Как все началось. Странные явления вблизи Габона
На протяжение веков очевидцы описывали страшное место в горах, в котором то и дело происходили пугающие происшествия. Так по приданиям одного из племен живших неподалеку, в тех самых горах дорога на тот свет. Постоянные неестественные шумы, больше подходящие на рев, красивое но ужасающее свечение в небе, повышенная температура и духота во время дождя. Детишками запрещали даже смотреть в сторону тех гор, а большая часть взрослого населения просто обходили стороной диковинное место.
Вы спросите, а как-же древние цивилизации ?
Они "появились" куда позже, но обо всем по порядку!
Что же на самом деле скрывали горы Центральной Африки?
Начнем пожалуй-с с небольшой предистории:
Шел 1972 год. С момента запуска первой атомной электрической станции прошло 18 лет. Перспективный мирный атом не на шутку развивается и сулит человечеству одни лишь блага, дарованные дешевой и безопасной электроэнергией.
Да, да именно АЭС считается одним из самых безопасных и экологически чистых систем по выработке электроэнергии.
Французский физик Франсис Перрин вместе с горнодобывающей компанией прибывает в Центральную Африку, в место под названием Габон. Дело в том, что недалеко от Габона найдено очень богатое месторождение урановой руды, так нужное всем уважающим себя передовым странам.
В процессе исследования физик с изумлением обнаруживает, что природная урановая руда не соответствует стандарту!
И такое впечатление, что данная руда уже была топливом ядерного реактора тысячи лет назад!
Что значит не соответствует стандарту спросите Вы? Все очень просто. Для начала введем такое понятие как изотоп.
Изотоп - атом химического элемента, который отличается от того же элемента, только атомной массой (то есть, числом нейтронов, если Вы изучали ядерную физику). Грубо говоря это один и тот-же химический элемент, но с разным количеством нейтронов в ядре. Таким образом физические свойства у одного и того-же элемента отличаются.
На данный момент науке известно лишь о 26 изотопах урана, но лишь 3 из них встречаются в природе, причем в жестком соотношение друг к другу, остальные созданы искусственно.
В процентном соотношение, в чистой природной урановой роде находится:
- 99,925% изотопа урана 238
- 0,720% изотопа урана 235
- 0,004% изотопа урана 234
Однако в руде, которую обнаружил Френсис содержание 235 изотопа было примерно ниже на 0,12%
Я не буду сейчас вдаваться в мелкие физические подробности, просто примите на веру, что такого не может быть в природном уране. Подобная концентрация говорит о том, что руда участвовала в довольно продолжительном процессе ядерного распада, называемой цепной реакцией деления. Грубо говоря была топливом в ядерном реакторе. Ничего не понятно, да? Сейчас расскажу более подробно.
Кто же он такой этот ядерный реактор?
Рассмотрим тип ядерного реактора работающего как раз за счет контролируемой реакции деления 235 урана.
Ядерный реактор - устройство, предназначенное для создания и поддержания цепной реакции деления, в ходе которой, выделяется тепловая энергия.
Активная зона ядерного реактора - пространство внутри ядерного реактора, в котором происходит контролируемая цепная реакция деления.
Я не буду вдаваться в сложные системы эксплуатации и безопасности, а так же конструкционные особенности, нам этого не надо. Попытаюсь вкратце и доступно объяснить, что же это за зверь такой.
Трубки которые Вы видите на изображение сверху называются тепловыделяющими сборками (ТВС), внутри каждой из которых находятся еще маленькие трубочки называющиеся тепловыделяющий элемент (ТВЭЛ). ТВЭЛы как раз таки набиты таблетками из обогащенного 238 урана.
Обогащение урана - искусственное повышение концентрации 235 урана.
Как мы уяснили из вышесказанного в природном уране концентрация 235-ого всего 0.72%, а наши реакторы работают при концентрации 235 урана в 4-6%
Зачем это все надо? Почему нельзя запихнуть природный уран с низкой концентрацией 235 урана? А потому, что никакой поддерживающейся реакции деления мы не создадим (нет создадим конечно и есть проекты работающие на природном уране, но экономически это не целесообразно). Пролью свет на данный момент.
Что происходит в ядерном реакторе для "чайников"
На атомарном уровне вокруг нас, да и в нас самих происходит настоящая бойня. Элементы постоянно распадаются под действием влетевших в них нейтронов на другие элементы, появляются осколки деления, нейтроны деления различных энергий (скоростей), Альфа и Бетта распады, излучения и все это до бесконечности. Мы этого не чувствуем так как атомов всевозможных элементов повсюду бесконечное множество. Представьте самое большое число, что можете себе представить, а теперь умножьте его на такое же число и этого все равно будет мало, для того, что бы описать какое количество атомов повсюду.
Атом - элементарная частица химического элемента состоящая из отрицательно заряженных электронов и положительно заряженного ядра. Ядро в свою очередь состоит из такого же количества как и электронов, положительно заряженных протонов и не имеющих заряда нейтронов. Количество нейтронов может быть и намного больше, а может и вообще не быть!
Я не просто так выделил фразу "влетевших в них нейтронов". Дело в том, что основной делящей частицей является именно нейтрон. Но почему именно нейтрон?
Разнозаряженные частицы - притягиваются, а противоположно заряженные отталкиваются. Аналогично с полюсами магнита.
Каждый атом обладает двумя основными силами. Первая сила - это Кулоновский барьер который образуется из электронов и соответственно отталкивает все отрицательные заряды прилетающие в сторону атома. Ядерный барьер с положительным зарядом делаю тоже самое. А вот нейтрон не обладает зарядом и поэтому без проблем проникает куда ему вздумается.
Влетев в один элемент он может быть поглощён ядром, переведет его в возбужденное состояние и вылетит (а возможно вылетит и другой нейтрон), но уже с меньшей скоростью (энергией). Такая реакция нейтрона с ядром называется реакцией рассеяния. Грубо говоря, ядро не обладает достаточными "силами" дабы удержать его при себе и избавляется, лишь замедляя. Чтоб было легче понять, представьте себе игру в бильярд. Белому шару передается энергия (скорость) от удара кия и он влетая в другие шары приводит в движение и их (возбуждая), а сам при этом постепенно замедляется.
Очевидным будет тот факт, что хорошо рассеивать нейтроны будут ядра обладающей небольшим весом. Теперь вспоминаем периодическую таблицу, которая сформирована как раз таки по весу в порядке возрастания. На первом месте стоит Н - водород, соответствуя номеру он обладает одной атомной единицей массы. И у нас не земле есть прекрасный природный элемент содержащий в себе водород - вода. Таким образом делаем вывод:
Молекула легкой воды обладает лучшей замедляющей способностью. Именно вода используется в качестве замедлителя на самых популярных отечественных реакторах типа ВВЭР.
ВВЭР - водо-водяной энергетический реактор. Водо-водяной обозначает, что в качестве и замедлителя нейтронов, и теплоносителя отводящего тепло от активной зоны используется вода.
Молекула - мельчайшая частица химического вещества, содержащая в себе два или более атома.
Легкая вода - молекула воды, атом водорода которой содержит только 1 протон и 1 электрон.
Тяжелая вода или Дейтерий - молекула воды, атом водорода которой содержит 1 протон, 1 электрон и 1 нейтрон.
Сверхтяжелая вода или Тритий - молекула воды, атом водорода которой содержит 1 протон, 1 электрон и 2 нейтрона.
Есть еще 2 очень важные нейтронные реакции о которых нужно сказать, прежде чем объяснить, как же уже наконец работает этот триклятый реактор.
Теперь предположим, что нейтрон влетев в очередное ядро не рассеялся, а был взят им в плен. Подобное присуще "тяжелым" ядрам у которых и так своих нейтронов достаточно, и они попросту не дают ему протолкнуться и улизнуть. Сам атом же станет более тяжелый, а взамен может выпустить лишь "маленькую" волну какого-то излучения, например гамма. Таким образом получится тот же химический элемент, но уже более тяжелый - то есть изотоп. Как несложно догадаться подобное "взаимоотношение" нейтрона и ядра называется реакцией захвата. Теперь понимаете, что значит изотопы "созданные искусственно" ?
Из логической цепочки уже напрашивается третья реакция. Наш уважаемый нейтрон влетая в очередной атом был им захвачен, но совершает ужасное - раскалывает его на части. Допустим атом был тяжелый, но к его сожалению, нейтрон уж очень быстрый и сильный. Влетев в него он раскалывает его на другие химические элементы - эти элементы называют осколками деления. Но как мы помним в атоме могло быть куда больше нейтронов, чем нужно для образования новых устойчивых элементов. Таким образом могут образоваться еще и "свободные нейтроны" называемые нейтроны деления. Осколки деления вместе с нейтронами деления принято называть продуктами распада, а саму реакцию - реакцией деления.
Так-же у нас физиков, принята реакция называемая реакцией поглощения. Это не самостоятельная реакция, а лишь объединение двух реакций - реакции захвата и последующего деления.
Так вот ядерная физика постоянно исследует и познает какие элементы с чем взаимодействуют, и что же получается в итоге?
Так например мы знаем, что при определенной энергии(скорости) нейтрона он может быть поглощен 235 изотопом урана в ходе чего получится 2 новых элемента (на данный момент известно более 300 изотопов получающихся в процессе распада урана) и испустит от 1 до 8 свободных нейтрона деления. Так как реакций бесконечное множество, то среднее число нейтронов определенно до тысячных и равно 2,416, смекаете?
Не стоит забывать, что в ядерном реакторе есть множества и других элементов, которые так же взаимодействуют с нейтронами и способны их хватать не давая ничего взамен. В данной статье я не буду раскрывать моменты утечки нейтронов, резонансного захвата, размножения на быстрых нейтронах и т.д.
Один атом урана поедает 1 нейтрон и в процессе получается 2.4 новых нейтрона, которые опять и опять влетают все в новые ядра урана увеличивая количество делений в геометрической прогрессии. Этот процесс и называется цепной реакцией деления.
Выделяется тепло в процессе трения осколков деления об слой топлива.
Внимательный читатель уже понял, что для того, чтоб получить необходимую энергию нейтрона для деления 235 изотопа урана - ее нужно рассеять.
При недостаточном объеме замедлителя вокруг 235 изотопа урана, наш уважаемый нейтрон может и не успеть замедлиться, а допустим улететь в другой элемент или вовсе через какое-то время распадется на протон и электрон.
Для получения тепловой энергии от ядерного реактора необходимо равенство между средним числом прибыли и убыли нейтронов деления в данный момент времени. Если равенство соблюдено (то есть сколько нейтронов родилось, столько и было скушано) то реактор находится в критическом состоянии (не путать с критическим состоянием техники или человека, тут это хорошо!).
Не трудно догадаться, что произойдет в случае бесконечного нарастания числа делений, да?
Поэтому для поддержания этого баланса мы используем так называемый поглотитель нейтронов.
Поглотитель нейтронов - элемент, интенсивно взаимодействующий со свободными нейтронами приводя к их полному исчезновению. Грубо говоря, это элемент, который в ходе реакции захвата нейтрона и деления, не испускает свободных нейтронов деления, либо их среднее число меньше единицы. В основном используется 10 изотоп бора, не испускающий нейтроны при поглощении.
Теперь понимаете, почему реактор типа ВВЭР не будет работать на природном уране? Мы попросту не сможем создать необходимые условия замедления для создания цепной реакции деления.
Есть конечно проекты работающие на природном уране. Так например Канадский CANDU, но там в качестве замедлителя используется тяжелая вода. Дейтерий очень дорогой в изготовление, а его нужно много. Стоимость постройки такого проекта будет в разы дороже стоимости ВВЭР.
В следующей заключительной части мы вернемся к Габону и подведем итог, что же так изумило Френсиса Перрина, выясним как образовался природный ядерный реактор и приложили ли руку к этому внеземные цивилизации, а так же развенчаем наиболее популярные конспирологические теории.
