Что происходит с ядрами изотопа уран-238, из которых на 99 % состоит ядерное горючее? Ядро урана-238 не делится, но оно может захватить нейтрон и превратиться в изотоп уран-239. Этот изотоп бета-радиоактивен с периодом полураспада 23 мин. После испускания электронов уран-239 превращается в трансурановый элемент нептуний с атомным номером 93. Нептуний не существует в природе, и впервые его получили в лаборатории в процессе опытов по облучению урана нейтронами. Нептуний бета-радиоактивен с периодом полураспада 2,4 дня. В результате испускания электронов ядро нептуния превращается в ядро еще одного трансуранового элемента — плутония с атомным номером 94. Плутоний также отсутствует в природе.
Ядра плутония делятся под воздействием нейтронов. Это чрезвычайно важное обстоятельство. При работе атомного реактора, кроме энергии, образуется плутоний. Плутоний химически отличается от урана и выделить его относительно просто, поэтому атомный реактор, кроме основного назначения быть источником энергии, может использоваться для получения атомного топлива. Наконец, плутоний альфа-радиоактивен с периодом полураспада 24 000 лет. После испускания альфа-частицы ядро плутония превращается в ядро урана-235. Круг, как говорят, замыкается.
В реакции, происходящей в атомном реакторе, участвует меньше 1% от общего количества топлива, но мощность атомного реактора огромна. Огромна потому, что при делении каждого ядра урана-235 выделяется около 150 МэВ энергии. Эта энергия частично выделяется в виде электромагнитных квантов, частично передается осколкам, т. е. веществу топлива, и наконец, частично ее уносят нейтроны. Замедляясь в графите, нейтроны отдают ему свою энергию. В результате и урановые блоки, и графитовые стержни при работе реактора нагреваются, поэтому реактор должен работать в условиях непрерывного охлаждения. В качестве охладителя обычно используют воду. Она выносит тепло из реактора и передает его потребителям — чаще всего турбинам электростанции.
В предыдущих главах мы ввели понятие о качестве энергии и договорились, что качество энергии считается тем выше, чем более упорядоченными представляются нам ее источники. Наметился такой ряд: тепловая энергия (качество самое низкое), механическая энергия (качество несколько выше), электрическая и химическая энергия (качество выше, чем механической).
Зная, сколь велика мощность ядерных реакторов, сразу хочется поставить атомную энергию еще выше по этой шкале. Но дело обстоит далеко не так. Реакции деления происходят хаотически, не говоря уж о том, что делится меньше 1% атомов топлива. Если бы к атомному реактору было применимо понятие коэффициента полезного действия, то мы вынуждены были бы констатировать, что коэффициент этот весьма низок. В чем же секрет больших мощностей? Он заложен, если можно так выразиться, в высокой теплотворной способности ядерного горючего.
Важно и то, что, кроме энергии, атомные реакторы производят чрезвычайно ценные и отсутствующие в природе, но нужные промышленности изотопы различных веществ. Мы описали одну из реакций. На самом деле в атомном реакторе параллельно их протекает несколько.
Тепло из тепла
Есть еще один способ получения ядерной энергии. Помните, у легких ядер энергия связи увеличивается с увеличением атомного номера? Если у дейтерия энергия связи равна 1,9 МэВ на нуклон, то у гелия она оказывается равной 7,03 МэВ на нуклон. Казалось бы, до чего просто! Ведь каждое ядро дейтерия состоит из одного протона и одного нейтрона. Соединяем их вместе и получаем ядро, содержащее два протона (заряд 2) и два нейтрона, т. е. всего 4 нуклона. Каждый нуклон уменьшит свою энергию (энергия связи увеличится) примерно на 6 МэВ, т. е. всего выделится 24 МэВ.
Не правда ли, здорово? Пусть даже выделятся не все 24 МэВ, а несколько меньше, мы согласны и на меньшее. Главное — все так просто. Не надо никаких нейтронов да еще со строго определенной энергией, не надо образовывать никакую критическую массу — объединяем ядра, и готово. Правда, откуда брать дейтерий? В природной воде дейтерия содержится меньше, 'Чем урана-235 в природном уране. Но зато воды на Земле гораздо больше, и вода, конечно, дешевле урана.
Может, в наших рассуждениях что-нибудь не так? Чтобы проверить себя, посмотрим с другой стороны. Есть все основания полагать, что на Солнце происходят следующие реакции. Два протона объединяются друг с другом и образуют ядро изотопа гелия с атомным весом 2. Это ядро неустойчиво, оно тут же испытывает так называемый бета-плюс-радиоактивный распад, т. е. испускает позитрон и нейтрино впридачу и превращается в ядро дейтерия с зарядом 1 и атомным весом 2. Это ядро снова объединяется с протоном, в результате образуется ядро изотопа гелия с зарядом 2 и атомным весом 3. При этом испускается квант электромагнитной энергии. Наконец, два ядра изотопа гелия с атомным весом 3 реагируют между собой, в результате образуется одно ядро обычного гелия с атомным весом 4 и два ядра водорода, т. е. все начинается сначала.
