Энергия ядерного распада в мирных целях: история, современность и перспектива

Детальное исследование атомных ядер открыло науке удивительное явление. Как выяснилось, общий вес ядра меньше, чем суммарная масса всех протонов и нейтронов. Такое нарушение математических законов объясняется очень просто: при объединении частиц в целую атомную структуру выделяется огромное количество энергии. Проиллюстрировать его можно следующим образом: при образовании одного грамма вещества выделяется столько же энергии, сколько получают при сжигании трехсот вагонов с углем. Получить доступ к такому энергетическому ресурсу стало мечтой человечества на несколько столетий, но лишь в XX веке ее удалось реализовать на практике.

Сложные поиски способов использования ядерной энергии в мирных целях

Для попыток проникнуть в тайну энергии ядерного распада был выбран нейтрон. Эта электрически нейтральная частица быстро поддается силам отталкивания, поэтому ею можно легко управлять. Многочисленные эксперименты с различными веществами успеха не дали: попытки бомбардировки ядер нейтронами не привели к распаду частиц и не позволили приблизиться к разгадке. Но когда начались эксперименты с ураном, выяснилось, что это вещество обладает иными свойствами в плане атомного строения. При этом все три вида урана из встречающихся в природе — уран-238 (238U), уран-235 (235U) и уран-234 (234U) — дали разные результаты. Проще всего удалось добиться деления ядра урана-235. Атаки одного нейтрона достаточно, чтобы оно раскололось на две составляющие – ядра криптона и бария. Благодаря выделению значительного количества энергии осколки расколовшегося ядра отлетали друг от друга на огромные расстояния.

В результате такой реакции обнаружилось, что в атоме урана есть еще 2-3 лишних нейтрона. Их высвобождение после распада позволяет запустить еще несколько аналогичных реакций в отношении других атомов вещества. Таким образом, выделение энергии может стать практически непрерывным процессом.

Но тут перед человечеством встала иная задача. Реакция ядерного распада вследствие освобождения миллиардного количества нейтронов легко могла стать неуправляемой. Лабораторные исследования показали: последствия этого явления станут катастрофой для всей планеты. Атомный взрыв, который неизменно венчает неуправляемую реакцию, способен уничтожить все живое в радиусе сотен километров и стать источником смертельного радиоактивного излучения. Решением проблемы стало создание ядерного реактора, с помощью которого стало возможным управление реакцией и безопасное применение ядерной энергии.

Ядерные реакторы для применения ядерной энергии

В ядерном реакторе происходит управляемая цепная реакция распада ядер урана. Выделяемая энергия используется в различных отраслях промышленности и в военных целях, а выделяющиеся нейтроны применяют для дальнейшего распада активного вещества. Первый удачный образец ядерного реактора был создан в 1939 году усилиями физика из Франции Фредерика Жолио-Кюри. Но начало Второй мировой войны и последующая оккупация страны не позволили ему довести свои работы до конца.

Первая атомная реакция на базе нового устройства была осуществлена в США в 1942 году в лабораториях университета в Чикаго. Размеры реактора в пределах 7 метров и мощностью 20 кВт позволили оценить неограниченные возможности применения ядерной энергии в промышленности. Но все же приоритет был отдан военному направлению, и уже через три года точка в войне была поставлена бомбардировкой Японии, показавшей убийственную мощь нового страшного оружия. На территории СССР первый ядерный реактор был создан в 1946 году академиком Курчатовым, немало сделавшим для использования энергии ядерного распада как альтернативного источника энергии.

Конструктивные особенности ядерного реактора

Устройство, дающее доступ к тысячам киловатт энергии, устроено относительно просто. Вода в нем превращается в пар под воздействием энергии, выделяемой в процессе цепной реакции распада ядерного топлива. В зависимости от используемых веществ в качестве замедлителя нейтронных частиц и теплоносителя различают:

• Водо-водяные реакторы: все задачи функционирования устройства «решает» вода.
• Уран-графитовые реакторы: теплоноситель — вода, ингибитор — графит.
• Газографитовые реакторы: теплоноситель — газ, ингибитор — графит.
• Тяжеловодные реакторы: ингибитор — тяжелая вода, теплоноситель — тяжелая или простая вода.

Активная зона реактора имеет вид сосуда с толстыми стенками. Он наполнен водой, в которую погружены тепловыделяющие элементы. Все выделяемое ими тепло забирается водой, температура которой быстро возрастает до точки кипения. Мощность таких установок может достигать миллионов киловатт, что позволяет подключить к питанию тысячи бытовых и промышленных потребителей.

Перспектива и новые пути использования ядерной энергии

Физики полагают, что традиционные реакторы скоро уступят место новой конструкции, получившей название «реактор-размножитель». Проблема обычных моделей — возможность работать только на уране-235. Поскольку его запасы в мире ограничены, возникает риск нехватки ресурсов для обеспечения работы многочисленных АЭС в разных странах мира. Решение было найдено в конце прошлого столетия. Ученые Физико-энергетического института под руководством физика Лейпунского разработали конструкцию реактора на быстрых нейтронах. Их особенность — возможность использования для получения энергии всех видов природного урана и тория, запасы которых в Мировом океане составляют миллиарды тонн, не считая ресурсов на суше.

Перспективность применения ядерной энергии в различных отраслях деятельности человека очевидна. Неограниченные ресурсы сравнительно приемлемой стоимости — выгодное решение, которое можно предложить на фоне дороговизны исчерпаемых запасов сырья. Однако многие государства серьезно оценивают потенциальные проблемы использования ядерной энергии, помня печальные последствия взрывов в Чернобыле (Украинская ССР, 1986) и на Фукусиме (Япония, 2011). Возможно, что обеспечение 100%-ной безопасности применения энергии ядерного распада заставит пересмотреть свое отношение к ядерной энергетике и рассмотреть новые варианты ее всестороннего использования.