Почему атомной энергетике всегда нужны новые материалы и как мы их создаем. Часть 1
Человечество хотело добыть и обуздать ядерную энергию — фундаментальные науки обеспечили для этого теоретическую базу. Потребовалось реализовать теорию «в железе» — это сделали с помощью прикладных дисциплин: инженерного дела и материаловедения. Рассказываем, с какими практическими трудностями сталкиваются инженеры, проектирующие реакторы, почему в атомной отрасли приходится постоянно создавать новые материалы и как современные студенты могут стать баснословно успешными, всего лишь выбрав правильное направление обучения в области экзотического материаловедения.
Пожалуй, в любом рассказе об атомной энергетике автор сразу упомянет количество энергии, которое высвобождается при делении ядра атома. Например, распад килограмма урана-235, самого распространенного топлива в энергетических реакторах, в среднем приносит 83 тераджоуля энергии. Это во впечатляющие полтора миллиона раз больше, чем можно получить от сжигания той же массы природного газа (метан, 55 мегаджоулей) или в целых полмиллиона раз больше, чем от килограмма его «зеленой» замены — водорода (141 мегаджоуль).
Как удержать в узде всю эту энергию, чтобы направить ее на полезную работу? Об этой инженерной проблеме зачастую несправедливо забывают.
Столь внушительная разница в энергетическом потенциале химического и ядерного топлива неслучайна. При сжигании горючего высвобождается энергия, заключенная в химических связях. А они, в свою очередь, — продукт электромагнитного взаимодействия. Ядерная энергетика в качестве фундамента использует еще более мощное взаимодействие, оно так и называется — сильное.
Электромагнетизм удерживает вместе атомное ядро и электронные облака, связывает атомы в молекулах, молекулы друг с другом в некоторых формах материи (например, водородные связи в воде и спиртах). Сильное же взаимодействие удерживает вместе кварки, формирующие адроны — протоны, нейтроны — и связывает сами формирующие атомное ядро адроны друг с другом.
Сила этого взаимодействия на интересующих нас масштабах атомного ядра более чем в сотню раз превышает силу электромагнитного взаимодействия. Поэтому деление атома высвобождает настолько больше энергии, чем его участие в любых химических реакциях.
Что самое важное, эта высвобождаемая при ядерном распаде энергия передается окружающей среде не только в виде кинетического взаимодействия атомов друг с другом. При делении ядер энергию уносят их осколки и отдельные элементарные частицы. Они способны взаимодействовать с другими атомами не только по законам электромагнетизма (сталкиваясь с их электронными облаками), но и напрямую, встречаясь непосредственно с атомным ядром. Проще говоря, энергетический поток не просто мощнее — он сфокусирован на гораздо меньшей площади.
Важная ремарка
Здесь и далее многие физические явления мы опишем в очень упрощенном виде и сознательно не станем затрагивать целый ряд физических феноменов. Почему атомы распадаются и делятся, с какой вероятностью это происходит, что получается в результате и какие законы квантовой механики диктуют их стабильные состояния, а также правила всех протекающих с ними процессов — это несколько больших отдельных тем.
Для целей этой статьи важно отметить, что есть определенные соотношения протонов и нейтронов, при которых атомное ядро будет стабильным. Если они не соблюдаются, такой атом рано или поздно претерпевает самопроизвольный распад (это явление называется радиоактивностью). Кроме того, все химические элементы более чем с 82 протонами в ядре (тяжелее свинца) в принципе нестабильны, но иногда вероятность распада чрезвычайно мал
Выше, на картинке пример цепной реакции U-235. Когда в уран-235 попадает нейтрон, он превращается в уран-236 в возбужденном состоянии и с вероятностью 82 процента делится, как правило, на пару осколков с массовыми числами 95±15 и 135±15, соответственно. На иллюстрации показаны барий-144 и криптон-89. Тройные или четверные деления происходят реже. В 18 процентах случаев энергии нейтрона оказывается недостаточно для деления атома урана-236, и тот переходит в менее возбужденное состояние испуская гамма-квант (фотон). Помимо осколков деления, реакция порождает два или три свободных нейтрона, которые могут встретить на своем пути другие атомы, желательно — урана-235. Тогда процесс повторится, и получится ядерная цепная реакция. Одна из главных задач конструкции реактора — поддерживать такую конфигурацию активной зоны, чтобы высвобожденные во время деления топлива нейтроны не улетучивались, а продолжали делить новые атомы топлива, но при этом процесс происходил с контролируемой скоростью
Причину распада можно представить как избыток энергии, который атомное ядро получило при образовании и не может удержать в себе из-за того, что его структура не позволяет это сделать. Эта энергия уносится в виде продуктов распада, среди которых важно выделить:
- альфа-частицы, ядра атомов гелия (два протона с парой нейтронов);
- бета-частицы, электроны высоких энергий;
- гамма-частицы, фотоны высоких энергий;
- свободные нейтроны;
- а также фрагменты материнского ядра с заимствованными у него электронами — дочерние химические элементы (осколки деления).
Распад, продукты которого тяжелее альфа-частицы и сопровождающийся высвобождением отдельных нейтронов, называется делением ядра. Его можно спровоцировать, «выстрелив» в атом свободным нейтроном и передав ему тем самым дополнительную энергию. Цепная ядерная реакция возникает, когда высвободившиеся в результате деления нейтроны встречают на своем пути новые, готовые к делению, атомы — и тогда процесс многократно повторяется (так один покатившийся камешек срывает в итоге со склона целую лавину).
Что происходит в реакторе
Начнем с самого сердца реактора — таблеток ядерного топлива (спрессованный порошок диоксида урана, обогащенного по изотопу 235U). Именно в них происходит цепная реакция деления, именно они служат первоисточником тепла в атомных электростанциях (АЭС).
Когда тяжелый атом делится, его осколки разлетаются в стороны и сталкиваются с другими атомами, которые встретились им на пути.
Это кинетическое взаимодействие уносит большую часть высвободившейся в результате деления энергии. А поскольку тепло — сумма кинетических энергий всех частиц системы, то так таблетки ядерного топлива и нагреваются.
Причем нагрев этот может быть очень быстрым. А значит, само ядерное топливо, из которого изготавливаются таблетки, должно иметь высокую температуру плавления. Иначе они потеряют свою целостность еще до того, как успеют передать тепло теплоносителю.
Еще одно важнейшее следствие деления — структура таблеток постоянно претерпевает изменения. Ведь внутри них вместо тяжелых атомов появляются более легкие — их больше, и они, разумеется, занимают больший объем. В редких случаях (с вероятностью 0,3 процента) тяжелый атом делится на три легких, один из которых — атом гелия, а еще два — «обычные» осколки деления с массовым числами около 95 и 135. Еще реже происходит четверное деление, в котором вместе с крупными осколками, как правило, образуется два атома гелия.
Помимо крупных осколков, которые почти сразу становятся дочерними атомами, позаимствовав электроны от материнского, в реакции деления образуются и другие продукты. Во-первых — фотоны высоких энергий, рентгеновское и гамма-излучение. При взаимодействии с электронным облаком встретившегося им на пути атома они передают ему свою энергию. Возбужденный таким образом электрон переходит на более высокий энергетический уровень или вовсе становится свободным. А тот атом, которому он принадлежал, становится положительным ионом — ионизируется. Со всеми вытекающими последствиями: он теперь стремится вступить в химические реакции. Гамма-кванты способны пройти большой путь и выйти далеко за пределы топливных таблеток.
Наконец, ключевой для цепной реакции продукт деления тяжелых ядер — нейтроны. У них есть масса, но нет заряда, поэтому они легко «проскальзывают» между электронными облаками и ядрами соседних атомов. Следовательно, способны пройти большой путь, пусть и меньший, чем гамма-кванты.
Но если они встречаются с ядрами, то практически наверняка взаимодействуют с ними. Видов этого взаимодействия три: упругое рассеяние, неупругое рассеяние и захват. Вероятность каждого из них рассчитывается отдельно и называется сечением взаимодействия (ядерное эффективное сечение). У разных материалов разное эффективное сечение для разных энергий нейтронов и разных видов взаимодействия.
При упругом рассеянии и нейтрон, и атомное ядро, с которым он взаимодействует, сохраняют свое внутреннее состояние, но атом может увеличить свою кинетическую энергию (то есть происходит нагрев материи), а нейтрон — изменить направление движения. Правильно подобрав сечение взаимодействия материала для упругого рассеяния нейтронов нужных энергий, можно создать эффективный отражатель нейтронов этих энергий. В таком материале нейтрон с достаточно большой вероятностью будет направлен примерно туда же, откуда прилетел. Это свойство полезно в реакторах для снижения критической массы топливной таблетки.
При неупругом рассеянии нейтрон передает значительную часть своей энергии атомному ядру, с которым взаимодействует. Результатом может стать распад ядра-мишени либо увеличение его энергии — возбуждение.
В последнем случае атом изменит свое положение в пространстве, будто бы отскочит, и может отдать часть энергии в виде фотона. Иногда количество энергии столь велико, что получится высокоэнергетический фотон — так возникает гамма- или рентгеновское излучение от облученных нейтронным потоком материалов (наведенная радиоактивность). «Отскок» атома в материалах с кристаллической решеткой, — например, в металлах — приводит к нарушению ее структуры. Такие материалы теряют прочностные свойства (на сжатие, на разрыв, трещиностойкость, упругость), в них появляются микроскопические полости, они могут даже деформироваться (распухать).
Если взять материал, в котором нейтроны нужных энергий почти не смогут вызывать деление (об этом — ниже), а будут лишь отдавать часть своей энергии, получится замедлитель нейтронов. На выходе из такого материала мы получим нейтроны меньших энергий, чем на входе, при сопоставимом общем количестве частиц. Это полезно, когда делящийся материал производит нейтроны высоких энергий, но имеет высокое эффективное сечение деления для нейтронов более низких энергий.
Выше, на картинке полуфабрикаты таблеток ядерного топлива. Перед тем, как из них соберут тепловыделяющие элементы, таблетки обработают специальным покрытием. Его состав зависит от типа реактора и применяемых технологий. Сама таблетка на фото — спеченный диоксид урана, возможно, с небольшим добавлением связующего, модифицирующего химические свойства топлива. В начале кампании реактора, сразу после загрузки топлива, таблетки состоят практически полностью из диоксида урана, в котором около 96 процентов урана-238 и всего примерно четыре процента урана-235 (степень обогащения по этому изотопу зависит от типа реактора). К концу кампании, когда топливо пора менять, картина иная: урана-238 по-прежнему большая часть, но три процента — продукты деления урана-235 и плутония-239, один процент — плутоний-239 и -240, 0,4 процента — уран-236. Среди продуктов деления — порядка трех десятков химических элементов, часть из которых газы. После двух лет работы в реакторе таблетка может заметно деформироваться и распухнуть
