ошибочно принял за новые трансурановые элементы.

Ирония судьбы состояла в том, что Ферми сумел впервые расценить ядро урана, однако не смог понять своего выдающегося открытия. Радиоактивность осколков деления он принял за признак появления новых трансурановых изотопов. Только спустя несколько лет оказалось, что путь, предложенный Ферма, был все-таки правильным. Действительно, при взаимодействии нейтрона с ядрами некоторые изотопов урана возникают трансурановые элементы.

Представленные Ферми мнимые доказательства существование новых элементов (в-излучение очень сложного состава) способствовали интенсивному проведению исследований в этом направлении и экспериментальной проверке высказанных предположений. Это вскоре привело к открытию деления атомных ядер.

В 1938 г супруги Жолио-Кюри и югославский физик Савиг установили, что одним из продуктов, получающихся при воздействии нейтронов на уран , является редкоземельный элемент лантан ₅₇La, который находится в середине периодического таблицы Менделеева. Немецкие химики Ган и Штрассман, повторив опыт французских исследователей, обнаружили в уране облученном нейтронами, не только ₅₇La, но и барий ₅₆Ba. Эти экспериментальные результаты объявили Лизе Мейтнер и Отто Фриш.

U²³⁸ T_б = 4.56*10⁹ л

U²³⁴T_б = 2.48*10⁵л

U²³⁵T_б = 7*10⁸ л

Они высказали предположение, что ₅₇La и ₅₆Ba образуются в результате деления ядер урана. Это было уложено в статье «Распад урана под действием нейтронов: новый вид ядерной реакции, опубликованной в английском журнале «Природа» 18 февраля 1939 г. Однако на 2 недели раньше (30 января 1939 г) Фредерик Жолио - Кюри представил в Парижскую академию сообщение « Экспериментальные доказательство взрывного расщепление ядер урана и теория под действием нейтронов». В этом сообщении был сделан вывод не только о возможность деления ядер урана, не указать также на выделение при такой реакции огромной энергии.

В марте 1939 г. Ф. Жолио-Кюри опубликовал сообщение, в котором был сделан важный шаг к обоснованию ценной реакции деления. Потом 1939 г. сотрудники И.В. Курчатова и независимо от них сотрудника Ф. Жолио - Кюри установлено, это число вторичных нейтронов оказалось существенно >1, и находилось в диапазоне от 2 до 3 (но современным данным, 2.5 ). Таким образом, выяснилось, что природа предоставила возможность создания целной реакции деления.

Вначале 1940 г. советские ученые Я.Б. Зельдович и Ю.Б. Харитон обосновали основные условия для осуществления ценной реакции деления. В том же году К.А.Петржак и Г.Н.Флеров под руководством И.В.Курчатов открыли явление спонтанного деления ядер урана. Тем самым они установили природную неустойчивость тяжелых ядер то отношение к делению, и показали, что для возникновения ценной реакции деление не нужны посторонние источники нейтронов.

После получения таких обнадеживающих результатов казалось, это практически осуществить ценную реакцию деления весьма просто, все необходимые условия для этого были: собрать достаточно большое количество урана, и в нем начнется самоподдерживающаяся ценные реакция деление. Ведь «поджигать» уран, как обычное топливо, не нужно, есть нейтроны как продукты ядерных реакции от космических частиц, а также от спонтанного деления урана. Однако первые же попытки перейти от качественного теоретического анализа к количественным экспериментам привели к безнадежным результатам. Ценный процесс деления в уране не развивался даже в том случае, когда его количество доводили до 400 кг. Не было никаких признаков появления даже ничтожного количества теплоты, не говоря уже о взрывном выделении энергии.

В лабораториях разных стран начали ставать все более сложные эксперименты, углублялся теоретический анализ. Где ошибка? В чем допущен просчет? И вскоре ответ был получен. Выяснили, что в естественном (природном) уране содержится три его изотопа ²³⁸₉₂U(99.27%), ²³⁵₉₂U(0.72%) и ²³⁴₉₂U(0.006%) которые имеют резко разлагающиеся ядерные характеристики. Малораспространенный изотоп ²³⁵U имеет способность делиться при поглощении нейтронов любой энергии, при этом чем меньше энергия нейтронов, тем больше вероятность деления. Для деления же изотопа ²³⁸U требуются нейтроны высокий энергии (>1 МэВ). Хотя средняя энергия вторичных нейтронов (возникающих при делении) около 2 МэВ, сохранить высокую энергию нейтронов необходимую для ценной реакции деления, не удастся из за сильного неупругого рассеяния нейтронов на ядрах ²³⁸U, которое превышает сечение деления (д₁>д_f) . поэтому ценная реакция деления на быстрых нейтронов в естественном уране возникнуть не может. Начались поиски выходы из создавшегося положения.

Уже были известно, что эффективность сечение деления ²³⁵U существенно возрастает при снижении скорости нейтронов. Поэтому возникла идея смешать уран с замедлителем нейтронов (например, водой), снизить тем самым скорость нейтронов и сделать деление ядер ²³⁵U преобладающим процессом, несмотря на малое содержание ядер такого изотопа в естественном уране.

Новые расчеты и новые эксперименты в начале давали обнадеживающие результаты. Из них следовало, что наиболее эффективными являются тепловые нейтроны, замедленные до энергии тепловые равновесия с окружающими атомами (~0,025 эВ). Измерения эффективного сечений для тепловых нейтронов показали, что в естественном уране число возникающих вторичных нейтронов на один захваченный нейтрон >1 и достигает значения 1,33 (и это с учетом всех эффектов поглощения и рассеяния). Казалось, что осуществление ценной реакции деления на естественном уране уже почти в руках. Достаточно смешать уран с замедлителем (водой или графитом), и как будто бы все условия возникновения ценной реакции деления уже выполнены. Однако при практическом воплощении этой идеи баланс нейтронов опять не сошелся!

Понять причину очередной неудачи было нелегко, но в конечном итоге физики раскрыли и этот секрет. Оказалось, что природа поставила еще один барьер на пути осуществления ценной реакции деления. Быстрые нейтроны возникающие при делении, в процессе своего замедления попадают в область резонансного захвата ядрами урана, и нейтронная цепь обрывается.

Только при использовании в качестве замедлителя тяжелой воды, отличающийся ничтожным захватом нейтронов, баланс нейтронов в естественном уране получается положительным. Но мировой запас тяжелой воды, накопленный в довоенные годы, был в 30 раз меньше того количества, которое было необходимо для осуществления ценной реакции деления. Но выход все же был найден!

Если во время замедления происходит резонансный захват нейтронов, то нужно отделить друг от друга замедлитель и уран, т.е. создать в отличие от гомогенной смеси гетерогенную структуру. Замедлитель должен не разбавлять, а разделять урановое топливо, что позволит нейтронам избежать резонансного захвата. В этом случае быстрый нейтрон, рожденный при делении, сразу попадает в замедлитель (графит), где пройдет резонансную область энергий и замедлится до теплового уровня, и только затея встретится с ядрами урана.

Правильность изложенных предположений и конструктивных решений была подтверждена осуществлением ценный реакции деления в уран - графитовых ядерных реакторах, которые были пущены 12 декабря 1942 г. в США и 25 декабря 1946 г в СССР.

3. Механизм реакции деления

Теория деления тяжелых ядер предложили одновременно и независимо друг от друга Н.Бор и Я.И.Френкель. Капельная модель ядра достаточно полно описывает физическую картину процесса. В ядре действуют кулоновские и ядерные силы. Кулоновское отталкивание протонов стремится разорвать каплю - ядра на составные части. Наоборот, поверхностные силы, обусловленные ядерным взаимодействием, нуклонов, подавляют кулоновские силы и сохраняют ядро как единое целое. После захвата нейтрона тяжелым ядром образуется составные ядро с энергией возбуждения, примерно равной сумме энергии связи нейтрона в составном ядро и кинетической энергии нейтрона

Е^*=Е_к + Е_эв

Возбужденное ядро начинает деформироваться и может пройти ряд последовательных фаз. Сначала сферическое ядро принимает форму эллипсоида. Ядерные поверхностные силы стремятся при этом возвратить ядро в исходное положение. Если возбуждающего воздействие недостаточно, ядро после испускания г-кванта принимает исходную сферическую форму (но уже с большим числом нуклонов). Если же энергия возбуждения велика, возбужденное ядро может принять форму гантели и затем под действием кулоновского сил отталкивания разорваться по перемычке на два осколка.

Как известно, сама возможность деления ядер связана с формой кривой удельной энергии связи как функции массового числа А. Правый конец этой кривой лежит ниже ее середины примерно на 1 МэВ. Если бы выигрыш в удельной связи был не только необходим, но и достаточно для осуществления деления, те деления шло бы на все х ядрах тяжелее железа - кобальта. На самом деле, деления идет лишь на самых тяжелых ядрах, Причина здесь та же, которая препятствует б-распаду тяжелых ядер - кулоновский потенциальный барьер.

Таким образом, хотя процесс деления энергетически выгоден для всех ядер второй половины периодической системы элементов (энергия деления положительна) он возможен только для самых тяжелых ядер.

Величиной, определяющей способность ядра к делению, является отношение кулоновской энергии к поверхностной, т.е.

Поскольку коэффициенты , постоянно для всех ядер, то определяющей величиной является .

При делении ядра на осколки происходит изменение энергии ядра под дейтвием кулоновских и ядерных сил. Если Е_кул в ядрах - осколках при делении на 2 равных осколка) уменьшается по сравнению с исходным ядром в 1,6 раза, то энергия ядерных сил Еs за счет увеличения числа поверхностных нуклонов в ядрах осколках возрастает в этом случае в 1,25 раза.

При низких значениях Z уменьшение кулоновского энергии при делении незначительно и не компенсирует увеличения энергия поверхностных ядерных сил. Поэтому легкие ядра могут уменьшать свою энергию только в результате ядерной реакции синтеза (при этом происходит уменьшение энергии поверхностных ядерных сил). При Z=45 уменьшение кулоновского энергии при при делении становится равным росту энергии поверхностных ядерных сил. Поэтому такие средние ядра являются самыми устойчивыми, они не имеют тенденции к делению, ни к синтезу.

При больших значениях Z уменьшение кулоновской энергии при делении начинает превышать рост поверхностной энергии ядерных сил ([?Екул]>[?Епов]). Поэтому тяжелые ядра в результате деления переходят в более устойчивое состояние с минимальной энергией. Однако такому процессу деления препятствуют силы ядерного поверхностного натяжения, сохраняющая исходную форму ядра и создающие определенный энергетический барьер (порог деления). Следовательно, отклонение от исходной геометрической формы ядра, которое может привести к делению, связано с работой против ядерных сил и возможно только при получении энергии извне, т.е. при возбуждении ядра какой-либо частицей (путем приобретения её энергии связи и кинетической энергии).

Таким образом, все тяжелые ядра способны делится под воздействием нейтронов, но вероятность такого процесса зависит от параметра деления , характеризующего соотношение сил кулоновского отталкивания и ядерного притяжения нуклонов в ядре. Деление ядер энергетически возможно при условии 17.

Эти соотношение выполняется для ядер, у которых А>90.

Энергия покоя делящегося ядра в процессе его взаимодействия с нейтроном, деформации и последующего деления на осколки изменяется от своего первоначального значения Е до конечного Е_оск не монотонно, а проходит в соответствии с деформацией ядра через максимум.

Высота максимума над уровнем первоначальной энергии является энергетическим барьером деления, его называют энергией активации деления ( или порогом деления ) Е_а.

Порог деления быстро уменьшается с ростом параметра деления. Он равен 45-50 МэВ при (серебро), 5,5-5,9 МэВ при (Th, U, Pn) и нулю при

При ядра не могут существовать ( если ядро с образуется, то оно мгновенно делится). Для нормального соотношения между протонами и нейтронами в ядре этому значению соответствует z?110.

По аналогии с б-распадом, все тяжелые ядра ( начиная с теория) в силу квантово-механических эффектов способны преодолеть порог деления Еа без затраты энергии извне и следующие подвержены спонтанному делению. Скорость спонтанного деления невелика, т.е. вероятность этого процесса ничтожна мала и характеризуется Т_1/2.

Таблица 1

Энергия активации определяет порог реакции. Этот порог называют эффективным, так как с небольшой интенсивностью деление может идти и ниже порога за счет квантового проникновения сквозь барьер.

Чтобы деление ядра произошло быстро (практический мгновенно), оно должно получить энергию возбуждения Е^*, превышающую порог деления Е_А: Е^*=Е_св+Е_кЕ_А.

Основной вклад в энергию возбуждения вносит энергия связи нейтрона в ядре, а она сильно зависит от протон - нейтронного состава ядра. Энергия связи парного нейтрона всегда больше, чем непарного. Поэтому в составных ядрах U²³⁴, U²³⁶, Pu²⁴⁰ оказывается больше порога деления Е_А, а в ядрах Th²³³, U²³⁵ - меньше Е_А. Это обстоятельство приводит

к тому, что ядра нуклидов U²³³, U²³⁵ и Pu²³⁹ могут делиться нейтронами любых

Таблица 2

энергий, в том числе тепловыми, для которых сечение деления имеет очень большие значения. Такие нуклиды называют делящимися. Вещества, которые содержат делящиеся нуклиды в количестве, достаточном для обеспечения ценной реакции деления, называют ядерным топливом.

Нуклиды Th²³² и U²³⁸ могут делиться только нейтронами достаточно высокой кинетической энергии (Е_к>1МэВ). Такие нуклиды по отношению к делению являются пороговыми и ввиду малого сечения деления по сравнению с сечением рассеяния не могут поддерживать ценную реакцию деления.

Например, энергия возбуждения U²³⁶ Е^*=6,55МэВ, а порог деления U²³⁶ равен 5,8 МэВ. Следовательно, ядро U²³⁵ делится под действием нейтронов любой энергий. Для U²³⁹ порог деления Е_А , в то время как энергия возбуждения этого ядра после захвата теплового нейтрона U²³⁸ составляет примерно 4,8МэВ. Поэтому U²³⁸ может делиться только нейтронами с энергиями больше 1,0МэВ.

Делящиеся нуклиды U²³³ и Pu²³⁹ в природе не встречаются. Их можно получить искусственным путем в ядерных реакциях под воздействием нейтронов:

Искусственные делящиеся нуклиды (Pu²³⁹, U²³³) являются б - активными, но с достаточно большим периодом полураспада (2,4 10⁴ лет; 1,6 10⁵лет), что позволяет с практической точки зрения считать их стабильными. Накопление делящихся нуклидов может производиться в ядерных реакторах, где имеется большой избыток свободных нейтронов. Изотопы тория и урана, которые использует для получения искусственных делящихся веществ, называют топливным сырьем (ядерным сырьем).

Процесс деления тяжелых ядер носит вероятностный характер. С одной стороны, захват нейтрона ядром, например U²³⁵ , может привести к возникновению б - активного нуклида U²³⁶ () в результате реакции (), сечения которого 97,4 б. С другой стороны, захват нейтрона может воззвать деление (). Наблюдается более 30 различных вариантов реализации процесса деления:

Химическим анализом среди осколков деления обнаружены нуклиды с массовыми числами А=72161 и значениями Z=3065. Кривая выхода продуктов деления показано на рисунке.

При делении на тепловых нейтронах образуются преимущественно осколки с со отношением масс 2:3. Наиболее вероятными продуктами деления (с выходом 6,5 %) являются осколки с массовыми числами 95 и 139.

Деление на 2 равных осколка является маловероятным событием (), что в какой - то степени противоречит капельной модели ядра. Бесструктурная капля с наибольшей вероятностью должна делиться на две равные части.

Преимущественное деление на неравные части объясняется в рамках оболочечной модели ядра как результат образования ядер с заполненными нейтронными оболочками (N=50 и 80). С увеличением энергии нейтронов, деление становится все более симметричным, вероятность деления на две равные части возрастает (смотрите на рисунке), что находится в согласии с обеими моделями ядра. При сильном возбужденном состоянии ядра влияние нуклонных оболочек снижается, и ядро более обоснованно можно рассматривать в виде однородной капли ядерной жидкости.

Важнейшей особенностью продуктов деления является их радиоактивность. Это связано с тем, что в образующихся ядрах осколках наблюдается избыток нейтронов по сравнению с протон - нейтронным соотношением, при которым ядра стабильны. Так, в устойчивых средних ядрах а в тяжелых ядрах Осколки испускают нейтроны, . Каждый осколок испытывает в среднем три стадии распада, прежде чем переходит в стабильное состояние. Среди осколков деления встречаются и короткоживущие нуклиды и долгоживущие, при периоде полураспада каждого последующего продукта обычно больше, предыдущего распада осколков деления в ядерном топливе образуется около 180 - 200 различных радиоактивных нуклидов.

Нейтроны деления. Большое значение в развитии цепной реакции имеют вторичные нейтроны, возникающие непосредственно после акта деления за время 10^-14с. Такие нейтроны называются мгновенными, их число при каждом акте деления может быть различным. Среднее число несколько возрастает, т.к. возрастает энергия возбуждения ядер - осколков .

При делении возникает только быстрые нейтроны. Их энергетический спектр достаточно широк (0,1 - 10)МэВ и имеет ярко выраженный максимум при Е. Поэтому в расчетах принимают, что мгновенные нейтроны рождаются с средней энергией, равной 2 МэВ.

Мгновенные нейтроны составляют более 99% всех нейтронов, возникающих при делении. В то же время некоторые осколки деления после - распада образую ядра с энергией возбуждения, превышавшей энергию связи нейтрона. Поэтому ядро испускает запаздывающий нейтрон. Время запаздывающих нейтронов связано с периодами полураспада их предшественников - осколков деления. По этому признаку запаздывающие нейтроны разбивают на шесть групп нейтронов изменяются от 0,2 до 56 с, а энергия нейтронов - от 0,25 до 0,62 МэВ. Усредненные по всем группам значения времен запаздывания и выход запаздывающих нейтронов приведены в таблице. Не смотря на то что их очень мало, запаздывающие нейтроны играют определенную роль в управлении ценной реакцией деления.

Таблица 3

Средняя энергия связи на нуклон в ядрах с массовыми А100 примерно на 0,85 МэВ больше, чем в тяжелых ядрах (А=230240). Поэтому при делении тяжелых ядер происходит увеличение удара энергии связи на 0,85 МэВ и настолько же снижается энергия покоя нуклонов. Следовательно, в результате деления на каждый нуклон освобождается энергия, равная 0,85 МэВ. Энергия деления на ядро Е_дел=АЕ_св=2350,85200МэВ. Основную часть энергии деления составляет кинетическая энергия осколков (. Эта энергия распределяется между осколками обратно пропорционально их массам. Другая часть энергий выделяется в виде г-излучения (15Мэв) и кинетической энергии нейтронов деления (10Мэв). Энергия осколков деления, мгновенных г-квантов и нейтронов (180Мэв) сразу превращается в теплоту. Кроме того, энерговыделение происходит с некоторым сдвигом по времени в процессе радиоактивного распада продуктов деления. Эту часть энергий () называют остаточным энерговыделением, оно постепенно убывает по закону радиоактивного распада после прекращения реакций деления ядра. Некоторую часть энергии уносит антинейтрино, эта часть энергии не может быть превращена в тепло. Приведем баланс энергии деления.

Кинетическая энергия осколков деления 166МэВ

Энергия г - излучения5МэВ

Энергия нейтронов деления 204МэВ

Остаточное энерговыделения

Энергия, уносимое антенейтрино

4. Ядерные реакторы

Ядерным реактором называется устройство, в котором поддерживается управляемая ценная реакция деления. В соответствии с типом ценной реакции различают реакторы на медленных, про между и точных быстрых нейтронах. В зависимости от структуры размножающей среды (взаимного расположение ядерного топливо и замедлителя) ядерные реакторы разделяют на гомогенные и гетерогенные.