ПОИСК Статьи Рисунки Таблицы Применение трансурановых элементов из "Искусственные трансурановые элементы" Поиск и открытие трансурановых элементов явился фундаментальным исследованием, послужившим источником для более глубокого познания и понимания атомных и ядерных свойств элементов. Однако, как часто случалось в прошлом, это основополагаюшее научное исследование приобрело практическое значение выдающейся важности для всего человечества. Наибольшее значение открытия трансурановых элементов для всего мира было связано с использованием плутония для создания ядерного оружия. [c.87] Разделение изотопов урана может быть выполнено с помощью чрезвычайно тонких физических методов, так как по своим химическим свойствам оба изотопа неразличимы. Отделение же плутония от урана, из которого он образуется, могло быть неносредственно осуществлено в химическом процессе. Для отделения плутония от урана и всех других присутствующих элементов необходимо было использовать еще неизвестные химические свойства этого элемента. К счастью, с помощью индикаторного и микрохимического методов, описанных в гл. 2, удалось установить химические свойства плутония, хотя имелись лишь индикаторные и микрограммовые количества этого элемента. Технология крупномасштабных заводов по разделению, разработанная на основе этих сведений, оказалась удачной. [c.88] После войны производственные мощности в Ханфорде были расширены, и второе американское пред-г риятие по получению плутония — завод Саванна-Ри-вер — было построено на реке Саванна, к югу от Эйкена, в штате Южная Каролина. Во всем мире несколько стран имеют подобные предприятия для получения плутония. Современные заводы являются более совершенными, чем построенные во время войны, и обладают повышенной эффективностью благодаря использованию уранового топлива, незначительно обогащенного ураном-235. [c.89] Плутоний имеет важное применение в мирных целях для получения электрической энергии это использование будет обсуждаться в последнем разделе данной главы. Плутоний может также применяться как реакторное топливо, производящее нейтроны для радиоактивных изотопов, которые имеют бесчисленное применение в меднципе, сельском хозяйстве, промышленности и науке, включая миопн области основных н прикладных исследований. [c.89] Некоторые основные принципы этих двух путей использования ядерной энергии, вследствие их большого значения, описаны в следующих разделах. Вероятно, устранение трудностей, стоящих на пути международного контроля над ядерным оружием, может быть достигнуто с помощью более широкого понимания научных принципов, в том числе представлений о его действии. [c.90] Если условия таковы, что нейтроны расходуются быстрее, чем они образуются при делении, то цепная реакция не будет самовоспроизводящейся. Рассеивание нейтронов происходит с поверхности делящейся массы плутония-239 (урана-235 или урана-233), и поэтому скорость потери нейтронов за счет их рассеивания будет определяться величиной новерхностн. С другой стороны, когда процесс деления с образованием нейтронов происходит во всем объеме делящегося материала, то скорость увеличения числа нейтронов зависит от массы. Если количество плутония-239 (урана-235 или урана-233) невелико, т. е. если отношение величины площади поверхности к объему велико, то доля нейтронов, теряемых за счет рассеяния, будет настолько большой, что развития цепной реакции не произойдет. Но как только размер куска плутония-239 (урана-235 или урана-233) будет увеличен, относительные потери нейтронов уменьшатся, и будет достигнут момент, при котором цепная реакция станет самовоспроизводящей. В этом случае говорят, что достигнута критическая масса делящегося материала. [c.91] В действительности критическая масса находится в сложной зависимости от многих факторов, в том числе от формы материала, его состава, присутствия примесей, которые, взаимодействуя с нейтронами, препятствуют осуществлению реакций деления. Например, с помощью соответствующего отражателя нейтронов, расположенного вокруг делящегося материала, потери нейтронов за счет их рассеяния могут быть уменьшены, и, таким образом, критическая масса также может быть уменьшена. [c.91] Благодаря нейтронам в атмосфере иодкритическос количество плутония-239 (урана-235 или урана-233) может превысить значение критической массы, что приведет к его раснлавлеиию или к взрыву. Поэтому необходимо, чтобы до детонации ядерного оружия в нем не содержался кусок делящегося материала, имеющего гфи данных условиях критическую массу. Для того чтобы осуществить взрыв, делящийся материал должен превзойти критическую массу в возможно более короткий момент времени, чтобы для данной конфигурации исключить случайные изменения перед взрывом, например расплавление. [c.92] Было описано два основных метода осуществления ядерного взрыва или, иначе говоря, быстрого превращения подкритической системы в надкритическую. [c.92] Согласно первому способу два или большее число кусков делящегося материала, каждый из которых весом меньше критической массы, быстро сближается друг с другом в присутствии нейтронов и образует один кусок весом, превышающим критическую массу. Это может быть достигнуто при помощи устройства, напоминающего пушку, в котором один кусок делящегося материала, расгюложенный в казенной части, сталкивается с другим куском (также с подкритической массой), прочно закрепле1шым в конце ствола. [c.92] Второй способ основан на том факте, что подкрити-ческая масса соответствующего изотопа, т. е. плутония-239 (урана-235 илн урана-233), будучи сильно сжата, может превратиться в критическую или надкритическую. Это объясняется увеличением плотности делящегося вещества, что приводит к возрастанию скорости образования нейтронов по сравнению со скоростью их потери за счет рассеяния. Иначе говоря, величина площади поверхности делящегося материала (или поверхность вылета нейтронов) уменьшается, в то время как масса, от которой зависит скорость раснределения актов деления, остается постоянной. [c.92] Таким образом, самовоспроизводящаяся цепная реакция может стать вероятной с той же самой массой, которая была подкритической в несжатом состоянии. [c.92] Устройства, использующие эти принципы, называются водородными или термоядерными бомбами. В дальнейшем количество выделяемой при взрыве энергии может быть увеличено использованием образующихся при термоядерном взрыве быстрых нейтронов для индуцирования реакций деления более распространенного изотопа — урана-238. [c.93] Ядерные взрывы кроме их военного использования могут иметь важное применение для мирных целей извлечение огромных количеств горных пород и земли, создание высоких температур и давлений для горнодобывающей промышленности, при добыче нефти из сланцев, а также для получения изотопов. Американская работа в этой области известна как программа Плуг , название которой взято из пророчества Исаака, ...и они перекуют свои мечи в плуги, а свои копья в серпы народ не поднимет меч против народа, никогда они больше не научатся воевать . [c.94] Применение делящихся нуклидов не ограничено только взрывами они также имеют важные мирные применения. Контролируемая самовоспроизводящаяся цепная реакция, протекающая с илутонием-239, ураном-235 или ураном-233, используемыми в качестве ядерного топлива, может осуществляться таким образом, что выделяемая тепловая энергия будет применяться либо непосредственно в виде тепловой энергии, либо с помощью каких-либо средств превращаться в электрическую энергию. Если имеется критическая масса делящегося материала, то энергетический реактор может работать при любой мощности — почти от нулевой до тысяч мегаватт — как на тепловых нейтронах, так и на промежуточных нейтронах или на быстрых нейтронах. Цепная реакция контролируется соотвегст-вующим погружением вещества, поглощающего нейтроны, т. е. управляющих стержней, как это показано на рис. 31. [c.94] Действительно, важная роль плутоиия-239 при использовании его для мирных целей заключается в том, что он является делящимся нуклидом, который может быть получен из урана-238, изотопа, делящегцся крайне медленно. При любом анализе мировых запасов источников энергии становится очевидным, что газ, нефть и уголь не являются неистощимыми источниками и запасы их в конце концов ограничены. Исследования, проведенные в настоящее время, показывают, что энергия, заключенная в уране, во много десятков раз больше энергии ископаемых топлив. Однако эти общие ресурсы ядерной энергии подсчитаны, исходя из использования не только 0,7% урана-235, присутствующего в природном уране, по также с учетом энергии, присущей 99,3% урана-238, который можно превратить в плутоний. [c.96] В действительности положение более сложное. Различные посторонние вещества, присутствующие в реакторе, захватывают нейтроны. Кроме того, не все делящиеся нуклиды после захвата нейтронов претерпевают деление, вместо этого определенная часть нейтронов в зависимости от их энергии поглощается и образует еще более тяжелые изотопы (такие, как плутоний-240 или уран-234). Теоретические расчеты и исследования показали, что проведение бридерного цикла (т. е. цикла с расширенным воспроизводством ядерного горючего уран-238 — плутоний-239) наиболее выгодно при использовании реакторов, которые работают на нейтронах больших энергий. С другой стороны, бридерный цикл (торий-232 — уран-233), по-видимому, лучше всего осуществлять в тепловом реакторе, в котором используются нейтроны малых энергий. Расширенное накопление ядерного топлива — это область исследований реакторной техники, развитие которой должно произойти в недалеком будущем. В следующем десятилетии эта область может стать одним из наиболее интересных примеров развития технологии в истории человечества. [c.97] Для реакторов, работающих на тепловых или мед ленных нейтронах, требуется присутствие веществ, замедляющих нейтроны, т. е. замедлителей. Ввиду того что нейтроны более эффективно замедляются при соударениях с легкими ядрами, захват нейтронов на них почти не происходит, и поэтому в качестве замедлителей используются такие вещества, как обычная вода, органические соединения, содержащие водород, тяжелая вода, бериллий и углерод. Для использования тепла, выделяющегося при реакциях деления, во всех реакторах (работающих на медленных нейтронах, на промежуточных нейтронах и на быстрых нейтронах) требуется отводить тепло с помощью охлаждающих агентов (жидкости, газы). В качестве таких охлаждающих агентов используются обычная тяжелая вода, газы (гелий, углекислый газ, азот или обычный воздух), органические соединения, устойчивые к радиации, и жидкие металлы (литий, натрий и калий). [c.97] Вернуться к основной статье