Продолжение статьи: О технических причинах Чернобыльской аварии. Лучшая статья из всех нами виденных.

Это Продолжение статьи: О технических причинах Чернобыльской аварии. Лучшая статья из всех нами виденных. на EnergyFuture.ru начало стать тут, а окончание здесь

Ядерный клей

Ядерные реакторы и бомбы зачастую называют атомными. Но внешняя часть атома — электронная оболочка — удерживается около внутренней — ядра — сравнительно слабо. Поэтому реакции с её участием — например, горение угля — не слишком энергичны. Действительно заметные энергии связаны с преобразованиями внутри ядра.

Состоит ядро прежде всего из протонов, чей положительный электрический заряд и притягивает отрицательные электроны. Но друг от друга протоны, естественно, отталкиваются, ибо все заряжены одинаково. Поэтому в ядре они разбавлены нейтральными частицами — нейтронами. Время от времени нейтрон выбрасывает отрицательную частицу — пи-минус-мезон — и превращается в протон. А какой-нибудь соседний протон, поглотив эту частицу, становится нейтроном. Летают внутри ядра и положительные — пи-плюс — и нейтральные — пи-ноль — мезоны, стягивая другие комбинации массивных частиц — барионов. Так коктейль из протонов с нейтронами оказывается устойчивее тех и других по отдельности. Ведь одиночный нейтрон тоже нестабилен: за немногим более 900 секунд половина из них распадётся на пи-минус мезоны и протоны. А пи-минус-мезон в свою очередь распадётся на несколько нейтральных частиц и электрон. В целом эта цепочка событий зовётся бета-распад.

Мезоны и барионы в свою очередь сооружены из частиц помельче — кварков, для связи обменивающихся глюонами. Но эта тонкая внутренняя структура проявляется при энергиях, часто встречавшихся лишь в первые несколько минут существования нашей Вселенной. Температуры же, соответствующие характерным энергиям обмена мезонами, обычны для внутренностей нынешних звёзд. Для сравнения: энергия преобразований электронных оболочек соответствует температуре привычного пламени.

Статистика — дело надёжное

Итак, примерно за 900 секунд распадается половина свободных нейтронов. Но за следующие 900 секунд распадутся не все оставшиеся нейтроны, а опять же половина из них. Процессы, связанные с элементарными частицами, случайны, и судьба каждой частицы не зависит от судеб других — конечно, пока они не соприкасаются. Поэтому обычная оценка продолжительности любого такого процесса — период полураспада: время, за которое процесс затронет половину частиц.

Казалось бы, на столь ненадёжном фундаменте, как случай, твёрдые инженерные расчёты не построишь. Но в случайном процессе относительное отклонение от средних значений обратно пропорционально числу участников процесса. А даже крошечные песчинки состоят из бесчисленных миллиардов атомов. Поэтому случайными отклонениями можно пренебрегать практически всегда — чтобы сделать их значимыми, нужны особо хитрые конструкции, вроде квантовых генераторов. Весь наш мир, построенный по статистическим законам квантовой механики, выглядит вполне стабильным и предсказуемым.

Дистанции огромного размера

Электромагнитное взаимодействие переносят фотоны. Они невесомы — значит, связанная с ними энергия может быть сколь угодно мала. Пи-мезоны довольно массивны (около 7-ой части массы протона), так что переносят гарантированно большую энергию. Поэтому обеспеченное ими взаимодействие называют сильным. Хотя на фоне обмена сверхтяжёлыми по ядерным меркам глюонами оно не так уж внушительно, но в привычном нам мире не слишком высоких энергий сильнее межбарионного взаимодействия и впрямь ничего не найти.

Но по законам квантовой механики большей энергии соответствует меньшее время, в течение которого эта энергия может проявляться произвольным образом, без явных взаимодействий. Это ограничивает дальность полёта временно порождаемых — виртуальных — частиц: ведь их скорость заведомо не превышает световой. Поэтому электромагнитное взаимодействие распространяется сколь угодно далеко (хотя, конечно, ослабевает по квадрату расстояния — далеко летят лишь низкоэнергичные фотоны) — а сильное ограничено дистанциями, сопоставимыми с размером ядра. И это, в свою очередь, ограничивает сам размер ядра.

Чем больше в ядре протонов, тем мощнее общее их отталкивание, тем больше должна быть концентрация нейтронов. Два протона может связать даже единственный нейтрон: гелий-3 вполне устойчив — хотя вследствие других, достаточно сложных, законов мира элементарных частиц несравненно более распространён гелий-4 с двумя нейтронами. Замечу к слову, что химические свойства полностью определены числом электронов и равным ему числом протонов, так что атомы, отличающиеся только числом нейтронов, занимают в таблице Менделеева одну клетку и поэтому зовутся изотопами — единоместными. А 92 протона уранового ядра приходится удерживать почти полутора сотням нейтронов: в природе наиболее распространён уран-238.

В таком громадном ядре противоположные частицы уже не скреплены сильным взаимодействием: пи-мезоны просто не успевают пролететь от края до края. А электрическое отталкивание, не скованное расстоянием, продолжается. Поэтому уран неустойчив. За четыре с половиной миллиарда лет распадается половина ядер урана-238, и на Земле он встречается в заметных количествах лишь благодаря тому, что ей от роду всего 5–6 миллиардов лет. Более тяжёлые элементы успели распасться полностью. Поэтому привычная таблица Менделеева кончается ураном.

Ядра сложнее урана делают искусственно. Например, плутоний-239 образуется после попадания в уран-238 дополнительного нейтрона. 92 протонов уже не хватает для поглощения всех выделяемых столькими нейтронами пи-минус-мезонов, и те уходят за пределы ядра. Бета-распад рождает сперва нептуний-239 с 93 протонами, а затем и плутоний-239 с 94. Правда, примерно за 24.4 тысячи лет половина этих ядер распадается. А более тяжёлые элементы, образуемые попаданиями дополнительных нейтронов, выдерживают и того меньше. Например, ядерная бомба на основе калифорния-252 может весить считанные граммы — но пролежит на складе недолго: период его полураспада всего 2.2 г.. А ведь наработка нужного количества калифорния даже в очень мощном реакторе тоже занимает годы! Поэтому — после множества довольно удачных экспериментов — от крупнокалиберных пуль с ядерным зарядом отказались.

Уран рубят — осколки летят

Нестабильные ядра выбрасывают лишние частицы разнообразными способами. Но самый важный для ядерной энергетики — распад ядра на примерно равные половинки. Примерно — потому что этот процесс, как и всё в микромире, развивается случайным образом. Например, ядро урана вроде бы должно раскалываться на два 46-протонных палладиевых. Увы, на самом деле столь ценный металл образуется так редко, что его выделение из радиоактивной каши куда дороже, чем сам продукт. Среди урановых осколков встречается в заметных дозах всё от цинка (30 протонов) до неодима (62). Хотя, конечно, чем ближе к 46, тем вероятность выше — но не настолько, чтобы это радикально влияло на состав отходов.

Разлетаются пополам не только урановые ядра. Начиная с тория-232 этот путь распада встречается довольно часто. Но уран — самый доступный из делящихся таким способом материалов.

Окончание статьи на EnergyFuture.RU здесь

Еще записи на эту же тему:



Оставить комментарий (Зарегистрируйтесь и пишите коментарии без CAPTCHи !)

 
© 2008-2017 EnergyFuture.RU Профессионально об энергетике. All rights reserved. Перепечатка материалов разрешается при условии установки активной гиперссылки на EnergyFuture.RU.