Химические виды топлива, такие как метан и нефть, выделяют ;ргию за счет того, что молекулы перегруппировываются в конфигурации с меньшей внутренней энергией. При этом выделяется энергия молекулярных свя­зей. измеряемая десятками мегаджоулей на киломоль. Когда перестройке подвер - ■ • .тся компоненты не молекул, а атомов, то. выделяется энергия, на несколько

порядков большая (ГДж/кмоль). Это связано с тем, что энергия внутриатомных связей существенно больше, чем молекулярных.

Внутренняя структура атомов может изменяться различными способами:

1. Атомное ядро бомбардируется нейтроном, который им поглощается с об­разованием нового атома.

2. Структура атома может измениться при спонтанном излучении им элект­рона (Р-излучение) или ядра гелия (a-излучение). При таком радиоактив­ном распаде, связанном с выделением энергии могут работать, например, радиоизотопные термоэлектрические генераторы (RTG), о которых будет рассказано позже.

3. Атомы с большим атомным числом могут распадаться на несколько атомов с меньшим атомным числом. Этот процесс называется ядерным распадом и может принципиально происходить лишь для вешеств с атомным числом Z больше 26.

4. Атомы с малыми атомными числами могут соединиться в один новый бо­лее тяжелый атом с выделением энергии. Этот процесс называется ядер­ным синтезом и может иметь место лишь для атомов с атомным числом меньше 26|).

Ядерная энергетика заработала себе плохую репутацию после ряда аварий на атомных электростанциях, крупнейшая из которых была в Чернобыле. Но, несмотря на это, атомные электростанции продолжают использовать во мно­гих странах. В начале текущего века установленная мощность АЭС в США со­ставляла 98 ГВт, вслед за ними шли Франция 60 ГВт (1996 г.) и Япония 42 ГВт (1996 г.)

Коэффициент использования установленной мощности атомных электро­станций имеет очень высокое значение по сравнению с другими типами стан­ций и составляет, как правило, не менее 70 %. В США на АЭС вырабатывается около 18 % всей электроэнергии, а во Франции — более 76 %, в Японии —

33,4 %.

В 2000 г. Германия приняла решение вывести из эксплуатации 19 атомных электростанций. Решение было связано прежде всего с тем, что данные стан­ции выработали свой ресурс, проработав более 32 лет. Сегодня большое число АЭС в Германии выработали более половины своего ресурса, и их тоже вскоре придется выводить из эксплуатации. Ввод новых ядерных энергоблоков пока не осуществляется в связи с протестным общественным мнением.

Стоимость ядерной электроэнергии достаточно высока. Так. в 1996 г. в США стоимость электроэнергии, получаемой от АЭС, составляла 7 центов за 1 кВт ■ ч, тогда как стоимость электроэнергии, получаемой от электростанции, работающей на природном газе, была всего 3 цента за 1 кВт • ч. При использовании современ - б Реализация таких превращений была мечтой средневековых алхимиков.

ных реакторов, оснащенных более надежными системами безопасности, стоимость выработки электроэнергии может существенно сократиться. Повышение надеж­ности и безопасности АЭС в сочетании с их несомненным преимуществом — отсутствием выбросов парниковых газов — по-видимому, должно привести к новой волне популярности и активного строительства таких станций в раз­личных странах мира.

Основной проблемой использования ядерных реакторов является не опас­ность самого процесса эксплуатации, которая в современных реакторах сведена к минимуму, а проблема утилизации долгоживущих радиоактивных продуктов ядерной реакции.

Ядерные реакторы нового поколения должны удовлетворять набору следую­щих основных требований:

1) безопасность эксплуатации (с учетом возможности террористических атак);

2) экономичность;

3) надежность;

4) отсутствие продуктов реакции, пригодных для создания ядерного оружия;

5) отсутствие продуктов реакции с длительным периодом полураспада;

6) возможность преобразования радиоактивных продуктов реакции с дли­тельным периодом полураспада, получаемых с АЭС, в «короткоживущие» химические элементы.

В настоящее время разработка ядерных реакторов, удовлетворяющих боль­шинству из перечисленных требований, активно ведется. Одной из таких разра­боток является, например, разработка реактора с жидкометаллическим тепло­носителем. Данная технология достаточно сложна, но она позволяет получать продукты реакции с низким периодом полураспада (100 лет) по сравнению со старыми типами реакторов (100 000 лет), причем эти продукты гораздо легче типизировать. Реакторы с жидкометаллическим теплоносителем должны ра­ботать при высоких температурах и низком давлении, что в принципе позволяет получать на них термолитический водород (см. гл. 8), который можно исполь­зовать как топливо в топливных элементах.

Проблемы утилизации радиоактивных продуктов отсутствуют в термоядер­ных реакторах синтеза. К сожалению, в настоящее время не существует ни од­ного работающего прототипа термоядерного реактора, несмотря на десятилетия чпорных исследований.

Для того чтобы произвести хотя бы поверхностный анализ ядерных реакций, нам необходимо знать атомные массы частиц, участвующих в них (табл. 1.9). Читателю может показаться, что точность значений представленных величин необоснованно высокая, однако даже такая малая разность между массами играет огромную роль при расчете выделения энергии. Мы покажем это в дальнейших расчетах.

Представленные в таблице массы отдельных нуклонов (протонов и альфа - частиц) практически равны массам соответствующих им частиц без учета мас­сы электронов, связанных с ними. С другой стороны, существует достаточно большая разница между массой нуклона и суммой масс составляющих их ком­понентов (протонов и нейтронов). Так, в случае альфа-частицы, сумма масс двух отдельных протонов и двух нейтронов равна 4,03188278 дальтона, а масса самой частицы равна 4,001506175 дальтона. Разница между массами составляет 0,030376606 дальтона, что в энергетическом эквиваленте соответствует 28 МэВ. Эта энергия является энергией связи элементарных частиц в атоме.