Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Космические частицы оказываются превосходными «снарядами» для обстрела атомных ядер, в том числе ядер тяжелых элементов. Сталкиваясь с ядрами, космические частицы вызывают ряд интересных ядерных явлений. В 1942 г. советский физик А. П. Жданов впервые наблюдал под действием космических лучей полное расщепление ядер атомов серебра и брома на составляющие их частицы.

Однако опыты с космическими лучами крайне затруднены тем, что потоки их очень слабы. Исследователю приходится месяцами ждать, пока в его приборы попадут именно те частицы, которые его интересуют. Вот здесь-то и приходят на помощь ускорители заряженных частиц, позволяющие разгонять частицы до огромных скоростей, при которых можно гораздо лучше изучать атомные ядра и процессы в них.

Изучая ядерные процессы, вызываемые быстрыми частицами-«снарядами», ученые открыли значительное число ядерных реакций, в которых выделялось относительно большое количество ядерной энергии. Таковы, в частности, реакции расщепления лития под действием протонов и дейтеронов, первая из которых рассмотрена выше.

Однако от установления факта выделения большого количества ядерной энергии до практического использования ее было еще далеко.

Главная трудность, которую нужно было еще преодолеть, заключалась в том, что для освобождения ядерной энергии необходимо было попасть частицей-«снарядом» в каждое атомное ядро. Между тем при обстреле атомов какой-либо мишени лишь ничтожная доля «снарядов» попадает в ядра ее атомов. В среднем лишь один снаряд из целого миллиона попадает в цель, то есть в ядро, и вызывает его превращение. Остальные 999 999 «снарядов» пролетают мимо цели и, растрачивая свою энергию на ионизацию атомов, теряют способность проникать в ядра. В результате такого положения на получение огромного количества «снарядов» затрачивается энергии значительно больше, чем ее получается при ядерных превращениях. Естественно, что такой способ освобождения ядерной энергии не может иметь практического значения.

Если бы для извлечения энергии топлива приходилось «поджигать» каждую молекулу его, то уголь, нефть и другие виды топлива не получили бы практического применения. К счастью, химическая реакция горения протекает совсем иначе. Если поджечь уголь в каком-либо месте, то при надлежащем доступе кислорода горение идет дальше самостоятельно, само себя поддерживая и охватывая все большую и большую массу угля. Молекулы углерода, из которых состоит уголь, сами «зажигаются» одна от другой, по цепочке. Такие самоподдерживающиеся химические реакции, которые, будучи начаты, поддерживают себя дальше сами, называются цепными. Теорию цепных химических реакций разработал еще в 1928 г. советский ученый Н. Н. Семенов.

Среди многочисленных ядерных реакций, о которых говорилось выше, не было ни одной, которая, будучи начата, развивалась бы дальше сама собой, по цепочке. В этих ядерных реакциях расщепление одного ядра не вызывает подобного же превращения других соседних ядер.

Положение коренным образом изменилось в 1939 г. благодаря открытию ядерной реакции нового типа, названной реакцией деления тяжелых ядер, которая при определенных условиях может протекать, как цепная. Эта реакция была открыта при обстреле нейтронами урана — самого тяжелого из существующих на Земле элементов.

Используя цепную реакцию деления тяжелых ядер, ученым удалось осуществить тепловую ядерную реакцию с водородом, протекающую в форме взрыва. Эта реакция, называемая иначе термоядерной реакцией, происходит под действием весьма высокой температуры, измеряемой миллионами и десятками миллионов градусов.

Деление тяжелых ядер и термоядерная реакция с водородом практически используются в настоящее время для получения ядерной энергии.

Как протекают эти ядерные реакции, каковы их особенности и рассказывается ниже.

Как известно из вышеизложенного, путем обстрела быстрыми частицами можно сделать радиоактивными большое число химических элементов. Итальянский физик Э. Ферми в 1934 г. показал, что чрезвычайно эффективными возбудителями искусственной радиоактивности являются нейтроны. Изучая воздействие нейтронов на ядра атомов урана, ученые ряда стран открыли много интересных и на первых порах загадочных явлений. Одним из таких открытий, явившимся, без сомнения, выдающимся достижением физики, было открытие в 1939 г. вызываемого нейтронами деленияурана. Как установили немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман, после бомбардировки урана нейтронами в нем обнаруживаются ядра атомов элементов, стоящих в середине периодической таблицы Менделеева. Усилиями многих физиков было доказано, что эти новые ядра получаются в результате деления ядра урана, захватившего нейтрон; при этом масса и заряд исходного ядра распределяются (делятся) между новыми ядрами — «осколками» деления.

Теория деления тяжелых ядер была разработана в том же году советским физиком Я. И. Френкелем и зарубежными учеными Н. Бором и Д. Уилером на основе «капельной» модели ядра.

В ядре урана, содержащем 92 протона, электрические силы отталкивания между одноименно заряженными протонами весьма велики и лишь немного уступают ядерным силам притяжения. Вследствие этого ядра урана не отличаются большой прочностью (устойчивостью). Поэтому нейтрон, попадающий в такое ядро, легко возбуждает (нагревает) его, делая еще менее устойчивым. В результате ядро деформируется и, теряя свою сферическую форму, вытягивается, как это показано на рис. 24, 2 . Поскольку, как мы знаем, ядерные силы действуют лишь на очень коротком расстоянии, постольку электрические силы отталкивания между противоположными половинками растянутой капли превысят ядерное притяжение между ними. От этого ядро-капля станет вытягиваться еще больше, на нем образуется перетяжка (шейка; рис. 24, 3 ), и в конце концов оно разделится под действием электрических сил отталкивания на две части, то есть на два ядра («осколка») среднего веса (рис. 24, 4 ). Делящееся ядро выбрасывает («испаряет») несколько новых (вторичных) быстрых нейтронов. При этом излучаются также гамма-лучи. Особенно эффективно подобное деление под действием нейтронов происходит с ядрами урана 235. Схема деления ядер этого изотопа урана приведена на рис. 25.