Реакции деления и синтеза: источники ядерной энергии
Количество энергии, выделяющейся при ядерных реакциях, напрямую зависит от структуры атомных ядер. Наибольшая энергия связи на один нуклон наблюдается у ядер со средними атомными массами. Для тяжелых элементов, таких как уран-238, и для самых легких, например, гелия-3 или дейтерия, этот показатель снижается. Именно эта разница в энергии связи лежит в основе двух основных способов получения ядерной энергии: деления тяжелых ядер и синтеза (термоядерной реакции) легких ядер. Выход энергии в этих процессах составляет от одного до нескольких мегаэлектронвольт на нуклон, что в миллионы раз превышает энергетический выход химических реакций горения.
Такая колоссальная энергоемкость определяет ключевые преимущества ядерного топлива: огромные, практически неисчерпаемые ресурсы; малые объемы добычи и транспортировки, ведущие к снижению затрат; компактные запасы топлива для транспорта дальнего действия; относительно небольшой объем конечных продуктов, что упрощает их локализацию и хранение.
Однако ядерные реакции имеют и серьезные недостатки. Они сопровождаются высокоэнергетическим излучением и образованием радиоактивных веществ, представляющих гораздо большую опасность для человека и экосистемы, чем продукты сгорания органического топлива. Это накладывает особые требования: необходимость создания высоконадежных инженерных систем и многоуровневых барьеров безопасности, строгий контроль качества оборудования, высокая квалификация персонала, а также сложные процедуры лицензирования и надзора. Всё это значительно усложняет конструкцию и повышает стоимость ядерных технологий.
Замедление нейтронов и цепная реакция
Быстрые нейтроны, рождающиеся при делении ядер, взаимодействуют с окружающей средой. Их энергия снижается (спектр "смягчается") за счет столкновений. На тяжелых ядрах происходит неупругое рассеяние, которое возможно только при высоких энергиях нейтронов. В среде с преобладанием тяжелых ядер нейтроны остаются быстрыми (с энергией выше 0.1 МэВ). Если же в среде много легких ядер, нейтроны эффективно замедляются до тепловых энергий, сравниваясь по энергии с тепловым движением атомов среды (около 0.025 эВ при комнатной температуре). При недостаточной концентрации легких ядер формируется промежуточный (резонансный) спектр нейтронов. Для целенаправленного замедления используются специальные материалы — замедлители, такие как обычная или тяжелая вода, графит или бериллий, которые слабо поглощают нейтроны.
В природе существует только один изотоп, способный поддерживать цепную реакцию деления под действием нейтронов любой энергии — это уран-235. Однако его содержание в природном уране составляет лишь 0.72%. Основной изотоп, уран-238 (99.3%), делится только под действием быстрых нейтронов. Рожденные при делении быстрые нейтроны в среде природного урана быстро теряют энергию ниже порога деления U-238 и поглощаются, не поддерживая цепную реакцию.
Существует два принципиальных пути создания самоподдерживающейся цепной реакции на уране: 1) Повышение концентрации делящегося изотопа U-235 путем изотопного обогащения. 2) Замедление нейтронов до тепловых энергий, где сечение поглощения нейтронов ураном-235 в сотни раз превышает таковое для урана-238. Именно второй путь, с использованием графитового замедлителя и блоков природного урана, лег в основу первых экспериментальных реакторов, построенных Энрико Ферми в США (1942) и Игорем Курчатовым в СССР (1946).
Цепная реакция характеризуется коэффициентом размножения нейтронов (K) — отношением числа нейтронов в двух последовательных поколениях. Для бесконечной среды этот коэффициент описывается формулой, учитывающей выход нейтронов при делении, вероятность избежать утечки и поглощения.
Реакции синтеза: термоядерная энергетика
Экзотермические реакции синтеза наиболее эффективны для легчайших ядер с минимальным зарядом (водород, гелий), так как кулоновское отталкивание между ними наименьшее. К таким реакциям относятся, например, синтез дейтерия и трития (D-T) или двух ядер дейтерия (D-D).
Для запуска и поддержания управляемой термоядерной реакции необходимо создать и удержать высокотемпературную плазму. Один из подходов — магнитное удержание, где плазма удерживается сильными магнитными полями сложной конфигурации (установки типа токамак, стелларатор). Другой подход — инерциальный синтез, при котором небольшая мишень с топливом мгновенно сжимается и нагревается мощными лазерными импульсами или пучками частиц.
Термоядерная энергетика обладает рядом потенциальных преимуществ перед энергетикой деления:
- Отсутствие долгоживущих высокоактивных продуктов деления и актиноидов, что радикально упрощает проблему радиоактивных отходов.
- Принципиальное отсутствие механизмов неконтролируемого разгона реактора, подобного чернобыльскому.
- Не используются и не нарабатываются в значительных количествах делящиеся материалы, пригодные для создания ядерного оружия.
Также рассматриваются гибридные системы "синтез-деление", где нейтроны от термоядерной реакции используются для "поджига" реакций деления в окружающем бланкете, содержащем уран-238 или торий-232. Это позволяет увеличить выход энергии и нарабатывать новое ядерное топливо (плутоний или уран-233).
Наиболее достижимой на сегодня считается реакция дейтерия с тритием (D-T), требующая относительно меньших температур. Поскольку тритий в природе практически не встречается из-за короткого периода полураспада, его необходимо воспроизводить непосредственно в реакторе, облучая литий в бланкете нейтронами синтеза.
Реакция синтеза двух ядер дейтерия (D-D) использует только природное, практически неисчерпаемое топливо и не требует воспроизводящего бланкета, но для ее запуска нужны гораздо более высокие температуры и плотности плазмы.
Даже в "чистых" термоядерных реакциях могут образовываться радиоактивные вещества (например, тритий в D-T цикле) или возникать наведенная радиоактивность в конструкционных материалах от потока нейтронов. Полностью исключить радиационную опасность можно, используя так называемые "безнейтронные" реакции, например, синтез дейтерия и гелия-3 (D-3He). Однако гелий-3 крайне редок на Земле (основной источник — распад трития из ядерных боезарядов), что делает эту реакцию пока непрактичной. В перспективе источником гелия-3 может стать Луна, где этот изотоп накапливается в поверхностном слое, заносимый солнечным ветром.
На сегодняшний день управляемый термоядерный синтез еще не реализован в промышленных энергетических установках. Все успехи достигнуты на экспериментальных физических установках. В настоящее время ведется международная разработка крупного экспериментального термоядерного реактора на принципе токамака (проект ITER), цель которого — продемонстрировать научную и техническую возможность получения энергии от синтеза.