Главная страница
qrcode

Гладков К.А. Атом от А до Я (1974)_распознан. Заслуженный работник культуры рсфср кирилл Александрович гладков (1903 1973 гг.) известен советскому к зарубежному читателю как замечательный популяризатор науки и техники. Им написано более десяти книг


Скачать 78.95 Mb.
НазваниеЗаслуженный работник культуры рсфср кирилл Александрович гладков (1903 1973 гг.) известен советскому к зарубежному читателю как замечательный популяризатор науки и техники. Им написано более десяти книг
Дата10.09.2019
Размер78.95 Mb.
Формат файлаpdf
Имя файлаГладков К.А. Атом от А до Я (1974)_распознан.pdf
оригинальный pdf просмотр
ТипКнига
#64819
страница3 из 16
Каталог
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

33
АТОМНЫЙ (ЯДЕРНЫЙ) РЕАКТОР (атомный котел. Так называется установка, в которой осуществляют управляемую цепную реакцию деления ядер урана или плутония, сопровождающуюся выделением огромного количества тепловой энергии — в миллионы раз больше, чем при сжигании такого же количества самого лучшего топлива. Английское слово «pile» означает скорее поленницу или кучу, чем котел. Первый ядерный реактор и являлся по существу поленницей, ибо был сложен из нескольких сот слоев больших графитовых кирпичей, в целом образующих что-то похожее на огромный графитовый шар. Кирпичи относительно небольшой сферы внутри этого шара, так называемой активной зоны реактора, имели по два цилиндрических отверстия, в которые вставляли алюминиевые патроны с запаянными в них металлическим ураном или его окислами. Около 50 т заключенного в активной зоне урана и составили критическую массу, в которой возникала саморазвивающаяся цепная ядерная реакция деления. Графит, разделяющий патроны с ураном в активной зоне, служил замедлителем нейтронов, а наружные сплошные слои — зеркалом, отражающим в рабочую зону
вылетающие из нее нейтроны, не успевшие расщепить ядра урана и избежавшие захвата ядрами урана-238.
Чтобы не дать ходу цепной реакции, в специальные каналы, пронизывающие реактор сверху донизу, заранее опускали кадмиевые стержни, которые можно было легко вводить и извлекать из реактора. Жадно поглощающий нейтроны кадмий не позволял им лавинообразно размножаться. Выводя же эти стержни постепенно из реактора, можно было весьма надежно и точно управлять моментом наступления цепной реакции и скоростью ее нарастания, автоматически удерживая ее на любом заранее установленном уровне. Кроме этого реактор имел отдельные каналы, по которым внутрь активной зоны вводились различные вещества для облучения их потоком нейтронов, а также каналы для размещения в них измерительных приборов.
В процессе работы реактора возникали сильно проникающие и опасные излучения — нейтронное и гам­
ма-излучения. Поэтому пришлось его заключить в бетонную оболочку двух-трехметровой толщины, называемую биологической защитой С момента пуска первого ядерного реактора прошло более 30 лет. За это время во многих странах мира разработано большое число самых разнообразных видов и типов реакторов — от самых малых, величиной с футбольный мяч, мощностью доли ватта, до многоэтажных, напоминающих завод-гигант — на сотни тысяч киловатт. Однако как бы ни менялись и ни усложнялись конструкция и назначение всех этих реакторов, принципиальная схема их действия остается пока такой же, как и у самого первого реактора.
По своему назначению и конструктивным особенностям реакторы стали подразделять наследующие виды экспериментальные, предназначенные для научных исследований промышленные — для производства другого вида ядерного топлива (плутония энергетические — для атомных электрических станций всех видов и многие другие.
Некоторые из этих реакторов настолько интересны, что в соответствующих местах книги приводится их подробное описание см. Реакторы и др.).
А К ТИ В А Ц ИОННЫЙ АНАЛИЗ одна из областей ядерной техники. Применяется для нахождения и опознания тех или иных химических элементов, содержащихся в ничтожно малых количествах в исследуемых веществах, когда обнаружить их другими способами или методами практически не­
возможно.
Этот метод находит все более и более широкое применение в научных исследованиях, медицине и промышленности. В частности, он оказался незаменимым в криминалистической практике для анализа неуловимо малых следов веществ, обнаруживаемых на месте происшествия (следы краски, микроскопические количества грязи из-под ногтей, осколки стекол, ворсинки тканей, пылинки табака, пепел, волосы и т. п.).
В принципе этот метод довольно прост. Исследуемое вещество или ничтожно малые его следы вводят в активную зону ядерного реактора, где подвергают бомбардировке мощным потоком нейтронов (см. Меченые атомы В результате облучения исследуемое вещество на некоторое время становится радиоактивными испускает гамма-кванты, альфа- или бета-частицы, причем характер этого наведенного излучения энергия, длительность и интенсивность) проявляется по- разному, что позволяет с помощью специальных приборов весьма точно определить, какие именно элементы содержит исследуемое вещество, их соотношение, абсолютное количество и наличие тех или иных характерных примесей. Метод позволяет исследовать образцы веществ и предметы без их разрушения, что является необходимым условием в ряде производств. Главное достоинство метода — его особая, ни с чем несравнимая чувствительность, быстрота и точность. Он позволяет, например, обнаружить присутствие в исследуемых образцах
1/1000 микрограмма того пли иного элемента, а в отдельных случаях даже 1/10 000 000 36
микрограмма. Для многих областей применения активационный метод дает достаточно точные результаты и при облучении исследуемых веществ гамма-квантами или любыми частицами, получаемыми с помощью ускорителей частиц.
АКТИВНАЯ ЗОНА ЯДЕРНОГО РЕАКТОРА — тачасть ядерного реактора, в которой находится ядерное топливо и где, собственно, осуществляется управляемая цепная реакция деления атомных ядер урана или плутония.
АКТИВНОСТЬ — одна из основных характеристик радиоактивных веществ. Определяется числом испускаемых частиц или пропорциональной ему величиной — числом распадающихся ядер атомов — в секунду. Единица активности — кюри, которая соответствует Ю распадам ядер атомов радия в секунду.
АЛЬФА-ЧАСТИЦА (сс-ЧАСТИЦА) — АЛЬФА-ЛУЧИ(а). Не зная еще, что представляют собой три вида только что открытых (в 1896 г) лучей, испускаемых радиоактивными веществами, ученые дали им названия по первым буквам греческого алфавита альфа, бета- и гамма-лучи. Несколько позже было установлено, что бета-лучи являются нечем иным, как потоком отрицательно заряженных частиц — электронов гамма-лучи — электромагнитным излучением с еще более короткой длиной волны, чем открытые за год до этого знаменитые рентгеновские лучи альфа-лучи — ядрами атомов гелия (Не, состоящими из двух протонов и двух нейтронов. Положительный электрический заряд такого ядра по абсолютной величине превышает в два раза отрицательный заряд электрона, а атомная масса равна 4,004.
37
Масса альфа-частицы составляет 6,664 •10


24
г.
АНГСТРЕМ А) — вспомогательная единица для измерения очень коротких длин волн электромагни 1ных колебаний инфракрасных, световых, ультрафиолетовых, рентгеновского и гамма-излучений. А равен одной стомиллионной доле сантиметра (10
- 8
см. Широко применяется в оптике, а также в атомной и ядерной физике. Например, длина видимого спектра световых волн лежит в пределах от 4000 до 8000 А
АННИГИЛЯЦИЯ (впер. с лат. уничтожение. Удивительный сам по себе мир атомных (элементарных) частиц обладает еще более удивительным свойством каждая из этих частиц имеет свою античастицу, те. частицу такой же массы, нос совершенно противоположными свойствами зарядом, направлением вращения и т. п. И что самое поразительное, любая частица или античастица, столкнувшись со своей парой, немедленно аннигилирует — прекращает свое существование, превращаясь в другие элементарные частицы или кванты излучения. При этом обязательно соблюдаются все законы физики, в том числе закон сохранения частиц. Так, при встрече свободного электрона со своей античастицей — позитроном — в результате аннигиляции образуются обычно два фотона (гамма-кванта), обладающие энергией и импульсом столкнувшейся пары (см. рисунок).
При некоторых условиях гамма-квант может превращаться обратно в пару электрон — позитрон.
АНТИЧАСТИЦЫ. Из довольно большого количества открытых к настоящему времени элементарных частиц тридцать могут быть разбиты на 15 пар. Массы частиц каждой такой пары, например протон — антипротон, электрон — позитрон, нейтрон — антинейтрон и пр, совершенно одинаковы, а электрические заряды (за исключением нейтральных частиц) и другие физические свойства противоположны.
Античастиц нет лишь у фотона и нейтрального мю-мезо­
на (р-мезона), которые принимаются тождественными своим- античастицам.
Первой ставшей известной человеку античастицей оказался позитроне, открытый в 1932 г, хотя его существование было предсказано задолго до этого события. Позитрон, или положительный электрон, имеет туже массу, что и электронно противоположный электрический заряд. Столкнувшись друг с другом, позитрон и электрон тотчас же взаимно уничтожаются, превращаясь в два фотона с энергией по
0,51 млн. эв ( Мэе) каждый, что в сумме равно энергии, эквивалентной удвоенной массе покоя электрона. Позитрон появляется в результате процесса, носящего название рождение пар. Этот процесс заключается в том, что фотон высокой энергии, соударяясь с ядрами атомов тяжелых элементов, например свинца, выбивает из них пару противоположно заряженных частиц — электрон и позитрон. Минимальная энергия фотона, необходимая для создания такой пары, также равна 1,02 Мэв — по 0,51 Мэв на каждую частицу. Электрон и позитрон могут возникать и при бета- распаде. Но при этом наряду с позитроном всегда рождается еще одна частица — нейтрино Открытая в 1955 г. частица, противоположная протону, называется антипротоном, или отрицательным про- топом. Его можно получить, бомбардируя вещество протонами с кинетической энершей не менее 6 млрд, эв (Гэв).
Год спустя, в 1956 г, был открыта н тине й трон. Поскольку нейтрон — это частица, лишенная заряда, то антинейтрон также нейтрален. Однако антипейтрон аннигилирует при встрече и с нейтроном, и с протоном.
Продуктами аннигиляции античастиц нуклонов, те. протона и антипротона, нейтрона и антинейтрона, обычно являются пи-мезоны (я-мезопы).
АНТИВЕЩ ЕСТВО. После того как были открыты античастицы и экспериментально подтверждено их существование, естественно, возник вопрос почему бы в окружающей а
нас природе не существовать и атомам, ядра которых сложены не из протонов, а из антипротонов, а оболочки — не из электронов, а из позитронов В этом случае принципиально ничего бы не изменилось. Просто подобные обращенные атомы, например атомы водорода, назывались бы антиводо­
родом, а построенное из них вещество — антивеществом. Основываясь на повсеместно существующем в природе свойстве симметрии, можно предположить, что по крайней мере половина всех атомов Вселенной должна представлять собой такое антивещество Однако если бы на Земле или даже в нашей Галактике имелось антивещество, то оно не смогло бы долго просуществовать и довольно скоро проаннигили- ровало бы с обычным веществом с выделением энергии, враз большей, чем при взрыве водородной бомбы.
Используя опыт получения (с помощью сверхмощных ускорителей) античастиц почти ко всем известным элементарным частицам, ученые предприняли попытки создания из них реальных ядер атомов антивещества. В 1965 г. группе физиков Колумбийского университета (США) впервые удалось получить антидейтроны — связанные состояния антипротона и антинейтрона, соответствующие ядру атома тяжелого водорода. В этом опыте поток протонов энергией
30 млрд,
эв
бомбардировал мишень из бериллия. Из образующихся в результате ядерных реакций частиц отбирали лишь отрицательно заряженные, которые затем разделяли по массе. Среди них оказались и частицы с массой, равной массе дейтрона.
В сентябре 1971 г. советскими учеными на Серпуховском синхрофазотроне были получены ядра изотопа следующего по таблице Периодической системы элемента — антигелия, состоящего из двух антипротонов и одного антинейтрона. Тем самым в принципе стало возможным создавать в земных условиях антиподы атомов всех элементов таблицы Д. И. Менделеева. Но пока только в принципе — чем больше анти­
нуклонов нужно объединить в ядре, тем меньше вероятность создания соответствующего антиэлемента приданной энергии ускорителя частиц. В опытах, поставленных в Серпухове, удавалось получать лишь одно ядро антигелия в неделю. Для получения же антигелия требуется еще более мощная установка. Следует учесть и то, что антиэлемент может существовать ничтожно малое время, да и то лишь в самом высоком, буквально космическом, вакууме. Столкнувшись с ядром обычного элемента, антиядро аннигилирует, превращаясь в кванты гамма-излучения. Поэтому получить антияд­
ро еще недостаточно — нужно, пока оно не исчезло, успеть еще его и зарегистрировать. Существует ли антивещество в каких-либо других областях обозреваемой Вселенной, неизвестно, хотя теоретически и возможно.
АТОМНОЕ (ЯДЕРНОЕ) ОРУЖИЕ. Так называется оружие, действие которого основано на использовании энергии взрыва, высвобождающейся при реакциях деления ядер тяжелых элементов (уран, плутоний) или слиянии легких элементов (водород) в более тяжелые (гелий, и боевые радиоактивные вещества.
АТОМНАЯ БОМБА — один из видов оружия взрывного действия с зарядом огромной разрушительной силы, в котором используют саморазвивающуюся цепную ядерную реакцию деления урана или плутония-239.
Основные элементы такой бомбы — заряд ядерного горючего, взрывное устройство и оболочка. Заряд делящегося вещества с общей массой больше критической (см. Критическая масса до взрыва разделен на две половины или пане сколько частей, каждая из которых меньше критической массы. Взрывное устройство сконструировано таким образом, чтобы как можно быстрее соединить половинки или все части разделенного общего заряда вместе, например выстрелить их навстречу друг другу. В массе делящегося вещества, ставшей с этого момента выше критической, мгновенно возникает разветвленная цепная реакция деления, оканчивающаяся примерно через миллионные доли секунды взры­
вом.
Взрыв атомной бомбы сопровождается одновременно действием мощной взрывной волны, светового излучения и проникающей радиации с последующим радиоактивным заражением окружающей местности, воздуха, воды.
Мощность атомной бомбы принято оценивать тротиловым эквивалентом, те. количеством обычного взрывчатого вещества (тротила, которое потребовалось бы взорвать, чтобы сравнить его взрыв по энергии со взрывом данной атомной бомбы (см. рисунок).
АТОМНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ БАТАРЕЯ — устройство, превращающее атомную энергию непосредственно в электрический ток, минуя множество посредников паровые котлы, паропроводы, теплообменники, турбины, роторные генераторы тока.
Наиболее проста батарея, составленная из двух пластинок чистого бета-излучателя (стронцпя-90) и какого-либо полупроводника, например кремния. Быстрые электроны, испускаемые стронцием, проходя через вещество полупроводника, выбивают из него большое количество вторичных электронов — в десятки и сотни тысяч раз больше, чем испускает сам радиоактивный изотоп. Усиленный таким образом поток электронов протекает только в каком-либо одном направлении. Они является постоянным электрическим током.
Один элемент такого устройства объемом в доли кубического сантиметра позволяет получить электрический ток силой в несколько миллионных долей ампера при напряжении в десятые доли вольта. Соединив параллельно (для увеличения силы тока) несколько тысяч таких элементов, можно получить силу тока уже в сотни миллиампера соединив такие наборы элементов еще и последовательно друг с другом (для увеличения напряжения, можно получить батарею напряжением в несколько вольт, вполне достаточным для питания переносной радиоаппаратуры, телефонов и т. п.
Так как период полураспада стронция равен 28 годам, такая атомная батарея может действовать без смены в течение 10—15 лет Высоковольтные (до 150 тыс. в атомные батареи, правда, дающие ток ничтожно малой силы (10
-1 0

10
-12
а конструируют по другому принципу. В них источник быстрых электронов помещают на изоляторе в центре металлической сферы или цилиндра. При радиоактивном распаде из источника излучений вылетают бета-части­
цы (электроны, вследствие чего он заряжается положительно, а собиратель электронов (оболочка) — отрицательно. Естественно, между ними возникает разность потенциалов, создающая при замыкании электродов на нагрузку электрический ток.
Срок ее действия, как и предыдущей конструкции, определяется периодом полураспада используемого радиоактивного вещества.
Атомные батареи могут быть устроены и по-другому, например в виде конструкции, в которой энергия радиоактивного излучения нагревает до высокой температуры спаи батареи полупроводниковых термоэлементов, вырабатывающих постоянный электрический ток, или в виде сложной конструкции, где перед источником электронов устанавливают люминофор — вещество, в котором под действием электронной бомбардировки возникают яркие световые вспышки. Свет от этого вещества фокусируют на фотоэлемент, преобразующий световую энергию в электрическую и т. п.
АТОМНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ—силовая установка, работающая на атомной (ядерной) энергии деления тяжелых ядер урана или плутония, осуществляемого в ядерных реакторах различного типа и назначения.
Тепловую энергию, выделяющуюся в процессе работы реактора, отводят из его активной зоны к теплообменнику с помощью теплоносителя водяным паром, перегретой водой под давлением, газом, легкоплавким жидким металлом и т. п.
В теплообменнике происходит передача тепловой энергии от теплоносителя к рабочему телу, те. превращение ее в кинетическую энергию струи пара (газа. Пар может быть направлен в паровую турбину, преобразующую тепловую энергию рабочего тела в механическую, а при необходимости — ив электрическую, или может быть выброшен через сопло наружу, как в обычном реактивном двигателе, что создает реактивную тягу.
Стационарные атомные силовые установки обычно мало чем отличаются от атомных электрических станций. В них используют энергетические атомные реакторы на медленных тепловых) или быстрых нейтронах.
Главное преимущество атомного двигателя — ничтожный расход атомного горючего, что делает его очень перспективным для различных видов транспорта морских и речных судов, подводных лодок. Атомный ледокол, снабженный атомным двигателем, может продвигаться через сплошное ледяное поле толщиной до трех метров Такой ледокол может находиться в плавании до полутора лет без захода в порты для пополнения горючего, что особенно важно при плавании в арктических условиях, когда доставка обычного топлива нефти и угля) сопряжена с громадными трудностями, дорога и требует наличия портов и специального флота для перевозки огромного количества быстро расходуемого топлива, в том числе и топлива, сжигаемого этими же судами. В настоящее время успешно идут работы по сооружению нового атомного ледокола «Арктика».
Главный недостаток атомных двигателей, затрудняющий их применение на железнодорожном транспорте, самолетах, автомобилях и на судах малого тоннажа, — громоздкость и чрезмерно большой вес системы биологической защиты, которой должны окружаться как сам ядерный реактор, таки все элементы установки, испускающие опасные для людей нейтронное и гамма-излучения.
АТОМНАЯ ЭЛЕКТРИЧЕСКАЯ СТАНЦИЯ(АЭС) — электрическая станция, работающая за счет энергии, выделяющейся при делении ядер атомов урана или плутония. Впервые такая станция электрической мощностью 5000
кет.
была введена в эксплуатацию в СССР 27 июня 1954 г.
Поскольку при делении атомного ядерного) горючего получается главным образом тепло, на данном этапе развития атомной энергетики такая электрическая станция представляет собой обычную тепловую станцию, в которой паровой котел заменен атомным (ядерным) реактором. Любой теплоноситель, служащий для отвода тепла и охлаждения реактора, проходя через него, становится сильно радиоактивными в таком виде представляет огромную опасность для людей. Поэтому реактор и все трубопроводы (первый контур, по которым циркулирует теплоноситель, отделяют от остальной (второй контур) части электрической станции теплообменником (парогенератором. Теплоноситель замкнутого и тщательно изолированного первого контура передает тепло теплоносителю (рабочему телу) второго контура, непосредственно не соприкасаясь с ним. Помимо этого реактор и все остальное оборудование, входящее в первый контур установки, окружают биологической защитой — бетонной или водяной оболочкой толщиной в несколько метров, способной надежно задерживать все виды излучений.
Все процессы управления работой реактора даже в безопасной его части автоматизированы и осуществляются дистанционно (на расстоянии).
В настоящее время разработан ряд схем таких станций применительно к различным нуждам энергетического оснащения страны.
АТОМНОЕ (ЯДЕРНОЕ) ТОПЛИВО. Атомное (ядерное) горючее — природные или искусственные элементы, ядра атомов которых в результате бомбардировки нейтронами способны делиться, высвобождая при этом несколько большее количество нейтронов (два-три), чем было затрачено на их деление. В результате в этих веществах может быть возбуждена разветвляющаяся, лавинообразно нарастающая цепная ядерная реакция деления. К этим веществам принадлежат уран, плутоний, уран, уран. Если удастся осуществить управляемую термоядерную реакцию (слияния ядер атомов легких элементов в более тяжелые, к атомному топливу (горючему, видимо, будут отнесены все изотопы водорода (протий, дейтерий и тритий, а также литий.
АТОМНЫЙ ВЕС (МАССА) (атомная единица массы — а. ем или массовая единица. Масса атома настолько мала, что было бы чрезвычайно неудобно каждый раз обозначать ее, допустим, в граммах. Получились бы числа с десятками нулей. Поэтому ее обычно выражают не в граммах, а в относительных единицах, в которых масса атома углерода принимается равной 12. Отношение массы любого атома к 1/12 массы основного изотопа углерода(рС) и называется атомной массой. В этом случае атомная масса самого легкого химического элемента — водорода — должна быть равна точно 1. Однако вследствие наличия у атомов водорода нескольких изотопов, его атомная масса оказывается фактически равной Дог. за атомную единицу массы принимался вес
1/16 части кислорода (О, равный 1,674-Ю
-24
г.
АТОМНЫЙ РЕАКТИВНЫЙ ДВИГАТЕЛЬ.Одним из высокоэффективных способов непосредственного превращения энергии тепла в энергию движения является ракетный реактивный) двигатель, так как в нем полностью отсутствуют какие-либо промежуточные устройства вроде поршней, шатунов и систем передач, соединенных с воздушным винтом Д или ведущими колесами (в наземных локомотивах. Сжигаемое в камере сгорания такого двигателя высококалорийное химическое топливо превращается в раскаленный до предельно высокой температуры газ. Вытекающий с огромной скоростью через сопло газ создает реактивную струю, движущую ракету в направлении, противоположном движению струи.
Скорость движения ракеты при всех прочих равных условиях тем выше, чем быстрее вытекает из сопла двигателя струя раскаленного газа. Мощность такого двигателя, а следовательно, веси грузоподъемность ракеты, в свою очередь, тем выше, чем больше масса одновременно нагреваемого и вытекающего из сопла двигателя газа. Скорость же истечения струи газа зависит от температуры и давления, которые может развить сжигаемое в рабочей камере топливо.
Наконец, длительность действия двигателя приданной мощности зависит от запаса топлива, который способна нести на себе ракета без его пополнения в пути.
Короче говоря, увеличить скорость движения и мощность ракеты можно, по существу, несколькими путями поднимая температуру нагретого газа, повышая скорость его истечения из сопла, увеличивая массу нагретого вещества или осуществляя все это по возможности одновременно. В принципе этого можно достичь только в атомном двигателе. В нем для нагрева или ускорения вещества, создающего силу тяги, используют атомную энергию, получаемую в атомном реак­
торе.
Вряд ли есть необходимость доказывать, что атомное горючее, теплотворная способность которого в миллионы раз превышает теплотворную способность самого лучшего химического топлива, открывает наиболее широкие перспективы именно в области космических полетов. Использовать для этой цели атомную энергию можно, по крайней мере, двумя способами либо непосредственно нагревая и пропуская через реактор рабочее тело, например мощную струю водорода, запас которого в сжатом или ожиженном виде придется брать в ракету, либо преобразуя вырабатываемое реактором тепло сначала в электрическую энергию, которую, в свою очередь, используют для ионизации газа и ускорения ионизированных тяжелых частиц (см. Ионная ра­

кета).
АЭС — сокращенное обозначение атомной электрической станции.
Б
1   2   3   4   5   6   7   8   9   ...   16

перейти в каталог файлов


связь с админом