Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Такие рассуждения сейчас, конечно, преждевременны. Возможно, что дальнейшее исследование свойств антипротонов и антинейтронов покажет нам, что устойчивые антивещества не могут существовать.

Деление урана.Чрезвычайно заманчивым является использование огромной энергии, освобождающейся в ядерных реакциях. Но не так легко практически получить эту энергию. Путем бомбардировки различных веществ заряженными частицами этого сделать нельзя. Атомные ядра составляют ничтожную часть объема вещества, и попасть в ядро значительно трудней, чем стрелку с завязанными глазами направить пулю в центр удаленной мишени. Из миллионов заряженных частиц лишь одна — две произведут ядерную реакцию. Остальные пройдут мимо ядер и потеряют свою скорость при взаимодействии с электронной оболочкой атомов. Даже очень большая энергия, выделяемая в одной ядерной реакции, не может восполнить потерю энергии на ускорение миллиардов заряженных частиц.

Нельзя получить энергию для практических целей и путем бомбардировки веществ нейтронами, так как получение каждого нейтрона связано с большой затратой энергии.

Опыт практического использования химической энергии говорит нам, что ее можно получать только в таких реакциях, которые поддерживают сами себя, — в так называемых цепных процессах. Таким процессом является известная каждому химическая реакция горения. Для того чтобы зажечь костер из сухих веток, не надо нагревать каждую ветку. Можно зажечь некоторые из них, и тепла, выделяемого при их горении, достаточно для того, чтобы разгорелись соседние, а затем и весь костер.

Нужно было найти такие ядерные реакции, которые вызывали бы подобные же реакций в соседних ядрах вещества, то есть получить ядерный цепной процесс.

Недавно был открыт электрический способ окраски различных изделий. Распыление краски производится при ее соприкосновении с электродом высокого напряжения. Жидкие капли краски разрываются электростатическими силами, возникающими благодаря электрическому заряду жидкости. Здесь, очевидно, электростатические силы преодолевают молекулярные силы сцепления, и большая капля краски делится на ряд маленьких.

То же самое может происходить и с положительно заряженным ядром. Например, при попадании в него нейтрона оно нагревается и может не испускать отдельных частиц, а приходить в колебательное движение, как жидкая капля. Этот процесс схематически изображен на рис. 9. Благодаря таким колебаниям шарообразное ядро попеременно принимает либо сплющенную, либо удлиненную форму. Размах подобного колебания может быть настолько велик, что в средней части ядра образуется перетяжка, и оно под действием электростатических сил разрывается на две части.

Такое расщепление скорее всего возможно у очень тяжелых ядер, так как заряд их довольно большой, а электростатические силы расталкивания растут с зарядом ядра.

Тяжелые ядра обладают меньшей энергией связи, а следовательно, и менее устойчивы. Если такое ядро придет в колебательное движение, то это движение усиливается электростатическим отталкиванием и ядро может разорваться на две части.

Ядерная реакция деления урана была открыта в 1939 году. Было обнаружено, что если нейтрон попадает в ядро урана, то в некоторых случаях это ядро раскалывается, делится на две части, два «осколка» (рис. 10). Из одного ядра урана получаются два радиоактивных ядра более легких элементов. При этом выделяется значительная энергия.

Эту энергию довольно просто подсчитать, воспользовавшись кривой энергии связи. Мы примем, что ядро урана разделится на два почти одинаковых ядра. В получившихся ядрах частицы связаны друг с другом более прочно, нежели в ядре урана. Энергия связи, приходящаяся на одну частицу в этих ядрах, больше энергии связи частицы в уране на 0,85 Мэв.

В момент разрыва ядра урана частицы в «осколках» сжимаются, и при этом выделяется энергия. Каждая частица выделяет как раз ту энергию, которую она приобрела, двигаясь под действием ядерных сил. Эта энергия и равна увеличению энергии связи одной частицы — 0,85 Мэв. Для всех частиц ядра урана выделение энергии составит около 200 Мэв. Сюда входит энергия движущихся «осколков» ядра, нейтронов, гамма-квантов и других частиц, получающихся как в самом процессе деления, так и при последующем радиоактивном распаде «осколков». Надо считать, что кинетическая энергия всех этих «осколков» и частиц в конечном счете превращается в теплоту.

В одном килограмме урана содержится около 2,46∙10 24ядер. Если все ядра разделятся, то при этом выделится 200∙2,46∙10 24=4,92∙10 26Мэв.

Для того чтобы пересчитать эту энергию в более знакомые нам единицы, надо учесть, что 1 Мэв равен 4,5∙10 -20киловатт-часа. Деление одного килограмма урана дает 22 миллиона киловатт-часов энергии, что равноценно теплу, получающемуся при сгорании 2,5 тысячи тонн угля.

Но не это самое важное. Физики знают ядерные реакции, которые дают бóльшую энергию. Например, в реакции образования гелия, о которой говорилось раньше, выделяется в восемь раз большая энергия, чем при делении урана. Самое существенное в реакции деления заключается в том, что, кроме двух обладающих большой энергией «осколков», в этой реакции выделяется еще два или три новых нейтрона, а эти нейтроны могут произвести деление соседних ядер урана. Таким образом, в уране может быть осуществлен цепной процесс (рис. 11).

Два нейтрона, получающиеся в результате первого деления, могут произвести деление еще двух ядер урана. Появятся уже четыре нейтрона, которые разделят четыре ядра, и т. д. Процесс развивается лавинообразно и мгновенно. Все ядерные процессы очень быстры, поскольку при малых междуядерных расстояниях скорость частиц, производящих ядерные реакции, обычно очень велика.