Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Вторым важным этапом было осуществление, начиная с 1919 г., многочисленных искусственных ядерных реакций. Изучение реакций, происходящих при бомбардировке нейтронами тяжелых элементов, привело к открытию в 1939 г. ядерных процессов, лежащих в основе современных методов получения ядерной энергии.

Для получения ядерной энергии пришлось научиться управлять ядерными реакциями, то есть научиться искусственно вызывать их, регулировать скорость в необходимом для нас направлении и, наконец, прекращать (останавливать) их в нужный момент времени.

Остановимся на основных путях получения ядерной энергии.

Так как между протонами и нейтронами, составляющими ядро, действуют ядерные силы притяжения, то нетрудно понять, что при расщеплении ядра на составляющие его нуклоны нужно совершить работу против ядерных сил и, следовательно, затратить некоторую энергию. В обратном процессе при образовании ядра из нуклонов такая же энергия выделяется.

Известно, что при поднимании тела над землей приходится совершать работу против силы тяготения и, следовательно, затрачивать энергию. При падении тела на землю эта энергия превращается в кинетическую и выделяется в виде, например, тепла при ударе тела о землю.

Есть некоторое сходство между этим примером и значительно более сложным явлением образования ядра. Подобно тому, как при падении тела на землю происходит выделение энергии, то есть превращение ее из одной формы в другую, так и при образовании ядра из свободных протонов и нейтронов (так сказать при падении их друг на друга) также происходит выделение энергии, то есть превращение части атомной энергии в другие виды.

Энергию, которая выделяется при соединении протонов и нейтронов в ядро, называют обычно энергией связи, или энергией образования ядра. Энергию связи атомных ядер всех химических элементов можно вычислить, пользуясь законом взаимосвязи массы и энергии.

Рассчитаем для примера величину энергии связи ядра гелия. Масса протона равна 1,008 а.е.м. , а масса нейтрона — 1,009 а.е.м. Суммарная масса двух протонов и двух нейтронов, необходимых для образования ядра гелия, следовательно, равна 4,034 а.е.м. С другой стороны, измерение массы «построенного» ядра гелия, существующего в природе, показывает, что величина ее меньше и равна 4,003 а.е.м. Налицо «дефект» (убыль) массы, равный m =4,034-4,003=0,031 а.е.м. Следовательно, при образовании ядра гелия выделяется и передается окружающей среде масса, равная 0,031 а.е.м. По выделившейся массе и определяется выделившаяся энергия. Так как 1 а.е.м. равна 1,66∙10 -24 г , то, умножая 0,031 на 1,66∙10 -24, а затем на 9∙10 20, согласно формуле (2) найдем

Умножая эту величину на число атомов, содержащихся в грамме гелия [6] Число атомов в 1 г любого элемента равно числу Авогадро 6,02∙10 23 , деленному на атомный вес этого элемента. Для гелия, атомный вес которого равен 4, это число составляет 6,02∙10 23 /4= 1,5∙10 23 атомов на один грамм. можно определить удельную энергию связи, то есть энергию, выделяющуюся при образовании одного грамма данного вещества.

Расчет показывает, что для гелия удельная энергия связи составляет около 165 млн. ккал на 1 г .

Аналогичным образом по уменьшению массы соединяющихся в ядро протонов и нейтронов можно рассчитать удельную энергию связи каждого химического элемента. Построенная по таким данным кривая зависимости удельной энергии связи от атомного веса приведена на рис 20.

Чем ниже на этой кривой лежит точка, соответствующая тому или другому элементу, тем больше энергия связи. Из рисунка видно, что самая большая энергия связи у железа и никеля. Это значит, что при образовании ядер атомов этих элементов выделяется наибольшая энергия. Ядра атомов, расположенных в начале и в конце периодической таблицы, образуются с меньшим выделением энергии.

Кривая энергии связи дает наглядное представление об относительной прочности (устойчивости) атомных ядер. Чем прочнее ядро, тем больше надо затратить энергии на работу против ядерных сил притяжения при расщеплении ядра на составляющие его протоны и нейтроны. Необходимая для этого энергия равна как раз энергии связи ядра. Поэтому чем больше энергия связи ядра, тем прочнее (устойчивее), вообще говоря, данное ядро.

Наибольшей относительной прочностью, или устойчивостью, обладают ядра атомов железа и никеля.

Для освобождения ядерной энергии совсем не обязательно осуществлять синтез ядер из протонов и нейтронов. Выделения энергии можно достичь, осуществляя такие ядерные реакции, в которых ядра атомов некоторого элемента превращаются в ядра какого-либо другого элемента, обладающие большей устойчивостью и имеющие соответственно большую энергию связи.

Поясним сказанное примером. Из кривой рис. 20 видно, что удельная энергия связи урана с атомным весом 235 составляет около 173 млн. ккал . С другой стороны, удельная энергия связи для элементов среднего веса (олово и др.) составляет приблизительно 194 млн. ккал . Если же осуществлять ядерную реакцию, в которой ядра олова и соседних с ним элементов будут образовываться не из протонов и нейтронов, а путем деления более тяжелых ядер урана, то при этом будет выделяться около 21 млн. ккал на каждый грамм вещества. Выделяющаяся энергия равна разности энергий связи конечных и исходных элементов. Обратная реакция, то есть соединение ядер среднего веса в ядра урана, потребует затраты такого же количества энергии и поэтому не годится для получения ее.

Использование реакций, в которых тяжелые ядра распадаются на менее тяжелые ядра среднего веса, представляет первый возможный путь выделения атомной энергии. Чем тяжелее исходные ядра, тем больше энергии будет получаться.

Второй путь заключается в использовании реакций соединения очень легких ядер в более тяжелые ядра. Чем легче соединяющиеся ядра, тем больше энергии может быть получено при таких реакциях.

Рассмотрим, например, возможную реакцию слияния ядер дейтерия и трития, в результате которой получаются ядро гелия и один свободный нейтрон. Соответственно тому, что атомный вес дейтерия равен двум, а трития — трем, в этой реакции из 2 г дейтерия и 3 г трития образуется 4 г гелия и 1 г нейтронов. При этом выделяется около 100 млн. ккал энергии на каждый грамм гелия. Действительно, удельная энергия связи, как это видно из кривой рис. 20, для дейтерия равна 25, а для трития — 64 млн. ккал . Следовательно, энергия, выделяющаяся при образовании 2 г дейтерия и 3 г трития, составит 25∙2+64∙3=242 млн. ккал . Удельная энергия связи для гелия равна, как известно, 165 млн. ккал . Следовательно, при образовании 4 г гелия из протонов и нейтронов выделится 165∙4=660 млн. ккал . В случае же образования гелия из дейтерия и трития выделится 660–242=418 млн. ккал , что и дает около 100 млн. ккал на каждый грамм гелия.