Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Ядерное вещество обладает колоссальным удельным весом (плотностью). Мы привыкли до сих пор иметь дело с веществами, удельный вес которых не превышает 23 [2] Самым тяжелым веществом является редкий металл осмий. Его удельный вес равен 22,5. , то есть один кубический сантиметр такого вещества весит не больше 23 граммов. Кубический же сантиметр ядерного вещества весит больше 100 миллионов тонн, то есть удельный вес его равен 10 14г/см 3.

Эти огромные прочность и плотность объясняются ядерными силами, которые стягивают нуклоны в очень плотную и маленькую частицу — ядро.

Ядра обладают различной прочностью. Наиболее слабо связаны частицы в ядрах легких элементов, находящихся в начале таблицы Менделеева. Эта связь быстро растет с увеличением числа частиц в ядре, а следовательно, растет и прочность ядер. Как уже говорилось, ядерные силы являются короткодействующими, то есть каждая частица ядра связана только с соседними частицами. Между удаленными друг от друга частицами связи нет. Поэтому, начиная с некоторого элемента таблицы Менделеева, связь между частицами в ядрах атомов этих элементов не будет увеличиваться с увеличением числа частиц в ядре атома. Этим и объясняется то, что прочность ядер средних элементов (от кадмия до церия) приблизительно одинакова, то есть нужны примерно одинаковые силы для того, чтобы оторвать один нейтрон от любого из этих ядер. Ведь и прочность обычных веществ, например бумаги или воды, также не зависит от количества вещества. Нужно затратить одинаковое усилие для того, чтобы зачерпнуть ложку воды из ведра или из стакана, оторвать полоску бумаги от целого рулона или от небольшого листа.

В ядрах атомов тяжелых элементов, стоящих в конце таблицы Менделеева, большое значение имеют электростатические силы. Если с увеличением числа протонов и нейтронов в ядре ядерные силы существенно не увеличивают прочности ядра, то электростатические силы отталкивания при этом увеличиваются. Они расталкивают все протоны ядра, даже наиболее отдаленные друг от друга. Электростатические силы как бы разрыхляют большие ядра, делают их менее плотными. Поэтому частицы в ядрах тяжелых атомов слабее связаны между собой, чем в средних.

Энергия атомного ядра.Для того чтобы разрушить атомное ядро, оторвать ядерные частицы друг от друга, надо совершить работу, затратить энергию. Но эта же энергия выделяется в ядерных реакциях, когда протоны и нейтроны соединяются в ядро под действием ядерных сил.

Из элементарной механики известно, что при движении какого-либо тела, происходящем под действием силы, всегда выделяется энергия. В гидроэлектростанциях, например, широко используется энергия воды, движущейся под действием сил земного тяготения.

Химическая энергия также получается в результате движения частиц под действием сил. Когда два атома водорода и один атом кислорода соединяются под действием электростатических сил в молекулу воды, выделяется значительная энергия и происходит взрыв гремучего газа.

Но как мы уже говорили, электростатические силы, связывающие атомы в различных химических соединениях, в миллионы раз меньше ядерных сил. Во столько же раз ядерная энергия больше химической.

Представим себе, что нам удалось каким-нибудь образом оторвать одну частицу и удалить ее на очень большое расстояние от ядра. Так как до этого частица прочно удерживалась ядерными силами, то для того, чтобы ее удалить, необходимо произвести работу, затратить энергию.

Один из основных законов природы — закон сохранения и превращения энергии — говорит о том, что энергия не уничтожается и не возникает из ничего. Поэтому энергия, затраченная на удаление частицы, будет компенсирована энергией, которая выделится тогда, когда эта или другая частица вновь присоединится к ядру.

Таким образом, каждая частица в ядре связана с вполне определенной энергией, и значение этой энергии может быть вычислено, если каким-нибудь способом удастся измерить энергию ядра до и после удаления частицы. В этом случае мы определим энергию, которая называется энергией связи частицы в ядре. Полная энергия связи ядра — это энергия, которая необходима для разделения ядра на все составные частицы.

В разных областях науки ученые пользуются различными, наиболее удобными единицами измерения энергии. В атомной физике, где исследуется электронная оболочка атома и рассматривается сравнительно медленное движение электрона, в качестве единицы измерения энергии принята такая энергия, которую приобретает электрон при прохождении в электрическом поле разности потенциалов в один вольт. Эта единица называется электронвольт (эв).

Но энергия связи частиц в ядре в миллионы раз больше, нежели энергия связи электрона в атоме. Поэтому в ядерной физике пользуются единицей энергии, равной миллиону электронвольт (мегаэлектронвольт — Мэв). Конечно, эти единицы энергии, поскольку они относятся к ничтожно малым ядрам и ядерным частицам, очень малы. При подъеме шарика весом в один грамм на высоту одного сантиметра вы затрачиваете энергию, равную примерно 10 9Мэв. Однако не следует забывать, что в одном грамме вещества находится огромное число атомов. Для того чтобы поднять один атом на эту же высоту, понадобилась бы энергия, равная всего 10 -12Мэв.

На рис. 5 приведена кривая зависимости энергии связи ядер от их массового числа. На оси ординат отложены средние значения энергии связи, приходящиеся на одну ядерную частицу, то есть — , где Е — энергия связи ядра, а на оси абсцисс — массовое число М.

Так как мы условились, что энергия связи определяется затраченной на удаление частицы работой, она является по существу отрицательной величиной. Увеличение энергии связи ядра приводит к более устойчивому его состоянию, то есть к уменьшению всей энергии ядра. Переход из менее устойчивого состояния в более устойчивое всегда сопровождается выделением энергии. Вспомните, какую работу совершает падающая с высоких гор вода или какое-нибудь нагретое тело при охлаждении.

При взгляде на кривую рисунка сразу бросается в глаза, что мы можем ожидать выделения энергии только в таких ядерных превращениях, в результате которых будут образованы самые устойчивые ядра — ядра средней величины, то есть при соединении (синтезе) легких ядер или при делении тяжелых.