Атомные электростанции и атомные бомбы

История атомных реакторов и атомных бомб началась в 1938 году, когда было обнаружено, что при бомбардировке урана-235 нейтронами происходит деление ядер урана на две части. Существенно, что процесс деления всегда сопровождается испусканием нескольких «лишних» нейтронов. Эти нейтроны позволяют реализовать на практике цепную реакцию деления.

После того как Резерфорд осуществил первую искусственную ядерную реакцию (в 1917 году), журналисты спросили его, когда, по его мнению, человечество научится пользоваться ядерной энергией. «Через 100 лет», — сказал Резерфорд. Однако уже через 25 лет, в 1942 году, в США под руководством Энрико Ферми был построен первый ядерный реактор. Первая атомная электростанция заработала в Обнинске в 1954 году.

При каждом акте деления ядра выделяется значительная энергия (в основном в виде кинетической энергии ядер-осколков) — она в миллионы и миллиарды раз больше энергии любых химических реакций (при той же массе топлива). Как и при радиоактивном распаде, причина выделения энергии — уменьшение суммарной массы при делении.

При торможении продуктов деления в веществе их кинетическая энергия превращается в теплоту. Именно выделяющаяся теплота используется как в атомной бомбе, так и в атомном реакторе — разница между ними в скорости выделения энергии. В бомбе энергия высвобождается практически мгновенно, а в реакторе выделяемая мощность должна поддерживаться на строго фиксированном уровне. Скоростью цепной реакции управляют с помощью передвижения в активной зоне реактора регулирующих стержней из материала, хорошо поглощающего нейтроны.

Для создания первой атомной бомбы, а затем и атомного реактора, пришлось преодолеть много трудностей. Одна из главных: цепная реакция деления невозможна в природном уране, так как 99,3% природного урана составляет другой его изотоп — уран-238, ядра которого делятся плохо, и только 0,75% — уран-235. Для работы реактора содержание нужного изотопа в природном уране повышают в несколько раз. Для взрыва атомной бомбы требуется гораздо более высокое содержание урана-235.

Для начала самоподдерживающейся цепной реакции необходимо, чтобы масса делящегося вещества превысила определенную критическую массу, ведь часть нейтронов уходит через поверхность образца или поглощается ядрами, не вызывая деления. Критическая масса урана-235 сферической формы 47 кг.

Схема атомной бомбы очень проста: в металлический корпус помещают два куска ядерного топлива (чистого урана-235), окруженные отражателем нейтронов, и взрывное устройство. Массы кусков чуть больше половины критической массы. При падении бомбы происходит «обычный» взрыв, два куска ядерного топлива сближаются — и запускается цепная реакция деления.

Сейчас на долю атомных электростанций приходится около 10% от мирового производства электроэнергии, причем половину атомной энергии производят две страны: США и Франция.

За всё время существования АЭС произошло около 400 аварий разной степени опасности. Самая крупная из них — Чернобыльская (1986 год). Там во время учений было удалено избыточное число регулирующих стержней, и за 4 секунды выделяемая мощность возросла в 100 раз, произошел взрыв пара, разгерметизация системы охлаждения и повреждение плит радиационной защиты. В воздух было выброшено 8 тонн уранового топлива и радиоактивных продуктов деления.

Атомная энергетика сама по себе вносит очень малый вклад в облучение населения. Нормально работающая АЭС меньше загрязняет среду, чем другие типы электростанций. Зато очень опасны аварии на АЭС.