Читаем Ядерные реакторы онлайн бесплатно

Ядерный реактор — это по существу единственный пока аппарат, который позволяет человеку овладеть атомной энергией для энергетических целей. Как бы мы ни хотели использовать атомную энергию: на электростанции, морском судне, локомотиве и самолете, основным звеном для превращения энергии ядра в тепловую, механическую и электрическую энергию является ядерный реактор. Он дает нам возможность получать в огромных количествах радиоактивные вещества, играющие теперь такую большую роль в технике, науке и медицине. Поэтому вполне оправдан тот огромный интерес со стороны читателей различных кругов и профессий к этому новому аппарату, которому и посвящена эта книга.

Но понять принципы работы и устройство ядерного реактора нельзя без общего знакомства с существом ядерных процессов. Поэтому автору пришлось уделить достаточно большое место в книге, чтобы рассказать неподготовленному читателю об атоме, ядре, элементарных частицах и ядерных реакциях.

Все приведенные в книге данные о ядерных реакторах, об атомных электростанциях и о двигателях опубликованы в советской и иностранной печати.

Атомы. Ученые давно знают, что окружающие нас вещества построены из атомов различных «сортов», которых насчитывается сейчас сто два. В большинстве случаев атомы группируются в молекулы, образуя разные химические соединения. Лишь иногда, когда вещество содержит атомы одного сорта, мы имеем дело с так называемым химическим элементом.

Химики умеют сравнительно легко соединять и разъединять по своему желанию атомы различных сортов, превращать молекулы одних веществ в молекулы других. Но никогда, ни в каких химических реакциях не удается превратить атомы одного сорта, одного химического элемента в атомы другого.

Поэтому вплоть до конца XIX века атомы считались неделимыми частицами — «кирпичиками», из которых состоит весь окружающий нас мир. Никакие доступные в то время способы — ни нагревание до высоких температур, ни высокое давление — не могли изменить свойств атомов. Но само разнообразие атомов наводило на мысль, что их различные свойства должны быть обусловлены неодинаковым внутренним строением, то есть, что атомы делимы и состоят из других, более простых частиц.

В конце XIX и начале XX века многие ученые пытались разгадать тайну атомов, изучить их строение. Но усилия физиков заглянуть внутрь атома долгое время оставались тщетными.

Открытие радиоактивности. В 1896 году французский физик Беккерель открыл явление, положившее начало успешному изучению внутреннего строения атома. Бывает так, что к великому открытию приходят почти случайно. То, что открыл Беккерель, совсем не соответствовало его ожиданиям.

Многие вещества после облучения их солнечным светом обладают способностью люминесцировать, то есть светиться еще долгое время после облучения. Примеры такого свечения давно известны: светится морская пена, некоторые рыбы, светятся и различные химические вещества.

Вызывали свечение в некоторых веществах и открытые за год до опытов Беккереля рентгеновские лучи. Заметив сходство всех типов люминесценции, Беккерель решил исследовать, не испускают ли светящиеся люминесцирующие вещества рентгеновские лучи, проникающие через непрозрачные перегородки. Для этого он обернул фотографическую пластинку черной бумагой и положил сверху люминесцирующее вещество, содержащее уран. Лучи солнца в течение всего дня вызывали сильную люминесценцию вещества, но не могли проникнуть сквозь черную бумагу и засветить пластинку.

Опыты как будто бы подтвердили предположение Беккереля. На проявленной пластинке были видны очертания люминесцирующего предмета. Беккерель решил повторить эксперимент, но пасмурная погода помешала ему довести опыт до конца, и пластинка в черном конверте вместе с лежащим на ней люминесцирующим веществом несколько дней пробыла в темном шкафу. И вот, к удивлению Беккереля, после проявления оказалось, что эта пластинка почернела гораздо больше, чем в первом опыте.

Люминесцирующим веществом в этом опыте была сернокислая соль урана.

Беккерель исследовал большое количество различных химических соединений и обнаружил, что только вещества, содержащие уран, способны испускать лучи, проникающие через черную бумагу, покрывающую фотопластинку, причем большинство этих веществ не обладает способностью люминесцировать. Так была открыта радиоактивность.

Это явление было затем подробно изучено Марией Склодовской-Кюри и ее мужем Пьером Кюри. Они нашли, что многие элементы, преимущественно наиболее тяжелые, радиоактивны, а такие, как, например, радий и полоний, испускают невидимые лучи во много раз интенсивнее, чем уран.

Лучи, испускаемые радиоактивными веществами, по своим свойствам могут быть разделены на три вида: альфа-, бета- и гамма-лучи.

Тщательные исследования поведения радиоактивных излучений в магнитном поле и их проникающей способности дали возможность физикам определить заряд, массу и скорость частиц, составляющих альфа- и бета-лучи, и характер гамма-лучей.

Исследования показали, что альфа-лучи представляют собой поток довольно тяжелых частиц, движущихся со скоростью 15–17 тысяч километров в секунду. Каждая из этих частиц обладает двумя положительными элементарными зарядами электричества и имеет массу, приблизительно равную массе атома гелия. Бета-лучи состоят из очень легких отрицательно заряженных частиц — электронов, скорость которых достигает 300 тысяч километров в секунду. Гамма-лучи сходны по своей природе и свойствам с глубоко проникающими рентгеновскими лучами.

Очень скоро было обнаружено, что альфа-частица — это ядро атома гелия. Было установлено также, что, испуская альфа-частицы или бета-частицы, атомы одних элементов превращаются в атомы других. Например, атом радия, испуская альфа-частицу, превращается в атом благородного газа радона.

Модель атома Резерфорда. Мы уже говорили, что никакие химические реакции не могут превратить один элемент в другой. В процессе же радиоактивного излучения это превращение происходит самопроизвольно.

А раз природа сама допускает самопроизвольные превращения, то можно найти способ искусственно получать из одних элементов другие и осуществить мечты средневековых алхимиков, пытавшихся превратить свинец или ртуть в золото.

Представлению об атомах, как о неделимых кирпичиках мироздания, был нанесен сокрушительный удар.

Но радиоактивные излучения не только сигнализируют нам о превращениях атомов, о их сложном строении, они дают возможность изучить внутреннюю структуру атома. Но как проникнуть в атом?

С открытием радиоактивности у исследователей появились частицы, скорость которых достигала 17 тысяч километров в секунду. И вот известный английский физик Резерфорд решил использовать эти частицы как снаряды для исследования строения атома.

Изучая прохождение альфа-частиц через тонкие металлические листки, Резерфорд нашел, что большинство частиц проходит через листок, не изменяя заметно направления своего движения.

Отсюда можно сделать заключение, что атом — это не сплошь заполненный каким-либо тяжелым веществом объем. Лишь малая часть объема атома препятствует прохождению альфа-частицы и вызывает ее отклонение от прямолинейного пути. Этот малый объем и есть ядро атома.

На первый взгляд, исследования Резерфорда кажутся весьма неточными. Так, слепой, ощупывая палкой камень, может приблизительно определить его форму и размеры, а также, учитывая усилия, которые нужно приложить к камню, чтобы сдвинуть его с места, оценить его вес (массу).

Физик-экспериментатор, бомбардируя атомы, также не видит их, но его методы исследования точнее палки слепого. В своих опытах Резерфорд бомбардировал атомы огромным количеством альфа-частиц. Он подсчитал число частиц, испытавших большое отклонение и, зная количество атомов в тонком листке, смог определить размеры атомного ядра и доказать, что в этом малом объеме сосредоточена почти вся масса атома.

Так возникла модель атома Резерфорда.

По этой модели атом представляется в виде маленькой планетной системы. В центре находится очень малая, но весьма тяжелая частица — атомное ядро, имеющее положительный электрический заряд. В ядре сосредоточена почти вся масса атома, а размеры его значительно меньше самого атома. Так, объем, занимаемый атомными ядрами в окружающих нас телах, составляет примерно только одну тысячемиллиардную часть всего видимого нами объема тела.

Вокруг ядра на сравнительно больших расстояниях движутся легкие частицы — электроны. В целом атом нейтрален, то есть не имеет электрического заряда. Поэтому число электронов в атомах равно количеству положительных элементарных зарядов ядра. Заряд ядра численно равен номеру элемента в периодической системе Менделеева и определяет электрические силы, с которыми атом воздействует на другие атомы, то есть его химические свойства.

Легче всего представить себе схемы строения наиболее простых атомов (рис. 1). Атом самого легкого элемента — водорода состоит из двух частиц. Вокруг ядра водорода вращается один электрон. У гелия — второго элемента периодической системы — вокруг ядра вращаются два электрона, у кислорода — восемь электронов, в атоме урана — 92 электрона. Чем тяжелее атом, тем сложнее он устроен.

Атомное ядро. После того как было открыто сложное строение атома, все внимание физиков было перенесено на атомное ядро. Так же как и атомы, их ядра обладают разнообразными свойствами, которые могут быть объяснены только различной структурой ядер. Надо было найти те «кирпичики», или более простые частицы, из которых состоят ядра всех элементов.

Исследования радиоактивных превращений показали, что ядра некоторых элементов могут самопроизвольно распадаться, выбрасывая альфа-частицы и электроны.

Но физикам было ясно, что альфа-частица (ядро атома гелия) не может быть составной частью любого ядра. Ядро водорода, например, приблизительно в четыре раза легче альфа-частицы. Кроме того, большинство атомных ядер имеет массу, не кратную массе альфа-частицы.

При помощи весьма остроумных приборов — мас-спектрографов физики сумели очень точно измерить массы разных атомов и ядер. Оказалось, что атомные веса всех ядер измеряются числами, кратными весу ядра атома водорода. Поэтому ученые вначале предположили, что ядра всех элементов состоят из разного количества ядер водорода, или, как их принято называть, протонов. Но протон имеет положительный заряд, равный по величине отрицательному заряду электрона. Поэтому ядро с атомным весом А должно, очевидно, иметь А элементарных положительных зарядов. Для того же, чтобы атом был в целом нейтрален, его электронная оболочка должна, казалось бы, содержать А электронов. Но это не соответствует действительности: число наружных электронов в атоме значительно меньше. Пришлось сделать предположение, что остальные электроны находятся внутри ядра. Это как будто бы соответствует действительности. Бета-лучи, получающиеся при радиоактивном распаде ядер, есть не что иное, как поток очень быстрых электронов.

Однако эта гипотеза о протонно-электронной структуре ядра, как показали исследования, противоречит многим экспериментальным фактам. В 1932 году был открыт нейтрон — частица, не имеющая электрического заряда, масса которой близка к массе протона. Нейтроны были обнаружены в ядрах почти всех атомов, и на этом основании советским физиком Д. Д. Иваненко была высказана идея о том, что атомные ядра состоят из протонов и нейтронов. Эта теория была подтверждена всеми дальнейшими исследованиями и является в наше время общепринятой.

Схема строения самых простых ядер показана на рис. 2. Наиболее простым является ядро водорода. Оно состоит из одной частицы — протона, которая входит в состав всех остальных ядер. Ядро гелия уже значительно сложнее и состоит из четырех частиц: двух протонов и двух нейтронов. А ядро урана имеет весьма сложное строение: в нем 238 частиц, из которых 92 протона и 146 нейтронов.

Общее число протонов и нейтронов в ядре равно массовому числу М, которое представляет собой округленный до целого числа атомный вес А.

Количество протонов в ядре равно числу наружных электронов, то есть атомному номеру Z. Зная массовое число (атомный вес) и номер химического элемента в периодической системе, очень легко определить количество нейтронов в атомном ядре. Оно равно: N=М-Z.

Заряд ядра определяется количеством протонов, и любое уменьшение или увеличение их числа вызывает изменение числа электронов в электронной оболочке атома.

Поэтому такое изменение числа протонов меняет химические свойства атома. Происходит превращение атома одного элемента в другой.

Удаление или прибавление нейтронов в ядре не приводит к образованию нового химического элемента, так как заряд и, следовательно, номер элемента в периодической системе остаются прежними. Такие атомы отличаются друг от друга массами и, обладая одними и теми же химическими свойствами, являются разновидностями одного химического элемента. Эти разновидности называются изотопами, то есть веществами, находящимися в одной клетке периодической системы Менделеева. Каждый химический элемент, встречающийся в природе, представляет собой обычно смесь разновидностей этого элемента и является природной смесью изотопов.

У водорода, например, три изотопа, схемы атомов которых приведены на рис. 3. В ядре каждого изотопа водорода есть один протон, и поэтому во всех атомах существует по одному электрону, который уравновешивает положительный заряд ядра. Дейтерий — устойчивый изотоп водорода с массовым числом 2 — содержится в природном водороде в количестве 0,02 процента. Ядро его атома состоит из одного протона и нейтрона. Ядро сверхтяжелого радиоактивного водорода — трития состоит из трех частиц: одного протона и двух нейтронов. Трития в природной смеси водорода почти нет. Но сейчас он может быть получен в довольно больших количествах искусственно в ядерных реакторах.

Число устойчивых изотопов у отдельных химических элементов, например у олова, доходит до 10.

В настоящее время физикам известно около трехсот устойчивых и примерно восемьсот радиоактивных изотопов.

Ядерные силы. Теперь мы уже знаем, что изотопов значительно больше, чем элементов. Но почему ядра одних изотопов устойчивы (и они встречаются в природе часто), а других — легко распадаются и радиоактивны?

Что удерживает частицы в атомном ядре?