21.4: Трансмутація та ядерна енергія

↑

Цілі навчання

• Охарактеризуйте синтез трансуранових нуклідів
• Поясніть процеси ядерного поділу та синтезу
• Пов'язати поняття критичної маси і ядерно-ланцюгових реакцій
• Узагальнити основні вимоги до реакторів ядерного поділу та термоядерного синтезу

Після відкриття радіоактивності область ядерної хімії була створена і стрімко розвивалася протягом початку ХХ століття. Безліч нових відкриттів у 1930-х і 1940-х роках, поряд з Другою світовою війною, об'єднані, щоб вступити в ядерну епоху в середині двадцятого століття. Наука навчилася створювати нові речовини, і виявлено, що певні ізотопи певних елементів мають здатність виробляти безпрецедентну кількість енергії, з потенціалом завдати величезної шкоди під час війни, а також виробляти величезну кількість енергії для потреб суспільства під час миру.

Синтез нуклідів

Ядерна трансмутація - це перетворення одного нукліду в інший. Він може відбуватися радіоактивним розпадом ядра, або реакцією ядра з іншою частинкою. Перше рукотворне ядро було вироблено в лабораторії Ернеста Резерфорда в 1919 році шляхом реакції трансмутації, бомбардування одного типу ядер іншими ядрами або нейтронами. Резерфорд бомбардував атоми азоту високошвидкісними частинками α з природного радіоактивного ізотопу радію і спостерігав протони, отримані в результаті реакції:

\[\ce{^{14}_7N + ^4_2He ⟶ ^{17}_8O + ^1_1H} \nonumber \]

\(\ce{^1_1H}\)Ядра\(\ce{^{17}_8O}\) і, які виробляються, стабільні, тому подальших (ядерних) змін не відбувається.

Для досягнення кінетичних енергій, необхідних для вироблення реакцій трансмутації, використовуються пристрої, звані прискорювачами частинок. Ці пристрої використовують магнітне і електричне поля для збільшення швидкостей ядерних частинок. У всіх прискорювачах частинки переміщаються у вакуумі, щоб уникнути зіткнень з молекулами газу. Коли нейтрони потрібні для реакцій трансмутації, їх зазвичай отримують в результаті реакцій радіоактивного розпаду або з різних ядерних реакцій, що відбуваються в ядерних реакторах. Функція хімії в повсякденному житті, яка слідує, обговорює відомий прискорювач частинок, який зробив новини у всьому світі.

Прискорювач частинок CERN

Розташована поблизу Женеви, лабораторія CERN («Conseil Européen pour la Recherche Nucléaire» або Європейська рада з ядерних досліджень) є головним у світі центром досліджень фундаментальних частинок, що входять до складу речовини. Він містить 27-кілометровий (17 миль) довгий круглий Великий адронний коллайдер (ВАК), найбільший прискорювач частинок у світі (рис.\(\PageIndex{1}\)). У LHC частинки підвищуються до високих енергій, а потім змушені стикатися один з одним або з нерухомими цілями майже зі швидкістю світла. Надпровідні електромагніти використовуються для отримання сильного магнітного поля, яке направляє частинки навколо кільця. Спеціалізовані, спеціально побудовані детектори спостерігають і фіксують результати цих зіткнень, які потім аналізуються вченими ЦЕРН за допомогою потужних комп'ютерів.

Малюнок\(\PageIndex{1}\): Невелика ділянка ВАК показана з працівниками, які подорожують по ньому. (кредит: Крістоф Делаер)

У 2012 році CERN оголосив, що експерименти на ВАК показали перші спостереження бозона Хіггса, елементарної частинки, яка допомагає пояснити походження маси в фундаментальних частинках. Це довгоочікуване відкриття зробило новини у всьому світі і призвело до присудження Нобелівської премії з фізики 2103 року Франсуа Енглерту та Пітеру Хіггсу, які передбачили існування цієї частинки майже 50 років тому.

До 1940 року найважчим відомим елементом був уран, атомний номер якого дорівнює 92. Зараз синтезовано і виділено багато штучних елементів, в тому числі кілька в такому великому масштабі, що вони зробили глибокий вплив на суспільство. Один з них - елемент 93, нептуній (Np) - вперше був зроблений у 1940 році Макмілланом та Абельсоном шляхом бомбардування урану-238 нейтронами. Реакція створює нестійкий уран-239, з періодом напіврозпаду 23,5 хв, який потім розпадається на нептуній-239. Нептуній-239 також радіоактивний, з періодом напіврозпаду 2,36 дня, і він розпадається на плутоній-239. Ядерними реакціями є:

\ [\ почати {вирівнювати*}
\ ce {^ {238} _ {92} U + ^1_0n &⟶ ^ {239} _ {92} U} &\\ [4pt]
&\ ce {^ {239} _ {239} U &⟶ {239} _ {93} Нп + ^0_ {−1} е\,\,\ матіт {t} 0.5} &\ textrm {період напіврозпаду} =\ математика {23.5\: хв}\\ [4pt]
&\ ce {^ {239} _ {93} Нп &⟶ ^ {239} _ {94} Пу + ^0_ {−1 } e\,\,\,\ mathit {t} _ {1/2}} &\ textrm {період напіврозпаду} =\ mathrm {2.36\: дні}
\ end {align*}\ nonumber\]

Плутоній в даний час в основному утворюється в ядерних реакторах як побічний продукт під час розпаду урану. Деякі нейтрони, які виділяються під час розпаду U-235, поєднуються з ядрами U-238, утворюючи урану-239; це зазнає β розпаду з утворенням нептунію-239, який, в свою чергу, зазнає β розпаду з утворенням плутонію-239, як показано в попередніх трьох рівняннях. Можна узагальнити такі рівняння як:

\[\mathrm{\ce{^{238}_{92}U} + {^1_0n}⟶ \ce{^{239}_{92}U} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{93}Np} \xrightarrow{β^-} \ce{^{239}_{94}Pu}} \nonumber \]

Більш важкі ізотопи плутонію - PU-240, Pu-241 та PU-242 - також утворюються, коли легші ядра плутонію захоплюють нейтрони. Частина цього високорадіоактивного плутонію використовується для виробництва військової зброї, а решта представляє серйозну проблему зберігання, оскільки вони мають період напіврозпаду від тисяч до сотень тисяч тисяч років.

Хоча вони не були підготовлені в тій же кількості, що і плутоній, було вироблено багато інших синтетичних ядер. Ядерна медицина розвинулася зі здатності перетворювати атоми одного типу в інші типи атомів. Радіоактивні ізотопи з декількох десятків елементів в даний час використовуються для медичних застосувань. Випромінювання, вироблене їх розпадом, використовується для зображення або лікування різних органів або частин тіла, серед інших застосувань.

Елементи поза елементом 92 (уран) називаються трансурановими елементами. На момент написання статті 22 трансуранових елементів були виготовлені та офіційно визнані IUPAC; кілька інших елементів мають претензії щодо формування, які очікують затвердження. Деякі з цих елементів наведені в табл\(\PageIndex{1}\).

Таблиця\(\PageIndex{1}\): Підготовка деяких трансуранових елементів

Ім'я	Символ	Атомний номер	Реакція
америцій	Ам	95	\(\ce{^{239}_{94}Pu + ^1_0n ⟶ ^{240}_{95}Am + ^0_{−1}e}\)
курій	См	96	\(\ce{^{239}_{94}Pu + ^4_2He ⟶ ^{242}_{96}Cm + ^1_0n}\)
каліфорнію	Cf	98	\(\ce{^{242}_{96}Cm + ^4_2He⟶ ^{245}_{98}Cf + ^1_0n}\)
ейнштейній	Es	99	\(\ce{^{238}_{92}U + 15^1_0n⟶ ^{253}_{99}Es + 7^0_{−1}e}\)
менделевій	Мд	101	\(\ce{^{253}_{99}Es + ^4_2He ⟶ ^{256}_{101}Md + ^1_0n}\)
нобеліум	Ні	102	\(\ce{^{246}_{96}Cm + ^{12}_6C ⟶ ^{254}_{102}No + 4 ^1_0n}\)
Резерфордіум	Rf	104	\(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{12}_6C⟶ ^{257}_{104}Rf + 4 ^1_0n}\)
морський боргіум	Sg	106	\(\ce{^{206}_{82}Pb + ^{54}_{24}Cr ⟶ ^{257}_{106}Sg + 3 ^1_0n}\) \(\ce{^{249}_{98}Cf + ^{18}_8O ⟶ ^{263}_{106}Sg + 4 ^1_0n}\)
метнерій	гора	107	\(\ce{^{209}_{83}Bi + ^{58}_{26}Fe ⟶ ^{266}_{109}Mt + ^1_0n}\)

Ядерний поділ

Багато важчі елементи з меншими енергіями зв'язування на нуклеон можуть розкладатися на більш стабільні елементи, які мають проміжні масові числа і більші енергії зв'язування на нуклеон - тобто масові числа і енергії зв'язування на нуклеон, які ближче до «піку» графіка енергії зв'язку близько 56. Іноді виробляються і нейтрони. Таке розкладання називається поділом, розбиванням великого ядра на більш дрібні шматочки. Розбиття відбувається досить випадково з утворенням великої кількості різних продуктів. Розщеплення зазвичай не відбувається природним шляхом, а індукується бомбардуванням нейтронами. Перше повідомлення про ядерне поділ сталося в 1939 році, коли троє німецьких вчених, Ліза Мейтнер, Отто Хан та Фріц Штрассман, бомбардували атоми урану-235 повільними нейтронами, які розбили ядра U-238 на більш дрібні фрагменти, що складалися з декількох нейтронів та елементів поблизу середини періодичного таблиця. З тих пір поділ спостерігається в багатьох інших ізотопах, включаючи більшість ізотопів актинідів, які мають непарну кількість нейтронів. Типова реакція ділення ядер показана на малюнку\(\PageIndex{2}\).

Малюнок\(\PageIndex{2}\): Коли повільний нейтрон потрапляє на ділиться ядро U-235, він поглинається і утворює нестійке ядро U-236. Ядро U-236 потім швидко розпадається на два менших ядра (в даному випадку Ba-141 і Kr-92) разом з декількома нейтронами (зазвичай два-три) і виділяє дуже велику кількість енергії.

Показано діаграму, яка має білу сферу з позначкою «верхній індекс, 1, індекс 0, n», а потім стрілка праворуч та велика сфера, що складається з багатьох менших білих і зелених сфер з позначкою «верхній індекс, 235, індекс 92, U». Єдина сфера вплинула на більшу сферу. Стрілка, спрямована вправо, веде від більшої сфери до вертикальної колекції у формі гантелі тих же білих і зелених сфер з позначкою «верхній індекс, 236, індекс 92, U, нестабільне ядро». Дві стрілки, спрямовані вправо, ведуть зверху і знизу цієї структури до двох нових сфер, які також складаються із зеленої та білої сфер і трохи менші за інші. Верхня сфера позначена як «верхній індекс, 92, індекс 36, K r», а нижня - «верхній індекс, 141, нижній індекс 56, B a». Візерунок зіркового вибуху з міткою «Енергія» лежить між цими двома сферами і має три стрілки, спрямовані вправо, що ведуть від нього до трьох білих сфер з позначкою «3, верхній індекс, 1, індекс 0, n». Збалансоване ядерне рівняння написано під діаграмою і говорить «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 141, нижній індекс 56, B a, знак плюс, верхній індекс, 92, індекс 36, K r, знак плюс, 3, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.»

Серед продуктів реакції поділу Мейтнера, Хана та Штрассмана були барій, криптон, лантан та церій, всі з яких мають ядра, які є більш стабільними, ніж уран-235. З тих пір серед продуктів ділиться речовин спостерігалися сотні різних ізотопів. Кілька з багатьох реакцій, які відбуваються для U-235, і графік, що показує розподіл продуктів його поділу і їх врожайність, наведені на малюнку\(\PageIndex{3}\). Подібні реакції поділу спостерігалися з іншими ізотопами урану, а також з безліччю інших ізотопів, таких як плутонію.

Малюнок\(\PageIndex{3}\): (а) Ядерний поділ U-235 виробляє цілий ряд продуктів поділу. (b) Більші продукти поділу U-235, як правило, один ізотоп з масовим числом близько 85—105, і інший ізотоп з масовим числом, яке приблизно на 50% більше, тобто близько 130-150.

Наведено п'ять ядерних рівнянь і графік. Перше рівняння - «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 90, нижній індекс 38, S r, знак плюс, верхній індекс, 144, індекс 54, X e, знак плюс, 2, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» Друге рівняння - «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 87, нижній індекс 35, B r, знак плюс, верхній індекс, 146, індекс 57, L a, знак плюса, 3, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» Третє рівняння - «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 97, нижній індекс 37, R b, знак плюса, 137, нижній індекс, 137, нижній індекс 55, C s, знак плюс, 3, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» Четверте рівняння - «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 137, підстроковий індекс 52, T e, знак плюса, 97, індекс 40, Z r, знак плюса, 2, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» П'яте рівняння - «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 236, індекс 92, U, стрілка виходу, верхній індекс, 141, нижній індекс 56, B a, знак плюс, верхній індекс, 92, індекс 36, K r, знак плюс, 3, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, п.» Також показано графік, де вісь y позначена «Вихід поділу, відкрита дужка, знак відсотка, закрита дужка» і має значення від 0 до 9 з кроком 1, тоді як вісь x позначена «Масове число» і має значення від 60 до 180 з кроком 20. Графік починається біля точки «65, 0» і швидко піднімається близько до «92, 6,6», потім так само швидко падає до «107, 0» і залишається там до точки «127, 0». Потім графік знову піднімається до «132, 8", потім трохи піднімається вгору і вниз, перш ніж впасти до точки «153, 0» і йти горизонтально.

Величезна кількість енергії виробляється при діленні важких елементів. Наприклад, коли один моль U-235 піддається поділу, продукти важать приблизно на 0,2 грама менше, ніж реагенти; ця «втрачена» маса перетворюється в дуже велику кількість енергії, приблизно 1,8 × 10 ¹⁰ кДж на моль U-235. Ядерні реакції поділу виробляють неймовірно велику кількість енергії порівняно з хімічними реакціями. Поділ 1 кілограма урану-235, наприклад, виробляє приблизно в 2,5 мільйона разів більше енергії, ніж виробляється при спалюванні 1 кілограма вугілля.

Як було описано раніше, при діленні U-235 утворює два «середніх» ядра, і два або три нейтрона. Потім ці нейтрони можуть спричинити поділ інших атомів урану-235, які, в свою чергу, забезпечують більше нейтронів, які можуть спричинити поділ ще більшої кількості ядер тощо. Якщо це відбувається, ми маємо ядерний ланцюг повторної дії (рис.\(\PageIndex{4}\)). З іншого боку, якщо занадто багато нейтронів виходять з сипучого матеріалу, не взаємодіючи з ядром, то ніякої ланцюгової реакції не відбудеться.

Малюнок\(\PageIndex{4}\): Розщеплення великого ядра, такого як U-235, виробляє два-три нейтрони, кожен з яких здатний викликати поділ іншого ядра показаними реакціями. Якщо цей процес триває, відбувається ядерна ланцюгова реакція.

Показано діаграму, яка має білу сферу з позначкою «верхній індекс, 1, індекс 0, n», а потім стрілка праворуч та велика сфера, що складається з багатьох менших білих і зелених сфер з позначкою «верхній індекс, 235, індекс 92, U». Єдина сфера вплинула на більшу сферу. Стрілка, спрямована вправо, веде від більшої сфери до пари менших сфер, які є колекціями тих же білих і зелених сфер. Верхнє з цих двох зображень позначено «верхній індекс, 93, індекс 36, K r», а нижнє з двох позначено «верхній індекс, 142, індекс 56, B a». Візерунок зіркового вибуху з міткою «Енергія» лежить між цими двома сферами і має три стрілки, спрямовані вправо, що ведуть від нього до трьох білих сфер з позначкою «верхній індекс, 1, індекс 0, n». Рівняння нижче цієї частини діаграми читає ««верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 140, нижній індекс 56, B a, знак плюс, верхній індекс 90, нижній індекс 36, K r, знак плюс, 3, верхній індекс 1, нижній індекс 0, n». Стрілка, спрямована вправо, веде від кожної з цих білих сфер до трьох більших сфер, кожна з яких складається з безлічі менших зелених і білих сфер і позначені зверху вниз як «a, надскрипт, 235, індекс 92, U» і «c, надскрипт, 235, індекс 92, U» і «c, надскрипт, 235, індекс 92, U». За кожною з цих сфер слідує стрілка, спрямована вправо, яка вказує на пару менших сфер, що складаються з тих же зелених і білих сфер з візерунками зоряного вибуху між кожною парою з позначкою «Енергія». Сфери верхньої пари позначені, зверху вниз, «верхній індекс, 96, нижній індекс 37, R b» і «верхній індекс, 137, нижній індекс 55, C s». Сфери середньої пари позначені, зверху вниз, «верхній індекс, 90, індекс 38, S r» і «верхній індекс, 144, індекс 54, X e». Сфери нижньої пари позначені, зверху вниз, «верхній індекс, 87, нижній індекс 35, B r» і «верхній індекс, 146, індекс 57, L a». За кожною парою сфер слідують три стрілки, спрямовані вправо, що ведуть до трьох білих сфер з позначкою «верхній індекс, 1, індекс 0, n». Нижче діаграми розташовані три ядерних рівняння. Рівняння a читає «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюс, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 96, нижній індекс 37, R b, знак плюс, верхній індекс 137, нижній індекс 55, C s, знак плюса, 3, верхній індекс 1, нижній індекс 0, n». Рівняння b читає «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюса, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 90, індекс 38, S r, знак плюса, верхній індекс 54, X e, знак плюса, 2, верхній індекс 0, n». Рівняння c читає «верхній індекс, 235, індекс 92, U, знак плюса, верхній індекс, 1, нижній індекс 0, n, стрілка виходу, верхній індекс, 87, нижній індекс 35, B r, знак плюс, верхній індекс 146, нижній індекс 57, L a, знак плюс, 3, верхній індекс 1, нижній індекс 0, n»

Матеріал, який може підтримувати ланцюгову реакцію ядерного поділу, як кажуть, є розщепленим або ділиться. (Технічно розщеплюється матеріал може піддаватися поділу нейтронами будь-якої енергії, тоді як ділиться матеріал вимагає високоенергетичних нейтронів.) Ядерний поділ стає самоокупним, коли кількість нейтронів, що утворюються поділом, дорівнює або перевищує кількість нейтронів, поглинених розщепленням ядер плюс число, які виходять в навколишнє середовище. Кількість матеріалу, що ділиться, який буде підтримувати самоокупну ланцюгову реакцію, є критичною масою. Кількість матеріалу, що ділиться, що не може витримати ланцюгову реакцію, - це докритична маса. Кількість матеріалу, в якому спостерігається зростаюча швидкість ділення, відома як надкритична маса. Критична маса залежить від типу матеріалу: його чистоти, температури, форми зразка і способу управління нейтронними реакціями (рис.\(\PageIndex{5}\)).

Малюнок\(\PageIndex{5}\): (а) У докритичній масі матеріал, що розщеплюється занадто малий і дозволяє занадто великій кількості нейтронів виходити з матеріалу, тому ланцюгова реакція не відбувається. (б) У критичній масі досить велика кількість нейтронів в розщепленому матеріалі індукують поділ для створення ланцюгової реакції.

Зображення показані та марковані «a», «b» та «c». Зображення a, позначене «Субкритична маса», показує синій фон кола з білою сферою біля зовнішнього, верхнього, лівого краю кола. Стрілка, спрямована вниз вправо, вказує на те, що біла сфера входить в коло. Сім маленьких жовтих зоряних вибухів намальовані в синьому колі, і кожен має стрілку, звернену від нього назовні кола, в, здавалося б, випадкових напрямках. Зображення b, позначене «Критична маса», показує синій фон кола з білою сферою біля зовнішнього, верхнього, лівого краю кола. Стрілка, спрямована вниз вправо, вказує на те, що біла сфера входить в коло. Сімнадцять маленьких жовтих зоряних вибухів намальовані в синьому колі, і кожен має стрілку, звернену від нього назовні кола, в, здавалося б, випадкових напрямках. Зображення c, позначене «Критична маса від відхилення нейтронів», показує синій фон кола, що лежить у більшому фіолетовому колі, з білою сферою біля зовнішнього, верхнього, лівого краю фіолетового кола. Стрілка вниз, спрямована вправо, вказує на те, що біла сфера входить в обидва кола. Тринадцять маленьких жовтих зоряних вибухів намальовані в синьому колі, і кожен з них має стрілку, звернену від нього назовні синього кола, і пару поза фіолетовим колом, в, здавалося б, випадкових напрямках.

Атомна бомба (рис.\(\PageIndex{6}\)) містить кілька фунтів розпадається матеріалу\(\ce{^{239}_{94}Pu}\),\(\ce{^{235}_{92}U}\) або, джерело нейтронів, і вибуховий пристрій для швидкого стиснення його в малий обсяг. Коли матеріал, що ділиться невеликими шматочками, частка нейтронів, які виходять через відносно велику площу поверхні, велика, і ланцюгова реакція не відбувається. Коли дрібні шматки матеріалу, що ділиться швидко об'єднуються, утворюючи тіло з масою, більшою за критичну масу, відносна кількість втечі нейтронів зменшується, а ланцюгова реакція та вибух результат.

Малюнок\(\PageIndex{6}\): (а) Бомба ядерного поділу, яка знищила Хіросіму 6 серпня 1945 року, складалася з двох докритичних мас U-235, де звичайні вибухові речовини використовувалися для обстрілу однієї з докритичних мас в іншу, створюючи критичну масу для ядерного вибуху. (б) Плутонієва бомба, яка знищила Нагасакі 12 серпня 1945 року, складалася з порожнистої сфери плутонію, яка швидко стискалася звичайними вибуховими речовинами. Це призвело до концентрації плутонію в центрі, яка була більшою за критичну масу, необхідну для ядерного вибуху.

Дві діаграми показані, кожна ліворуч від фотографії та позначені «a» та «b». На схемі а показана зовнішня оболонка бомби, яка має довгу трубчасту форму з квадратним хвостом. Компоненти в оболонці зображені трубка з білим диском з написом «Детонатор» зліва, помаранчевий диск з яскраво-жовтим зоряним вибухом, намальованим навколо нього з написом «Звичайна вибухівка» посередині і спрямована вправо стрілка, що веде до синього диска в носі бомби з написом «уран 235». Невеликий синій конус поруч з помаранчевим диском розділяє етикетку «уран 235». Чорно-біла фотографія поруч із цією діаграмою показує далекий знімок хмари, що піднімається над пейзажем. На схемі b показана зовнішня оболонка бомби, яка має коротку округлу форму з квадратним хвостом. Компоненти в оболонці зображені великий помаранчевий гурток з написом «Звичайна вибухівка» з низкою чорних крапок по краю, з написом «Детонатори», і жовтим зоряним вибухом позаду нього. Білі стрілки звернені від зовнішнього краю оранжевого кола до синього кола в центрі з жовтою серцевиною. Синє коло позначено «плутонієм 239», а жовте ядро позначено «берилій, тире, полоній ініціатор». Чорно-біла фотографія поруч із цією діаграмою показує далекий знімок гігантської хмари, що піднімається над пейзажем.

Реактори поділу

Ланцюгові реакції діляться матеріалів можна контролювати і витримувати без вибуху в ядерному реакторі (рис.\(\PageIndex{7}\)). Будь-який ядерний реактор, який виробляє енергію шляхом поділу урану або плутонію шляхом бомбардування нейтронами, повинен мати щонайменше п'ять компонентів: ядерне паливо, що складається з матеріалу, що ділиться, ядерного модератора, теплоносія реактора, керуючих стрижнів, а також системи захисту та утримання. Більш детально ці складові ми обговоримо далі в розділі. Реактор працює, розділяючи ділиться ядерний матеріал таким чином, що критична маса не може бути сформована, контролюючи як потік, так і поглинання нейтронів, щоб дозволити закрити реакції поділу. У ядерному реакторі, що використовується для виробництва електроенергії, енергія, що виділяється реакціями поділу, затримується як теплова енергія і використовується для кип'ятіння води та виробництва пари. Пар використовується для повороту турбіни, яка живить генератор для виробництва електроенергії.

Малюнок\(\PageIndex{7}\): (а) Атомна електростанція Diablo Canyon поблизу Сан-Луїс-Обіспо є єдиною атомною електростанцією, яка зараз експлуатується в Каліфорнії. Купола - це конструкції стримування ядерних реакторів, а в коричневій будівлі розміщена турбіна, де виробляється електроенергія. Океанська вода використовується для охолодження. (b) Каньйон Діабло використовує водяний реактор під тиском, один з декількох різних конструкцій реакторів поділу, що використовуються в усьому світі, для виробництва електроенергії. Енергія від ядерних реакцій поділу в ядрі нагріває воду в закритій системі під тиском. Тепло з цієї системи виробляє пар, який приводить в рух турбіну, яка в свою чергу виробляє електроенергію. (кредит а: модифікація роботи «Майка» Майкла Берда; кредит b: модифікація роботи Комісії з ядерного регулювання)

На фото з позначкою «a» і діаграма з написом «b». Фото - електростанція з двома великими білими куполами і безліччю будівель. На схемі зображена циліндрична ємність з товстими стінками з маркуванням «Стіни з бетону і сталі» і трьома основними складовими всередині. Перший з цих компонентів являє собою пару високих циліндрів з маркуванням «Парогенератори», які сидять по обидва боки від більш короткого циліндра з написом «Core». Поруч з сердечником знаходиться тонкий циліндр з написом «Герметизатор». Зліва від зовнішніх стін розташований набір поршнів з маркуванням «Турбіни», які сидять над серією іншого обладнання.

Ядерне паливо

Ядерне паливо складається з ділиться ізотопу, такого як уран-235, який повинен бути присутнім в достатній кількості для забезпечення самопідтримуючої ланцюгової реакції. У Сполучених Штатах уранові руди містять від 0,05— 0,3% оксиду урану U ₃ O ₈; уран в руді становить близько 99,3% нерозщеплюваного U-238 з лише 0,7% ділиться U-235. Ядерні реактори вимагають палива з більш високою концентрацією U-235, ніж зустрічається в природі; він зазвичай збагачений, щоб мати близько 5% маси урану, як U-235. При такій концентрації неможливо досягти надкритичної маси, необхідної для ядерного вибуху. Уран може бути збагачений газоподібною дифузією (єдиний метод, який в даний час використовується в США), за допомогою газової центрифуги або шляхом лазерного поділу.

У газоподібному дифузійному збагачувальному заводі, де готується паливо U-235, газ UF ₆ (гексафторид урану) при низькому тиску рухається через бар'єри, які мають отвори, ледь достатньо великі для проходження UF ₆. Трохи легші молекули ²³⁵ UF ₆ дифузіруются через бар'єр трохи швидше, ніж важчі молекули ²³⁸ UF ₆. Цей процес повторюється через сотні бар'єрів, поступово збільшуючи концентрацію ²³⁵ UF ₆ до рівня, необхідного ядерному реактору. Основа цього процесу, закон Грема, описана в розділі про гази. Збагачений газ UF ₆ збирають, охолоджують до затвердіння, а потім доставляють на виробничий об'єкт, де він виготовляється в тепловиділяючі збірки. Кожен паливний вузол складається з паливних стрижнів, які містять багато паливних гранул з наперстком, керамічно укладеного, збагаченого урану (зазвичай UO ₂). Сучасні ядерні реактори можуть містити цілих 10 мільйонів паливних пелет. Кількість енергії в кожній з цих гранул дорівнює майже тонні вугілля або 150 галонів нафти.

Ядерні модератори

Нейтрони, що утворюються ядерними реакціями, рухаються занадто швидко, щоб викликати поділ (рис. 21.5.5). Вони повинні спочатку сповільнюватися, щоб поглинатися паливом і виробляти додаткові ядерні реакції. Ядерний модератор - це речовина, яка уповільнює нейтрони до швидкості, досить низької, щоб викликати поділ. Ранні реактори використовували графіт високої чистоти в якості модератора. Сучасні реактори в США використовують виключно важку воду\(\ce{( ^2_1H2O)}\) або легку воду (звичайний Н ₂ О), тоді як деякі реактори в інших країнах використовують інші матеріали, такі як вуглекислий газ, берилій або графіт.

Реакторні охолоджуючі рідини

Теплоносій ядерного реактора використовується для перенесення тепла, виробленого реакцією поділу, до зовнішнього котла і турбіни, де воно перетворюється в електрику. Часто використовуються два перекриваються контуру теплоносія, це протидіє передачі радіоактивності від реактора до первинного контуру теплоносія. Всі атомні електростанції США використовують воду в якості теплоносія. Інші охолоджуючі рідини включають розплавлений натрій, свинець, свинцево-вісмутову суміш або розплавлені солі.

стрижні управління

Ядерні реактори використовують керуючі стрижні (рис.\(\PageIndex{8}\)) для контролю швидкості поділу ядерного палива шляхом регулювання кількості повільних нейтронів, присутніх для підтримки швидкості ланцюгової реакції на безпечному рівні. Контрольні стрижні виготовляються з бору, кадмію, гафнію або інших елементів, які здатні поглинати нейтрони. Бор-10, наприклад, поглинає нейтрони реакцією, яка виробляє літій-7 і альфа-частинки:

\[\ce{^{10}_5B + ^1_0n⟶ ^7_3Li + ^4_2He} \nonumber \]

Коли вузли керуючого стрижня вставляються в паливний елемент в активній зоні реактора, вони поглинають більшу частку повільних нейтронів, тим самим сповільнюючи швидкість реакції поділу і зменшуючи вироблену потужність. І навпаки, якщо контрольні стрижні видаляються, поглинається менше нейтронів, а швидкість поділу та вироблення енергії збільшуються. В аварійній ситуації ланцюгову реакцію можна відключити, повністю вставивши всі стрижні управління в ядерну ядро між паливними стрижнями.

Рисунок\(\PageIndex{8}\): Ядро ядерного реактора, показане в (а), містить вузол палива та керуючого стрижня, показаний у (b). (Кредит: модифікація твору Е. Generalic, glossary.periodni.com/glossar... uk=control+стрижень)

Дві діаграми показані та марковані «a» та «b». На схемі а показаний відрізаний вид вертикальної труби з плоскою горизонтальною пластиною біля дна, яка з'єднується з серією вертикальних труб, збудованих поруч і маркованих «Паливні стрижні». Друга горизонтальна пластина з написом «Сітка» лежить у верхній частині труб, а другий набір більш тонких, вертикальних труб, позначений «Контрольні стрижні», веде від цієї пластини до верхньої частини контейнера. Стінки контейнера марковані «Сталевий посудину під тиском». Синя стрілка, спрямована вправо, веде від точки входу в лівій частині контейнера, за нею слідує друга синя стрілка вниз і вигнута, спрямована вправо стрілка, яка простежується вздовж зовнішнього нижнього краю контейнера. Синя та червона стрілка слідує за ними і спрямована вгору правою стороною контейнера до виходу біля правої грані, де червона стрілка, спрямована вправо, веде назовні. Діаграма б - це відрізане зображення вертикального, прямокутного, тривимірного набору вертикальних труб. Труби мають маркування «Паливні стрижні» і вставляються в верхню і нижню горизонтальні пластини з написом «Сітка». Чотири тонких стрижні висуваються над трубами і мають маркування «Керуючі стрижні».

Щит і система стримування

Під час своєї роботи ядерний реактор виробляє нейтрони та інше випромінювання. Навіть при вимкненому стані продукти розпаду є радіоактивними. Крім того, діючий реактор термічно сильно нагрівається, а високий тиск виникає в результаті циркуляції через нього води або іншого теплоносія. Таким чином, реактор повинен витримувати високі температури і тиск, а також захищати обслуговуючий персонал від випромінювання. Реактори оснащені системою стримування (або щитком), яка складається з трьох частин:

1. Корпус реактора, сталева оболонка товщиною 3—20 сантиметрів і з помірником поглинає більшу частину випромінювання, виробленого реактором
2. Основний щит з 1-3 метрів бетону високої щільності
3. Персонал щит з більш легких матеріалів, що захищає операторів від γ променів і рентгенівських променів

Крім того, реактори часто покриті сталевим або бетонним куполом, який призначений для утримання будь-яких радіоактивних матеріалів, які можуть бути випущені внаслідок аварії реактора.

Відео\(\PageIndex{1}\): Натисніть тут, щоб переглянути 3-хвилинне відео від Інституту ядерної енергетики про те, як працюють ядерні реактори.

Атомні електростанції сконструйовані таким чином, що вони не можуть утворювати надкритичну масу ділиться матеріалу і тому не можуть створити ядерний вибух. Але як показала історія, збої систем і гарантій можуть стати причиною катастрофічних аварій, включаючи хімічні вибухи і ядерні розлади (пошкодження активної зони реактора від перегріву). Наступна функція «Хімія в повсякденному житті» досліджує три сумнозвісні інциденти.

Ядерні аварії

Важливість охолодження та стримування наочно ілюструється трьома великими аваріями, які сталися з ядерними реакторами на атомних електростанціях у США (острів Три Милі), колишньому Радянському Союзі (Чорнобиль) та Японії (Фукусіма).

У березні 1979 року система охолодження реактора блоку 2 на атомній генераторній станції Three Mile Island в Пенсільванії вийшла з ладу, і охолоджуюча вода вилилася з реактора на підлогу будівлі стримування. Після зупинки насосів реактори перегріваються через високу теплоту радіоактивного розпаду, що утворюється в перші кілька днів після відключення ядерного реактора. Температура ядра піднялася мінімум до 2200° C, а верхня частина ядра почала плавитися. Крім того, оболонка паливних стрижнів з цирконієвого сплаву почала вступати в реакцію з парою і утворювалася водень:

\[\ce{Zr}(s)+\ce{2H2O}(g)⟶\ce{ZrO2}(s)+\ce{2H2}(g) \nonumber \]

Водень накопичився в будівлі ув'язнення, і побоювалися, що існує небезпека вибуху суміші водню і повітря в будівлі. Отже, газ водень і радіоактивні гази (в першу чергу криптон і ксенон) були відведені з будівлі. Протягом тижня циркуляція охолоджуючої води відновилася і ядро почало охолоджуватися. Під час очищення завод був закритий майже на 10 років.

Хоча нульовий розряд радіоактивного матеріалу бажаний, розряд радіоактивного криптону і ксенону, такий як стався на заводі Three Mile Island, є одними з найбільш терпимих. Ці гази легко розходяться в атмосфері і, таким чином, не утворюють високорадіоактивних областей. Більш того, вони є благородними газами і не включаються в рослинні та тваринні речовини в харчовому ланцюзі. Фактично жоден з важких елементів активної зони реактора не був випущений в навколишнє середовище, і очищення території за межами будівлі стримування не було необхідним (рис.\(\PageIndex{9}\)).

Малюнок\(\PageIndex{9}\): (а) На цьому фото 2010 року острова Три-Майл, решта конструкцій з пошкодженого реактора блоку 2 видно зліва, тоді як окремий реактор блоку 1, не постраждалий від аварії, продовжує виробляти енергію донині (праворуч). (b) Президент Джиммі Картер відвідав диспетчерську блоку 2 через кілька днів після аварії в 1979 році.

Показані дві фотографії з позначками «a» і «b». Фото а є пташиного польоту атомної електростанції. Фото б показує невелику групу чоловіків, що йдуть через кімнату, заповнену електронікою.

Ще одна велика ядерна аварія за участю реактора сталася в квітні 1986 року на Чорнобильській атомній електростанції в Україні, яка все ще входила до складу колишнього Радянського Союзу. Під час роботи на малій потужності під час несанкціонованого експерименту з відключеними деякими його захисними пристроями один з реакторів на заводі став нестабільним. Його ланцюгова реакція стала неконтрольованою і збільшилася до рівня, значно перевищує те, для чого був розроблений реактор. Тиск пари в реакторі збільшився до 100 і 500 разів перевищував тиск повної потужності і розірвав реактор. Оскільки реактор не був укладений у будівлю стримування, велика кількість радіоактивного матеріалу викидалася, а також виділялися додаткові продукти поділу, оскільки графітовий (вуглецевий) помідор ядра запалювався і спалювався. Пожежа контролювалася, але понад 200 заводчан і пожежників розвинулася гостра променева хвороба і щонайменше 32 незабаром померли від впливу радіації. Прогнозується, що серед працівників надзвичайних ситуацій та колишніх чорнобильців від радіаційно-індукованого раку та лейкемії відбудеться ще близько 4000 смертей. Реактор з тих пір був інкапсульований в сталь і бетон, тепер розкладається структура, відома як саркофаг. Майже через 30 років значні радіаційні проблеми все ще зберігаються в цьому районі, а Чорнобиль значною мірою залишається пустирем.

У 2011 році АЕС Фукусіма Дайічі в Японії сильно постраждала від землетрусу магнітудою 9,0 бали і внаслідок цунамі. Три реактора, що працювали в той час, були відключені автоматично, а аварійні генератори вийшли в мережу для силової електроніки та систем охолоджуючої рідини. Однак цунамі швидко затопили аварійні генератори і відключили живлення насосів, які циркулюють теплоносій води через реактори. Високотемпературна пара в реакторах вступала в реакцію зі сплавом цирконію з утворенням газоподібного водню. Газ втік у будівлю стримування, і суміш водню і повітря вибухнула. Радіоактивний матеріал вивільнявся з суден для зберігання в результаті навмисного спуску повітря для зниження тиску водню, навмисного скидання теплоносія води в море, а також випадкових або неконтрольованих подій.

Зона евакуації навколо пошкодженого заводу простяглася на 12,4 милі, і приблизно 200 000 людей були евакуйовані з цього району. Всі 48 атомних електростанцій Японії були згодом закриті, залишаючись закритими станом на грудень 2014 року. Після катастрофи громадська думка змістилася з значною мірою прихильності до значної міри протидії збільшенню використання атомних електростанцій, і перезапуск японської програми атомної енергії все ще застопорився (рис.\(\PageIndex{10}\)).

Малюнок\(\PageIndex{10}\): (а) Після аварії забруднені відходи довелося видалити, а (б) навколо заводу була створена зона евакуації в районах, де надходили важкі дози радіоактивних опадів. (Кредит а: модифікація роботи «Герой живих дій» /Flickr)

Показано фото і карту, позначені як «a» і «b» відповідно. Фото показує людину в захисному костюмі, що охоплює тіло, що працює біля серії синіх, пластикових контейнерів з покриттям. На карті b показана ділянка суші з океаном з кожного боку. Біля верхньої правої сторони землі розташована невелика червона точка, позначена «більше, ніж, 12.5, м R зворотна коса риска, h r», яка оточена зоною оранжевого кольору, яка простягається у верхньому лівому напрямку з написом «2.17, тире, 12.5, m R зворотна коса риска, h r». Помаранчевий колір оточений контуром жовтого кольору з позначкою «1,19, тире, 2,17, м R зворотний слеш, h r» та ширшим контуром зеленого кольору з позначкою «0.25, тире, 1.19, m R зворотна коса риса, h r». Велика область світло-блакитного кольору з позначкою «0.03, тире, 0.25, m R зворотна коса риса, h r» оточує зелену зону і простягається до нижньої середини карти. Велика ділянка нижньої середньої і лівої частини землі покрита темно-синім кольором з позначкою «менше 0,03, м R зворотної косої риски, h r».

Енергія, вироблена реактором, що заправляється збагаченим ураном, є результатом поділу урану, а також від поділу плутонію, що утворюється під час роботи реактора. Як обговорювалося раніше, плутоній утворюється з комбінації нейтронів і урану в паливі. У будь-якому ядерному реакторі лише близько 0,1% маси палива перетворюється в енергію. Інші 99,9% залишаються в паливних стрижнях як продукти поділу та невикористане паливо. Всі продукти поділу поглинають нейтрони, і через період від декількох місяців до декількох років, в залежності від реактора, продукти поділу повинні бути видалені шляхом зміни паливних стрижнів. В іншому випадку концентрація цих продуктів поділу збільшувалася б і поглинає більше нейтронів, поки реактор більше не зможе працювати.

Відпрацьовані паливні стрижні містять різноманітні продукти, що складаються з нестабільних ядер, що варіюються в атомному номері від 25 до 60, деяких трансуранових елементів, включаючи плутоній і америцій, а також незареагували ізотопів урану. Нестабільні ядра і ізотопи трансурану дають відпрацьованому паливі небезпечно високий рівень радіоактивності. Довгоживучі ізотопи вимагають тисячі років, щоб розпастися до безпечного рівня. Кінцева доля ядерного реактора як значного джерела енергії в Сполучених Штатах, ймовірно, залежить від того, чи може бути розроблена політично та науково задовільна методика переробки та зберігання компонентів відпрацьованих паливних стрижнів.

Реактори ядерного синтезу та термоядерного синтезу

Процес перетворення дуже легких ядер в більш важкі ядра також супроводжується перетворенням маси у велику кількість енергії, процес, званий синтезом. Основним джерелом енергії на сонці є реакція сітчастої синтезу, при якій чотири ядра водню зливаються і виробляють одне ядро гелію і два позитрони. Це чиста реакція більш складної серії подій:

\[\ce{4^1_1H ⟶ ^4_2He + 2^0_{+1}} \nonumber \]

Гелієве ядро має масу, яка на 0,7% менше, ніж у чотирьох ядер водню; ця втрачена маса перетворюється в енергію під час злиття. Ця реакція виробляє близько 3,6 × 10 ¹¹ кДж енергії на моль\(\ce{^4_2He}\) виробленої. Це дещо більше енергії, виробленої ядерним поділом одного моля У-235 (1,8 × 10 ¹⁰ кДж), і понад 3 мільйони разів більше енергії, виробленої при (хімічному) згорянні одного моля октану (5471 кДж).

Визначено, що ядра важких ізотопів водню, дейтрона\(^2_1\) і тритона\(^3_1\), піддаються синтезу при екстремально високих температурах (термоядерний синтез). Вони утворюють ядро гелію і нейтрон:

\[\ce{^2_1H + ^3_1H ⟶ ^4_2He + 2^1_0n} \nonumber \]

Ця зміна протікає з втратою маси 0,0188 аму, що відповідає вивільненню 1,69 × 10 ⁹ кілоджоулів на моль\(\ce{^4_2He}\) утворився. Дуже висока температура необхідна для того, щоб дати ядрам достатньо кінетичної енергії, щоб подолати дуже сильні сили відштовхування, що виникають внаслідок позитивних зарядів на їх ядрах, щоб вони могли зіткнутися.

Корисні реакції синтезу вимагають дуже високих температур для їх ініціювання - близько 15 000 000 К або більше. При цих температурах всі молекули дисоціюються на атоми, а атоми іонізуються, утворюючи плазму. Ці умови відбуваються у надзвичайно великій кількості місць у всьому Всесвіті - зірки живляться від злиття. Люди вже з'ясували, як створити температури, досить високі, щоб досягти злиття у великих масштабах в термоядерній зброї. Термоядерна зброя, така як воднева бомба, містить бомбу ядерного поділу, яка при вибуху виділяє достатньо енергії для отримання надзвичайно високих температур, необхідних для синтезу.

Ще один набагато вигідніший спосіб створення реакцій синтезу - це термоядерний реактор, ядерний реактор, в якому контролюються реакції синтезу легких ядер. Оскільки жодні тверді матеріали не стійкі при таких високих температурах, механічні пристрої не можуть містити плазму, в якій відбуваються реакції плавлення. Два методи утримання плазми при щільності та температурі, необхідних для реакції синтезу, в даний час знаходяться в центрі інтенсивних дослідницьких зусиль: стримування магнітним полем та використанням сфокусованих лазерних променів (рис.\(\PageIndex{11}\)). Ряд великих проектів працює над досягненням однієї з найбільших цілей в науці: отримання водневого палива для запалювання та отримання більше енергії, ніж кількість, що подається для досягнення надзвичайно високих температур і тиску, необхідних для плавлення. На момент написання статті у світі не існувало самоокупних реакторів термоядерного синтезу, хоча невеликі контрольовані реакції синтезу виконувалися протягом дуже коротких періодів.

Рисунок\(\PageIndex{11}\): (а) Ця модель являє собою реактор Міжнародного термоядерного експериментального реактора (ITER). В даний час будується на півдні Франції з очікуваною датою завершення 2027 року, ITER стане найбільшим у світі експериментальним ядерним термоядерним термоядерним реактором Токамак з метою досягнення масштабного сталого виробництва енергії. (b) У 2012 році Національний об'єкт запалювання в Національній лабораторії Лоуренса Лівермора коротко виробляв понад 500 000 000 Вт (500 терават, або 500 ТВт) пікової потужності і поставив 1850,000 джоулів (1.85 МДж) енергії, найбільша лазерна енергія коли-небудь вироблена і 1000 разів використання енергії всього Об'єднаного Держави в будь-який момент. Незважаючи на те, що триває лише кілька мільярдів секунди, лазери 192 досягли умов, необхідних для запалювання ядерного синтезу. На цьому зображенні показана мета перед лазерним пострілом. (Кредит а: модифікація роботи Стефана Мозеля)

Дві фотографії показані і марковані «a» і «b». На фото показана модель реактора ITER, що складається з барвистих компонентів. Фото б показує крупним планом кінець довгої механічної руки, що складається з багатьох металевих компонентів.

Резюме

Можна виробляти нові атоми, бомбардуючи інші атоми ядрами або високошвидкісними частинками. Продукти цих реакцій трансмутації можуть бути стабільними або радіоактивними. Таким чином було вироблено ряд штучних елементів, включаючи технецій, астатин та трансуранові елементи.

Ядерна енергетика, а також детонації ядерної зброї можуть генеруватися шляхом поділу (реакції, в яких важке ядро розщеплюється на два або більше легких ядер і кілька нейтронів). Оскільки нейтрони можуть викликати додаткові реакції поділу, коли вони поєднуються з іншими важкими ядрами, може призвести до ланцюгової реакції. Корисна потужність виходить, якщо процес поділу здійснюється в ядерному реакторі. Перетворення легких ядер в більш важкі ядра (злиття) також виробляє енергію. В даний час ця енергія не міститься належним чином і є занадто дорогою, щоб бути здійсненною для комерційного виробництва енергії.

Глосарій

ланцюгова реакція

повторне ділення, спричинене, коли нейтрони, що виділяються при поділі, бомбардують інші атоми

система стримування

(також, щит) трикомпонентна структура матеріалів, яка захищає зовнішній вигляд реактора ядерного поділу та обслуговуючий персонал від високих температур, тиску та рівнів випромінювання всередині реактора

стрижень управління

матеріал, вставлений в паливний вузол, який поглинає нейтрони і може бути піднятий або опущений для регулювання швидкості реакції поділу

критична маса

кількість матеріалу, що ділиться, що підтримуватиме самоокупну ланцюгову реакцію (ядерне ділення)

розщеплюється (або ділиться)

коли матеріал здатний підтримувати реакцію ядерного поділу

поділ

розщеплення більш важкого ядра на два і більше більш легких ядер, зазвичай супроводжується перетворенням маси у великі обсяги енергії

злиття

поєднання дуже легких ядер в більш важкі ядра, що супроводжується перетворенням маси у великі обсяги енергії

термоядерний реактор

ядерний реактор, в якому контролюються реакції синтезу світлих ядер

ядерне паливо

ділиться ізотоп присутній в достатній кількості для забезпечення самоокупної ланцюгової реакції в ядерному реакторі

ядерний модератор

речовина, яка уповільнює нейтрони до швидкості, досить низької, щоб викликати поділ

ядерний реактор

навколишнє середовище, яке виробляє енергію за допомогою ядерного поділу, в якому ланцюгова реакція контролюється і підтримується без вибуху

ядерна трансмутація

перетворення одного нукліду в інший нуклід

прискорювач частинок

пристрій, який використовує електричні та магнітні поля для підвищення кінетичної енергії ядер, що використовуються в реакціях трансмутації

теплоносій реактора

вузол використовується для перенесення тепла, виробленого поділом в реакторі, до зовнішнього котла і турбіни, де воно перетворюється в електрику

докритична маса

кількість матеріалу, що ділиться, що не може витримати ланцюгову реакцію; менше критичної маси

надкритична маса

кількість матеріалу, в якому спостерігається зростаюча швидкість ділення

реакція трансмутації

бомбардування одного типу ядер іншими ядрами або нейтронами

трансурановий елемент

елемент з атомним номером більше 92; ці елементи не зустрічаються в природі