Jadrová fúzia. Všetko, čo potrebujete vedieť o termonukleárnej fúzii Aký je rozdiel medzi riadenou jadrovou reakciou a nekontrolovanou?
Zo štyroch hlavných zdrojov jadrovej energie sa v súčasnosti priemyselne uplatnili len dva: energia rádioaktívneho rozpadu sa využíva v energetických zdrojoch a štiepna reťazová reakcia sa využíva v jadrových reaktoroch. Tretí zdroj jadrovej energie – anihilácia elementárnych častíc – ešte neopustil sféru sci-fi. Štvrtý zdroj je riadená termonukleárna fúzia, riadená termonukleárna fúzia, je na dennom poriadku. Tento zdroj má síce menší potenciál ako tretí, no výrazne prevyšuje druhý.
Termonukleárna fúzia v laboratórnych podmienkach je pomerne jednoduchá na uskutočnenie, ale reprodukcia energie ešte nebola dosiahnutá. Práce v tomto smere však prebiehajú a vyvíjajú sa rádiochemické techniky, predovšetkým technológie na výrobu tríciového paliva pre zariadenia CTS.
Táto kapitola skúma niektoré rádiochemické aspekty termonukleárnej fúzie a pojednáva o perspektívach využitia zariadení na riadenú fúziu v jadrovej energetike.
Riadená termonukleárna fúzia- reakcia fúzie ľahkých atómových jadier na ťažšie jadrá, prebiehajúca pri ultravysokých teplotách a sprevádzaná uvoľnením obrovského množstva energie. Na rozdiel od výbušnej termonukleárnej fúzie (používanej vo vodíkovej bombe) je riadená. V hlavných jadrových reakciách, ktoré sa plánujú použiť na realizáciu riadenej termonukleárnej fúzie, sa budú používať -H a 3H a v dlhodobejšom horizonte 3 He a „B“.
Nádeje na riadenú termonukleárnu fúziu sú spojené s dvoma okolnosťami: i) predpokladá sa, že hviezdy existujú vďaka stacionárnej termonukleárnej reakcii a 2) nekontrolovaný termonukleárny proces sa celkom jednoducho zrealizoval pri výbuchu vodíkovej bomby. Zdá sa, že neexistuje žiadna zásadná prekážka na udržanie riadenej reakcie jadrovej fúzie. Intenzívne pokusy o implementáciu CTS v laboratórnych podmienkach so získavaním energetických ziskov však skončili úplným neúspechom.
V súčasnosti sa však CVT považuje za dôležité technologické riešenie zamerané na nahradenie fosílnych palív pri výrobe energie. Celosvetový dopyt po energii, ktorý si vyžaduje zvýšenie výroby elektriny a ubúdanie neobnoviteľných surovín, podnecuje hľadanie nových riešení.
Termonukleárne reaktory využívajú energiu uvoľnenú fúziou ľahkých atómových jadier. Napoimeo:
Fúzna reakcia jadier trícia a deutéria je sľubná pre riadenú termonukleárnu fúziu, pretože jej prierez je pomerne veľký aj pri nízkych energiách. Táto reakcia poskytuje špecifickú výhrevnosť 3,5-11 J/g. Najväčší prierez má hlavná reakcia D+T=n+a o t ah=5 stodola v rezonancii pri energii deuterónu E pSh x= 0,108 MeV, v porovnaní s reakciami D+D=n+3He a,„ a *=0,i05 stodola; E max = 1,9 MeV, D+D=p+T o tah = 0,09 stodola; E max = 2,0 MeV, ako aj s reakciou 3He+D=p+a a m ax=0,7 barn; Eotah= 0,4 MeV. Posledná reakcia uvoľní 18,4 MeV. V reakcii (3) súčet energií p+a rovná 17,6 MeV, energia výsledných neutrónov?„=14,1 MeV; a energia výsledných alfa častíc je 3,5 MeV. Ak sú v reakciách T(d,n)a a:) He(d,p)a rezonancie dosť úzke, tak v reakciách D(d,n)3He a D(d,p)T sú veľmi široké rezonancie s veľkými hodnotami prierezov v oblasti od 1 do 10 MeV a lineárny nárast od 0,1 MeV do 1 MeV.
Komentujte. Problémy s ľahko zápalným DT palivom sú v tom, že trícium sa nevyskytuje prirodzene a musí sa vyrábať z lítia v množiteľskej oblasti fúzneho reaktora; trícium je rádioaktívne (Ti/ 2 = 12,6 roka), systém DT reaktora obsahuje od 10 do 10 kg trícia; 80 % energie pri reakcii DT sa uvoľní s neutrónmi 14 MeV, ktoré indukujú umelú rádioaktivitu v štruktúrach reaktora a spôsobujú radiačné poškodenie.
Na obr. Obrázok 1 znázorňuje energetické závislosti prierezov reakcie (1 - h). Grafy pre prierezy reakcií (1) a (2) sú prakticky rovnaké - so zvyšujúcou sa energiou sa prierez zväčšuje a pri vysokých energiách má pravdepodobnosť reakcie tendenciu ku konštantnej hodnote. Prierez reakcie (3) sa najskôr zväčšuje, dosahuje maximálne 10 barn pri energiách rádovo 90 MeV a potom klesá so zvyšujúcou sa energiou.
Ryža. 1. Prierezy niektorých termonukleárnych reakcií v závislosti od energie častíc v systéme ťažiska: 1 - jadrová reakcia (3); 2 - reakcie (1) a (2).
Vzhľadom na veľký rozptylový prierez pri bombardovaní jadier trícia zrýchlenými deuterónmi môže byť energetická bilancia procesu termonukleárnej fúzie v D - T reakcii negatívna, pretože Na urýchľovanie deuterónov sa spotrebuje viac energie, ako sa uvoľní počas fúzie. Pozitívna energetická bilancia je možná, ak sú bombardujúce častice po elastickej zrážke schopné opäť sa zúčastniť reakcie. Na prekonanie elektrického odpudzovania musia mať jadrá vysokú kinetickú energiu. Tieto podmienky môžu byť vytvorené vo vysokoteplotnej plazme, v ktorej sú atómy alebo molekuly v plne ionizovanom stave. Napríklad D-T reakcia začína prebiehať až pri teplotách nad 100 8 K. Len pri takýchto teplotách sa na jednotku objemu a za jednotku času uvoľní viac energie, než sa vynaloží. Keďže jedna fúzna reakcia D-T predstavuje ~105 bežných jadrových zrážok, problém CTS spočíva v riešení dvoch problémov: zahriatie látky na požadované teploty a jej udržanie po dobu dostatočnú na „spálenie“ značnej časti termonukleárneho paliva.
Predpokladá sa, že riadená termonukleárna fúzia môže byť realizovaná, ak je splnené Lawsonovo kritérium (m>10'4 s cm-3, kde P - hustota vysokoteplotnej plazmy, t - čas jej zotrvania v systéme).
Keď je toto kritérium splnené, energia uvoľnená počas CTS prevyšuje energiu zavedenú do systému.
Plazma sa musí udržiavať v danom objeme, pretože vo voľnom priestore plazma okamžite expanduje. Kvôli vysokým teplotám nie je možné umiestniť plazmu do zásobníka zo žiadneho
materiál. Na zadržanie plazmy je potrebné použiť vysokointenzívne magnetické pole, ktoré je vytvorené pomocou supravodivých magnetov.
Ryža. 2. Schematický diagram tokamaku.
Ak si nestanovíte cieľ získať energetický zisk, potom v laboratórnych podmienkach je implementácia CTS celkom jednoduchá. Na tento účel stačí spustiť ampulku deuteridu lítneho do kanála akéhokoľvek pomalého reaktora pracujúceho na štiepnej reakcii uránu (môžete použiť lítium s prírodným izotopovým zložením (7% 6 Li), ale je lepšie, ak je obohatený o stabilný izotop 6 Li). Pod vplyvom tepelných neutrónov dochádza k nasledujúcej jadrovej reakcii:
V dôsledku tejto reakcie sa objavia „horúce“ atómy trícia. Energia spätného rázu trícia (~3 MeV) je dostatočná na to, aby došlo k interakcii trícia s deutériom prítomným v LiD:
Táto metóda nie je vhodná na energetické účely: náklady na energiu procesu prevyšujú uvoľnenú energiu. Preto musíme hľadať iné možnosti implementácie CTS, možnosti, ktoré poskytujú veľký energetický zisk.
Snažia sa implementovať CTS s energetickým ziskom buď v kvázistacionárnom stave (t>1 s, tg>yu vidíte "Och, alebo v pulzných systémoch (t*io -8 s, n>u 22 cm*š). V prvom (tokamak, stelarátor, zrkadlový lapač atď.) sa plazmové zadržiavanie a tepelná izolácia vykonáva v magnetických poliach rôznych konfigurácií. V pulzných systémoch sa plazma vytvára ožiarením pevného terča (zrná zmesi deutéria a trícia) sústredeným žiarením z výkonných laserových alebo elektrónových lúčov: keď lúč malých pevných terčov zasiahne ohnisko, nasleduje séria termonukleárnych mikrovýbuchov vyskytuje.
Spomedzi rôznych komôr na zadržiavanie plazmy je sľubná komora s toroidnou konfiguráciou. V tomto prípade sa plazma vytvára vo vnútri toroidnej komory pomocou bezelektródového prstencového výboja. V tokamaku je prúd indukovaný v plazme ako sekundárne vinutie transformátora. Magnetické pole, ktoré drží plazmu, sa vytvára jednak v dôsledku prúdu pretekajúceho vinutím okolo komory, jednak v dôsledku prúdu indukovaného v plazme. Na získanie stabilnej plazmy sa používa vonkajšie pozdĺžne magnetické pole.
Termonukleárny reaktor je zariadenie na výrobu energie prostredníctvom fúznych reakcií ľahkých atómových jadier vyskytujúcich sa v plazme pri veľmi vysokých teplotách (> 10 8 K). Hlavnou požiadavkou, ktorú musí fúzny reaktor spĺňať, je uvoľnená energia
termonukleárne reakcie viac ako kompenzovali náklady na energiu z externých zdrojov na udržanie reakcie.
Ryža. h. Hlavné komponenty reaktora pre riadenú termonukleárnu fúziu.
Termonukleárny reaktor typu TO-CAMAK (Toroidná komora s magnetickými cievkami) pozostáva z vákuovej komory, ktorá tvorí kanál, v ktorom cirkuluje plazma, magnetov, ktoré vytvárajú pole, a plazmových vykurovacích systémov. K tomu sú pripojené vákuové čerpadlá, ktoré neustále odčerpávajú plyny z kanála, systém dodávania paliva pri spaľovaní a odvádzač - systém, prostredníctvom ktorého sa z reaktora odstraňuje energia získaná v dôsledku termonukleárnej reakcie. Toroidná plazma je vo vákuovom obale. a-Častice vznikajúce v plazme v dôsledku termonukleárnej fúzie a nachádzajúce sa v nej zvyšujú jej teplotu. Neutróny prenikajú cez stenu vákuovej komory do zóny pokrývky obsahujúcej tekuté lítium alebo zlúčeninu lítia obohatenú o 6 Li. Pri interakcii s lítiom sa kinetická energia neutrónov premieňa na teplo a súčasne vzniká trícium. Deka je umiestnená v špeciálnom obale, ktorý chráni magnet pred unikajúcimi neutrónmi, y-žiarením a tepelnými tokmi.
V inštaláciách typu tokamak sa plazma vytvára vo vnútri toroidnej komory pomocou bezelektródového prstencového výboja. Za týmto účelom sa v plazmovej zrazenine vytvára elektrický prúd a zároveň vyvíja vlastné magnetické pole – samotná plazmová zrazenina sa stáva magnetom. Teraz pomocou vonkajšieho magnetického poľa určitej konfigurácie je možné zavesiť plazmový oblak v strede komory bez toho, aby sa dostal do kontaktu so stenami.
Diverter - súprava zariadení (špeciálne poloidné magnetické cievky; panely v kontakte s plazmou - plazmové neutralizátory), pomocou ktorých je oblasť priameho kontaktu steny s plazmou maximálne odstránená z hlavnej horúcej plazmy. Používa sa na odvádzanie tepla z plazmy vo forme prúdu nabitých častíc a na odčerpávanie reakčných produktov neutralizovaných na divertorových doskách: hélium a protium. Čistí plazmu od kontaminantov, ktoré interferujú so syntéznou reakciou.
Termonukleárny reaktor je charakterizovaný faktorom zosilnenia výkonu, ktorý sa rovná pomeru tepelného výkonu reaktora k energetickým nákladom na jeho výrobu. Tepelný výkon reaktora sa sčíta:
- - z výkonu uvoľneného počas termonukleárnej reakcie v plazme;
- - z energie, ktorá sa privádza do plazmy na udržanie teploty spaľovania termonukleárnej reakcie alebo stacionárneho prúdu v plazme;
- - z energie uvoľnenej v obale - obal obklopujúci plazmu, v ktorom sa využíva energia termonukleárnych neutrónov a ktorý slúži na ochranu magnetických cievok pred ožiarením. Prikrývka fúzneho reaktora - jedna z hlavných častí termonukleárneho reaktora, špeciálny plášť obklopujúci plazmu, v ktorom prebiehajú termonukleárne reakcie a ktorý slúži na využitie energie termonukleárnych neutrónov.
Prikrývka pokrýva prstenec plazmy zo všetkých strán a hlavné nosiče energie vznikajúce pri fúzii D-T - 14-MeV neutróny - ju uvoľňujú do prikrývky, čím ju zahrievajú. Prikrývka obsahuje výmenníky tepla, cez ktoré prechádza voda. Keď je tokamak v prevádzke, obsahuje V elektrárni para roztáča parnú turbínu a tá otáča rotor generátora.
Hlavnou úlohou prikrývky je zhromažďovať energiu, premieňať ju na teplo a prenášať do systémov na výrobu elektrickej energie, ako aj chrániť operátorov a životné prostredie pred ionizujúcim žiarením vytváraným termonukleárnym reaktorom. Za pokrývkou v termonukleárnom reaktore sa nachádza vrstva radiačnej ochrany, ktorej funkciou je ďalej oslabovať tok neutrónov a y-kván vznikajúcich pri reakciách s hmotou, aby sa zabezpečila prevádzkyschopnosť elektromagnetického systému. Nasleduje biologická ochrana, ktorú môže sledovať personál závodu.
„Aktívna“ oblasť plodenia je určená na výrobu jednej zo zložiek termonukleárneho paliva. V reaktoroch, ktoré spotrebúvajú trícium, sú množivé materiály (zlúčeniny lítia) zahrnuté v oblasti plodenia, aby sa zabezpečila efektívna výroba trícia.
Pri prevádzke termojadrového reaktora na deutérium-tríciové palivo je potrebné doplniť množstvo paliva (D+T) v reaktore a odstrániť 4He z plazmy. V dôsledku reakcií v plazme dochádza k vyhoreniu trícia a hlavná časť fúznej energie sa prenáša na neutróny, pre ktoré je plazma transparentná. To vedie k potrebe umiestniť medzi plazmu a elektromagnetický systém špeciálnu zónu, v ktorej sa reprodukuje vyhorené trícium a absorbuje sa väčšina neutrónových energií. Táto zóna sa nazýva chovateľská deka. Reprodukuje trícium spálené v plazme.
Trícium v oblasti môže byť produkované ožiarením lítia neutrónovými tokmi prostredníctvom jadrových reakcií: 6 Li(n,a)T+4,8 MeV a 7 Li(n,n’a) - 2,4 MeV.
Pri výrobe trícia z lítia je potrebné vziať do úvahy, že prírodné lítium pozostáva z dvoch izotopov: 6 Li (7,52 %) a 7 Li (92,48 %). Absorpčný prierez tepelných neutrónov čistého 6 Lio = 945 barn a prierez aktivácie pre reakciu (p, p) je 0,028 barn. Pre prírodné lítium je prierez na odstránenie neutrónov vytvorených pri štiepení uránu rovný 1,01 barn a prierez na absorpciu tepelných neutrónov je a = 70,4 barn.
Energetické spektrá y-žiarenia pri radiačnom záchyte tepelných neutrónov 6 Li sú charakterizované týmito hodnotami: priemerná energia y-kvantát emitovaných na absorbovaný neutrón, v energetickom rozsahu 6^-7 MeV = 0,51 MeV, v energ. rozsah 7-r8 MeV - 0,94 MeV. Celková energia
V termonukleárnom reaktore pracujúcom na palivo D-T v dôsledku reakcie:
y-žiarenie na neutrónový záchyt je 1,45 MeV. Pre 7 Li je absorpčný prierez 0,047 barn a aktivačný prierez je 0,033 barn (pri energiách neutrónov nad 2,8 MeV). Prierez na odstránenie štiepnych neutrónov LiH prírodného zloženia = 1,34 barn, kovové Li - 1,57 barn, LiF - 2,43 barn.
Vytvárajú sa termonukleárne neutróny, ktoré opúšťajú objem plazmy a vstupujú do oblasti plodenia obsahujúcej lítium a berýlium, kde dochádza k nasledujúcim reakciám:
Termonukleárny reaktor teda bude spaľovať deutérium a lítium a v dôsledku reakcií sa vytvorí inertný plyn hélium.
Pri D-T reakcii trícium v plazme vyhorí a vznikne neutrón s energiou 14,1 MeV. V oblasti plodenia je potrebné, aby tento neutrón generoval aspoň jeden atóm trícia na pokrytie jeho strát v plazme. Miera reprodukcie trícia Komu("množstvo trícia vytvoreného v oblasti na jeden dopadajúci termonukleárny neutrón) závisí od spektra neutrónov v oblasti oblasti, veľkosti absorpcie a úniku neutrónov. Pri 0 % pokrytí oblasťou oblasti plazmou je hodnota k> 1,05.
Ryža. Obr. 4. Závislosť prierezu jadrových reakcií tvorby trícia od energie neutrónov: 1 - reakcia 6 Li(n,t)'»He, 2 - reakcia 7 Li(n,n',0 4 He.
Jadro 6 Li má veľmi veľký absorpčný prierez pre tepelné neutróny s tvorbou trícia (953 barn pri 0,025 eV). Pri nízkych energiách sa absorpčný prierez neutrónov v Li riadi zákonom (l/u) a v prípade prírodného lítia dosahuje hodnotu 71 barn pre tepelné neutróny. Pre 7 Li je prierez pre interakciu s neutrónmi iba 0,045 barna. Preto, aby sa zvýšila produktivita chovateľa, prírodné lítium by malo byť obohatené o izotop 6 Li. Avšak zvýšenie obsahu 6 Li v zmesi izotopov má malý vplyv na reprodukčný koeficient trícia: došlo k zvýšeniu o 5 % so zvýšením obohatenia izotopu 6 Li na 50 % v zmesi. Pri reakcii 6 Li(n, T) „Nebudú absorbované všetky spomalené neutróny. Okrem silnej absorpcie v tepelnej oblasti existuje malá absorpcia (
Závislosť prierezu pre reakciu 6 Li(n,T) 4 He od energie neutrónov je na obr. 7. Ako je typické pre mnohé iné jadrové reakcie, prierez reakcie 6 Li(n,f) 4 He sa s rastúcou energiou neutrónov zmenšuje (s výnimkou rezonancie pri energii 0,25 MeV).
Reakcia s tvorbou trícia na izotope Li prebieha s rýchlymi neutrónmi pri energii >2,8 MeV. V tejto reakcii
vzniká trícium a nedochádza k strate neutrónov.
Jadrová reakcia na 6 Li nemôže spôsobiť zvýšenú produkciu trícia a iba kompenzuje vyhorené trícium
Reakcia na A1l má za následok objavenie sa jedného jadra trícia na každý absorbovaný neutrón a regeneráciu tohto neutrónu, ktorý je potom absorbovaný pri spomalení a vytvára ďalšie jadro trícia.
Komentujte. V prírodnom Li je rýchlosť reprodukcie trícia Komu"2. Pre Li, LiFBeF 2, Li 2 0, LiF, Y^Pbz k= 2,0; 0,95; 1,1; 1,05 a i.6. Roztavená soľ LiF (66 %) + BeF 2 (34 %) sa nazýva flyb ( FLiBe), jeho použitie je výhodnejšie z dôvodu bezpečnostných podmienok a zníženia strát trícia.
Keďže nie každý neutrón D-T reakcie sa podieľa na tvorbe atómu trícia, je potrebné primárne neutróny (14,1 MeV) množiť pomocou reakcie (n, 2n) alebo (n, sn) na prvkoch, ktoré majú dostatočne veľký kríž. sekcia pre interakciu rýchlych neutrónov, napríklad na Be, Pb, Mo, Nb a mnohých ďalších materiáloch s Z> 25. Pre prah berýlia (n, 2 P) reakcie 2,5 MeV; pri 14 MeV 0=0,45 stodola. Výsledkom je, že v plošných verziách s tekutým alebo keramickým lítiom (LiA10 2) je možné dosiahnuť do* 1,1 + 1,2. V prípade obkolesenia reaktorovej komory uránovou vrstvou môže byť množenie neutrónov výrazne zvýšené v dôsledku štiepnych reakcií a (n, 2n), (n, zl) reakcií.
Poznámka 1. Indukovaná aktivita lítia pri ožarovaní neutrónmi prakticky chýba, keďže výsledný rádioaktívny izotop 8 Li (cr-žiarenie s energiou 12,7 MeV a /-žiarenie s energiou ~6 MeV) má veľmi krátku polovicu -životnosť - 0,875 s. Nízka aktivácia lítia a krátky polčas uľahčujú biologickú ochranu rastlín.
Poznámka 2. Aktivita trícia obsiahnutého v plášti termonukleárneho DT reaktora je ~*106 Ci, takže použitie DT paliva nevylučuje teoretickú možnosť havárie v rozsahu niekoľkých percent havárie v Černobyle (tzv. uvoľnenie bolo 5107 Ci). Uvoľňovanie trícia s tvorbou T 2 0 môže viesť k rádioaktívnemu spadu, vstupu trícia do podzemných vôd, nádrží, živých organizmov, rastlín s akumuláciou v konečnom dôsledku do potravinárskych výrobkov.
Vážnym problémom je výber materiálu a stavu kameniva chovateľa. Šľachtiteľský materiál musí zabezpečiť vysoké percento premeny lítia na trícium a jeho ľahkú extrakciu pre následný prenos do systému prípravy paliva.
Medzi hlavné funkcie chovateľskej prikrývky patrí: vytvorenie plazmovej komory; produkcia trícia s koeficientom k>i; premena kinetickej energie neutrónov na teplo; rekuperácia tepla generovaného v oblasti pri prevádzke termonukleárneho reaktora; radiačná ochrana elektromagnetického systému; biologická ochrana pred žiarením.
Termonukleárny reaktor využívajúci palivo D-T, v závislosti od materiálu oblasti plodenia, môže byť „čistý“ alebo hybridný. Plocha „čistého“ termonukleárneho reaktora obsahuje Li, v ktorom sa vplyvom neutrónov vyrába trícium a termonukleárna reakcia sa zvyšuje zo 17,6 MeV na 22,4
MeV. V plášti hybridného („aktívneho“) termonukleárneho reaktora sa nielen vyrába trícium, ale sú tu aj zóny, v ktorých sa umiestňuje odpad 2 39Pi a vzniká 2 39Pi. V tomto prípade sa v pokrývke uvoľní energia rovnajúca sa 140 MeV na neutrón. Energetická účinnosť hybridného fúzneho reaktora je šesťkrát vyššia ako u čistého reaktora. Zároveň sa dosiahne lepšia absorpcia termonukleárnych neutrónov, čo zvyšuje bezpečnosť inštalácie. Prítomnosť štiepnych rádioaktívnych látok však vytvára radiačné prostredie podobné tomu, ktoré existuje v jadrových štiepnych reaktoroch.
Ryža. 5.
Existujú dva čisté koncepty množiteľskej plochy založené na použití tekutých šľachtiteľských materiálov trícia alebo na použití pevných materiálov obsahujúcich lítium. Možnosti dizajnu prikrývok súvisia s typom zvoleného chladiva (tekutý kov, tekutá soľ, plyn, organické látky, voda) a triedou možných konštrukčných materiálov.
V tekutej verzii prikrývky je lítium chladivom a trícium je reprodukčným materiálom. Sekcia pokrytia pozostáva z prvej steny, množiteľskej zóny (roztavená lítiová soľ, reflektor (oceľ alebo volfrám) a komponent ochrany pred svetlom (napríklad hydrid titánu).Hlavným znakom lítiovej samochladiacej prikrývky je absencia prídavného moderátora a neutrónového multiplikátora.V deke s tekutým množiteľom môžete použiť tieto soli: Li 2 BeF 4 ( T pl = 459°), LiBeF 3 (Twx.= 380°), FLiNaBe (7^ = 305-320°). Spomedzi vyššie uvedených solí má Li 2 BeF 4 najnižšiu viskozitu, ale najvyššiu Twl. Prospect Pb-Li eutektikum a tavenina FLiNaBe, ktorá funguje aj ako samochladič. Neutrónové multiplikátory u takéhoto množiteľa sú guľovité granule Be s priemerom 2 mm.
V prikrývke s pevným množiteľom sa ako množiteľský materiál používa keramika s obsahom lítia a berýlium slúži ako násobič neutrónov. Zloženie takejto prikrývky zahŕňa také prvky, ako je prvá stena s kolektormi chladiacej kvapaliny; zóna rozmnožovania neutrónov; zóna výroby trícia; chladiace kanály pre chovné a reprodukčné zóny trícia; ochrana železnej vody; Upevňovacie prvky prikrývky; potrubia na privádzanie a vypúšťanie chladiacej kvapaliny a nosného plynu trícia. Konštrukčnými materiálmi sú zliatiny vanádu a oceľ feritickej alebo feriticko-martenzitickej triedy. Radiačná ochrana je vyrobená z oceľových plechov. Ako chladivo sa používa plynné hélium pod tlakom yMPa s teplotou na vstupe 300 0 a výstupnou teplotou chladiva 650 0.
Rádiochemickou úlohou je izolovať, čistiť a vrátiť trícium do palivového cyklu. V tomto prípade je dôležitý výber funkčných materiálov pre systémy regenerácie zložiek paliva (šľachtiteľské materiály). Šľachtiteľský materiál musí zabezpečiť odstránenie energie termonukleárnej fúzie, tvorbu trícia a jeho efektívnu extrakciu na následné čistenie a transformáciu na palivo reaktora. Na tento účel je potrebný materiál s vysokou teplotou, radiáciou a mechanickou odolnosťou. Nemenej dôležité sú difúzne vlastnosti materiálu, ktoré zaisťujú vysokú mobilitu trícia a v dôsledku toho dobrú účinnosť extrakcie trícia z množiteľského materiálu pri relatívne nízkych teplotách.
Pracovnými látkami deky môžu byť: keramika Li 4 Si0 4 (alebo Li 2 Ti0 3) - reprodukčný materiál a berýlium - neutrónový multiplikátor. Šľachtiteľ aj berýlium sa používajú vo forme vrstvy monodisperzných kamienkov (granule s tvarom blízkym sférickému). Priemery granúl Li4Si04 a Li2Ti03 sa pohybujú v rozsahu 0,2 až 10,6 mm, respektíve 8 mm, a granule berýlia majú priemer 1 mm. Podiel účinného objemu vrstvy granúl je 63 %. Na reprodukciu trícia je keramický šľachtiteľ obohatený o izotop 6 Li. Typická úroveň obohatenia 6 Li: 40 % pre Li4Si04 a 70 % pre Li2Ti03.
V súčasnosti sa metatitanát lítny 1L 2 TIu 3 považuje za najsľubnejší vďaka relatívne vysokej rýchlosti uvoľňovania trícia pri relatívne nízkych teplotách (od 200 do 400 0), odolnosti voči žiareniu a chemikáliám. Ukázalo sa, že granuly titaničitanu lítneho, obohatené na 96 % 6 Li v podmienkach intenzívneho ožiarenia neutrónmi a tepelných účinkov, umožňujú vytvárať lítium takmer konštantnou rýchlosťou počas dvoch rokov. Trícium sa získava z neutrónmi ožiarenej keramiky naprogramovaným ohrevom množiteľského materiálu v kontinuálnom čerpacom režime.
Predpokladá sa, že v jadrovom priemysle možno termonukleárne fúzne zariadenia využiť v troch oblastiach:
- - hybridné reaktory, v ktorých oblasť plodenia obsahuje štiepne nuklidy (urán, plutónium), ktorých štiepenie je riadené silným prúdom vysokoenergetických (14 MeV) neutrónov;
- - iniciátory horenia v elektrojadrových podkritických reaktoroch;
- - transmutácia rádionuklidov nebezpečných pre životné prostredie s dlhou životnosťou na účely zneškodňovania rádioaktívneho odpadu.
Vysoká energia termonukleárnych neutrónov poskytuje veľké možnosti na oddelenie energetických skupín neutrónov pre spaľovanie špecifického rádionuklidu v rezonančnej oblasti prierezov.
Jadrová reťazová reakcia- samoudržujúca štiepna reakcia ťažkých jadier, pri ktorej neustále vznikajú neutróny deliace stále nové a nové jadrá.Jadro uránu-235 sa vplyvom neutrónu rozdelí na dva rádioaktívne fragmenty nerovnakej hmotnosti, letiace vysokou rýchlosťou. v rôznych smeroch a dva alebo tri neutróny. Riadené reťazové reakcie vykonávané v jadrových reaktoroch alebo jadrových kotloch. V súčasnosti riadené reťazové reakcie sa uskutočňujú na izotopoch uránu-235, uránu-233 (umelo získaného z tória-232), plutónia-239 (umelo získaného z urium-238), ako aj plutónia-241. Veľmi dôležitou úlohou je izolovať jeho izotop, urán-235, z prírodného uránu. Už od prvých krokov vývoja jadrovej technológie malo rozhodujúci význam využitie uránu-235, získať ho v čistej forme však bolo technicky náročné, keďže urán-238 a urán-235 sú chemicky neoddeliteľné.
50.Jadrové reaktory. Perspektívy využitia termonukleárnej energie.
Nukleárny reaktor je zariadenie, v ktorom prebieha riadená jadrová reťazová reakcia sprevádzaná uvoľňovaním energie. Prvý jadrový reaktor postavili a spustili v decembri 1942 v USA pod vedením E. Fermiho. Prvým reaktorom postaveným mimo USA bol ZEEP, spustený v Kanade 25. decembra 1946. V Európe bol prvým jadrovým reaktorom zariadenie F-1, ktoré začalo pracovať 25. decembra 1946 v Moskve pod vedením I.V.Kurčatova.Do roku 1978 už vo svete fungovalo okolo sto jadrových reaktorov rôznych typov. Komponenty akéhokoľvek jadrového reaktora sú: jadro s jadrovým palivom, zvyčajne obklopené neutrónovým reflektorom, chladivo, systém riadenia reťazovej reakcie, radiačná ochrana a systém diaľkového ovládania. Nádoba reaktora podlieha opotrebovaniu (najmä vplyvom ionizujúceho žiarenia). Hlavnou charakteristikou jadrového reaktora je jeho výkon. Výkon 1 MW zodpovedá reťazovej reakcii, pri ktorej sa za 1 sekundu vyskytne 3·1016 štiepnych udalostí. Výskum fyziky vysokoteplotnej plazmy sa realizuje najmä v súvislosti s perspektívou vytvorenia termonukleárneho reaktora. Parametre najbližšie k reaktoru sú inštalácie typu tokamak. V roku 1968 bolo oznámené, že inštalácia T-3 dosiahla teplotu plazmy desať miliónov stupňov; práve na rozvoj tohto smeru sústredili svoje úsilie vedci z mnohých krajín v posledných desaťročiach. - Udržiavacia termonukleárna reakcia by sa mala vykonať na tokamaku, ktorý sa vo Francúzsku stavia úsilím rôznych krajín ITER. Plné využitie termonukleárnych reaktorov v energetike sa očakáva v druhej polovici 21. storočia.Okrem tokamakov existujú aj iné typy magnetických pascí na zadržiavanie vysokoteplotnej plazmy, napríklad takzvané otvorené pasce. Vďaka množstvu vlastností dokážu udržať vysokotlakovú plazmu, a preto majú dobré vyhliadky ako výkonné zdroje termonukleárnych neutrónov a v budúcnosti ako termonukleárne reaktory.
Prísľubom tohto prístupu sú úspechy dosiahnuté v posledných rokoch na Ústave jadrovej fyziky SB RAS pri výskume moderných osovo symetrických otvorených lapačov. Tieto štúdie prebiehajú a zároveň BINP pracuje na návrhu zariadenia novej generácie, ktoré už bude schopné demonštrovať parametre plazmy blízke parametrom reaktora.
Reťazová štiepna reakcia je vždy sprevádzaná uvoľnením obrovskej energie. Praktické využitie tejto energie je hlavnou úlohou jadrového reaktora.
Jadrový reaktor je zariadenie, v ktorom prebieha riadená alebo riadená reakcia jadrového štiepenia.
Jadrové reaktory sa na základe princípu činnosti delia na dve skupiny: tepelné neutrónové reaktory a rýchle neutrónové reaktory.
Ako funguje tepelný neutrónový jadrový reaktor?
Typický jadrový reaktor má:
- Jadro a moderátor;
- Neutrónový reflektor;
- chladiaca kvapalina;
- Systém riadenia reťazovej reakcie, núdzová ochrana;
- Systém kontroly a radiačnej ochrany;
- Systém diaľkového ovládania.
1 - aktívna zóna; 2 - reflektor; 3 - ochrana; 4 - riadiace tyče; 5 - chladiaca kvapalina; 6 - čerpadlá; 7 - výmenník tepla; 8 - turbína; 9 - generátor; 10 - kondenzátor.
Jadro a moderátor
Práve v jadre dochádza k riadenej štiepnej reťazovej reakcii.
Väčšina jadrových reaktorov pracuje s ťažkými izotopmi uránu-235. Ale v prírodných vzorkách uránovej rudy je jej obsah iba 0,72%. Táto koncentrácia nestačí na to, aby sa rozvinula reťazová reakcia. Preto sa ruda umelo obohacuje, čím sa obsah tohto izotopu zvýši na 3 %.
Štiepny materiál alebo jadrové palivo vo forme tabliet je umiestnené v hermeticky uzavretých tyčiach, ktoré sa nazývajú palivové tyče (palivové články). Prestupujú celú aktívnu zónu naplnenú moderátor neutróny.
Prečo je v jadrovom reaktore potrebný neutrónový moderátor?
Faktom je, že neutróny narodené po rozpade jadier uránu-235 majú veľmi vysokú rýchlosť. Pravdepodobnosť ich zachytenia inými jadrami uránu je stokrát menšia ako pravdepodobnosť zachytenia pomalých neutrónov. A ak sa ich rýchlosť nezníži, jadrová reakcia môže časom odumrieť. Moderátor rieši problém zníženia rýchlosti neutrónov. Ak sa do dráhy rýchlych neutrónov postaví voda alebo grafit, môže sa umelo znížiť ich rýchlosť a tým sa môže zvýšiť počet častíc zachytených atómami. Reťazová reakcia v reaktore si zároveň vyžiada menej jadrového paliva.
V dôsledku procesu spomalenia tepelné neutróny, ktorého rýchlosť sa takmer rovná rýchlosti tepelného pohybu molekúl plynu pri izbovej teplote.
V jadrových reaktoroch sa ako moderátor používa voda, ťažká voda (oxid deutéria D 2 O), berýlium a grafit. Ale najlepší moderátor je ťažká voda D2O.
Neutrónový reflektor
Aby sa zabránilo úniku neutrónov do životného prostredia, jadro jadrového reaktora je obklopené neutrónový reflektor. Materiál použitý na reflektory je často rovnaký ako v prípade moderátorov.
Chladiaca kvapalina
Teplo uvoľnené počas jadrovej reakcie sa odstraňuje pomocou chladiacej kvapaliny. Ako chladivo v jadrových reaktoroch sa často používa obyčajná prírodná voda, predtým čistená od rôznych nečistôt a plynov. Ale keďže voda vrie už pri teplote 100 0 C a tlaku 1 atm, za účelom zvýšenia bodu varu sa zvýši tlak v primárnom okruhu chladiva. Voda primárneho okruhu cirkulujúca cez jadro reaktora omýva palivové tyče, pričom sa zahrieva na teplotu 320 0 C. Potom vo výmenníku tepla odovzdáva teplo vode sekundárneho okruhu. Výmena prebieha cez teplovýmenné trubice, takže nedochádza ku kontaktu s vodou sekundárneho okruhu. Tým sa zabráni vstupu rádioaktívnych látok do druhého okruhu výmenníka tepla.
A potom sa všetko deje ako v tepelnej elektrárni. Voda v druhom okruhu sa mení na paru. Para roztáča turbínu, ktorá poháňa elektrický generátor, ktorý vyrába elektrický prúd.
V ťažkovodných reaktoroch je chladivom ťažká voda D2O a v reaktoroch s chladiacimi kvapalinami z tekutých kovov je to roztavený kov.
Systém riadenia reťazovej reakcie
Aktuálny stav reaktora charakterizuje veličina tzv reaktivita.
ρ = ( k -1)/ k ,
k = n i / n i -1 ,
Kde k - neutrónový multiplikačný faktor,
n i - počet neutrónov ďalšej generácie v reakcii jadrového štiepenia,
n i -1 , - počet neutrónov predchádzajúcej generácie v tej istej reakcii.
Ak k˃ 1 , reťazová reakcia rastie, systém sa nazýva nadkritické r. Ak k< 1 , reťazová reakcia zanikne a systém sa volá podkritické. O k = 1 reaktor je v stabilný kritický stav, keďže počet štiepnych jadier sa nemení. V tomto stave reaktivita ρ = 0 .
Kritický stav reaktora (požadovaný faktor násobenia neutrónov v jadrovom reaktore) sa udržiava pohybom ovládacie tyče. Materiál, z ktorého sú vyrobené, obsahuje látky absorbujúce neutróny. Vysunutím alebo zatlačením týchto tyčí do jadra sa riadi rýchlosť reakcie jadrového štiepenia.
Riadiaci systém zabezpečuje riadenie reaktora pri jeho spúšťaní, plánovanom odstavení, prevádzke na výkone, ako aj havarijnej ochrane jadrového reaktora. To sa dosiahne zmenou polohy ovládacích tyčí.
Ak sa niektorý z parametrov reaktora (teplota, tlak, rýchlosť nárastu výkonu, spotreba paliva atď.) odchyľuje od normy a môže to viesť k havárii, špeciálne núdzové tyče a jadrová reakcia sa rýchlo zastaví.
Zabezpečte, aby parametre reaktora vyhovovali normám systémy kontroly a radiačnej ochrany.
Na ochranu životného prostredia pred rádioaktívnym žiarením je reaktor umiestnený v hrubom betónovom plášti.
Systémy diaľkového ovládania
Všetky signály o stave jadrového reaktora (teplota chladiacej kvapaliny, úroveň radiácie v rôznych častiach reaktora atď.) sú odosielané do ovládacieho panelu reaktora a spracovávané v počítačových systémoch. Prevádzkovateľ dostane všetky potrebné informácie a odporúčania na odstránenie určitých odchýlok.
Rýchle reaktory
Rozdiel medzi reaktormi tohto typu a tepelnými neutrónovými reaktormi je v tom, že rýchle neutróny vznikajúce po rozpade uránu-235 nie sú spomalené, ale sú pohlcované uránom-238 s jeho následnou premenou na plutónium-239. Rýchle neutrónové reaktory sa preto používajú na výrobu plutónia-239 a tepelnej energie, ktorú generátory jadrových elektrární premieňajú na elektrickú energiu.
Jadrovým palivom v takýchto reaktoroch je urán-238 a surovinou je urán-235.
V prírodnej uránovej rude tvorí 99,2745 % urán-238. Keď je tepelný neutrón absorbovaný, neštiepi sa, ale stáva sa izotopom uránu-239.
Nejaký čas po β-rozpade sa urán-239 zmení na jadro neptúnia-239:
239 92 U → 239 93 Np + 0 -1 e
Po druhom β-rozpade sa vytvorí štiepne plutónium-239:
239 9 3 Np → 239 94 Pu + 0 -1 e
A nakoniec, po alfa rozpade jadra plutónia-239 sa získa urán-235:
239 94 Pu → 235 92 U + 4 2 He
Palivové tyče so surovinami (obohatený urán-235) sú umiestnené v aktívnej zóne reaktora. Táto zóna je obklopená chovnou zónou, ktorá pozostáva z palivových tyčí s palivom (ochudobnený urán-238). Rýchle neutróny emitované z jadra po rozpade uránu-235 sú zachytené jadrami uránu-238. V dôsledku toho vzniká plutónium-239. Nové jadrové palivo sa teda vyrába v reaktoroch s rýchlymi neutrónmi.
Kvapalné kovy alebo ich zmesi sa používajú ako chladivá v jadrových reaktoroch s rýchlymi neutrónmi.
Klasifikácia a použitie jadrových reaktorov
Jadrové reaktory sa používajú najmä v jadrových elektrárňach. S ich pomocou sa elektrická a tepelná energia vyrába v priemyselnom meradle. Takéto reaktory sú tzv energie .
Jadrové reaktory sú široko používané v pohonných systémoch moderných jadrových ponoriek, povrchových lodí a vo vesmírnych technológiách. Zásobujú motory elektrickou energiou a sú tzv transportné reaktory .
Pre vedecký výskum v oblasti jadrovej fyziky a radiačnej chémie sa využívajú toky neutrónov a gama kvantá, ktoré sa získavajú v jadre výskumné reaktory. Energia nimi generovaná nepresahuje 100 MW a nevyužíva sa na priemyselné účely.
Moc experimentálne reaktory ešte menej. Dosahuje hodnotu len niekoľko kW. Tieto reaktory študujú rôzne fyzikálne veličiny, ktorých význam je dôležitý pri návrhu jadrových reakcií.
TO priemyselné reaktory zahŕňajú reaktory na výrobu rádioaktívnych izotopov používaných na lekárske účely, ako aj v rôznych oblastiach priemyslu a techniky. Reaktory na odsoľovanie morskej vody sú tiež klasifikované ako priemyselné reaktory.
Vedci z Princeton Plasma Physics Laboratory navrhli myšlienku zariadenia na jadrovú fúziu s najdlhšou životnosťou, ktoré môže fungovať viac ako 60 rokov. V súčasnosti je to náročná úloha: vedci sa snažia, aby termonukleárny reaktor fungoval niekoľko minút – a potom roky. Napriek zložitosti je konštrukcia termonukleárneho reaktora jednou z najsľubnejších úloh vedy, ktorá môže priniesť obrovské výhody. Povieme vám, čo potrebujete vedieť o termonukleárnej fúzii.
1. Čo je termonukleárna fúzia?
Nenechajte sa zastrašiť touto ťažkopádnou frázou, je to vlastne celkom jednoduché. Fúzia je typ jadrovej reakcie.
Počas jadrovej reakcie jadro atómu interaguje buď s elementárnou časticou alebo s jadrom iného atómu, vďaka čomu sa mení zloženie a štruktúra jadra. Ťažké atómové jadro sa môže rozpadnúť na dve alebo tri ľahšie - ide o štiepnu reakciu. Existuje aj fúzna reakcia: vtedy sa dve ľahké atómové jadrá spoja do jedného ťažkého.
Na rozdiel od jadrového štiepenia, ku ktorému môže dôjsť buď spontánne alebo vynútene, je jadrová fúzia nemožná bez dodávky vonkajšej energie. Ako viete, protiklady sa priťahujú, ale atómové jadrá sú kladne nabité - takže sa navzájom odpudzujú. Táto situácia sa nazýva Coulombova bariéra. Na prekonanie odpudzovania musia byť tieto častice zrýchlené na šialenú rýchlosť. Dá sa to dosiahnuť pri veľmi vysokých teplotách – rádovo niekoľko miliónov Kelvinov. Práve tieto reakcie sa nazývajú termonukleárne.
2. Prečo potrebujeme termonukleárnu fúziu?
Pri jadrových a termonukleárnych reakciách sa uvoľňuje obrovské množstvo energie, ktorá sa dá využiť na rôzne účely – môžete vytvárať silné zbrane, alebo premieňať jadrovú energiu na elektrickú a zásobovať ňou celý svet. V jadrových elektrárňach sa už dlho využíva energia jadrového rozpadu. Ale termonukleárna energia vyzerá sľubnejšie. Pri termonukleárnej reakcii sa pre každý nukleón (takzvané základné jadrá, protóny a neutróny) uvoľní oveľa viac energie ako pri jadrovej reakcii. Napríklad kedy štiepením jadra uránu na jeden nukleón vzniká 0,9 MeV (megaelektrónvolt), a keďPri fúzii jadier hélia sa z jadier vodíka uvoľňuje energia rovnajúca sa 6 MeV. Vedci sa preto učia vykonávať termonukleárne reakcie.
Výskum termonukleárnej fúzie a výstavba reaktorov umožňujú rozširovať high-tech výrobu, ktorá je užitočná v iných oblastiach vedy a high-tech.
3. Čo sú termonukleárne reakcie?
Termonukleárne reakcie sa delia na samoudržiavacie, neriadené (používané vo vodíkových bombách) a riadené (vhodné na mierové účely).
Vo vnútri hviezd prebiehajú samoudržiavacie reakcie. Na Zemi však neexistujú podmienky na to, aby takéto reakcie prebiehali.
Ľudia už dlho vykonávajú nekontrolovanú alebo výbušnú termonukleárnu fúziu. V roku 1952, počas operácie Ivy Mike, Američania odpálili prvé termonukleárne výbušné zariadenie na svete, ktoré nemalo ako zbraň žiadnu praktickú hodnotu. A v októbri 1961 bola testovaná prvá termonukleárna (vodíková) bomba na svete („Cár Bomba“, „Kuzkova matka“), ktorú vyvinuli sovietski vedci pod vedením Igora Kurčatova. Bolo to najsilnejšie výbušné zariadenie v celej histórii ľudstva: celková energia výbuchu sa podľa rôznych zdrojov pohybovala od 57 do 58,6 megaton TNT. Na odpálenie vodíkovej bomby je potrebné najskôr získať vysokú teplotu pri klasickom jadrovom výbuchu – až potom začnú jadrá atómov reagovať.
Sila výbuchu pri nekontrolovanej jadrovej reakcii je veľmi vysoká a navyše je vysoký podiel rádioaktívnej kontaminácie. Preto, aby bolo možné využívať termonukleárnu energiu na mierové účely, je potrebné naučiť sa ju ovládať.
4. Čo je potrebné na riadenú termonukleárnu reakciu?
Držte plazmu!
Nejasné? Poďme si to teraz vysvetliť.
Po prvé, atómové jadrá. V jadrovej energii sa používajú izotopy - atómy, ktoré sa navzájom líšia počtom neutrónov a podľa toho aj atómovou hmotnosťou. Izotop vodíka deutérium (D) sa získava z vody. Superťažký vodík alebo trícium (T) je rádioaktívny izotop vodíka, ktorý je vedľajším produktom rozpadových reakcií uskutočňovaných v konvenčných jadrových reaktoroch. Aj pri termonukleárnych reakciách sa používa ľahký izotop vodíka - protium: toto je jediný stabilný prvok, ktorý nemá v jadre neutróny. Hélium-3 sa na Zemi nachádza v zanedbateľnom množstve, no v lunárnej pôde (regolite) je ho veľa: v 80. rokoch NASA vypracovala plán hypotetických inštalácií na spracovanie regolitu a uvoľnenie cenného izotopu. Na našej planéte je však rozšírený iný izotop - bór-11. 80 % bóru na Zemi je izotop potrebný pre jadrových vedcov.
Po druhé, teplota je veľmi vysoká. Látkou zúčastňujúcou sa termonukleárnej reakcie musí byť takmer úplne ionizovaná plazma – ide o plyn, v ktorom oddelene plávajú voľné elektróny a ióny rôzneho náboja. Na premenu látky na plazmu je potrebná teplota 10 7 – 10 8 K – to sú stovky miliónov stupňov Celzia! Takéto ultra vysoké teploty možno dosiahnuť vytvorením vysokovýkonných elektrických výbojov v plazme.
Potrebné chemické prvky však nemôžete jednoducho zahriať. Akýkoľvek reaktor sa pri takýchto teplotách okamžite vyparí. To si vyžaduje úplne iný prístup. Dnes je možné udržať plazmu v obmedzenom priestore pomocou ultravýkonných elektrických magnetov. Ale zatiaľ nebolo možné plne využiť energiu získanú v dôsledku termonukleárnej reakcie: aj pod vplyvom magnetického poľa sa plazma šíri vo vesmíre.
5. Ktoré reakcie sú najsľubnejšie?
Hlavné jadrové reakcie, ktoré sa plánujú využiť na riadenú fúziu, budú využívať deutérium (2H) a trícium (3H) a z dlhodobého hľadiska hélium-3 (3He) a bór-11 (11B).
Takto vyzerajú najzaujímavejšie reakcie.
1) 2 D+ 3 T -> 4 He (3,5 MeV) + n (14,1 MeV) - reakcia deutérium-trícium.
2) 2 D+ 2 D -> 3 T (1,01 MeV) + p (3,02 MeV) 50 %
2 D+ 2 D -> 3 He (0,82 MeV) + n (2,45 MeV) 50 % - ide o takzvaný deutérium monopropellant.
Reakcie 1 a 2 sú plné neutrónovej rádioaktívnej kontaminácie. Preto sú „bezneutrónové“ reakcie najsľubnejšie.
3) 2 D+ 3 He -> 4 He (3,6 MeV) + p (14,7 MeV) - deutérium reaguje s héliom-3. Problém je v tom, že hélium-3 je extrémne zriedkavé. Výťažok bez neutrónov však robí túto reakciu sľubnou.
4) p+ 11 B -> 3 4 He + 8,7 MeV - bór-11 reaguje s protiom, výsledkom čoho sú alfa častice, ktoré môžu byť absorbované hliníkovou fóliou.
6. Kde vykonať takúto reakciu?
Prírodný termonukleárny reaktor je hviezda. V ňom je plazma držaná pod vplyvom gravitácie a žiarenie je absorbované - teda jadro sa neochladzuje.
Na Zemi je možné termonukleárne reakcie vykonávať iba v špeciálnych zariadeniach.
Impulzné systémy. V takýchto systémoch sa deutérium a trícium ožarujú ultravýkonnými laserovými lúčmi alebo elektrónovými/iónovými lúčmi. Takéto ožarovanie spôsobuje sled termonukleárnych mikrovýbuchov. Takéto systémy sú však nerentabilné na použitie v priemyselnom meradle: na urýchľovanie atómov sa vynakladá oveľa viac energie, ako sa získava v dôsledku fúzie, pretože nie všetky zrýchlené atómy reagujú. Preto mnohé krajiny budujú kvázistacionárne systémy.
Kvázistacionárne systémy. V takýchto reaktoroch je plazma zadržiavaná magnetickým poľom pri nízkom tlaku a vysokej teplote. Existujú tri typy reaktorov založených na rôznych konfiguráciách magnetického poľa. Ide o tokamaky, stelarátory (torsatrony) a zrkadlové pasce.
Tokamak znamená "toroidná komora s magnetickými cievkami". Toto je komora v tvare „šišky“ (torus), na ktorej sú navinuté cievky. Hlavnou črtou tokamaku je použitie striedavého elektrického prúdu, ktorý preteká plazmou, ohrieva ju a vytvára okolo seba magnetické pole a drží ju.
IN stelarátor (torsatron) magnetické pole je úplne obsiahnuté magnetickými cievkami a na rozdiel od tokamaku môže byť prevádzkované nepretržite.
V z zrkadlové (otvorené) pasce Využíva sa princíp odrazu. Komora je na oboch stranách uzavretá magnetickými „zátkami“, ktoré odrážajú plazmu a držia ju v reaktore.
O prvenstvo dlho bojovali zrkadlové pasce a tokamaky. Spočiatku sa koncept pasce zdal jednoduchší a teda lacnejší. Začiatkom 60. rokov boli otvorené pasce hojne financované, ale nestabilita plazmy a neúspešné pokusy zadržať ju magnetickým poľom prinútili tieto inštalácie skomplikovať - zdanlivo jednoduché konštrukcie sa zmenili na pekelné stroje a nebolo možné dosiahnuť stabilný výsledok. Preto sa v 80. rokoch dostali do popredia tokamaky. V roku 1984 bol vypustený európsky tokamak JET, ktorý stál len 180 miliónov dolárov a ktorého parametre umožňovali termonukleárnu reakciu. V ZSSR a Francúzsku boli navrhnuté supravodivé tokamaky, ktoré nevynakladali takmer žiadnu energiu na činnosť magnetického systému.
7. Kto sa teraz učí vykonávať termonukleárne reakcie?
Mnohé krajiny budujú svoje vlastné termonukleárne reaktory. Kazachstan, Čína, USA a Japonsko majú vlastné experimentálne reaktory. Kurčatov inštitút pracuje na reaktore IGNITOR. Nemecko spustilo fúzny stelarátorový reaktor Wendelstein 7-X.
Najznámejší je medzinárodný projekt tokamaku ITER (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) vo výskumnom centre Cadarache (Francúzsko). Jeho výstavba mala byť dokončená v roku 2016, no množstvo potrebnej finančnej podpory sa zvýšilo a načasovanie experimentov sa posunulo na rok 2025. Na činnostiach ITER sa zúčastňujú Európska únia, USA, Čína, India, Japonsko, Južná Kórea a Rusko. EÚ hrá hlavný podiel na financovaní (45 %), zatiaľ čo zvyšní účastníci dodávajú špičkové technologické zariadenia. Rusko vyrába najmä supravodivé materiály a káble, rádiové trubice na ohrev plazmy (gyrotróny) a poistky pre supravodivé cievky, ako aj komponenty pre najzložitejšiu časť reaktora – prvú stenu, ktorá musí odolávať elektromagnetickým silám, neutrónovému žiareniu a plazmového žiarenia.
8. Prečo stále nepoužívame fúzne reaktory?
Moderné zariadenia tokamaku nie sú termonukleárne reaktory, ale výskumné zariadenia, v ktorých je existencia a uchovanie plazmy možná len na chvíľu. Faktom je, že vedci sa ešte nenaučili, ako udržať plazmu v reaktore na dlhú dobu.
V súčasnosti je jedným z najväčších úspechov v oblasti jadrovej fúzie úspech nemeckých vedcov, ktorí dokázali zahriať plynný vodík na 80 miliónov stupňov Celzia a udržať oblak vodíkovej plazmy na štvrť sekundy. A v Číne sa vodíková plazma zahriala na 49,999 milióna stupňov a udržala sa 102 sekúnd. Ruským vedcom z Inštitútu jadrovej fyziky G. I. Budkera v Novosibirsku sa podarilo dosiahnuť stabilný ohrev plazmy na desať miliónov stupňov Celzia. Američania však nedávno navrhli spôsob, ako udržať plazmu na 60 rokov – a to je povzbudzujúce.
Okrem toho sa diskutuje o ziskovosti jadrovej syntézy v priemysle. Nie je známe, či prínosy výroby elektriny pokryjú náklady jadrovej fúzie. Navrhuje sa experimentovať s reakciami (napríklad opustiť tradičnú reakciu deutéria a trícia alebo monopropelant v prospech iných reakcií), konštrukčnými materiálmi - alebo dokonca opustiť myšlienku priemyselnej termonukleárnej fúzie a použiť ju iba na jednotlivé reakcie pri štiepení. reakcie. Vedci však stále pokračujú v experimentoch.
9. Sú fúzne reaktory bezpečné?
Pomerne. Trícium, ktoré sa používa pri fúznych reakciách, je rádioaktívne. Okrem toho neuróny uvoľnené v dôsledku syntézy ožarujú štruktúru reaktora. Samotné prvky reaktora sú pokryté rádioaktívnym prachom v dôsledku vystavenia plazme.
Fúzny reaktor je však z hľadiska žiarenia oveľa bezpečnejší ako jadrový. V reaktore je relatívne málo rádioaktívnych látok. Konštrukcia samotného reaktora navyše predpokladá, že neexistujú žiadne „diery“, cez ktoré môže unikať žiarenie. Vákuová komora reaktora musí byť utesnená, inak reaktor jednoducho nebude môcť fungovať. Pri výstavbe termonukleárnych reaktorov sa používajú materiály testované jadrovou energiou a v priestoroch sa udržiava znížený tlak.
Kedy sa objavia termonukleárne elektrárne?
Vedci najčastejšie hovoria niečo ako „do 20 rokov vyriešime všetky základné otázky“. Inžinieri z jadrového priemyslu hovoria o druhej polovici 21. storočia. Politici hovoria o mori čistej energie za centy bez toho, aby sa obťažovali dátumami.
Ako vedci hľadajú temnú hmotu v hlbinách Zeme
Pred stovkami miliónov rokov si minerály pod zemským povrchom mohli uchovať stopy tajomnej látky. Zostáva len dostať sa k nim. Viac ako dve desiatky podzemných laboratórií roztrúsených po celom svete sú zaneprázdnené hľadaním temnej hmoty.
Ako sibírski vedci pomohli človeku letieť ku hviezdam
Dna 12. apríla 1961 uskutočnil Jurij Gagarin prvý let do vesmíru - dobromyseľný úsmev pilota a jeho veselé "Poďme!" sa stal triumfom sovietskej kozmonautiky. Aby sa tento let uskutočnil, vedci z celej krajiny si lámali hlavu nad tým, ako vyrobiť raketu, ktorá by odolala všetkým nebezpečenstvám neznámeho vesmíru – to sa nezaobišlo bez nápadov vedcov zo Sibírskej pobočky akadémie vied.
Encyklopedický YouTube
1 / 5
✪ Najnovšie technológie jadrového raketového motora 2016
✪ Prvý jadrový vesmírny motor na svete bol zmontovaný v Rusku.
✪ Atomic Horizons (26.3.2016): Technológie jadrovej bezpečnosti
✪ Jadrový reaktor namiesto srdca?
✪ Jadrová energia a technológie
titulky
fyzika
Atómové jadrá sa skladajú z dvoch typov nukleónov – protónov a neutrónov. Pohromade ich drží takzvaná silná interakcia. V tomto prípade väzbová energia každého nukleónu s ostatnými závisí od celkového počtu nukleónov v jadre, ako je znázornené na grafe vpravo. Graf ukazuje, že pre ľahké jadrá so zvyšujúcim sa počtom nukleónov väzbová energia rastie a pre ťažké jadrá klesá. Ak pridáte nukleóny k ľahkým jadrám alebo odstránite nukleóny z ťažkých atómov, tento rozdiel vo väzbovej energii sa uvoľní ako kinetická energia častíc uvoľnená v dôsledku týchto akcií. Kinetická energia (energia pohybu) častíc sa po zrážke častíc s atómami premieňa na tepelný pohyb atómov. Jadrová energia sa teda prejavuje vo forme tepla.
Zmena v zložení jadra sa nazýva jadrová premena alebo jadrová reakcia. Jadrová reakcia so zvýšením počtu nukleónov v jadre sa nazýva termonukleárna reakcia alebo jadrová fúzia. Jadrová reakcia s poklesom počtu nukleónov v jadre sa nazýva jadrový rozpad alebo jadrové štiepenie.
Jadrové štiepenie
Jadrové štiepenie môže byť spontánne (spontánne) alebo spôsobené vonkajšími vplyvmi (indukované).
Spontánne štiepenie
Moderná veda verí, že všetky chemické prvky ťažšie ako vodík boli syntetizované v dôsledku termonukleárnych reakcií vo vnútri hviezd. V závislosti od počtu protónov a neutrónov môže byť jadro stabilné alebo môže mať tendenciu sa spontánne rozdeliť na niekoľko častí. Po skončení života hviezd vytvorili stabilné atómy svet, ktorý poznáme, a nestabilné atómy sa postupne rozpadli skôr, ako vznikli stabilné. Na Zemi dodnes prežili v priemyselných množstvách iba dve takéto nestabilné látky ( rádioaktívne) chemické prvky – urán a tórium. Ďalšie nestabilné prvky sa vyrábajú umelo v urýchľovačoch alebo reaktoroch.
Reťazová reakcia
Niektoré ťažké jadrá sa ľahko pripájajú k vonkajšiemu voľnému neutrónu, stávajú sa nestabilnými a rozpadajú sa, pričom emitujú niekoľko nových voľných neutrónov. Tieto uvoľnené neutróny zase môžu vstúpiť do susedných jadier a tiež spôsobiť ich rozpad s uvoľnením ďalších voľných neutrónov. Tento proces sa nazýva reťazová reakcia. Pre vznik reťazovej reakcie je potrebné vytvoriť špecifické podmienky: sústrediť na jedno miesto dostatočne veľké množstvo látky schopnej reťazovej reakcie. Hustota a objem tejto látky musia byť dostatočné, aby voľné neutróny nemali čas opustiť látku a interagovať s jadrami s vysokou pravdepodobnosťou. Táto pravdepodobnosť je charakterizovaná multiplikačný faktor neutrónov. Keď objem, hustota a konfigurácia látky umožnia multiplikačnému faktoru neutrónov dosiahnuť jednotu, začne samoudržiavacia reťazová reakcia a hmotnosť štiepnej látky sa bude nazývať kritická hmotnosť. Prirodzene, každý rozpad v tomto reťazci vedie k uvoľneniu energie.
Ľudia sa naučili vykonávať reťazové reakcie v špeciálnych štruktúrach. V závislosti od požadovanej rýchlosti reťazovej reakcie a jej tvorby tepla sa tieto štruktúry nazývajú jadrové zbrane alebo jadrové reaktory. V jadrových zbraniach sa uskutočňuje lavínovitá nekontrolovaná reťazová reakcia s maximálnym dosiahnuteľným multiplikačným faktorom neutrónov, aby sa dosiahlo maximálne uvoľnenie energie skôr, ako dôjde k tepelnej deštrukcii konštrukcie. V jadrových reaktoroch sa snažia dosiahnuť stabilný tok neutrónov a uvoľňovanie tepla, aby reaktor plnil svoje úlohy a neskolaboval z nadmernej tepelnej záťaže. Tento proces sa nazýva riadená reťazová reakcia.
Riadená reťazová reakcia
V jadrových reaktoroch sú vytvorené podmienky pre riadená reťazová reakcia. Ako je zrejmé z významu reťazovej reakcie, jej rýchlosť môže byť riadená zmenou multiplikačného faktora neutrónov. Na tento účel môžete zmeniť rôzne konštrukčné parametre: hustotu štiepnej látky, energetické spektrum neutrónov, zaviesť látky, ktoré neutróny absorbujú, pridať neutróny z externých zdrojov atď.
Reťazová reakcia je však veľmi rýchly lavínovitý proces, je takmer nemožné ju priamo spoľahlivo riadiť. Pre riadenie reťazovej reakcie majú preto veľký význam oneskorené neutróny – neutróny vznikajúce pri samovoľnom rozpade nestabilných izotopov vznikajúcich v dôsledku primárnych rozpadov štiepneho materiálu. Čas od primárneho rozpadu po oneskorené neutróny sa pohybuje od milisekúnd po minúty a podiel oneskorených neutrónov na neutrónovej bilancii reaktora dosahuje niekoľko percent. Takéto časové hodnoty už umožňujú regulovať proces pomocou mechanických metód. Faktor násobenia neutrónov, berúc do úvahy oneskorené neutróny, sa nazýva efektívny multiplikačný faktor neutrónov a namiesto kritickej hmotnosti sa zaviedol koncept reaktivity jadrového reaktora.
Dynamiku riadenej reťazovej reakcie ovplyvňujú aj ďalšie štiepne produkty, z ktorých niektoré dokážu účinne absorbovať neutróny (tzv. neutrónové jedy). Akonáhle začne reťazová reakcia, hromadia sa v reaktore, čím sa znižuje efektívny multiplikačný faktor neutrónov a reaktivita reaktora. Po určitom čase nastane rovnováha v akumulácii a rozpade takýchto izotopov a reaktor sa dostane do stabilného režimu. Ak je reaktor odstavený, neutrónové jedy zostávajú v reaktore dlhú dobu, čo sťažuje opätovné spustenie. Charakteristická životnosť neutrónových jedov v rozpadovom reťazci uránu je až pol dňa. Neutrónové jedy bránia jadrovým reaktorom rýchlo meniť výkon.
Jadrová fúzia
Neutrónové spektrum
Rozloženie energií neutrónov v toku neutrónov sa zvyčajne nazýva neutrónové spektrum. Energia neutrónu určuje vzorec interakcie neutrónu s jadrom. Je obvyklé rozlišovať niekoľko rozsahov neutrónovej energie, z ktorých sú pre jadrové technológie významné:
- Tepelné neutróny. Nazývajú sa tak, pretože sú v energetickej rovnováhe s tepelnými vibráciami atómov a pri elastických interakciách na ne neprenášajú svoju energiu.
- Rezonančné neutróny. Nazývajú sa tak, pretože prierez interakcie niektorých izotopov s neutrónmi týchto energií má výrazné nepravidelnosti.
- Rýchle neutróny. Neutróny týchto energií sú zvyčajne produkované jadrovými reakciami.
Rýchle a oneskorené neutróny
Reťazová reakcia je veľmi rýchly proces. Životnosť jednej generácie neutrónov (to znamená priemerný čas od objavenia sa voľného neutrónu po jeho absorpciu ďalším atómom a zrodenie ďalších voľných neutrónov) je oveľa kratšia ako mikrosekunda. Takéto neutróny sa nazývajú promptné. Pri reťazovej reakcii s multiplikačným faktorom 1,1 sa po 6 μs počet promptných neutrónov a uvoľnená energia zvýši 10 26-krát. Nie je možné spoľahlivo zvládnuť taký rýchly proces. Preto majú oneskorené neutróny veľký význam pre riadenú reťazovú reakciu. Oneskorené neutróny vznikajú spontánnym rozpadom štiepnych fragmentov zostávajúcich po primárnych jadrových reakciách.
Náuka o materiáloch
Izotopy
V okolitej prírode sa ľudia bežne stretávajú s vlastnosťami látok, ktoré určuje štruktúra elektronických obalov atómov. Napríklad sú to elektrónové obaly, ktoré sú úplne zodpovedné za chemické vlastnosti atómu. Preto pred jadrovou érou veda neoddeľovala látky podľa hmotnosti jadra, ale len podľa jeho elektrického náboja. S príchodom jadrovej technológie sa však ukázalo, že všetky dobre známe jednoduché chemické prvky majú veľa - niekedy desiatky - odrôd s rôznym počtom neutrónov v jadre, a teda úplne odlišnými jadrovými vlastnosťami. Tieto odrody sa začali nazývať izotopy chemických prvkov. Väčšina prirodzene sa vyskytujúcich chemických prvkov je zmesou niekoľkých rôznych izotopov.
Prevažná väčšina známych izotopov je nestabilná a v prírode sa nevyskytujú. Získavajú sa umelo na štúdium alebo použitie v jadrovej technológii. Separácia zmesí izotopov jedného chemického prvku, umelá výroba izotopov a štúdium vlastností týchto izotopov sú niektoré z hlavných úloh jadrovej technológie.
Štiepne materiály
Niektoré izotopy sú nestabilné a rozpadajú sa. K rozpadu však nedochádza hneď po syntéze izotopu, ale po určitom čase charakteristickom pre tento izotop, ktorý sa nazýva polčas rozpadu. Už z názvu je zrejmé, že ide o čas, počas ktorého sa rozpadne polovica existujúcich jadier nestabilného izotopu.
Nestabilné izotopy sa v prírode takmer vôbec nevyskytujú, keďže aj tie s najdlhším životom sa za miliardy rokov, ktoré uplynuli od syntézy látok okolo nás v termonukleárnej peci dávno vyhasnutej hviezdy, podarilo úplne rozpadnúť. Výnimky sú len tri: ide o dva izotopy uránu (urán-235 a urán-238) a jeden izotop tória – tórium-232. Okrem nich možno v prírode nájsť stopy ďalších nestabilných izotopov, ktoré vznikli v dôsledku prirodzených jadrových reakcií: rozpad týchto troch výnimiek a dopad kozmického žiarenia na horné vrstvy atmosféry.
Nestabilné izotopy sú základom takmer všetkých jadrových technológií.
Podpora reťazovej reakcie
Samostatne existuje skupina nestabilných izotopov, ktorá je veľmi dôležitá pre jadrovú technológiu a je schopná udržať jadrovú reťazovú reakciu. Na udržanie reťazovej reakcie musí izotop dobre absorbovať neutróny, po ktorých nasleduje rozpad, výsledkom čoho je vznik niekoľkých nových voľných neutrónov. Ľudstvo má neuveriteľné šťastie, že medzi nestabilnými izotopmi zachovanými v prírode v priemyselných množstvách bol jeden, ktorý podporuje reťazovú reakciu: urán-235.
Konštrukčné materiály
Príbeh
Otvorenie
Na začiatku dvadsiateho storočia Rutherford výrazne prispel k štúdiu ionizujúceho žiarenia a štruktúry atómov. Ernest Walton a John Cockroft dokázali po prvý raz rozdeliť jadro atómu.
Programy jadrových zbraní
Koncom 30-tych rokov dvadsiateho storočia si fyzici uvedomili možnosť vytvorenia výkonných zbraní založených na jadrovej reťazovej reakcii. To viedlo k vysokému záujmu vlády o jadrovú technológiu. Prvý rozsiahly štátny atómový program sa objavil v Nemecku v roku 1939 (pozri nemecký jadrový program). Vojna však skomplikovala zásobovanie programu a po porážke Nemecka v roku 1945 bol program bez výraznejších výsledkov uzavretý. V roku 1943 sa v USA začal rozsiahly program s kódovým označením Manhattan Project. V roku 1945 bola v rámci tohto programu vytvorená a otestovaná prvá jadrová bomba na svete. Jadrový výskum v ZSSR sa vykonáva od 20. rokov. V roku 1940 bol vyvinutý prvý sovietsky teoretický návrh jadrovej bomby. Vývoj jadrových zbraní v ZSSR je klasifikovaný od roku 1941. Prvá sovietska jadrová bomba bola testovaná v roku 1949.
Hlavným prínosom k uvoľneniu energie prvých jadrových zbraní bola štiepna reakcia. Napriek tomu bola fúzna reakcia použitá ako dodatočný zdroj neutrónov na zvýšenie množstva zreagovaného štiepneho materiálu. V roku 1952 v USA a 1953 v ZSSR boli testované konštrukcie, v ktorých väčšina uvoľnenej energie bola vytvorená fúznou reakciou. Takáto zbraň sa nazývala termonukleárna. V termonukleárnej munícii slúži štiepna reakcia na „zapálenie“ termonukleárnej reakcie bez toho, aby významne prispela k celkovej energii zbrane.
Jadrová energia
Prvé jadrové reaktory boli buď experimentálne alebo zbraňové, to znamená, že boli navrhnuté tak, aby z uránu vyrábali plutónium na zbrane. Teplo, ktoré vytvorili, sa uvoľnilo do okolia. Nízke prevádzkové výkony a malé teplotné rozdiely sťažovali efektívne využitie takéhoto nekvalitného tepla na prevádzku tradičných tepelných motorov. V roku 1951 bolo toto teplo prvýkrát použité na výrobu elektriny: v USA bola do chladiaceho okruhu experimentálneho reaktora inštalovaná parná turbína s elektrickým generátorom. V roku 1954 bola v ZSSR postavená prvá jadrová elektráreň, pôvodne určená na elektroenergetické účely.
technológie
Jadrová zbraň
Existuje mnoho spôsobov, ako ublížiť ľuďom pomocou jadrovej technológie. Štáty však prijali iba výbušné jadrové zbrane založené na reťazovej reakcii. Princíp činnosti takýchto zbraní je jednoduchý: je potrebné maximalizovať multiplikačný faktor neutrónov v reťazovej reakcii, aby čo najviac jadier reagovalo a uvoľnilo energiu skôr, ako sa štruktúra zbrane zničí generovaným teplom. Na to je potrebné buď zvýšiť hmotnosť štiepnej látky, alebo zvýšiť jej hustotu. Okrem toho sa to musí urobiť čo najrýchlejšie, inak sa pomalý nárast uvoľňovania energie roztopí a odparí štruktúru bez výbuchu. V súlade s tým boli vyvinuté dva prístupy k vybudovaniu jadrového výbušného zariadenia:
- Schéma s rastúcou hmotnosťou, takzvaná delová schéma. V hlavni delostreleckej zbrane boli nainštalované dva podkritické kusy štiepneho materiálu. Jeden kus bol upevnený na konci hlavne, druhý fungoval ako projektil. Výstrel spojil kusy dohromady, začala reťazová reakcia a došlo k explozívnemu uvoľneniu energie. Dosiahnuteľné rýchlosti približovania v takejto schéme boli obmedzené na niekoľko km/s.
- Schéma s rastúcou hustotou, takzvaná implozívna schéma. Na základe zvláštností metalurgie umelého izotopu plutónia. Plutónium je schopné vytvárať stabilné alotropické modifikácie, ktoré sa líšia hustotou. Rázová vlna prechádzajúca objemom kovu je schopná premeniť plutónium z nestabilnej modifikácie s nízkou hustotou na modifikáciu s vysokou hustotou. Táto vlastnosť umožnila preniesť plutónium z podkritického stavu s nízkou hustotou do superkritického stavu rýchlosťou šírenia rázovej vlny v kove. Na vytvorenie rázovej vlny použili konvenčné chemické výbušniny, ktoré umiestnili okolo zostavy plutónia tak, že explózia stlačila guľovú zostavu zo všetkých strán.
Obe schémy boli vytvorené a testované takmer súčasne, ale schéma implózie sa ukázala byť efektívnejšia a kompaktnejšia.
Zdroje neutrónov
Ďalším obmedzovačom uvoľňovania energie je rýchlosť nárastu počtu neutrónov v reťazovej reakcii. V podkritickom štiepnom materiáli dochádza k samovoľnému rozpadu atómov. Neutróny z týchto rozpadov sa stávajú prvými v reťazovej reakcii podobnej lavíni. Pre maximálne uvoľnenie energie je však výhodné najprv z látky odstrániť všetky neutróny, potom ju preniesť do superkritického stavu a až potom zaviesť do látky zápalné neutróny v maximálnom množstve. Aby sa to dosiahlo, vyberie sa štiepna látka s minimálnou kontamináciou voľnými neutrónmi zo spontánnych rozpadov a v momente prechodu do superkritického stavu sa pridajú neutróny z externých pulzných zdrojov neutrónov.
Zdroje ďalších neutrónov sú založené na rôznych fyzikálnych princípoch. Spočiatku sa rozšírili zdroje výbušnín založené na zmiešaní dvoch látok. Rádioaktívny izotop, zvyčajne polónium-210, bol zmiešaný s izotopom berýlia. Alfa žiarenie z polónia spôsobilo jadrovú reakciu berýlia s uvoľňovaním neutrónov. Následne ich nahradili zdroje na báze miniatúrnych urýchľovačov, na ktorých terčoch prebiehala jadrová fúzna reakcia s výťažkom neutrónov.
Okrem zapaľovacích neutrónových zdrojov sa ukázalo ako výhodné zaviesť do okruhu ďalšie zdroje, ktoré sa spúšťajú začiatkom reťazovej reakcie. Takéto zdroje boli postavené na základe syntéznych reakcií ľahkých prvkov. Ampulky obsahujúce látky ako lítium-6-deuterid boli inštalované v dutine v strede plutóniovej jadrovej zostavy. Prúdy neutrónov a gama lúčov z vyvíjajúcej sa reťazovej reakcie zahriali ampulku na teploty termonukleárnej fúzie a plazma výbuchu ampulku stlačila, čím pomohla teplote s tlakom. Začala sa fúzna reakcia, ktorá dodala ďalšie neutróny pre reťazovú štiepnu reakciu.
Termonukleárne zbrane
Neutrónové zdroje založené na fúznej reakcii boli samy o sebe významným zdrojom tepla. Veľkosť dutiny v strede zostavy plutónia však nemohla pojať veľa materiálu na syntézu a ak by bola umiestnená mimo štiepneho jadra plutónia, nebolo by možné dosiahnuť teplotné a tlakové podmienky potrebné na syntézu. Bolo potrebné obklopiť látku na syntézu dodatočným plášťom, ktorý by pri vnímaní energie jadrového výbuchu poskytol šokovú kompresiu. Vyrobili veľkú ampulku z uránu-235 a nainštalovali ju vedľa jadrovej nálože. Silné neutrónové toky z reťazovej reakcie spôsobia lavínu štiepenia atómov uránu v ampulke. Napriek podkritickej konštrukcii uránovej ampulky, celkový účinok gama lúčov a neutrónov z reťazovej reakcie pilotného jadrového výbuchu a vlastného štiepenia jadier ampulky vytvorí podmienky pre fúziu vo vnútri ampulky. Teraz sa ukázalo, že veľkosť ampulky so substanciou na fúziu je prakticky neobmedzená a príspevok uvoľnenej energie z jadrovej fúzie mnohonásobne prevýšil uvoľnenie energie pri zápalnom jadrovom výbuchu. Takéto zbrane sa začali nazývať termonukleárne.
.Jadrová elektráreň
Srdcom jadrovej elektrárne je jadrový reaktor - zariadenie, v ktorom prebieha riadená reťazová reakcia štiepenia ťažkých jadier. Energia jadrových reakcií sa uvoľňuje vo forme kinetickej energie štiepnych úlomkov a v dôsledku elastických zrážok týchto úlomkov s inými atómami sa mení na teplo.
Palivový cyklus
Je známy iba jeden prírodný izotop, ktorý je schopný reťazovej reakcie – urán-235. Jeho priemyselné zásoby sú malé. Preto už dnes inžinieri hľadajú spôsoby, ako vyrobiť lacné umelé izotopy podporujúce reťazovú reakciu. Najsľubnejšie je plutónium, vyrábané z bežného izotopu uránu-238 zachytením neutrónu bez štiepenia. Je ľahké ho vyrábať v rovnakých energetických reaktoroch ako vedľajší produkt. Za určitých podmienok je možná situácia, keď výroba umelého štiepneho materiálu úplne pokryje potreby existujúcich jadrových elektrární. V tomto prípade hovoria o uzavretom palivovom cykle, ktorý si nevyžaduje prísun štiepneho materiálu z prírodného zdroja.
Jadrový odpad
Vyhoreté jadrové palivo (VJP) a konštrukčné materiály reaktorov s indukovanou rádioaktivitou sú silnými zdrojmi nebezpečného ionizujúceho žiarenia. Technológie na prácu s nimi sa intenzívne zdokonaľujú v smere minimalizácie množstva skládkovaného odpadu a skrátenia doby jeho nebezpečnosti. VJP je tiež zdrojom cenných rádioaktívnych izotopov pre priemysel a medicínu. Prepracovanie VJP je nevyhnutným krokom pri uzatváraní palivového cyklu.
Jadrová bezpečnosť
Použitie v medicíne
V medicíne sa na výskum alebo terapiu bežne používajú rôzne nestabilné prvky.
