Радиоактивные изотопы и их применение

Ⅲ. АТОМНАЯ ЭНЕРГИЯ

Как известно, ядра всех атомов, за исключением легкого водорода, состоят из нейтронов и протонов. Нейтроны и протоны в ядре прочно связаны друг с другом, поэтому разрушить ядро очень трудно. Тем не менее удается осуществить ядерные реакции, то есть такие реакции, при которых ядра атомов одних химических элементов превращаются в ядра атомов других химических элементов или изотопные ядра. Ядерные реакции осуществляются под действием протонов, нейтронов, дейтронов, альфа-частиц и т. д. В большинстве случаев необходимо, чтобы перечисленные выше частицы имели очень высокую энергию.

Чтобы расщепить ядро атома на протоны и нейтроны, необходимо затратить большую энергию. Наоборот, в случае соединения протонов и нейтронов с образованием ядра атома будет происходить выделение энергии. Закон сохранения энергии говорит, что энергия не может исчезнуть и не возникает из ничего, а лишь переходит из одной формы в другую. Согласно этому закону энергия, которую необходимо затратить на то, чтобы разложить ядро атома на протоны и нейтроны, равна энергии, выделяющейся при образовании этого ядра из протонов и нейтронов. Такая энергия называется полной энергией связи ядра атома. Если ее разделить на число протонов и нейтронов в ядре, то получится средняя энергия связи нуклона (протона или нейтрона) в ядре, приходящаяся на один нуклон.

Для того чтобы подсчитать энергию связи ядра, можно воспользоваться уравнением Эйнштейна, определяющим взаимосвязь массы и энергии:

(энергия=масса×скорость света×скорость света).

Гению великого русского ученого М. В. Ломоносова принадлежит открытие одного из основных законов природы — закона сохранения веса веществ. По определению Ломоносова вес веществ, вступающих в химическую реакцию, равен весу веществ, получающихся в результате реакции. Однако в процессах, происходящих с веществом, масса может изменяться, но при этом изменяется и запас энергии вещества.

Если мы нагреем тело или, толкнув, заставим его двигаться, то, придавая телу движение, мы увеличим его массу. Наоборот, если тело передает энергию другому телу, то оно само потеряет некоторую массу и эту массу приобретет другое тело. С помощью уравнения взаимосвязи можно подсчитать величину изменения массы вещества при изменении его энергии и, наоборот, величину передаваемой телом внешней среде энергии при изменении массы вещества. Так, если 1 тонну воды нагреть от 0° до 100°, то масса воды вырастет на величину, эквивалентную 100 миллионам калорий, то есть на 0,004 миллиграмма. Изменение массы так мало, что определить его на опыте очень трудно.

Относительное изменение массы при ядерных реакциях велико, поэтому оно может быть определено на опыте. Так, при бомбардировке лития протонами происходит превращение его в гелий по уравнению:

Сумма масс ядра атома лития и протона составляет 8,02634, а масса двух ядер атомов гелия — 8,0078 атомных единиц массы; следовательно, масса продуктов реакции на 0,01854 атомных единиц массы, или 3,07∙10^-26 грамма массы, меньше массы исходных ядер атомов лития и водорода. Такая масса эквивалентна 27 миллионным долям эрга[5]. Этой энергией должны обладать ядра атомов гелия. Измерения показывают, что энергия каждого ядра гелия равна 13,6 миллионным долям эрга, а обоих ядер приблизительно 27 миллионным долям эрга, то есть равна энергии, вычисленной по уравнению взаимосвязи массы и энергии.

Смысл современного материалистического понимания закона сохранения материи состоит в том, что материя не может бесследно исчезнуть или возникнуть из ничего. Материя вечна. В различного рода процессах она меняет свою форму — из одного вида материи получается другой. Изменение массы материи связано с изменением запаса ее энергии.

Попытки буржуазных ученых использовать взаимосвязь массы и энергии для опровержения основ диалектического материализма — вечности материи — не состоятельны. Они лишь извращают смысл взаимосвязи массы и энергии. Энергия немыслима без материи и материя — без энергии.

Мы видели, что при образовании из ядра атома лития и протона двух ядер атомов гелия выделяется ядерная энергия, равная приблизительно 27 миллионным долям эрга.

Эта кинетическая энергия ядер атомов гелия при их торможении превращается в тепло. Так как 1 грамм лития содержит приблизительно 10²³ атомов лития, то при его превращении в гелий под действием протонов выделяется 27∙10¹⁷ эргов, или 64 миллиарда калорий тепла.

Однако чтобы произошло образование из атома лития и протона двух атомов гелия, необходимо выстрелить в литий 10 миллионами протонов с энергией протона, равной 6 десятимиллионным долям эрга. Только один из 10 миллионов протонов попадет в цель — ядро атома лития — и вызовет ядерную реакцию, то есть придется затратить энергию в 220 тысяч раз бóльшую, чем та, которая выделяется при реакции. Аналогичные явления происходят и при многих других ядерных реакциях.

Представим себе, что происходит образование ядра атома гелия из двух протонов и двух нейтронов. Физики с большой точностью измерили массы протона и нейтрона: первая равна 1,0076, а вторая— 1,0089 атомных единиц массы. Масса ядра атома гелия, определенная как сумма масс двух протонов и двух нейтронов, должна быть равна 4,0330 атомных единиц массы. Однако на самом деле она равна 4,0023 атомных единиц массы, то есть ядро атома гелия на 0,0302 атомных единиц массы легче массы двух протонов и двух нейтронов, составляющих это ядро. Отсюда следует, что при образовании атома гелия из протонов и нейтронов произошло изменение массы и выделилась энергия. Для того чтобы атом гелия вновь превратить в два протона и два нейтрона, необходимо затратить энергию, которая эквивалентна 0,0302 атомной единице массы. Величину этой энергии — энергии связи, можно найти, воспользовавшись уравнением взаимосвязи массы и энергии. Она равна 4,5 стотысячной доли эрга. Легко подсчитать, что при образовании грамма гелия из протонов и нейтронов выделится энергия, эквивалентная 1,62∙10¹¹ калориям тепла, или 190 000 киловатт-часов электроэнергии.

Подобная картина получается и при сравнении масс ядер атомов других элементов с суммой масс входящих в их состав протонов и нейтронов. Эта разность позволяет легко рассчитать энергию связи ядра.

В качестве единицы энергии в атомной физике принят электрон-вольт (эв) — кинетическая энергия, приобретенная электроном при прохождении им электрического поля с разностью потенциалов 1 вольт. Используются также более крупные единицы: 1 килоэлектрон-вольт (Кэв), равный 1000 эв, и 1 мегаэлектрон-вольт (Мэв), равный 1 000 000 эв[6]. В лабораторных условиях большая энергия заряженных частиц, необходимая для осуществления ядерных реакций, может быть получена в специальных установках, называемых ускорителями.

Оказывается, что полная энергия связи ядра тем больше, чем больше нуклонов в ядре. Энергия же связи, приходящаяся на один нуклон, изменяется неравномерно, что видно из приводимой ниже таблицы. Энергия связи, приходящаяся на один нуклон, больше всего у элементов, расположенных в середине периодической системы элементов Менделеева, таких, например, как криптон. У более тяжелых элементов она становится меньше. Она велика у гелия и мала у лития и дейтерия.

В то же время различна и масса, приходящаяся на нуклон в ядрах различных атомов. Она больше всего у дейтерия, велика у лития, значительна у урана и других тяжелых элементов. Меньше всего значение массы, приходящейся на 1 нуклон, у элементов середины периодической системы элементов Менделеева (атомные веса от 40 до 100).

Если будет происходить процесс перехода ядер атомов элементов с большей массой, приходящейся на 1 нуклон, в ядра с меньшей массой на один нуклон, то в силу взаимосвязи массы и энергии будет происходить выделение атомной энергии. Эта энергия представляет собой разницу в энергиях связи конечных и исходных ядер, участвующих в ядерной реакции.

Из сказанного выше следует, что для получения атомной энергии можно идти двумя путями: во-первых, превращением легких элементов с большей массой, приходящейся на один нуклон, в элементы с меньшей массой, приходящейся на один нуклон, путем их соединения (синтеза). Примерами таких процессов являются превращение водорода или дейтерия в гелий, соединение ядер лития и протонов с переходом их в ядра гелия и т. п. Второй путь заключается в превращении ядер тяжелых элементов, например урана, в ядра со средней массой, например, в ядра таких элементов, как криптон и барий, или другие пары ядер атомов, сумма зарядов которых равна заряду ядра атома урана 92. Ядро атома урана обладает большей массой на один нуклон, чем ядра атомов элементов середины периодической системы, в частности такие, как криптон и барий.

В этом заключается принципиальная возможность получения атомной энергии. Такого рода процессы были открыты физиками в тридцатых годах двадцатого века. Один из них — превращение лития под действием протонов в гелий — мы уже описывали. В 1939 году был открыт другой — деление ядер атомов урана под действием нейтронов на два «осколка» с близкими массами. Сумма масс «осколков» была приблизительно равна массе делящегося ядра атома урана.

Однако для получения атомной энергии необходимо, чтобы процесс синтеза или распада ядер протекал самопроизвольно, так же как он происходит, например, при горении каменного угля. В угле, подожженном в одном месте, горение распространяется самопроизвольно, переходя от атома к атому.

Кроме условия самопроизвольного распространения ядерных процессов, идущих с выделением энергии, необходимо знать условия возникновения ядерных превращений. Эти условия в результате упорной работы ученых были найдены. В настоящее время процессы синтеза ядер и их распада используются для получения атомной энергии.

В состав звезд и Солнца входит большое количество водорода и гелия. Подсчеты показывают, что Солнце давно потеряло бы свой жар, если бы в нем не существовали процессы, поддерживающие его температуру. Эти процессы могут быть только реакциями синтеза и распада элементов.

Ученые предполагают, что одним из процессов, происходящих на Солнце и звездах, является реакция образования гелия из водорода. Водород, гелий, углерод и азот являются основными элементами, входящими в состав Солнца. Около 50% его состава приходится на водород.

Реакция образования гелия из водорода на Солнце может протекать по следующей схеме. Атом углерода соединяется с протоном и превращается в атом радиоактивного азота:

Атом радиоактивного азота распадается:

Образовавшийся атом углерода с массой 13 вновь соединяется с протоном и превращается в атом азота:

Последний присоединяет к себе еще один протон и дает атом радиоактивного кислорода:

Радиоактивный кислород распадается с образованием атома азота:

Получившийся атом азота с массой 15 снова взаимодействует с протоном с образованием углерода и гелия:

В итоге атом углерода 12 остается без изменений, а из четырех атомов водорода образуются атом гелия и два положительных электрона (позитрона).

Все остальные атомы в результате последовательно идущих реакций исчезают, а энергия, эквивалентная разности масс четырех атомов водорода и атома гелия, выделяется. Этот процесс на звездах развивается самопроизвольно, так как для его прохождения необходимо наличие атомов водорода и углерода, температура порядка нескольких миллионов градусов и большое давление. Все эти условия имеются на Солнце и ряде звезд.

Мы привели только один пример ядерного синтеза, при котором выделяется энергия. Очевидно, в природе осуществляется при высоких температурах на звездах ряд подобных процессов, о которых мы можем догадываться и которые можем попытаться осуществить на Земле.

Мы уже рассказывали о том, что при действии нейтронов на различные элементы был получен ряд радиоактивных изотопов. При этом оказалось, что в большинстве случаев из атомов элемента, который подвергается действию нейтронов, получается его изотоп с массой на единицу большей. Например, при бомбардировке иода получается радиоактивный иод:

Иод 128 излучает электроны; период его полураспада равен 25 минутам. Испуская электрон, радиоактивный иод превращается в элемент, следующий в периодической системе за иодом, — ксенон:

Подобные реакции происходят и с другими элементами.

Можно было предположить, что если взять самый тяжелый природный элемент — уран, то из него при действии нейтронов также может образоваться радиоактивный изотоп урана, который, испуская электрон, превратится в следующий за ураном не найденный в природе элемент с зарядом ядра, равным 93. Этот элемент займет 93-ю клетку периодической системы.

Уже первые исследования показали, что из урана получается несколько радиоактивных элементов.

Вначале ученые предполагали, что все эти элементы были более тяжелыми, чем уран. Но это предположение не оправдалось, Оказалось, что один из полученных элементов является изотопом лантана, другой — изотопом бария. Затем среди радиоактивных элементов, полученных при облучении урана нейтронами, были найдены: иод, ксенон, криптон, бром и т. д.

При облучении урана нейтронами получаются изотопы элементов с зарядами ядра в полтора — три раза меньшими, чем заряд ядра урана. Как могут такие элементы получиться из урана при облучении его нейтронами?

Ядра атомов урана под действием нейтронов делятся на два «осколка», представляющих собой, например, ядра с зарядами 56 (барий) и 36 (криптон), 57 (лантан) и 35 (бром) и т. д., то есть на ядра элементов середины периодической системы элементов, сумма зарядов которых равна заряду урана 92.

Из предыдущего ясно, что в результате такого деления высвобождается огромная энергия, в миллионы раз превосходящая энергию горения самого лучшего топлива. Если все ядра атома, находящиеся в одном грамме урана, претерпят деление, то выделится энергия, равная 8 миллиардам килограммометров, или 20 миллиардам калорий. С помощью этой энергии можно 8000 тонн груза поднять на высоту 1000 метров или 200 тонн воды нагреть от 0° до 100°. Эта энергия достаточна для того, чтобы 15 000 электролампочек по 60 ватт горели в течение суток.

Ядро атома урана содержит больше нейтронов, чем ядра двух образовавшихся из него «осколков». Избыток нейтронов выделяется в свободном состоянии при делении ядра. Установлено опытным путем, что каждое деление ядра атома урана сопровождается испусканием двух — трех нейтронов. Естественно предположить, что эти нейтроны будут взаимодействовать с новыми ядрами атома урана и вызывать их деление. На рис. 9 показана схема деления урана 235. В свою очередь при каждом новом делении образуется по два — три новых нейтрона, которые также могут вызвать деление последующих ядер атомов урана.

Число нейтронов, а следовательно, и число актов деления, в этом случае будет возрастать, как лавина, охватывая все новые и новые атомы урана. Таким образом может идти так называемый цепной процесс деления (рис. 10). Однако для того чтобы этот процесс осуществлялся на практике, необходимо, чтобы выделяющиеся при делении нейтроны вызывали новые деления; а не какие-либо посторонние процессы. Такими посторонними процессами являются: уход нейтронов за пределы куска урана; взаимодействие ядер урана 238 с нейтронами с образованием урана 239, который затем испускает электроны и переходит в плутоний 239; взаимодействие нейтронов с примесями, находящимися в уране.

Несмотря на то, что плутоний 239 подобно урану 235 способен к делению с размножением нейтронов и сам по себе является ценным изотопом, получение которого важно для атомной энергетики, в процессе развития реакции деления урана 235 его образование может вести к затуханию цепной реакции деления.

Количество атомов плутония, получающихся в процессе деления, как правило, меньше количества атомов разделившегося урана 235.

Если устранить по возможности посторонние процессы, то раз начавшийся процесс деления урана будет происходить самопроизвольно, при этом будет выделяться большое количество энергии.

Цепная реакция деления ядер природного урана благодаря наличию в нем урана 238 может осуществляться только на так называемых медленных нейтронах. Медленные, или тепловые, нейтроны имеют скорость порядка 2000 м/сек. В состав природного урана входят три изотопа:

Изучение процесса деления урана показало, что делению подвергаются главным образом ядра урана 235. Его деление происходит легче под действием медленных нейтронов. Ядра атомов урана 238 делятся только под действием быстрых нейтронов. Уран 238 не делится под действием медленных нейтронов. Уран 234 в смеси находится в таком небольшом количестве, что он практически не влияет на процесс деления.

Деление урана начинается самопроизвольно благодаря внутренней неустойчивости его ядра[8] или под действием случайных нейтронов, которые образуются под влиянием космических лучей на ядра атомов азота и кислорода воздуха. Нейтроны, выделившиеся при первом делении, легко могут вылететь за пределы куска урана (если объем его мал) или поглотиться в каком-либо постороннем акте в случае наличия в уране ядер атомов других элементов. Процесс деления в этом случае не будет развиваться, он прекратится; поэтому необходимо, чтобы масса урана была велика — больше определенной величины (критической), когда практически большая часть нейтронов успевает вступить во взаимодействие с ураном. В куске урана с массой меньше критической процесс деления не будет развиваться, ибо нейтроны, выделяющиеся при делении, будут уходить за пределы этого куска и процесс прекратится. В куске урана с массой больше критической раз начавшийся процесс деления вследствие действия выделяющихся нейтронов на новые ядра атома урана будет развиваться со все возрастающей скоростью. Чем больше содержание урана 235 в уране, тем меньше критические размеры, поэтому цепную реакцию деления лучше проводить на уране, обогащенном ураном 235. Обогащение достигается при разделении изотопов урана. Одним из способов разделения изотопов урана служит газовая диффузия. Из урана получают жидкость — шестифтористый уран, ее испаряют и пропускают через ряд пористых перегородок. Скорость прохождения изотопных молекул через перегородки неодинакова. Более легкие молекулы, содержащие уран 235, проходят быстрее. В связи с этим при прохождении каскада перегородок происходит частичное разделение (обогащение) или полное разделение изотопов урана.

Для того чтобы лучше (с бóльшим выходом) происходила реакция деления ядер атомов урана 235, нейтроны необходимо замедлить. Замедлителем нейтронов служат атомы легких элементов таких, как углерод, водород, бериллий и т. п. Нейтроны при столкновении с атомами углерода или водорода теряют свою энергию — замедляются (см. рис. 10), не вступая с ними в реакцию. Замедление необходимо проводить так, чтобы нейтроны теряли энергию от большой к маленькой, не соприкасаясь с ураном 238. Иначе нейтроны, замедленные до скоростей промежуточных между выделившимися и замедленными (с энергией около 1 миллиона электрон-вольт), будут реагировать с ураном 238 с образованием урана 239. Следовательно, нейтроны не будут идти на деление новых ядер атомов урана 235, и цепной процесс деления прекратится. Такое замедление достигается путем размещения урана в замедлителе, например построением решетки из урана и графита.

Нейтроны, попавшие в графитовую прослойку, претерпевают в ней несколько десятков столкновений с атомами углерода и теряют часть энергии. После этого нейтроны, выходя из графита, попадают в уран 235 и вызывают новые акты деления. Однако уран и графит должны быть достаточно чистыми, иначе примеси могут поглотить такое количество нейтронов, что развитие процесса деления — цепная реакция — не будет происходить.

Ученым удалось сконструировать ряд установок для получения атомной энергии, выделяющейся при делении ядер атомов урана и подобных ему элементов. Эти установки получили название ядерных реакторов (атомных котлов). Первый ядерный реактор был пущен в ход уже через 4 года после открытия процесса деления ядер урана, то есть в 1942 г.

Ядерный реактор представляет собою установку для осуществления цепной реакции деления ядер. Деление ядер может осуществляться под действием медленных и быстрых нейтронов. Быстрые нейтроны образуются непосредственно при делении ядер.

В результате их замедления получаются медленные нейтроны. В процессе замедления также образуются нейтроны, имеющие скорости промежуточные между быстрыми и медленными. В связи с этим различают три типа ядерных реакторов. Реакторы на медленных, на быстрых и на промежуточных нейтронах.

Ядерный реактор на медленных нейтронах состоит из следующих основных частей: активной зоны, отражателя нейтронов и защитного экрана. Сквозь активную зону проходит теплоноситель, который охлаждает активную зону и переносит тепло во вне реактора. Активная зона реактора представляет собою ту или иную конструкцию, в которой размещены замедлитель и тепловыделяющие элементы, содержащие делящийся материал.

В качестве делящегося материала (ядерного горючего) могут быть использованы уран 235, плутоний 239 и уран 233.

Для замедления нейтронов могут применяться обыкновенная и тяжелая вода (вода, содержащая вместо обычного водорода его изотоп дейтерий), графит и окись бериллия.

Для отражателя нейтронов обычно применяют те же материалы, которые употребляют для замедления.

В качестве теплоносителя, охлаждающего активную зону реактора, используют наряду с обычной водой тяжелую воду, расплавленные металлы (натрий и калий) и газы (гелий). Материалы, употребляемые для замедления и отражения нейтронов, а также в качестве теплоносителя должны поглощать как можно меньше нейтронов. В этом отношении тяжелая вода имеет большие преимущества, однако она очень дорога в производстве.

Защитный экран обычно делается из бетона и воды, которые в больших слоях достаточно хорошо поглощают нейтроны и гамма-лучи.

На рис. 11 схематически изображено устройство ядерного реактора на медленных нейтронах (поперечный разрез через активную зону реактора).

Опишем в качестве примера ядерный реактор, установленный на первой атомной электростанции в СССР.

Реактор состоит из герметического цилиндрического стального кожуха, заполненного графитовой кладкой. Внутри кожуха в промежутках находится газ — гелий, который препятствует выгоранию графита во время работы реактора. Центральная часть графитовой кладки имеет 128 рабочих каналов, каждый из которых представляет собою длинный графитовый цилиндр, пронизанный тонкостенными стальными трубками, по оси которого в центре расположены урановые стержни, заключенные в стальной кожух. По стальным трубкам пропускается вода, отбирающая тепло, которое выделяется при делении урана. Урановые стержни образуют активную зону реактора размером 1,5×1,7 метра, окруженную со всех сторон графитом. Всего в реакторе находится 550 килограммов чистого металлического урана, в котором содержание урана 235 обогащением доведено до 5%.

Стальной кожух реактора стоит на бетонном основании и для защиты персонала станции от излучения окружен слоем воды толщиной в 1 метр и бетонной стеной толщиной, равной 3 метрам.

В реакторе ежесекундно происходит деление 9∙10¹⁸ атомов урана 235, т. е. в сутки расходуется приблизительно 30 граммов урана 235. Деление каждого ядра атома урана сопровождается выделением 200 миллионов электрон-вольт энергии. Эта энергия внутри ядерного реактора в результате торможения «осколков» превращается в тепло. В итоге ежесекундно в реакторе выделяется 7 миллионов калорий тепла.

Вода, двигающаяся по трубкам вдоль урановых стержней, нагревается за счет этого тепла и уносит выделяющееся тепло из реактора, охлаждая тем самым его активную зону. Охлаждающая реактор вода находится под давлением 100 атмосфер. Благодаря этому она может нагреваться до высокой температуры. В реакторе атомной электростанции она нагревается до 270°. Вода, охлаждающая активную зону реактора вследствие взаимодействия водорода с нейтронами, становится радиоактивной, и поэтому ее заставляют двигаться по замкнутому кольцу. По выходе из реактора ее направляют в теплообменник, где она отдает свое тепло воде вторичного контура (кольца), превращая ее в пар и охлаждаясь до 190°. Далее она с помощью насосов снова направляется в реактор. Вода вторичного контура не радиоактивна. Пар, образующийся в парогенераторе, приводит в движение паровую турбину электростанции. На рис. 12 приведена принципиальная схема атомной электростанции. Полезная мощность первой атомной электростанции в СССР составляет 5000 киловатт, а тепловая — 30 000 квт. Следовательно, 16,5% тепла, выделяющегося при делении урана, превращается в энергию электрического тока; коэффициент полезного действия станции равен 16,5%.

Если не производить охлаждение реактора, то произойдет разрушение тепловыделяющих элементов.

Цепная реакция деления происходит с размножением нейтронов, число которых по мере развития реакции деления возрастает. Возрастает, следовательно, и число актов ежесекундного деления, и поэтому ядерный реактор может разрушиться от чрезмерного перегрева, если часть нейтронов не поглотить посторонними веществами.

В качестве такого поглотителя медленных нейтронов — регулятора скорости реакции — служат стержни из бористой стали. Бор легко вступает во взаимодействие с медленными нейтронами. Если стержни вдвинуты внутрь реактора, то реакция прекращается, так как практически значительная часть нейтронов, получающихся при делении, поглощается бором. Если стержни начать выдвигать, то реакция постепенно ускоряется. Можно подобрать такое положение стержней, при котором ядерный реактор работает с постоянной мощностью, и поддерживать его положение автоматически с помощью прибора, который вдвигает стержни внутрь реактора, как только скорость выделения нейтронов или температура охлаждающей воды превышает определенную норму. Здесь мы имеем дело с регулируемым процессом освобождения атомной энергии. Мы не будем подробнее останавливаться на различного рода конструкциях и типах реакторов на медленных нейтронах, так как это нас уведет далеко от основной темы книги.

Ядра атомов большинства химических элементов взаимодействуют с медленными нейтронами с образованием радиоактивных изотопов, масса которых на единицу больше массы исходного ядра. Эти изотопы являются бета-излучателями с самыми разнообразными периодами полураспада.

Наиболее мощным современным источником медленных нейтронов является ядерный реактор на медленных нейтронах. Он в настоящее время широко используется для облучения различных веществ медленными нейтронами, для получения таким путем радиоактивных изотопов. Вещество для облучения вводится в специальный канал ядерного реактора, который проходит сквозь защиту в слой замедлителя активной зоны реактора (см. рис. 11).

При облучении часть ядер атомов исходного вещества претерпевает превращение под действием нейтронов с образованием ядер атомов радиоактивных изотопов облучаемого элемента. По прошествии времени, достаточного для образования необходимого числа атомов радиоактивного изотопа, облучаемое вещество извлекается из ядерного реактора. Далее оно подвергается химической переработке, при которой производится очистка от образовавшихся примесей других радиоактивных изотопов и в ряде случаев отделение нужного радиоактивного изотопа от облученного вещества. Например, при облучении нейтронами бромбензола (C₆H₅Br) образуется радиоактивный изотоп брома, который легко отделяется от бромбензола путем взбалтывания бромбензола с водой, содержащей в качестве восстановителя сернистокислый натрий. Вода и бензол не смешиваются между собой и после взбалтывания разделяются на два слоя. При этом больше половины радиоактивного брома переходит в водный слой. Это происходит потому, что при образовании радиоактивного брома часть его атомов порывает связь с молекулой бромбензола и остается в виде атомов свободного брома. Эти атомы реагируют с сернистокислым натрием и образуют бромистый натрий, содержаший радиоактивный бром. При взбалтывании с водой бромистый натрий растворяется в воде и оказывается при разделении в водном слое. Таким образом, удается отделить основную массу атомов радиоактивного брома от нерадиоактивных атомов.

В качестве второго примера получения радиоактивных изотопов в ядерном реакторе приведем получение хлористого натрия, содержащего радиоактивный изотоп натрия. При облучении хлористого натрия нейтронами в ядерном реакторе из натрия образуется его радиоактивный изотоп Na²⁴, из хлора — радиоактивные изотопы хлора Cl³⁶ и Cl³⁸ и радиоактивные изотопы фосфора P³² и серы S³⁵ по реакциям:

Таким образом, для получения радиоактивного изотопа натрия, не содержащего других радиоактивных изотопов, после облучения необходимо разделить химическим путем радиоактивные изотопы натрия, хлора, фосфора и серы. Количество атомов хлора 36, получающихся при ядерной реакции при небольшом времени облучения (несколько часов), практически очень мало и с этим изотопом можно не считаться. Хлор 38 имеет период полураспада, равный 37 минутам, и поэтому через 5–6 часов после конца облучения он практически полностью распадается. Для отделения радиоактивного фосфора и серы облученный хлористый натрий растворяют в воде и через раствор пропускают струю хлористого водорода. При этом хлористый натрий осаждается из раствора, а радиоактивные фосфор и сера остаются в растворе.

Третий пример — облучение в ядерном реакторе чистого металлического золота. При этом в массе атомов нерадиоактивного золота образуется единственный радиоактивный изотоп — золото 198. Полученный радиоактивный материал используется без химической обработки.

Описанный способ получения радиоактивных изотопов является наиболее употребительным для научно-исследовательских целей, так как этим путем могут быть получены радиоактивные изотопы почти всех химических элементов без примесей других радиоактивных изотопов. Чистота полученных изотопов зависит от чистоты материалов, употребляемых для облучения, и от способа их очистки после облучения.

Вторым источником радиоактивных изотопов в ядерном реакторе является процесс деления урана или другого делящегося материала в ядерном реакторе. При делении образуются бета-излучающие радиоактивные изотопы 34 химических элементов, начиная в периодической системе от № 30 — цинка и до № 63 — европия включительно. Среди этих изотопов есть много изотопов с маленькими периодами полураспада, но ряд изотопов обладает периодами полураспада, удобными для их использования в различных областях науки, техники и военном деле. В таблице на стр. 59–60 приведены наиболее важные долгоживущие изотопы, получающиеся при делении урана.

Кроме того, в ядерном реакторе из урана 238 под действием нейтронов образуется плутоний 239.

Продукты деления мешают дальнейшему протеканию цепной реакции деления в ядерном реакторе. Они поглощают нейтроны и прекращают процесс деления. Ядерный реактор зашлаковывается, поэтому урановые стержни приходится заменять новыми. В условиях атомной электростанции СССР допускается выгорание (деление) 20% первоначального количества урана 235.

Урановый стержень, в котором накопились продукты деления и плутоний, вынимают из ядерного реактора и подвергают растворению в кислоте. Из раствора отделяют продукты деления и плутоний, тем самым добывая делящийся материал — плутоний — и очищая уран от «осколков» деления. Этот процесс отделения сложен и дорог, так как в большом количестве урана содержится ничтожное количество плутония. Отделение проводится на полностью автоматизированном заводе, так как процесс выделения опасен для здоровья людей. Чтобы получить в день 1 килограмм плутония, необходимо построить большой ядерный реактор, по американским данным, тепловой мощностью в 2 000 000 киловатт. Такой реактор содержит много тонн урана. Плутоний и радиоактивные изотопы, получающиеся в результате работы ядерного реактора, являются ценными продуктами. Плутоний может служить вместо урана 235 ядерным горючим, так как он, подобно урану 235, делится под действием нейтронов с выделением нескольких нейтронов и большого количества энергии.

При очистке и регенерировании (отделении) урана из урановых тепловыделяющих элементов после выгорания в них урана 235 и отделения образовавшегося плутония от урана в атомном производстве разделение продуктов деления урана на изотопы отдельных химических элементов не обязательно. Эта задача представляет собою сложную и дорогостоящую химическую операцию, которую не всегда целесообразно выполнять. Однако в ряде случаев для получения ценных радиоактивных изотопов разделение может производиться.

Ядерный реактор служит также источником нейтронов и гамма-лучей для облучения различных материалов с целью изменения их свойств. Этот вопрос более подробно будет рассмотрен в главе об использовании излучения радиоактивных изотопов.

Мы знаем, что деление ядер урана происходит не только под действием медленных, но и под действием быстрых нейтронов. Но чтобы быстрый нейтрон вызвал деление ядра урана, необходимо, чтобы он прошел мимо большего, чем медленный, числа ядер атомов урана 235. Для этой цели можно взять вместо естественной смеси изотопов урана чистый уран 235 или естественную смесь изотопов урана, обогащенную ураном 235.

В отличие от реакторов на медленных нейтронах, которые громоздки, реакторы, работающие на обогащенном уране и быстрых нейтронах, могут быть созданы небольших размеров. Такой реактор содержит лишь несколько килограммов обогащенного урана. Такого рода реакторы могут быть использованы для двигателей на транспорте. Реактор на быстрых нейтронах может иметь некоторые конструктивные элементы реактора на медленных нейтронах, но его активная зона не содержит замедлителя.

Большой практический интерес представляет собою так называемый размножающий ядерный реактор. Он работает на быстрых нейтронах и обогащенном ураном 235 естественном уране. В этом реакторе потери нейтронов сводят до минимума. В центре реактора помещается уран 235 или обогащенный ураном 235 естественный уран. Он окружается оболочкой из естественного урана, а затем ставится защитная стенка.

Часть нейтронов, выделяющихся при делении урана 235, расходуется на развитие процесса деления, а избыток нейтронов реагирует с ураном 238, находящимся в оболочке из естественного урана. Эта реакция приводит к образованию из урана 238 плутония. Так как каждое ядро атома урана 235 при делении выделяет 2–3 нейтрона, на продолжение реакции расходуется один нейтрон, а потери нейтронов невелики, то один или более нейтронов, соединяясь с ядрами урана 238, образуют плутоний. Таким образом, в таком реакторе исчезает уран 235 и появляется в большем количестве, чем расходуется уран 235, плутоний 239. В ядерном реакторе, работающем на естественном уране, также получается плутоний 239, но в меньшем количестве, чем расходуется уран 235. Плутоний может быть извлечен и применен вместо урана 235 в качестве ядерного горючего. Этим путем теоретически весь запас урана 238 может быть превращен в плутоний — в ядерное горючее, и, следовательно, количество ядерного горючего фактически может не уменьшаться, а накопляться в процессе его сжигания. Расходоваться будет уран 238, а его в природе имеются такие количества, которые надолго обеспечат человечество атомной энергией.

Кроме урана 238, можно использовать еще более распространенный в природе элемент — торий, который, захватывая нейтрон, претерпевает ряд превращений и образует уран 233.

Уран 233 подобно ядру урана 235 делится с выделением нейтронов и может служить ядерным горючим. Таким образом, в качестве ядерного горючего могут употребляться уран 235, уран 233 и плутоний 239, а в качестве материалов для получения плутония 239 и урана 233 уран 238 и торий 232. Все эти элементы радиоактивны. Они хотя и медленно, но распадаются, испуская альфа-частицы. Однако наименее устойчивый из них — плутоний 239 — имеет период полураспада 24 000 лет, и в течение столетий его убыль в результате распада не будет заметна. Уран 233 имеет период полураспада 1,63∙10⁵ лет, а уран 235 — 7,13∙10⁸ лет. Обращение с этими элементами должно быть осторожным, так как они радиоактивны, являются альфа-излучателями.

Ядерные процессы таят в себе неисчислимые богатства, в них заложено счастливое будущее человечества.

Атомная электростанция, включающая в себя ядерный реактор, может быть построена в любом месте земного шара: на высоких горах, глубоко под землей, в пустынях юга. Она требует для своей работы перевозки лишь урановых стержней. Это количество атомного горючего очень мало по сравнению с тем, которое необходимо для получения равного количества энергии на электростанции, работающей на угле или другом топливе.

Запасы ядерного горючего урана и тория в земной коре велики и превышают по теплотворной способности запасы каменного угля, нефти, газа, горючих сланцев примерно в 20 раз.

Размеры ядерного реактора зависят от его мощности и употребляемого в нем ядерного горючего. Установки большой мощности на естественном уране громоздки. Они весят много тонн. В то же время могут быть сконструированы реакторы небольших размеров, которые можно устанавливать, например, на больших судах, самолетах и т. п. На судовых атомных силовых установках такие реакторы расходуют свое тепло на парообразование. Пар приводит в движение турбину, которая передает это движение, например, гребному винту судна. Установка ядерного реактора на подводной лодке дает возможность ей находиться длительное время под водой без всплывания, так как для сжигания ядерного горючего не нужен воздух. Такие подводные лодки могут длительное время плавать в морях северного и южного полюсов, пересекая их подо льдом.

Будущее трансконтинентальных и межпланетных перелетов связано с ядерным горючим. Можно представить себе примерные конструкции двигателей для самолетов и ракет, которые работают, потребляя самое концентрированное топливо — атомное топливо.

Межпланетный корабль должен развить огромную скорость, чтобы вырваться из сферы притяжения Земли. Такую скорость можно получить в ракете, которая использует ядерное горючее. Ракета двигается под действием силы отдачи, такой же силы, которая появляется при выстреле орудия или винтовки. Газы в ракете создаются при горении. Для этого ракета снаряжается порохом или горючей жидкостью и жидким кислородом. Жидкость, сгорая, превращается в газ, который с большой силой вырывается из сопла (дюзов) ракеты и заставляет ее двигаться. Деление урана 235 или плутония может заменить в ракете процесс горения. В этом случае достаточно небольшого количества делящегося материала по сравнению с горючим материалом и жидким кислородом, чтобы ракета приобрела большую скорость. Трудность конструирования такого рода ракеты заключается в том, что камера сгорания и выходные отверстия должны выдерживать очень высокую температуру. Ракета на атомном (ядерном) горючем может работать и иначе, например на принципе испарения жидкости. В качестве такой жидкости может быть взят сильно охлажденный и сжатый большим давлением газ водород, которой при таких условиях представляет собой жидкость. Жидкий водород из специального резервуара под давлением устремляется в ядерный реактор, где он превращается в пар, сильно нагревается и устремляется к выходному отверстию ракеты, двигая ее вперед с огромной скоростью. Ядерный реактор может быть использован и в реактивном двигателе самолета.

Использование атомной энергии может идти и другим путем.

Атомная энергия, высвобождающаяся при радиоактивном распаде в виде излучения, дает возможность широко использовать радиоактивные изотопы в различных областях науки, техники и в военном деле. Этим вопросам и будут посвящены последующие главы книги.