При ядерных реакциях атомы меняются через расщепление ядра (ядерный синтез): ядро одного элемента распадается на два легких ядра других элементов, два легких ядра при ядерном синтезе соединяются в тяжелое ядро другого элемента (например, дейтерий Н2 +тритий Н3=гелий); суммарная масса продуктов реакции ниже исходного материала (в обоих случаях высвобождаются свободные нейтроны). Потерянная масса (нейтроны) превращается в энергию. При ядерной реакции выделяется большое количество энергии; по эффективности быстрое расщепление или слияние ядер 1 кг вещества равно взрыву атомной бомбы. В основе использования расщепления ядер для получения энергии лежит управление этими процессами с постепенным освобождением энергии в форме тепла, которое применяется для кипячения воды, и получаемый нар является двигателем турбогенератора. Природный уран представляет смесь трёх изотопов: уран-234 (0,006%), уран-235 (0,7%), уран-238 (99,3%).
В природе уран-238 занимает 99,3% и уран-235 - 0,7%. Выделяющиеся нейтроны уран-235 редко встречают такие же атомы и потому зачастую освобождается энергия только одного ядра. Для получения ядерного топлива руду очищают и обогащают, разделяя изотопы уран-238 и уран-235 и повышая концентрацию уран-235. Основное препятствие распространения ядерного топлива - это трудности обогащения материала с повышением концентрации уран-235 до 3%о и снижение уран-238 до 97%. Уран входит в состав многих минералов. Число элементарных частиц в ядре атома (нейтронов) соответствует номеру изотопа. Ядро уран-235 расщепляется легко, тогда как уран-238 - расщепляется трудно. Реакцию распада уран-235 можно подтолкнуть бомбардировкой его нейронами (это ключ в атомной энергетике).
При распаде ядра уран-235 высвобождается 2-3 нейтрона; при сталкивании каждого свободного нейтрона с другими атомами уран-235, который легко расщепляется (этот процесс называется цепной реакцией), происходит дальнейшее усиление реакции распада.
При достижении по массе критического уровня уран-235 расщепление одного из его атомов определяет цепную реакцию, вызывая деление нескольких ядер, а их нейтроны расщепляют новые атомы и т.д. Всего за считанные секунды распадется весь ядерный заряд с выделением энергии, приводящим к взрыву (пример атомной бомбы - неуправляемая цепная реакция).
Ядерный реактор поддерживает непрерывную цепную реакцию, не допуская перехода ее во взрыв, что возможно только при низком обогащении уран-235 (всего до 3%). Небольшие гранулы уран-235 помещают в стальные трубки, которые в ядерном реакторе размещают близко друг к другу, что и обусловливает устойчивую цепную реакцию. Между трубками расставляют регулирующие стержни с графитом, поглощающие нейтроны. Их можно убирать или выдвигать, используя для управления цепной реакцией.
Таким образом, ядерный реактор состоит из неподвижных трубок, наполненных гранулами уран-235, и подвижных между ними стержней, регулирующих цепную реакцию.
выходу энергии в ядерном реакторе 1 кг уран-235 равен 2000 т угля. Для работы атомной станции в течение двух лет необходимо около 3 т урана. Отработанные трубки заменяются в реакторе новыми. Ядерная энергетика привлекательна по многим параметрам.
При одинаковой мощности угольной и атомной станции угля потребуется в год 3 млн. т, а ядерного топлива всего до 1,5 т, которое можно получить из 1000 т урановой руды; экономичность уранового топлива очевидна.
Обогащенный уран не выделяет двуокись серы, углекислого газа и других загрязнителей среды.
Атомные станции образуют меньше по объему твердых отходов (радиоактивные отходы атомного реактора до 2 т, а угля - до 100000 т золы, которые часто также несут радиоактивные вещества).
Однако и недостатки атомной энергетики вполне очевидны. При делении ядер урана или других тяжелых элементов образуются более легкие атомы цезия, стронция, йода и других (около 30) нестабильных изотопов радионуклидов, испускающих радиоактивное излучение и элементарные частицы. Нестабильными становятся также другие вещества внутри и вне реактора, поглощающие нейтроны ядерной реакции, - из них состоят радиоактивные отходы атомной станции и радиоактивные осадки при взрыве.
Радиация пробивает живые клетки и при больших дозах останавливает их деление (поэтому их используют в радиотерапии), при) облучении всего тела нормальное деление клеток кожи, крови и других структур становится невозможным и возникает лучевая болезнь, приводящая человека и другие организмы к гибели через несколько дней, недель, месяцев; очень сильное облучение приводит к немедленной смерти. Облучение в низких дозах действует на молекулы ДНК, вызывая их мутацию, что может привести к злокачественным образованиям. При облучении яйцеклетки или сперматозоидов возможны дефекты потомства.
При взрыве, а также в радиоактивных излучениях, происходит радиоактивный распад: испускание радиации и элементарных частиц и переход нестабильных изотопов в стабильные. Если радиоактивные отходы изолированы от людей, то радиоактивный распад не опасен и его уровень постепенно падает. Скорость распада определяется следующей последовательностью: половина массы изотопа распадается за одинаковый период времени, половина оставшейся массы распадается за такой же период и т.д. Отсюда выражение - период полураспада, одинаковый всегда для определенного изотопа, который никогда не распадается полностью (100%), а уменьшается за каждый период полураспада в 2 раза, всегда оставляя какую-то нераспавшуюся долю. Считается, что после десяти периодов полураспада можно уже не опасаться радиации.
Каждый изотоп имеет определенный период полураспада - от долей секунд до тысяч лет. При расщеплении урана образуется смесь радиоактивных короткоживущих (стронций - 89, цирконий - 95, молибден - 99, йод - 131, рубидий - 86, барий - 140, цезий - 131 и другие с периодом полураспада от 3 до 65 суток) и долгоживущих изотопов (криптон - 85, стронций - 90, рутений - 106, цезий - 137, прометий - 147) с периодом полураспада от 1 (рутений - 106 и цезий - 134) до 29 лет (стронций - 90). Период полураспада плутония - 239 составляет 24000 лет.
Основная часть радиации пропадает в течение нескольких месяцев или лет (короткоживущие изотопы). В целях безопасности отходов мы должны их хранить 240000 лет (10 периодов полураспада плутония). Кратковременная изоляция отходов осуществляется в глубоких заполненных водой резервуарах (вода защищает от радиации, поглощая тепло). Труднее с долговременной изоляцией, которая и представляет наибольшую опасность из-за порчи контейнеров под воздействием воды, землетрясений и т.д.
Возможные аварии атомных станций - это также немаловажный фактор тепла (пример Чернобыля и других станций).
