Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Атомные ядра, имея положительный электрический заряд, отталкиваются друг от друга, как и всякие одноименно заряженные тела. Поэтому для слияния каких-либо двух ядер в одно ядро необходимо сначала преодолеть значительные силы электрического отталкивания. Только после того, когда ядра сблизятся настолько, что вступят в действие силы ядерного притяжения, произойдет их слияние.

Ядерные силы имеют, как мы уже знаем, огромную величину лишь внутри ядра, где они в миллионы раз превосходят силы электрического отталкивания между одноименно заряженными протонами. На границе же ядра они настолько быстро уменьшаются до нуля, что радиус их действия не превосходит 7∙10 -13 см . Поэтому для слияния двух легких ядер их надо сблизить настолько, чтобы расстояние между ними стало меньше этой величины. Тогда ядерные силы заставят сближаться ядра дальше до полного слияния и образования нового, более тяжелого ядра.

Из вышеизложенного следует, что соединяться могут только очень быстрые ядра, обладающие большим запасом кинетической энергии, достаточным для производства работы по преодолению сил электрического отталкивания. Значит, здесь, как и в случае реакции деления, для сближения ядер и обеспечения начала ядерного взаимодействия между ними требуется предварительная затрата некоторой энергии, которая называется критической энергией, или энергией активации.

Энергия активации будет, конечно, тем меньше, чем меньше сила электрического отталкивания между соединяемыми ядрами. Значит, легче всего соединить ядра, имеющие возможно меньший электрический заряд. Такими ядрами являются, как мы знаем, ядра атомов водорода, гелия и лития. Вот почему при практическом осуществлении реакций синтеза в качестве реагирующего вещества используют различные изотопы именно этих элементов.

Сказанное выше относительно слияния атомных ядер можно пояснить следующим примером. Представим себе гору с глубоким кратером (рис. 31, а ), и пусть у подножия кратера находятся два шарика (камня). Чтобы воспользоваться потенциальной энергией камней, их можно сбросить в кратер, но для этого им надо сначала сообщить добавочную энергию, подняв на край кратера. После этого под действием силы земного притяжения камни упадут вниз и отдадут значительно больше энергии, чем ее было затрачено при их подъеме.

Преодоление сил электрического отталкивания при слиянии атомных ядер соответствует подъему камней на край кратера в нашем примере. Та добавочная энергия, которая затрачивается при этом, и есть энергия активации. Сближению ядер в сфере действия ядерных сил, сопровождающемуся выделением части ядерной энергии, соответствует падение камней в кратере.

Не следует только думать, что слияние всяких ядер всегда сопровождается высвобождением энергии. Слияние ядер может происходить и с поглощением энергии. Так, если бы путем слияния двух ядер гелия нам удалось образовать одно ядро бериллия, то в такой реакции пришлось бы затратить энергии больше, чем ее было бы получено. Дело обстоит здесь так, как если бы в рассмотренном примере кратер был мелкий, а края его высокие (рис. 31, б ), Понятно, что на подъем камней потребуется здесь больше энергии, чем они ее отдадут при последующем падении.

Как заставить атомные ядра сближаться настолько тесно, чтобы ядерные силы вступали в действие и образовывали более тяжелые ядра? Каким способом сообщить ядрам необходимые для этого колоссальные скорости?

Можно, конечно, разогнать ядра, например дейтерия, с помощью того или иного ускорителя и направить их на мишень, содержащую эти же или какие-либо другие ядра. Однако такой метод, при огромном его научном значении, не годится для производства ядерной энергии, так как количество быстрых ядер, получаемых таким способом, невелико и к тому же шансы попасть в ядра мишени очень уж малы. Из многих тысяч ядер-«снарядов» лишь одно испытывает лобовое столкновение с ядром мишени, ведущее к образованию более тяжелого ядра. В результате выход энергии оказывается ничтожным по сравнению с колоссальными затратами ее.

Как разогнать одновременно большое количество атомных ядер? Можно, оказывается, воспользоваться вечным тепловым движением частиц вещества. Тепловым движением называют непрерывное и беспорядочное по направлению и скорости движение частиц вещества (молекул, атомов, атомных ядер, электронов и т. д.). Известно, что скорость частиц в этом движении растет с температурой, и поэтому, нагревая какое-либо вещество, в принципе возможно сообщить его частицам такие же большие скорости, как и в ускорителе. Сталкиваясь в силу теплового движения друг с другом, частицы смогут в этом случае преодолевать силы электрического отталкивания и соединяться. Какие же температуры необходимы для этого?

При обычных температурах, при которых мы живем, средняя скорость теплового движения молекул азота воздуха, например, составляет 0,5 км/сек , водорода — около 1,8 км/сек . При таких скоростях сближение частиц до слияния их ядер невозможно, так как имеющейся энергии недостаточно для преодоления сил электрического отталкивания. Чтобы преодолеть это отталкивание, необходимы значительно более высокие скорости.

Температуры, измеряемые десятками и даже сотнями тысяч градусов, тоже еще не дают нужных скоростей. И только при температурах в несколько миллионов градусов, когда средние скорости ядер водорода достигают нескольких сот километров в секунду, отдельные столкновения наиболее быстрых из них заканчиваются слиянием их. Наконец, при температуре в десятки миллионов градусов уже многие столкновения между ними ведут к ядерным превращениям. Еще более высокие температуры потребуются для осуществления слияния атомных ядер более тяжелых элементов.

При сверхвысоких температурах атомы легких элементов (водород, гелий, литий и т. д.) оказываются полностью ионизированными, их ядра лишены обычно окружающей их электронной оболочки и существуют, так сказать, в «голом» виде. Ядра и вырванные из атомов электроны образуют своеобразный электронно-ядерный газ, называемый физиками плазмой, с очень высокой плотностью (порядка нескольких десятков граммов на кубический сантиметр). Все частицы этой плазмы движутся с огромными скоростями и часто сталкиваются между собой. То, что ядра водорода и других легких элементов в этих условиях «голые», весьма облегчает их слияние при столкновениях.