Всем разумным существам суждено стать настолько великими, насколько велики их устремления.
Думаете, ядерные реакторы люди придумали? Фига с два.
Но, прежде чем говорить о том, как так вышло, надо прояснить, каков вообще принцип работы ядерного реактора.
В атомной энергетике используется изотоп урана уран-235. Что такое изотоп? При поглощении нейтрона ядро урана становится нестабильным и разваливается на два осколка, как правило, с разными массами, и от одного до восьми нейтронов (обычно 2-3). В результате распада ядра урана могут образовываться ядра разных элементов, от цинка до гадолиния. Нейтроны, которые родились при распаде, также могут поглощаться другими ядрами урана и тем самым вызывать деление. В принципе, нейтроны могут быть поглощёнными, но не привести к распаду, или вовсе вылететь из объёма реактора. Если за каждую единицу времени распадается одинаковое количество ядер, то цепная реакция стабильна. Растущее со временем число распадов приводит к взрыву.
Во всём этом есть один важный нюанс. Вероятность поглощения нейтрона сильно зависит от его энергии. Быстрые нейтроны скорее возбуждают ядра, чем поглощаются ими. Хорошо поглощаются медленные, или тепловые, нейтроны (тепловыми их называют, потому что их энергия примерно равна энергии движения молекул при комнатной температуре). При делении ядра урана рождаются быстрые нейтроны. Чтобы цепная реакция из-за этого со временем не затухала, нейтроны необходимо замедлить. В ядерных реакторах для этого используется, например, вода или графит. А теперь ещё один нюанс. Уран-235 составляет всего лишь 0,72% от природного урана, а 99,27% составляет изотоп уран-238 (об остальных 0,01% даже говорить не хочется). Но уран-238 не поддерживает цепную реакцию на тепловых нейтронах. Вообще. А это значит, что для работы ядерного реактора приходится по крохам собирать куда более редкий уран-235 (процесс, когда из природного урана отделяется уран-238, называется обогащением).
Вот, собственно, и всё, что надо знать о делении урана. А теперь к делу.
71% электроэнергии во Франции вырабатывается на атомных электростанциях. Часть сырья для них добывают в Африке. Однажды в 1972 году дежурный химик-аналитик на урановой обогатительной фабрике в Пьерлате обнаружил, что в уране, добытом на месторождении Окло в Габоне, уран-235 составлял 0,717% вместо положенных 0,72%. "Подумаешь, какие-то три тысячных процента!" — скажете вы. Но недостача потенциального материала для атомной бомбы — это вам не хухры-мухры! Короче говоря, дело требовало расследования, и в Габон была отправлена экспедиция. В нескольких шахтах было обнаружено аномально низкое содержание урана-235 (во одной из них его было всего лишь 0,44%). При этом наблюдался необычный изотопный состав других элементов, характерный для продуктов деления урана. Всё указывало на то, что 1,8 миллиарда лет назад (таков возраст урановых залежей) в Окло работали естественные ядерные реакторы.
В те времена доля урана-235 составляла 3,7% — не то, что сейчас! Роль замедлителя нейтронов сыграла обычная вода. Месторождение Окло ещё и располагалось удачно — у берегов древней речки, так что грунтовых вод было в избытке. На то, чтобы цепная реакция вышла на стабильный режим работы и продолжалась в этом режиме, уходило примерно полчаса. В это время тепловая мощность в реакторе составляла примерно 100 кВт, и температура в нём равнялась сотням градусов. Вода при такой температуре, внезапно, кипит и вследствие этого покидает объём реактора. Нет замедлителя — цепная реакция постепенно затухает, и реактор остывает (на это требуется приблизительно 2,5 часа). Холодный реактор опять пропитывается грунтовыми водами, и всё повторяется. И так сотни тысяч лет. Всего в Окло было обнаружено 17 таких природных реакторов. Период полураспада урана-235 составляет 0,7 миллиардов лет, так что со временем его стало гораздо меньше, и подобное чудо уже не могло повториться. Но почему тогда естественных реакторов не было ещё раньше, когда урана-235 было ещё больше? Оказывается, роль сыграло то, что 2 миллиарда лет назад тогдашние жители Земли — примитивные одноклеточные организмы — освоили фотосинтез и наполнили атмосферу планеты кислородом, а уран лучше растворяется в воде в присутствии кислорода.
Кстати, за пятнадцать лет до этого поразительного открытия американский физик японского происхождения Пол Курода выдвинул гипотезу о существовании естественных ядерных реакторов, за что ему слава и почёт (правда, современники, как водится, считали его слегка чокнутым).
Но, прежде чем говорить о том, как так вышло, надо прояснить, каков вообще принцип работы ядерного реактора.
В атомной энергетике используется изотоп урана уран-235. Что такое изотоп? При поглощении нейтрона ядро урана становится нестабильным и разваливается на два осколка, как правило, с разными массами, и от одного до восьми нейтронов (обычно 2-3). В результате распада ядра урана могут образовываться ядра разных элементов, от цинка до гадолиния. Нейтроны, которые родились при распаде, также могут поглощаться другими ядрами урана и тем самым вызывать деление. В принципе, нейтроны могут быть поглощёнными, но не привести к распаду, или вовсе вылететь из объёма реактора. Если за каждую единицу времени распадается одинаковое количество ядер, то цепная реакция стабильна. Растущее со временем число распадов приводит к взрыву.
Во всём этом есть один важный нюанс. Вероятность поглощения нейтрона сильно зависит от его энергии. Быстрые нейтроны скорее возбуждают ядра, чем поглощаются ими. Хорошо поглощаются медленные, или тепловые, нейтроны (тепловыми их называют, потому что их энергия примерно равна энергии движения молекул при комнатной температуре). При делении ядра урана рождаются быстрые нейтроны. Чтобы цепная реакция из-за этого со временем не затухала, нейтроны необходимо замедлить. В ядерных реакторах для этого используется, например, вода или графит. А теперь ещё один нюанс. Уран-235 составляет всего лишь 0,72% от природного урана, а 99,27% составляет изотоп уран-238 (об остальных 0,01% даже говорить не хочется). Но уран-238 не поддерживает цепную реакцию на тепловых нейтронах. Вообще. А это значит, что для работы ядерного реактора приходится по крохам собирать куда более редкий уран-235 (процесс, когда из природного урана отделяется уран-238, называется обогащением).
Вот, собственно, и всё, что надо знать о делении урана. А теперь к делу.
71% электроэнергии во Франции вырабатывается на атомных электростанциях. Часть сырья для них добывают в Африке. Однажды в 1972 году дежурный химик-аналитик на урановой обогатительной фабрике в Пьерлате обнаружил, что в уране, добытом на месторождении Окло в Габоне, уран-235 составлял 0,717% вместо положенных 0,72%. "Подумаешь, какие-то три тысячных процента!" — скажете вы. Но недостача потенциального материала для атомной бомбы — это вам не хухры-мухры! Короче говоря, дело требовало расследования, и в Габон была отправлена экспедиция. В нескольких шахтах было обнаружено аномально низкое содержание урана-235 (во одной из них его было всего лишь 0,44%). При этом наблюдался необычный изотопный состав других элементов, характерный для продуктов деления урана. Всё указывало на то, что 1,8 миллиарда лет назад (таков возраст урановых залежей) в Окло работали естественные ядерные реакторы.
В те времена доля урана-235 составляла 3,7% — не то, что сейчас! Роль замедлителя нейтронов сыграла обычная вода. Месторождение Окло ещё и располагалось удачно — у берегов древней речки, так что грунтовых вод было в избытке. На то, чтобы цепная реакция вышла на стабильный режим работы и продолжалась в этом режиме, уходило примерно полчаса. В это время тепловая мощность в реакторе составляла примерно 100 кВт, и температура в нём равнялась сотням градусов. Вода при такой температуре, внезапно, кипит и вследствие этого покидает объём реактора. Нет замедлителя — цепная реакция постепенно затухает, и реактор остывает (на это требуется приблизительно 2,5 часа). Холодный реактор опять пропитывается грунтовыми водами, и всё повторяется. И так сотни тысяч лет. Всего в Окло было обнаружено 17 таких природных реакторов. Период полураспада урана-235 составляет 0,7 миллиардов лет, так что со временем его стало гораздо меньше, и подобное чудо уже не могло повториться. Но почему тогда естественных реакторов не было ещё раньше, когда урана-235 было ещё больше? Оказывается, роль сыграло то, что 2 миллиарда лет назад тогдашние жители Земли — примитивные одноклеточные организмы — освоили фотосинтез и наполнили атмосферу планеты кислородом, а уран лучше растворяется в воде в присутствии кислорода.
Кстати, за пятнадцать лет до этого поразительного открытия американский физик японского происхождения Пол Курода выдвинул гипотезу о существовании естественных ядерных реакторов, за что ему слава и почёт (правда, современники, как водится, считали его слегка чокнутым).
-
-
22.04.2019 в 21:46-
-
22.05.2019 в 13:26А что будет, когда урана-235 не останется? Ядерная промышленность остановится?
-
-
22.05.2019 в 16:46Да когда это ещё случится... У урана-235 период полураспада — 700 миллионов лет. К тому времени мы термоядерным синтезом овладеем, свалим с Земли и превратимся в чистый разум (если раньше друг друга не поубиваем
-
-
22.05.2019 в 20:14-
-
25.05.2019 в 01:19-
-
25.05.2019 в 13:53Ну и сто лет — не так уж мало, за сто лет можно ещё какие-нибудь источники энергии изыскать.