52. Ядерные реакторы.

Реакторы ядерные (атомные котлы, реакторы атомные) — устройства, в которых осуществляется управляемая цепная реакция ядер атомов тяжелых элементов — урана, плутония и тория. В результате цепной реакции выделяется огромное количество тепловой энергии, образуются новые радиоактивные элементы (осколки деления) и мощные потоки нейтронного излучения (см.) и гамма-излучения (см.).

Схема ядерного реактора: 1 — теплообменник; 2 — управляющие стержни; 3 — уран; 4 — насос.

Ядерные реакторы классифицируют по назначению (энергетические, исследовательские и другие), по взаимному расположению ядерного горючего и замедлителя (гомогенные и гетерогенные), по энергии нейтронов, поддерживающих цепную реакцию деления, и другим признакам. Основным конструктивным элементом ядерного реактора любого типа является активная зона, в которой происходит реакция деления ядерного горючего (рис.). Управление цепной реакцией осуществляется устройствами регулирования. В простейшем случае — это стержни из материалов, сильно поглощающих нейтроны (бор, кадмий и др.). Вводя или извлекая поглощающие стержни из активной зоны, соответственно уменьшают или увеличивают нейтронные потоки в активной зоне, а следовательно, и мощность ядерного реактора. Отвод тепла, выделяющегося при цепной реакции, осуществляется теплоносителем (жидким или газообразным), циркулирующим через активную зону ядерного реактора. Ядерные реакторы применяются: для производства радиоактивных изотопов и ядерного горючего; для производства электроэнергии на атомных электростанциях, в качестве транспортных энергетических установок; для исследовательских целей в области ядерной физики и техники, радиационной химии, радиобиологии и медицины. Кроме того, ядерные реакторы могут использоваться в качестве источников тепловых нейтронов для проведения нейтронозахватывающей терапии (см, Нейтронная  терапия).

53.Реакция синтеза атомных ядер. Управляемый термоядерный синтез.

Колоссальным источником энергии может служить реакция синтеза атомных ядер — образование из легких ядер более тяже­лых. Удельная энергия связи ядер (см. рис. 342) резко увеличивается при переходе от ядер тяжелого водорода (дей­терия 21Н и трития 31Н) к литию 63Li и осо­бенно к гелию 42He, т. е. реакции синтеза легких ядер в более тяжелые должны со­провождаться выделением большого коли­чества энергии, что действительно под­тверждается расчетами. В качестве при­меров рассмотрим реакции синтеза:

21Н+21Н®31H+11p (Q=4,0 МэВ), 21Н +21Н®32He+10n (Q=3,3 МэВ),

21Н+31H®42He+10n (Q=17,6 МэВ),

(268.1)

63Li+21H®42He+42He (Q=22,4 МэВ),

где Q — энерговыделение.

Реакции синтеза атомных ядер обла­дают той особенностью, что в них энергия, выделяемая на один нуклон, значительно больше, чем в реакциях деления тяжелых ядер. В самом деле, если при делении ядра 23892U выделяется энергия примерно 200 МэВ, что составляет на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то в реакции.

Реакции синтеза легких атомных ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах (примерно 10⁷ К и выше), называются термоядерны­ми реакциями.

Термоядерные реакции являются, по-видимому, одним из источников энергии Солнца и звезд. В принципе высказаны два предположения о возможных спосо­бах протекания термоядерных реакций на Солнце:

1) протонно-протонный, или водород­ный, цикл, характерный для температур (примерно 10⁷ К):

2) углеродно-азотный, или углерод­ный, цикл, характерный для более высоких температур (примерно 2•10⁷ К):

В результате этого цикла четыре протона превращаются в ядро гелия и выделяется энергия, равная 26,7 МэВ. Ядра же угле­рода, число которых остается неизменным, участвуют в реакции в роли катализатора.

Термоядерные реакции дают наиболь­ший выход энергии на единицу массы «го­рючего», чем любые другие превращения, в том числе и деление тяжелых ядер. На­пример, количество дейтерия в стакане простой воды энергетически эквивалентно примерно 60 л бензина. Поэтому заманчи­ва перспектива осуществления термоядер­ных реакций искусственным путем.

Впервые искусственная термоядерная реакция осуществлена в СССР (1953), а затем (через полгода) в США в виде взрыва водородной (термоядерной) бом­бы, являющегося неуправляемой реак­цией. Взрывчатым веществом, в котором происходила реакция (268.1), является смесь дейтерия и трития, а запалом — «обычная» атомная бомба, при взрыве ко­торой возникает необходимая для протекания термоядерной реакции темпе­ратура.