20.4 Трансмутация и ядерная энергия (Transmutation and Nuclear Energy)¶

Цели обучения

К концу этого раздела вы сможете:

описывать синтез трансурановых нуклидов;
объяснять процессы ядерного деления и синтеза;
связывать понятия критической массы и ядерной цепной реакции;
формулировать основные требования к реакторам ядерного деления и синтеза.

После открытия радиоактивности ядерная химия как самостоятельная область сформировалась и стремительно развивалась в первой половине XX века. Поток новых открытий 1930-х и 1940-х годов вместе со Второй мировой войной привёл в середине XX века к наступлению ядерного века. Учёные научились получать новые вещества, и было установлено, что определённые изотопы определённых элементов способны производить беспрецедентные количества энергии — с потенциалом как причинять огромные разрушения в военное время, так и обеспечивать колоссальную мощность для нужд общества в мирное.

Синтез нуклидов¶

Ядерная трансмутация (nuclear transmutation) — превращение одного нуклида в другой. Оно может происходить в результате радиоактивного распада ядра или взаимодействия ядра с другой частицей. Первое искусственно полученное ядро было создано в лаборатории Эрнеста Резерфорда в $1919$ году в реакции трансмутации (transmutation) — бомбардировки ядер одного типа другими ядрами или нейтронами. Резерфорд бомбардировал атомы азота высокоэнергетическими $\alpha$-частицами от природного радиоактивного изотопа радия и наблюдал протоны, образующиеся в реакции:

\[ \ce{^{14}_{7}N + ^{4}_{2}He -> ^{17}_{8}O + ^{1}_{1}H} \]

Образующиеся ядра $\ce{^{17}_{8}O}$ и $\ce{^{1}_{1}H}$ устойчивы, поэтому никаких дальнейших (ядерных) изменений не происходит.

Чтобы достичь кинетических энергий, необходимых для реакций трансмутации, используют устройства, называемые ускорителями частиц (particle accelerators). В них магнитные и электрические поля разгоняют ядерные частицы до больших скоростей. Во всех ускорителях частицы движутся в вакууме, чтобы избежать столкновений с молекулами газа. Когда для реакций трансмутации нужны нейтроны, их обычно получают из реакций радиоактивного распада или из различных ядерных реакций, идущих в ядерных реакторах. В следующей врезке «Химия в повседневной жизни» рассказывается о знаменитом ускорителе частиц, прогремевшем на весь мир.

Химия в повседневной жизни. Ускоритель частиц CERN

Расположенная под Женевой лаборатория CERN («Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire», Европейский совет по ядерным исследованиям) — ведущий мировой центр исследований фундаментальных частиц, из которых построена материя. Здесь находится Большой адронный коллайдер (БАК; Large Hadron Collider, LHC) — кольцевой ускоритель длиной $27\ \text{км}$ ($17\ \text{миль}$), крупнейший ускоритель частиц в мире (рис. 20.13). В БАК частицы ускоряются до высоких энергий и затем сталкиваются друг с другом или с неподвижными мишенями практически на скорости света. Для создания сильного магнитного поля, направляющего частицы по кольцу, используются сверхпроводящие электромагниты. Специализированные детекторы регистрируют результаты этих столкновений, которые затем анализируют с помощью мощных компьютеров.

Рис. 20.13. Небольшой участок туннеля Большого адронного коллайдера: внутри тоннеля идут технические работники в касках; вдоль свода проложены кабели и трубы.

Рис. 20.13. Показан небольшой участок БАК с идущими по нему работниками. (Снимок: Christophe Delaere.)

В $2012$ году CERN объявил, что эксперименты на БАК позволили впервые наблюдать бозон Хиггса — элементарную частицу, объясняющую происхождение массы у фундаментальных частиц. Это давно ожидавшееся открытие стало мировой сенсацией и привело к присуждению Нобелевской премии по физике $2013$ года Франсуа Энглеру и Питеру Хиггсу, которые предсказали существование этой частицы почти за $50$ лет до того.

Дополнительно

Знаменитый физик Брайан Кокс рассказывает о своей работе на Большом адронном коллайдере в CERN и проводит увлекательную экскурсию (http://openstax.org/l/16tedCERN) по этому грандиозному проекту и физике, лежащей в его основе.

Посмотрите короткий ролик CERN (http://openstax.org/l/16CERNvideo), в котором рассказано, как устроены и работают ускорители частиц.

До $1940$ года самым тяжёлым известным элементом был уран ($Z = 92$). Сейчас синтезирован и выделен целый ряд искусственных элементов, в том числе несколько — в таких больших количествах, что они оказали глубокое влияние на общество. Один из них — элемент $93$, нептуний (Np) — был впервые получен в $1940$ году Макмилланом и Абельсоном бомбардировкой урана-238 нейтронами. В реакции образуется неустойчивый уран-239 с периодом полураспада $23{,}5$ мин, который затем распадается в нептуний-239. Нептуний-239 также радиоактивен (период полураспада $2{,}36$ сут) и распадается в плутоний-239. Ядерные уравнения:

\[ \ce{^{238}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{239}_{92}U} \]

\[ \ce{^{239}_{92}U -> ^{239}_{93}Np + ^{0}_{-1}e} \qquad\text{период полураспада} = 23{,}5\ \text{мин} \]

\[ \ce{^{239}_{93}Np -> ^{239}_{94}Pu + ^{0}_{-1}e} \qquad\text{период полураспада} = 2{,}36\ \text{сут} \]

Сегодня плутоний образуется в основном в ядерных реакторах как побочный продукт деления U-235. При делении выделяются дополнительные нейтроны (см. следующий подраздел); часть из них соединяется с ядрами U-238 с образованием урана-239, который $\beta$-распадом превращается в нептуний-239, а тот — также $\beta$-распадом — в плутоний-239 (что описывают три предыдущих уравнения). Эти процессы кратко записываются так:

\[ \ce{^{238}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{239}_{92}U ->[\beta^{-}] ^{239}_{93}Np ->[\beta^{-}] ^{239}_{94}Pu} \]

Более тяжёлые изотопы плутония — Pu-240, Pu-241 и Pu-242 — также образуются, когда лёгкие ядра плутония захватывают нейтроны. Часть этого высокорадиоактивного плутония идёт на производство ядерного оружия, остальной создаёт серьёзную проблему хранения, поскольку периоды полураспада этих изотопов составляют от тысяч до сотен тысяч лет.

Хотя в таком же количестве, как плутоний, остальные искусственные ядра не получены, многие другие синтетические ядра уже синтезированы. Ядерная медицина возникла именно благодаря возможности превращать атомы одного типа в атомы другого. Сегодня для медицинских применений используют радиоактивные изотопы нескольких десятков элементов. Излучение, испускаемое при их распаде, применяется, в частности, для визуализации и лечения различных органов и участков тела.

Элементы с атомным номером выше $92$ (выше урана) называют трансурановыми элементами (transuranium elements). На момент написания книги получено и официально признано ИЮПАК $22$ трансурановых элемента; для нескольких других открытие пока ждёт подтверждения. Некоторые из них приведены в таблице 20.3.

Таблица 20.3. Получение некоторых трансурановых элементов.

Название	Символ	Атомный номер	Реакция
америций	Am	$95$	$\ce{^{239}_{94}Pu + ^{1}_{0}n -> ^{240}_{95}Am + ^{0}_{-1}e}$
кюрий	Cm	$96$	$\ce{^{239}_{94}Pu + ^{4}_{2}He -> ^{242}_{96}Cm + ^{1}_{0}n}$
калифорний	Cf	$98$	$\ce{^{242}_{96}Cm + ^{4}_{2}He -> ^{243}_{97}Bk + 2\,^{1}_{0}n}$
эйнштейний	Es	$99$	$\ce{^{238}_{92}U + 15\,^{1}_{0}n -> ^{253}_{99}Es + 7\,^{0}_{-1}e}$
менделевий	Md	$101$	$\ce{^{253}_{99}Es + ^{4}_{2}He -> ^{256}_{101}Md + ^{1}_{0}n}$
нобелий	No	$102$	$\ce{^{246}_{96}Cm + ^{12}_{6}C -> ^{254}_{102}No + 4\,^{1}_{0}n}$
резерфордий	Rf	$104$	$\ce{^{249}_{98}Cf + ^{12}_{6}C -> ^{257}_{104}Rf + 4\,^{1}_{0}n}$
сиборгий	Sg	$106$	$\ce{^{206}_{82}Pb + ^{54}_{24}Cr -> ^{257}_{106}Sg + 3\,^{1}_{0}n}$ $\ce{^{249}_{98}Cf + ^{18}_{8}O -> ^{263}_{106}Sg + 4\,^{1}_{0}n}$
мейтнерий	Mt	$107$	$\ce{^{209}_{83}Bi + ^{58}_{26}Fe -> ^{266}_{109}Mt + ^{1}_{0}n}$

Ядерное деление¶

Многие тяжёлые элементы с меньшей удельной энергией связи (на нуклон) могут распадаться на более устойчивые элементы со средними массовыми числами и большей удельной энергией связи — то есть с массовыми числами и удельной энергией связи, более близкими к «пику» графика энергии связи около $A \approx 56$ (см. рис. 20.3). Иногда при этом также образуются нейтроны. Этот распад называется делением (fission) — разделение крупного ядра на меньшие осколки. Разделение происходит достаточно случайно, с образованием большого числа разных продуктов. Деление обычно не идёт самопроизвольно, а инициируется бомбардировкой нейтронами. Впервые ядерное деление зарегистрировано в $1939$ году, когда три немецких учёных — Лиза Мейтнер (Lise Meitner), Отто Ган (Otto Hahn) и Фриц Штрассман (Fritz Strassman) — обстреляли атомы урана-235 медленными нейтронами; те расщепили ядра U-235 на меньшие фрагменты, состоящие из нескольких нейтронов и ядер элементов из середины периодической таблицы. С тех пор деление наблюдалось у многих других изотопов, в том числе у большинства изотопов актинидов с нечётным числом нейтронов. Типичная реакция ядерного деления показана на рис. 20.14.

Рис. 20.14. Схема ядерного деления урана-235: медленный нейтрон поглощается ядром U-235 с образованием неустойчивого U-236, которое быстро распадается на ядра бария-141 и криптона-92 и испускает три нейтрона и энергию.

Рис. 20.14. Когда медленный нейтрон попадает в делящееся ядро U-235, он поглощается и образует неустойчивое ядро U-236. Это ядро затем быстро распадается на два меньших ядра (в данном случае Ba-141 и Kr-92) и испускает несколько нейтронов (обычно два или три), высвобождая очень большое количество энергии.

\[ \ce{^{235}_{92}U + ^{1}_{0}n -> ^{236}_{92}U -> ^{141}_{56}Ba + ^{92}_{36}Kr + 3\,^{1}_{0}n} \]

Среди продуктов деления, наблюдавшихся Мейтнер, Ганом и Штрассманом, были барий, криптон, лантан и церий — все они имеют ядра более устойчивые, чем уран-235. С тех пор среди продуктов деления различных делящихся веществ обнаружены сотни различных изотопов. Несколько из множества возможных реакций деления U-235 и график распределения продуктов деления по выходам показаны на рис. 20.15. Аналогичные реакции деления наблюдаются и у других изотопов урана, а также у разнообразных других изотопов, например у плутония.

Рис. 20.15. (а) Пять примеров ядерных уравнений деления U-235 медленными нейтронами с образованием промежуточного U-236 и разных пар осколков; (б) график зависимости выхода продуктов деления (в %) от массового числа: два максимума около массовых чисел 90–100 и 130–145, провал в области 110–120.

Рис. 20.15. (а) Ядерное деление U-235 даёт целый набор продуктов деления. (б) Более крупные осколки деления U-235 обычно представляют собой один изотоп с массовым числом около $85$–$105$ и другой изотоп с массовым числом примерно на $50\,\%$ больше, то есть около $130$–$150$.

Дополнительно

Посмотрите эту симуляцию ядерного деления (http://openstax.org/l/16fission).

При делении тяжёлых элементов выделяется огромное количество энергии. Например, при делении одного моля U-235 продукты весят примерно на $0{,}2\ \text{г}$ меньше реагентов; эта «утраченная» масса превращается в очень большую энергию — около $1{,}8 \times 10^{10}\ \text{кДж}$ на моль U-235. Реакции ядерного деления выделяют невероятно большую энергию по сравнению с химическими реакциями. Деление $1\ \text{кг}$ урана-235, например, даёт примерно в $2{,}5$ миллиона раз больше энергии, чем сжигание $1\ \text{кг}$ угля.

Как уже отмечалось, при делении U-235 образуется два «средних» ядра и два-три нейтрона. Эти нейтроны могут затем вызвать деление других атомов урана-235, которые, в свою очередь, дадут новые нейтроны, способные вызвать деление ещё большего числа ядер, и так далее. В этом случае мы имеем ядерную цепную реакцию (nuclear chain reaction) (рис. 20.16). Если же слишком много нейтронов покидает массивный образец, не успев провзаимодействовать с ядром, цепная реакция не возникнет.

Рис. 20.16. Схема ядерной цепной реакции деления U-235: один нейтрон расщепляет ядро U-235 на ядра Ba-140 и Kr-93 и три нейтрона; каждый из этих нейтронов расщепляет следующее ядро U-235, давая новые пары осколков (Rb-96 + Cs-137, Sr-90 + Xe-144, Br-87 + La-146) и новые нейтроны.

Рис. 20.16. Деление крупного ядра, такого как U-235, даёт два или три нейтрона; каждый из них способен вызвать деление другого ядра по одной из показанных схем. Если этот процесс продолжается, возникает ядерная цепная реакция.

Вещество, способное поддерживать цепную реакцию ядерного деления, называют делящимся или способным к делению (fissile или fissionable). (Строго говоря, fissile-материал может делиться нейтронами любой энергии, тогда как fissionable-материал требует высокоэнергетических нейтронов.) Ядерное деление становится самоподдерживающимся (self-sustaining), когда число нейтронов, образующихся при делении, не меньше числа нейтронов, поглощаемых при расщеплении ядер, плюс число нейтронов, уходящих в окружающее пространство. Минимальное количество делящегося материала, способное поддерживать самоподдерживающуюся цепную реакцию, называется критической массой (critical mass). Количество делящегося материала, недостаточное для поддержания цепной реакции, называется подкритической массой (subcritical mass). Количество материала, в котором скорость деления нарастает, называется надкритической массой (supercritical mass). Критическая масса зависит от свойств материала: его чистоты, температуры, формы образца и от того, как контролируются нейтронные реакции (рис. 20.17).

Рис. 20.17. Сравнение подкритической (a) и критической (b) массы: в подкритической сфере нейтроны быстро уходят за пределы материала, цепной реакции не возникает; в критической — нейтронов хватает для развития цепной реакции.

Рис. 20.17. (а) В подкритической массе делящегося материала образец слишком мал, и слишком много нейтронов покидает его, поэтому цепной реакции не происходит. (б) В критической массе нейтронов в делящемся материале достаточно для того, чтобы вызвать деление и поддержать цепную реакцию.

Атомная бомба (рис. 20.18) содержит несколько фунтов делящегося материала — $\ce{^{235}_{92}U}$ или $\ce{^{239}_{94}Pu}$, источник нейтронов и взрывное устройство, быстро сжимающее этот материал в малый объём. Когда делящийся материал разделён на мелкие куски, доля нейтронов, уходящих через относительно большую поверхность, велика, и цепная реакция не идёт. Когда же мелкие куски делящегося материала быстро объединяют в тело с массой больше критической, относительное число уходящих нейтронов уменьшается — возникают цепная реакция и взрыв.

Рис. 20.18. (а) Атомная бомба, разрушившая Хиросиму $6$ августа $1945$ года, состояла из двух подкритических масс U-235; обычные взрывчатые вещества «выстреливали» одну подкритическую массу в другую, создавая критическую массу для ядерного взрыва. (б) Плутониевая бомба, разрушившая Нагасаки $9$ августа $1945$ года, представляла собой полую сферу из плутония, которая быстро сжималась обычным взрывчатым веществом. В результате в центре концентрировалось количество плутония, превышавшее критическую массу, необходимую для ядерного взрыва.

Реакторы деления¶

Цепные реакции делящихся веществ можно контролировать и поддерживать без взрыва — в ядерном реакторе (nuclear reactor) (рис. 20.19). Любой ядерный реактор, вырабатывающий энергию за счёт деления урана или плутония при бомбардировке нейтронами, должен содержать как минимум пять элементов: ядерное топливо из делящегося материала, ядерный замедлитель, теплоноситель (хладагент), регулирующие стержни и систему защиты и удержания. Эти узлы подробнее рассмотрены ниже. Реактор работает так, что делящийся ядерный материал разделён на части, в которых критическая масса не может образоваться; при этом контролируются и поток нейтронов, и их поглощение, что позволяет в любой момент остановить реакции деления. В реакторе, используемом для производства электроэнергии, энергия, выделяющаяся при делении, удерживается в виде тепла и идёт на кипячение воды и производство пара. Пар вращает турбину, приводящую в действие генератор электрического тока.

Рис. 20.19. (а) Фотография АЭС Diablo Canyon на побережье в Калифорнии: купольные сооружения — защитные оболочки реакторов, отдельное здание — машинный зал с турбинами; вода для охлаждения берётся из океана. (б) Схема корпусного водо-водяного реактора с двумя контурами теплоносителя: активная зона, парогенераторы, турбина, корпус из стали и бетона.

Рис. 20.19. (а) АЭС Diablo Canyon близ Сан-Луис-Обиспо — единственная действующая на сегодня атомная электростанция в Калифорнии. Купола — защитные оболочки ядерных реакторов, а коричневое здание — машинный зал с турбинами, где вырабатывается электричество. Для охлаждения используют океанскую воду. (б) В Diablo Canyon используется водо-водяной реактор под давлением — одна из нескольких применяемых в мире конструкций реакторов деления. Энергия ядерных реакций деления в активной зоне нагревает воду в закрытом контуре под давлением. Тепло из этого контура порождает пар, который вращает турбину, а та — генератор электрического тока. (Снимок а: модификация работы «Mike» Michael L. Baird; схема б: модификация работы Комиссии по ядерному регулированию США.)

Ядерное топливо¶

Ядерное топливо (nuclear fuel) состоит из делящегося изотопа — например, урана-235, — которого должно быть достаточно для самоподдерживающейся цепной реакции. В США урановые руды содержат от $0{,}05$ до $0{,}3\,\%$ оксида урана $\ce{U3O8}$; уран в руде на $\sim 99{,}3\,\%$ состоит из неделящегося U-238 и лишь на $0{,}7\,\%$ — из делящегося U-235. Ядерным реакторам нужно топливо с более высоким содержанием U-235, чем в природе; обычно его обогащают до примерно $5\,\%$ U-235 по массе урана. При такой концентрации достичь надкритической массы, необходимой для ядерного взрыва, невозможно. Уран обогащают газовой диффузией (единственный применяемый сейчас в США метод), на газовой центрифуге или лазерным разделением.

На обогатительном заводе, использующем газовую диффузию, газообразный $\ce{UF6}$ (гексафторид урана) при низком давлении движется через перегородки с отверстиями, лишь чуть большими, чем нужно для прохода молекул $\ce{UF6}$. Несколько более лёгкие молекулы $\ce{^{235}UF6}$ диффундируют через перегородку чуть быстрее, чем более тяжёлые $\ce{^{238}UF6}$. Процесс повторяется через сотни перегородок, постепенно повышая содержание $\ce{^{235}UF6}$ до уровня, нужного для реактора. Физическая основа этого процесса — закон Грэма, рассмотренный в главе о газах. Обогащённый газ $\ce{UF6}$ собирают, охлаждают до затвердевания и отправляют на завод сборки, где из него делают тепловыделяющие сборки (топливные сборки). Каждая сборка состоит из тепловыделяющих стержней с множеством миниатюрных керамических таблеток (обычно $\ce{UO2}$) обогащённого урана. Современные ядерные реакторы могут содержать до $10$ миллионов таких таблеток. Энергия, заключённая в каждой такой таблетке, эквивалентна почти тонне угля или $150$ галлонам нефти.

Замедлители нейтронов¶

Нейтроны, образующиеся в ядерных реакциях, движутся слишком быстро, чтобы вызвать деление (см. рис. 20.17). Их необходимо предварительно замедлить, чтобы они смогли поглотиться топливом и вызвать новые ядерные реакции. Замедлитель нейтронов (nuclear moderator) — вещество, замедляющее нейтроны до скорости, достаточно малой для того, чтобы вызвать деление. В ранних реакторах в качестве замедлителя использовали высокочистый графит. Современные реакторы в США используют исключительно тяжёлую воду ($\ce{^{2}_{1}H2O}$) или лёгкую воду (обычную $\ce{H2O}$), тогда как в некоторых странах применяют и другие материалы: диоксид углерода, бериллий или графит.

Теплоносители реактора¶

Теплоноситель (хладагент; reactor coolant) служит для отвода теплоты, выделяющейся при делении, к внешнему парогенератору и турбине, где она превращается в электроэнергию. Часто применяют два параллельных контура теплоносителя — это препятствует переносу радиоактивности из реактора в основной контур. Все АЭС в США используют в качестве теплоносителя воду. Другие применяемые теплоносители — расплавленный натрий, свинец, расплавленная смесь свинец–висмут или расплавы солей.

Регулирующие стержни¶

В реакторах используют регулирующие стержни (control rods) (рис. 20.20) — они управляют скоростью деления ядерного топлива, регулируя число имеющихся медленных нейтронов и поддерживая скорость цепной реакции на безопасном уровне. Регулирующие стержни делают из бора, кадмия, гафния и других элементов, способных поглощать нейтроны. Бор-10, например, поглощает нейтрон с образованием лития-7 и $\alpha$-частицы:

\[ \ce{^{10}_{5}B + ^{1}_{0}n -> ^{7}_{3}Li + ^{4}_{2}He} \]

Когда стержни вводят в топливный элемент активной зоны, они поглощают бо́льшую долю медленных нейтронов, тем самым замедляя реакцию деления и уменьшая вырабатываемую мощность. И наоборот, при извлечении стержней нейтронов поглощается меньше, и скорость деления и энергоотдача возрастают. В аварийной ситуации цепная реакция останавливается полным введением всех регулирующих стержней между тепловыделяющими стержнями активной зоны.

Рис. 20.20. (а) Активная зона ядерного реактора: стальной корпус под давлением, регулирующие стержни, решётка и тепловыделяющие стержни; стрелками показано направление течения теплоносителя. (б) Топливно-стержневая сборка крупным планом: пучок тонких трубок-тепловыделяющих стержней, среди которых вставлены регулирующие стержни.

Рис. 20.20. Активная зона ядерного реактора (а) содержит топливо и сборку регулирующих стержней, показанную в (б). (Источник: модификация работы E. Generalic, http://glossary.periodni.com/glossary.php?en=control+rod.)

Система защиты и удержания¶

Во время работы ядерный реактор производит нейтроны и другое излучение. Даже после остановки реактора продукты распада остаются радиоактивными. Кроме того, работающий реактор очень горячий, а из-за циркуляции воды или другого теплоносителя в нём поддерживаются высокие давления. Поэтому реактор должен выдерживать высокие температуры и давления, а персонал должен быть защищён от излучения. Реакторы оснащают системой удержания или защитной оболочкой (containment system / shield), состоящей из трёх частей:

Корпус реактора — стальная оболочка толщиной $3$–$20\ \text{см}$, которая вместе с замедлителем поглощает значительную часть излучения, производимого реактором.
Основная защита — слой высокоплотного бетона толщиной $1$–$3\ \text{м}$.
Защита персонала из более лёгких материалов, защищающая операторов от $\gamma$- и рентгеновского излучения.

Кроме того, реакторы часто накрывают стальным или бетонным куполом, рассчитанным на удержание радиоактивных веществ, которые могли бы вырваться наружу при аварии.

Дополнительно

Посмотрите трёхминутный ролик Института ядерной энергии (http://openstax.org/l/16nucreactors) о том, как работают ядерные реакторы.

Атомные электростанции спроектированы так, что они не могут образовать надкритическую массу делящегося материала и, следовательно, не способны произвести ядерный взрыв. Но, как показала история, отказы систем и нарушения мер безопасности приводят к катастрофическим авариям, включая химические взрывы и ядерные расплавления (повреждение активной зоны от перегрева). Следующая врезка «Химия в повседневной жизни» посвящена трём печально известным авариям с расплавлением активной зоны.

Химия в повседневной жизни. Ядерные аварии

Важность охлаждения и удержания наглядно демонстрируют три крупные аварии на ядерных реакторах атомных электростанций: в США (Три-Майл-Айленд), в бывшем СССР (Чернобыль) и в Японии (Фукусима).

В марте $1979$ года на атомной станции Три-Майл-Айленд (Пенсильвания) на блоке №2 отказала система охлаждения, и охлаждающая вода вылилась из реактора на пол гермообъёма. После остановки насосов реакторы перегрелись из-за высокого тепловыделения от радиоактивного распада в первые сутки после остановки реактора. Температура активной зоны достигла как минимум $2200\ \text{°C}$, и её верхняя часть начала плавиться. Кроме того, циркониевая оболочка тепловыделяющих стержней начала реагировать с водяным паром с образованием водорода:

\[ \ce{Zr(s) + 2H2O(g) -> ZrO2(s) + 2H2(g)} \]

Водород скапливался в здании гермообъёма, и возникла опасность взрыва смеси водорода с воздухом. Поэтому водород и радиоактивные газы (в основном криптон и ксенон) пришлось выпустить из здания. В течение недели циркуляция охлаждающей воды была восстановлена, и активная зона стала остывать. Станция была закрыта почти на $10$ лет для проведения работ по ликвидации последствий аварии.

Хотя желателен полный нулевой выброс радиоактивных веществ, выброс именно криптона и ксенона, как это произошло на Три-Майл-Айленд, — один из наиболее переносимых. Эти газы быстро рассеиваются в атмосфере и потому не дают сильно радиоактивных областей. Кроме того, они — благородные газы и не включаются в живые ткани в пищевой цепи. По существу никакие тяжёлые элементы из активной зоны реактора в окружающую среду не попали, и очистка территории за пределами гермообъёма не потребовалась (рис. 20.21).

$Рис. 20.21. (а) Снимок $2010$ года АЭС Три-Майл-Айленд: справа продолжающий работу блок №1, не пострадавший от аварии, слева — оставшиеся сооружения повреждённого блока №2. (б) Президент США Джимми Картер в пультовой повреждённого блока через несколько дней после аварии $1979$ года.$

Рис. 20.21. (а) На этом снимке Три-Майл-Айленд $2010$ года сохранившиеся сооружения повреждённого блока №2 видны слева, тогда как отдельно стоящий блок №1, не затронутый аварией, продолжает вырабатывать электричество по сей день (справа). (б) Президент Джимми Картер посетил пультовую блока №2 через несколько дней после аварии $1979$ года.

Другая крупная авария на ядерном реакторе произошла в апреле $1986$ года на Чернобыльской АЭС на Украине, тогда входившей в состав СССР. Работая на пониженной мощности при несанкционированном эксперименте с отключёнными системами безопасности, один из реакторов станции потерял устойчивость. Его цепная реакция стала неконтролируемой и возросла до уровня, далеко превосходившего проектный. Давление пара в реакторе поднялось до значений в $100$–$500$ раз больше полного рабочего и разрушило реактор. Поскольку реактор не был заключён в защитную оболочку (гермообъём), наружу выбросилось огромное количество радиоактивных веществ; дополнительные продукты деления выходили в окружающую среду по мере того, как графитовый (углеродный) замедлитель активной зоны воспламенился и горел. Пожар удалось локализовать, но более $200$ работников станции и пожарных получили острую лучевую болезнь, и по меньшей мере $32$ из них вскоре погибли от последствий облучения. Прогнозируется, что ещё около $4000$ человек среди ликвидаторов и бывших жителей Чернобыля погибнут от индуцированных излучением рака и лейкемии. Реактор затем был заключён в стальной и бетонный саркофаг, ныне постепенно разрушающийся. Почти $30$ лет спустя в этом районе сохраняются значительные радиационные проблемы, и Чернобыль в основном остаётся «зоной отчуждения».

В $2011$ году АЭС Фукусима-Дайити в Японии была сильно повреждена землетрясением магнитудой $9{,}0$ и последовавшим цунами. Три работавших на момент землетрясения реактора были автоматически остановлены, а для питания электроники и систем теплоносителя включились аварийные генераторы. Однако цунами быстро затопило аварийные генераторы и отключило питание насосов, прокачивающих воду через реакторы. Высокотемпературный пар в реакторах прореагировал с циркониевым сплавом с образованием газообразного водорода. Газ вышел в гермообъём, и смесь водорода с воздухом взорвалась. Радиоактивные вещества попали наружу из защитных оболочек в результате преднамеренного сброса (для снижения давления водорода), преднамеренного сброса охлаждающей воды в море и аварийных или неконтролируемых процессов.

Зона эвакуации вокруг повреждённой станции охватила радиус более $12{,}4$ мили; по оценкам, было эвакуировано $200\,000$ человек. Впоследствии все $48$ японских АЭС были остановлены и по состоянию на декабрь $2014$ года так и не возобновили работу. После катастрофы общественное мнение сместилось от преимущественно «за» к преимущественно «против» расширения использования АЭС, и перезапуск японской атомной энергетики до сих пор остаётся под вопросом (рис. 20.22).

$Рис. 20.22. (а) Работник в защитном костюме перетаскивает мешок с радиоактивно загрязнёнными отходами в зоне ликвидации последствий аварии. (б) Карта зоны радиоактивного загрязнения вокруг Фукусима-Дайити: цветными точками показаны уровни мощности дозы (от менее $0{,}03$ до более $12{,}5\ \text{мР/ч}$); очерчены окружности на расстоянии $20$ и $30$ км от станции.$

Рис. 20.22. (а) После аварии загрязнённые отходы пришлось вывозить; (б) вокруг станции была установлена зона эвакуации в районах, получивших наиболее высокие дозы радиоактивных осадков. (Снимок а: модификация работы «Live Action Hero»/Flickr.)

Энергия, выделяющаяся в реакторе на обогащённом уране, образуется как при делении урана, так и при делении плутония, образующегося в ходе работы реактора. Как уже отмечалось, плутоний возникает при соединении нейтронов с ураном в составе топлива. В любом ядерном реакторе в энергию превращается только около $0{,}1\,\%$ массы топлива. Остальные $99{,}9\,\%$ остаются в тепловыделяющих стержнях в виде продуктов деления и неиспользованного топлива. Все продукты деления поглощают нейтроны, и через несколько месяцев или несколько лет работы (в зависимости от типа реактора) их приходится удалять, заменяя тепловыделяющие стержни. Иначе концентрация этих продуктов росла бы и они поглощали бы всё больше нейтронов, пока реактор не утратил бы способность работать.

Отработавшие тепловыделяющие стержни содержат целый набор продуктов: неустойчивые ядра с атомными номерами от $25$ до $60$, некоторые трансурановые элементы (в том числе плутоний и америций) и непрореагировавшие изотопы урана. Неустойчивые ядра и трансурановые изотопы обусловливают опасно высокую радиоактивность отработавшего топлива. Долгоживущие изотопы требуют тысячелетий для распада до безопасного уровня. Конечная судьба ядерного реактора как существенного источника энергии в США, по-видимому, зависит от того, удастся ли разработать политически и научно приемлемый способ переработки и хранения компонентов отработавших тепловыделяющих стержней.

Дополнительно

По этой ссылке (http://openstax.org/l/16wastemgmt) приведены сведения о подходах к обращению с ядерными отходами.

Ядерный синтез и реакторы синтеза¶

Процесс превращения очень лёгких ядер в более тяжёлые также сопровождается превращением массы в большое количество энергии; этот процесс называется синтезом (термоядерным синтезом; fusion). Основной источник энергии Солнца — суммарная реакция синтеза, в которой четыре ядра водорода сливаются и дают одно ядро гелия и два позитрона. Это суммарная запись более сложной последовательности процессов:

\[ \ce{4\,^{1}_{1}H -> ^{4}_{2}He + 2\,^{0}_{+1}e} \]

Ядро гелия имеет массу, на $0{,}7\,\%$ меньшую, чем масса четырёх ядер водорода; именно эта потерянная масса переходит в энергию при синтезе. В этой реакции выделяется около $3{,}6 \times 10^{11}\ \text{кДж}$ энергии на моль образующегося $\ce{^{4}_{2}He}$. Это несколько больше, чем энергия, выделяющаяся при делении одного моля U-235 ($1{,}8 \times 10^{10}\ \text{кДж}$), и более чем в $3$ миллиона раз больше, чем энергия, выделяющаяся при (химическом) горении одного моля октана ($5471\ \text{кДж}$).

Установлено, что ядра тяжёлых изотопов водорода — дейтрон $\ce{^{2}_{1}H}$ и тритон $\ce{^{3}_{1}H}$ — вступают в реакцию синтеза при чрезвычайно высоких температурах (термоядерный синтез). При этом образуются ядро гелия и нейтрон:

\[ \ce{^{2}_{1}H + ^{3}_{1}H -> ^{4}_{2}He + ^{1}_{0}n} \]

Этот процесс сопровождается уменьшением массы на $0{,}0188\ \text{а.\,е.\,м.}$, что соответствует выделению $1{,}69 \times 10^{9}\ \text{кДж}$ на моль образующегося $\ce{^{4}_{2}He}$. Очень высокая температура нужна для того, чтобы дать ядрам кинетическую энергию, достаточную для преодоления сильного электростатического отталкивания, обусловленного их положительными зарядами, и для того, чтобы они смогли столкнуться.

Полезные реакции синтеза требуют для своего инициирования очень высоких температур — около $15\,000\,000\ \text{К}$ или выше. При таких температурах все молекулы диссоциируют на атомы, а атомы ионизуются, образуя плазму. Эти условия существуют в огромном числе мест во Вселенной — звёзды работают на ядерном синтезе. Люди уже научились получать достаточно высокие температуры для крупномасштабного синтеза — в термоядерном оружии. Термоядерное оружие (например, водородная бомба) содержит атомную бомбу (на ядерном делении), которая при взрыве выделяет энергию, достаточную для того, чтобы создать чрезвычайно высокие температуры, необходимые для синтеза.

Другой, гораздо более полезный способ получить реакции синтеза — в реакторе синтеза (fusion reactor) — ядерном реакторе, в котором контролируются реакции синтеза лёгких ядер. Поскольку при столь высоких температурах не существует устойчивых твёрдых материалов, плазма, в которой идёт реакция синтеза, не может удерживаться механическими устройствами. Сейчас интенсивно исследуются два способа удержания плазмы при плотности и температуре, нужных для реакции синтеза: удержание магнитным полем и удержание сфокусированными лазерными лучами (рис. 20.23). Несколько крупных проектов работают над достижением одной из крупнейших целей науки — заставить водородное топливо «загореться» и выделять больше энергии, чем требуется на достижение чрезвычайно высоких температур и давлений, необходимых для синтеза. На момент написания книги в мире нет работающих самоподдерживающихся реакторов синтеза, хотя малые контролируемые реакции синтеза удавалось проводить очень короткое время.

$Рис. 20.23. (а) Цветной разрез модели Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER): тороидальная камера-токамак, окружённая магнитными катушками и системой защиты. (б) Многослойная золотистая мишень установки National Ignition Facility, на которую направляются $192$ лазерных луча для инициирования термоядерного синтеза.$

Рис. 20.23. (а) Модель Международного экспериментального термоядерного реактора (ITER). Строящийся сейчас на юге Франции (планируемый срок завершения — $2027$ год), ITER станет крупнейшим в мире экспериментальным термоядерным реактором-токамаком, цель которого — крупномасштабное самоподдерживающееся производство энергии. (б) В $2012$ году National Ignition Facility (Ливерморская национальная лаборатория им. Лоуренса) кратковременно достиг пиковой мощности более $500\,000\,000\,000\ \text{Вт}$ ($500$ ТВт) и выдал $1\,850\,000\ \text{Дж}$ ($1{,}85\ \text{МДж}$) энергии — наибольшую лазерную энергию из когда-либо полученных и в $1000$ раз больше потребления электричества всеми США в любой данный момент. Хотя это длилось лишь несколько миллиардных долей секунды, $192$ лазера достигли условий, нужных для инициирования ядерного синтеза. На снимке показана мишень перед лазерным выстрелом. (Снимок а: модификация работы Stephan Mosel.)

Название	Символ	Атомный номер	Реакция
америций	Am	\(95\)	\(\ce{^{239}_{94}Pu + ^{1}_{0}n -> ^{240}_{95}Am + ^{0}_{-1}e}\)
кюрий	Cm	\(96\)	\(\ce{^{239}_{94}Pu + ^{4}_{2}He -> ^{242}_{96}Cm + ^{1}_{0}n}\)
калифорний	Cf	\(98\)	\(\ce{^{242}_{96}Cm + ^{4}_{2}He -> ^{243}_{97}Bk + 2\,^{1}_{0}n}\)
эйнштейний	Es	\(99\)	\(\ce{^{238}_{92}U + 15\,^{1}_{0}n -> ^{253}_{99}Es + 7\,^{0}_{-1}e}\)
менделевий	Md	\(101\)	\(\ce{^{253}_{99}Es + ^{4}_{2}He -> ^{256}_{101}Md + ^{1}_{0}n}\)
нобелий	No	\(102\)	\(\ce{^{246}_{96}Cm + ^{12}_{6}C -> ^{254}_{102}No + 4\,^{1}_{0}n}\)
резерфордий	Rf	\(104\)	\(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{12}_{6}C -> ^{257}_{104}Rf + 4\,^{1}_{0}n}\)
сиборгий	Sg	\(106\)	\(\ce{^{206}_{82}Pb + ^{54}_{24}Cr -> ^{257}_{106}Sg + 3\,^{1}_{0}n}\) \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{18}_{8}O -> ^{263}_{106}Sg + 4\,^{1}_{0}n}\)
мейтнерий	Mt	\(107\)	\(\ce{^{209}_{83}Bi + ^{58}_{26}Fe -> ^{266}_{109}Mt + ^{1}_{0}n}\)