В наше время все больше строится электростанций, которые принято называть атомными. Для производства электрической энергии здесь используется не энергия, образующаяся при реакции сжигания угля (которая является химической реакцией), а энергия ядерной реакции. Ядерное горючее имеет большие преимущества: один килограмм урана, который чаще всего применяется на атомных электростанциях, дает ‘столько энергии, сколько 2,5 миллиона килограммов высокосортного угля.

По какому принципу работает атомная электростанция? В чем заключается «сжигание» урана? Известно, что количество энергии, которую можно получить в результате химического сжигания, окисления, определяется силами, действующими между электронами на поверхности атома. В отличие от химических реакций, в ядерных реакциях участвуют силы, действующие в самом центре атома.

Именно в центре каждого атома находится ядро, которое примерно в сто тысяч раз меньше атома. В состав ядра входят частицы двух видов: протоны с положительным электрическим зарядом и электрически нейтральные нейтроны. Оба вида частиц притягиваются в ядре друг к другу с огромной силой. Ядерные силы превышают электрические силы, которые связывают электроны в атоме, в миллионы раз. Однако не во всех элементах, не во всех ядрах эти силы могут связывать частицы одинаково, прочно. Когда число протонов и нейтронов в ядре очень велико, как это имеет место, например, в ядрах урана, где их больше двухсот, связующая сила, действующая на каждый нейтрон и протон, значительно меньше, чем в более легких ядрах. Если бы существовал, таким образом, какой-то способ деления большого ядра на два поменьше, то такое изменение привело бы к выделению огромного количества энергии. Больше половины этой энергии расходуется на придание огромного ускорения продуктам ядерной реакции, а остальная (в результате превра щения части расщепленного ядра в энергию) выделяется в виде электро-магнитного излучения. Как, однако, произвести описанное деление ядра?

Оказывается, некоторые тяжелые ядра, в частности, ядро урана, могут распадаться, образуя два более легких ядра, если в них попадает прилетевший извне нейтрон. Нейтрон попадает в ядро, как снаряд, и расщепляет его, причем кроме двух более легких ядер образуются еще два или три дополнительных нейтрона, которые, как осколки, возникающие при взрыве, летяг в разные стороны. Если эти нейтроны попадут в другие ядра урана, то это ведет к их расщеплению и образованию новых нейтронов, которые в свою очередь могут попасть в другие ядра урана и т.д. Таким образом, через долю секунды число расщепленных ядер может увеличиться во много, много раз. Такая реакция, которая, раз начатая, может затем переходить на все новые и новые ядра, называется цепной.

Давайте представим себе, что у нас есть большой блок урана. Что будет с ним происходить? Иногда в ядрах урана происходит самопроизвольный распад. В нашем блоке урана есть огромное число ядер, а это значит, что всегда какое-то ядро, которое самопроизвольно распадается. Нейтроны, образующиеся при этом распаде, попадают в другие ядра урана и дают начало цепной реакции, которая будет нарастать, как лавина. Оказывается, таким образом, что большой кусок урана сам взрывается, поскольку происходит очень большое число расщеплений за слишком короткий срок.

Как сделать, чтобы число расщеплений не было ни слишком большим, ни слишком маленьким (в последнем случае мы не получим достаточного количества энергии). Итак, можно использовать здесь определенное свойство ядер урана, а именно то, что они всего легче подвергаются расщеплению, когда попадающие в них нейтроны имеют строго определенную, небольшую скорость. Именно эти медленные нейтроны вызывают прежде всего реакцию^ расщепления ядер урана. С другой стороны, однако, нейтроны, образующиеся во время расщепления ядер урана, обладают очень большой кинетической энергией и летят с огромной скоростью.

Техническая проблема заключается, таким образом, в том, чтобы, во-первых, снизить скорость этих нейтронов с тем, чтобы они могли легче вызывать следующие расщепления, а во-вторых, — найти способ регулирования числа замедленных нейтронов в блоке урана, чтобы не допустить до взрыва.

Оба эти вопроса решаются в принципе следующим образом: длинные стержни урана вставляются в блок очень чистого графита или погружаются в воду. Быстрые нейтроны, вылетающие из каждого уранового стержня, сталкиваются с ядрами углерода в графите (или водорода в воде) и в результате этих столкновений теряют свою кинетическую энергию, становятся замедленными. Таким образом, быстрый нейтрон, который вылетел из уранового стержня, долетает до следующих стержней уже как медленный нейтрон. Для регулирования числа этих медленных нейтронов рядом со стержнями урана помещают кадмиевые стержни. Кадмий обладает способностью сильного поглощения медленных нейтронов. Если, кадмий поглощает слишком много таких нейтронов, то реакция останавливается. Тогда кадмиевые стержни вынимают на незначительную часть из графитового блока. Таким образом, уменьшается поглощение нейтронов и число расщеплений снова возрастает. Если бы это число опасно возросло, угрожая взрывом урана, стержни кадмия надо было бы вставить поглубже в блок, что автоматически сократит число расщеплений. Именно таким устройством, состоящим из ядерного горючего (урана), субстанции, затормаживающей нейтроны, и субстан ции, регулирующей число медленных нейтронов, является атомный реактор.

Энергия летящих с большой скоростью «осколков» расщепления ядер урана превращается в результате стол кновения с другими ядрами в реакторе в тепловую энергию — уран, весь графитовый блок, стержни кадмия нагреваются. Выделенное электромагнитное излучение, воздействуя на материалы, из которых построен реактор, веде г к повышению их температуры. Образовавшееся, таким образом, тепло служит для производства водяного пара, который приводит в движение турбины электрических генераторов и, таким образом, на атомных электростанциях энергия расщепления ядер урана прз-вращается в электроэнергию.

Принцип действия атомной электростанции довольно прост. Надо, однако, помнить о том, что со строительством и работой такой электростанции связано очень много трудных проблем, вы текающих главным образом из необходимости максимального предотвращения возможности взрыва реактора и возможности проникновения врвне ра-диоактив’ных продуктов, образующихся во время ядерных реакций.

Журнал “Горизонты техники для детей” №2-76г.