Прорыв
В последнее время валом идут новости про проект "Прорыв". Я давно хотел про это написать (примерно как про космический реактор), да все руки не доходили. К тому же, был великолепный цикл статей Анпилогова: http://crustgroup.livejournal.com/tag/Атом
К сожалению, Анпилогову стало не до атома - цикл оборвался на самом интересном месте. А тут и сам проект "Прорыв" вышел из "сумрака". Про него есть куча интересных новостей, но чтобы их правильно понять, надо быть в теме. А мне хочется разобраться в вопросе, начиная с базовых вещей.
Итак, начнем танцевать от печки. В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген открыл лучи имени себя, а в следующем 1896-м Беккерель открыл естественную радиоактивность. Тут-то физикам конкретно поперло: альфа-лучи, бета-лучи, гамма-лучи! Они бросились все это изучать, и в 1932-м открыли нейтрон. Физики принялись облучать нейтронами всевозможные вещества, и в 1939-м обнаружили, что под действием медленных нетронов с ураном происходит какая-то реакция, в результате которой образуются элементы, ядра которых подозрительно похожи на половинки от ядра урана. "Да это же деление!" - подумали физики, и оказались правы.
Итак, мы облучаем уран нейтроном, уран делится, в результате образуются половинки ядра урана, плюс несколько новых нейтронов. Эти нейтроны попадают в другие ядра урана, которые тоже делятся, и так далее. "Да это же будет атомная бомба!" - подумали физики, и пошли в правительство за БОЛЬШИМИ ДЕНЬГАМИ. 20-й век явно складывался удачно для физиков.
Впрочем, все оказалось не очень просто. При делении тяжелого ядра выделяется 210 МэВ (МэВ - это мега электронвольт. Один электронвольт - это энергия, которую получает электрон, когда его разгоняют напряжением в 1 вольт. 1 МэВ == 1.602*10E-13 Джоулей) Энергия деления распределяется между осколками деления, гамма квантами, бета-частицами и нейтронами, кое-что также улетает с нейтрино. Нейтронам при этом достается около 5 МэВ на всех. Напомню, при делении образуется несколько нейтронов. Отдельные нейтроны могут получать энергию от 0.0001 до 10 МэВ, в среднем около 2 МэВ. Что происходит с ядром урана, когда в него попадает такой нейтрон? Природный уран состоит, в основном, из изотопа урана-238. Из 5 нейтронов, попавших в это ядро, только 1 вызовет деление. Остальные отскочат с потерей энергии. Проблема в том, что нейтроны с энергией меньше 1 МэВ совсем не могут вызвать деление ядра урана-238.
Ситуация выглядит так: предположим, в кусок урана-238 залетают 500 нейтронов с энергией около 2 МэВ. 400 нейтронов отскакивают от ядер без деления, теряют скорость и в дальнейшем для деления бесполезны, так как с энергией меньше 1 МэВ не могут разделить 238-й изотоп. 100 штук вызывают реакции деления. В результате этих реакций родится 250 нейтронов. Из них только 50 штук вызовут деления, и так далее - реакция пойдет с затуханием. Так бомбы не сделать.
Однако внезапно выяснилось, что в природном уране кроме 238-го есть еще небольшая примесь изотопа с массой 235. Этот изотоп способен делиться и под действием замедленного нейтрона. Более того, поглощение замедленного нейтрона происходит даже легче, чем быстрого. Ух ты, - сказали физики, это получается надо только отделить 235-й изотоп от 238-го. Ну и решить попутно несколько технических проблем - получится бомба "Малыш", сброшенная на Хиросиму. Но это еще не все. Если облучить уран-238 замедленными нейтронами, он их поглотит и превратится в уран-239. Далее уран-239 за наносекунды превращается в нептуний-239, а он - в плутоний-239. А плутоний делится еще лучше, чем уран-235. В общем, берем природный уран, берем много нейтронов, смешиваем одно с другим, из получившегося радиоактивного коктейля выделяем плутоний, и вуаля: бомба "Толстяк", да и все остальные современные атомные бомбы.
На данной картинке мы видим зависимость сечения деления ядер от энергии нейтрона. Слово "сечение" - это физики шутят, представляя ядро в виде эдакой мишени, по которой стреляют пулями-нейтронами. "Сечение" - это как бы размер мишени. Чем она больше, тем проще попасть. Напоминаю, что в данном случае надо не просто попасть, а попасть с нужным эффектом - делением. Если мы стреляем по 238-му, но энергия нейтрона недостаточна, нужного эффекта вообще не будет - сечение ноль.
(есличо - пруфлинк: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/3201/ДЕЛЕНИЕ)
После того, как бомбы были сделаны, физики взялись за атомный реактор. Пихать в реактор чистый 235-й уран довольно дорого. Если же использовать смесь из 238-го и небольшой добавки 235-го, то происходит вот что: 1 нейтрон из 5 сталкивается с ураном-238 и вызывает его деление. Остальные бьются о ядра 238-го урана и постепенно замедляются. В некоторый момент времени их энергия попадет в диапазон 7-200 эВ. Уран-238 очень активно захватывает нейтроны таких энергий с образованием урана-239, и далее по цепочке плутония-239. В общем, из 5 нейтронов 1 вызвал деление урана-238, остальные замедлились и были захвачены ураном-238. С ураном-235 столкнулась только малая часть нейтронов, т.к. доля этого изотопа мала. Все нейтроны пропали, реакция не идет.
Что же делать? Выход такой: просто добавь воды! Тогда нейтроны будут сталкиваться не только с ураном, но и с атомами кислорода и водорода. Кислород и водород не поглощает нейтроны, зато очень активно их замедляет. В конце концов скорость нейтронов сравнивается со скоростью теплового движения атомов и молекул реактора. Эти нейтроны не очень хорошо поглощаются 238-м изотопом, зато хорошо делят уран-235 и плутоний-239.
Нейтроны со скоростью как скорость теплового движения называются тепловыми, в отличие от нейтронов с мегаваттной энергией, которые называются быстрыми. Поэтому реактор с замедлителем называют реактором на тепловых нейтронах, в отличие от реактора на быстрых нейтронах. Атомная бомба, кстати, тоже работает на быстрых нейтронах.
Впрочем, обычный водород все-таки поглощает нейтроны, мера поглощения - сечение - равно 0.33 (см. выше карнинку про поглощение нейтрона ураном - это такое же сечение, как и там, только результат поглощения разный). А вот если взять тяжелый водород - дейтерий, то его сечение поглощения будет аж 0.0006. Сюда добавится сечение поглощения нейтрона кислородом - 0.0002. В общем, тяжелая вода - хороший замедлитель, мало поглощает! В известной байке говорится, что англичане взорвали завод по производству тяжелой воды, принадлежавший Гитлеру, и это затормозило фашистские работы по созданию ядерной бомбы. Сейчас есть промышленные реакторы на тяжелой воде - это канадские CANDU (https://ru.wikipedia.org/wiki/CANDU). Кроме воды, можно замедлять графитом - на нем работают чернобыльские РБМК (https://ru.wikipedia.org/wiki/Реактор_большой_мощности_канальный). Ну а остальные реакторы без затей используют обычную воду.
В следующих сериях:
- В чем проблема с ядерными реакторами?
- Это была не единственная проблема, есть еще
- Все эти проблемы завязаны между собой, можно их решить одним махом, если построить достаточное количество реакторов на быстрых нейтронах
- Но реакторы на быстрых нейтронах - это такой геморой, у физиков опускаются руки
- Россия грызет проблему своим проектом "Прорыв", и другими проектами. Виден свет в конце туннеля
Цифры и объяснени взяты отсюда: http://profbeckman.narod.ru/NIL11.pdf
К сожалению, Анпилогову стало не до атома - цикл оборвался на самом интересном месте. А тут и сам проект "Прорыв" вышел из "сумрака". Про него есть куча интересных новостей, но чтобы их правильно понять, надо быть в теме. А мне хочется разобраться в вопросе, начиная с базовых вещей.
Итак, начнем танцевать от печки. В 1895-м году Вильгельм Конрад Рентген открыл лучи имени себя, а в следующем 1896-м Беккерель открыл естественную радиоактивность. Тут-то физикам конкретно поперло: альфа-лучи, бета-лучи, гамма-лучи! Они бросились все это изучать, и в 1932-м открыли нейтрон. Физики принялись облучать нейтронами всевозможные вещества, и в 1939-м обнаружили, что под действием медленных нетронов с ураном происходит какая-то реакция, в результате которой образуются элементы, ядра которых подозрительно похожи на половинки от ядра урана. "Да это же деление!" - подумали физики, и оказались правы.
Итак, мы облучаем уран нейтроном, уран делится, в результате образуются половинки ядра урана, плюс несколько новых нейтронов. Эти нейтроны попадают в другие ядра урана, которые тоже делятся, и так далее. "Да это же будет атомная бомба!" - подумали физики, и пошли в правительство за БОЛЬШИМИ ДЕНЬГАМИ. 20-й век явно складывался удачно для физиков.
Впрочем, все оказалось не очень просто. При делении тяжелого ядра выделяется 210 МэВ (МэВ - это мега электронвольт. Один электронвольт - это энергия, которую получает электрон, когда его разгоняют напряжением в 1 вольт. 1 МэВ == 1.602*10E-13 Джоулей) Энергия деления распределяется между осколками деления, гамма квантами, бета-частицами и нейтронами, кое-что также улетает с нейтрино. Нейтронам при этом достается около 5 МэВ на всех. Напомню, при делении образуется несколько нейтронов. Отдельные нейтроны могут получать энергию от 0.0001 до 10 МэВ, в среднем около 2 МэВ. Что происходит с ядром урана, когда в него попадает такой нейтрон? Природный уран состоит, в основном, из изотопа урана-238. Из 5 нейтронов, попавших в это ядро, только 1 вызовет деление. Остальные отскочат с потерей энергии. Проблема в том, что нейтроны с энергией меньше 1 МэВ совсем не могут вызвать деление ядра урана-238.
Ситуация выглядит так: предположим, в кусок урана-238 залетают 500 нейтронов с энергией около 2 МэВ. 400 нейтронов отскакивают от ядер без деления, теряют скорость и в дальнейшем для деления бесполезны, так как с энергией меньше 1 МэВ не могут разделить 238-й изотоп. 100 штук вызывают реакции деления. В результате этих реакций родится 250 нейтронов. Из них только 50 штук вызовут деления, и так далее - реакция пойдет с затуханием. Так бомбы не сделать.
Однако внезапно выяснилось, что в природном уране кроме 238-го есть еще небольшая примесь изотопа с массой 235. Этот изотоп способен делиться и под действием замедленного нейтрона. Более того, поглощение замедленного нейтрона происходит даже легче, чем быстрого. Ух ты, - сказали физики, это получается надо только отделить 235-й изотоп от 238-го. Ну и решить попутно несколько технических проблем - получится бомба "Малыш", сброшенная на Хиросиму. Но это еще не все. Если облучить уран-238 замедленными нейтронами, он их поглотит и превратится в уран-239. Далее уран-239 за наносекунды превращается в нептуний-239, а он - в плутоний-239. А плутоний делится еще лучше, чем уран-235. В общем, берем природный уран, берем много нейтронов, смешиваем одно с другим, из получившегося радиоактивного коктейля выделяем плутоний, и вуаля: бомба "Толстяк", да и все остальные современные атомные бомбы.
На данной картинке мы видим зависимость сечения деления ядер от энергии нейтрона. Слово "сечение" - это физики шутят, представляя ядро в виде эдакой мишени, по которой стреляют пулями-нейтронами. "Сечение" - это как бы размер мишени. Чем она больше, тем проще попасть. Напоминаю, что в данном случае надо не просто попасть, а попасть с нужным эффектом - делением. Если мы стреляем по 238-му, но энергия нейтрона недостаточна, нужного эффекта вообще не будет - сечение ноль.
(есличо - пруфлинк: http://dic.academic.ru/dic.nsf/enc_physics/3201/ДЕЛЕНИЕ)
После того, как бомбы были сделаны, физики взялись за атомный реактор. Пихать в реактор чистый 235-й уран довольно дорого. Если же использовать смесь из 238-го и небольшой добавки 235-го, то происходит вот что: 1 нейтрон из 5 сталкивается с ураном-238 и вызывает его деление. Остальные бьются о ядра 238-го урана и постепенно замедляются. В некоторый момент времени их энергия попадет в диапазон 7-200 эВ. Уран-238 очень активно захватывает нейтроны таких энергий с образованием урана-239, и далее по цепочке плутония-239. В общем, из 5 нейтронов 1 вызвал деление урана-238, остальные замедлились и были захвачены ураном-238. С ураном-235 столкнулась только малая часть нейтронов, т.к. доля этого изотопа мала. Все нейтроны пропали, реакция не идет.
Что же делать? Выход такой: просто добавь воды! Тогда нейтроны будут сталкиваться не только с ураном, но и с атомами кислорода и водорода. Кислород и водород не поглощает нейтроны, зато очень активно их замедляет. В конце концов скорость нейтронов сравнивается со скоростью теплового движения атомов и молекул реактора. Эти нейтроны не очень хорошо поглощаются 238-м изотопом, зато хорошо делят уран-235 и плутоний-239.
Нейтроны со скоростью как скорость теплового движения называются тепловыми, в отличие от нейтронов с мегаваттной энергией, которые называются быстрыми. Поэтому реактор с замедлителем называют реактором на тепловых нейтронах, в отличие от реактора на быстрых нейтронах. Атомная бомба, кстати, тоже работает на быстрых нейтронах.
Впрочем, обычный водород все-таки поглощает нейтроны, мера поглощения - сечение - равно 0.33 (см. выше карнинку про поглощение нейтрона ураном - это такое же сечение, как и там, только результат поглощения разный). А вот если взять тяжелый водород - дейтерий, то его сечение поглощения будет аж 0.0006. Сюда добавится сечение поглощения нейтрона кислородом - 0.0002. В общем, тяжелая вода - хороший замедлитель, мало поглощает! В известной байке говорится, что англичане взорвали завод по производству тяжелой воды, принадлежавший Гитлеру, и это затормозило фашистские работы по созданию ядерной бомбы. Сейчас есть промышленные реакторы на тяжелой воде - это канадские CANDU (https://ru.wikipedia.org/wiki/CANDU). Кроме воды, можно замедлять графитом - на нем работают чернобыльские РБМК (https://ru.wikipedia.org/wiki/Реактор_большой_мощности_канальный). Ну а остальные реакторы без затей используют обычную воду.
В следующих сериях:
- В чем проблема с ядерными реакторами?
- Это была не единственная проблема, есть еще
- Все эти проблемы завязаны между собой, можно их решить одним махом, если построить достаточное количество реакторов на быстрых нейтронах
- Но реакторы на быстрых нейтронах - это такой геморой, у физиков опускаются руки
- Россия грызет проблему своим проектом "Прорыв", и другими проектами. Виден свет в конце туннеля
Цифры и объяснени взяты отсюда: http://profbeckman.narod.ru/NIL11.pdf