Физические основы получения атомной энергии

IV. ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ

Ядро — самая тяжелая часть атома и заключает в себе почти всю его массу. На долю легких электронов приходится менее 0,05% всей массы атома.

Соответственно этому распределяется в атоме и энергия. Почти вся энергия, скрытая в атоме, заключена (сосредоточена) внутри его ядра; на долю электронной оболочки приходится менее 0,05% всей энергии атома. Такое заключение о распределении энергии в атоме вытекает из закона взаимосвязи массы и энергии и подтверждается практикой.

Как известно, энергия и масса являются свойствами материи. Масса — физическая величина, характеризующая инерцию материи, то есть свойство ее сохранять состояние своего движения при отсутствии внешних воздействий. Энергия — это мера физического движения материи во всех ее формах. К такому пониманию энергии наука пришла не сразу.

Еще около 200 лет назад М. В. Ломоносов сформулировал закон сохранения материи и ее движения (закон Ломоносова), согласно которому «все перемены, в натуре (природе. — В. М.) случающиеся, такого суть состояния, что сколько чего от одного тела отнимется, столько присовокупится к другому. Так, ежели где убудет несколько материи, то умножится в другом месте… Сей всеобщий естественной закон простирается и в самые правила движения: ибо тело, движущее своей силой другое, столько же оныя у себя теряет, сколько сообщает другому, которое от него движение получает».

Этими словами Ломоносов утверждал неуничтожимость материи и ее движения. Одним из частных проявлений всеобщего закона Ломоносова был экспериментально установленный им самим закон сохранения вещества (массы). Значительно позже, лишь в XIX веке, в связи с развитием производства, складывается в науке понятие об энергии. Широкое использование в промышленности тепловой энергии и начавшееся овладение электрической энергией привело немецких физиков Р. Майера и Г. Гельмгольца и английского физика П. Джоуля к открытию в середине XIX века закона сохранения и превращения энергии. Согласно этому закону энергия в вечном круговороте материи не исчезает и не создается вновь, а лишь превращается из одной формы в другую. Этот закон подтвердил гениальное предвидение Ломоносова о переходе одних видов движения в другие и явился дальнейшим развитием и конкретизацией его закона.

С помощью понятия энергии физика выражает неуничтожимость движения материи, его способность к бесконечным превращениям из одной формы в другую.

Открытие в дальнейшем закона сохранения электрического заряда и, наконец, закона взаимосвязи массы и энергии еще полнее раскрыло глубочайшее содержание всеобщего закона природы, усмотренного Ломоносовым.

Современная физика научно доказала, что в природе нет нематериального движения, то есть движения без материи, как нет и не может быть материи без движения. Материя и движение неразрывно связаны между собой, неотделимы друг от друга. Отражением этой объективно существующей связи материи и ее движения является закон взаимосвязи массы и энергии, указанный в 1905 г. выдающимся немецким физиком А. Эйнштейном.

Если массу любого материального объекта в граммах обозначить через m, а его полную энергию в эргах — через E, то этот закон выразится формулой

где с — скорость света в пустоте, составляющая 30 миллиардов сантиметров в секунду (3∙10¹⁰ см/сек).

Пользуясь этой формулой, можно подсчитать, какая энергия заключена в кусочке вещества, обладающем массой, например в 1 г:

что составляет около 21 млрд. ккал. Такое количество энергии могло бы обеспечить работу установки мощностью в 1 тыс. л.c. в течение 4 лет. Как видим, с очень небольшой массой связана огромная скрытая в материи энергия.

По отношению к свету, являющемуся одной из форм материи, с несомненностью установлено, что именно соотношением (2) связаны между собой энергия и масса света. Существование такой связи вытекает из классических опытов П. Н. Лебедева по световому давлению. Опыты Лебедева показывают, что материальные частицы света — фотоны, падая на поверхность освещаемого тела, производят на него давление точно так же, как и молекулы газа, бомбардирующие стенки сосуда. Полная энергия фотона в соответствии с формулой (2) равна его массе, умноженной на квадрат скорости света.

По отношению к обычной материи, то есть к веществу, пока установлено, что всякое изменение энергии тела на Е эргов сопровождается одновременным изменением массы на m граммов по формуле (2). Если, например, изменение энергии тела происходит путем передачи ее другому телу, то одновременно с этим совершается передача второму телу и соответствующей массы. По уменьшению массы первого тела, пользуясь формулой (2), можно определить количество переданной энергии. При этом, как это видно из приведенного выше расчета, малым изменениям массы соответствуют огромные изменения энергии.

Закон взаимосвязи массы и энергии составляет основу энергетических расчетов современной ядерной физики.

Часть энергии, заключенной в электронной оболочке атомов, выделяется при излучении атомами света и особенно в химических реакциях. Химические реакции, происходящие при горении топлива и взрыве обычных взрывчатых веществ, являются пока основным источником энергии для человечества.

Трудами многих ученых, среди которых выдающуюся роль сыграли работы А. М. Бутлерова, было установлено, что в химических реакциях молекулы одних сложных веществ превращаются в молекулы других веществ. При этом изменяются (перестраиваются) лишь электронные оболочки атомов, а ядра остаются неизменными.

Химические реакции могут происходить как с выделением энергии и соответствующей массы, так и с их поглощением. Энергия, которая выделяется в химических реакциях, называется химической.

В химической реакции взрыва 1 кг тротила (тола) выделяется немногим больше тысячи килокалорий химической энергии, превращающейся при взрыве в другие формы энергии. Из 1 кг хорошего каменного угля, сжигая его, мы можем получить в виде тепла до 7000 ккал энергии. Килограмм нефти дает до 11 000 ккал.

Значительно большие количества энергии могут быть получены из атомных ядер, поскольку запасы энергии в них превосходят во много раз энергию электронных оболочек.

Для освобождения химической энергии дерева, угля, нефти людям пришлось в свое время научиться зажигать их, то есть вызывать в них химические реакции, в которых изменяются электронные оболочки атомов. Для использования энергии атомных ядер нужно научиться осуществлять ядерные реакции, в которых изменялись бы сами ядра.

Ядерные реакции — это процессы превращения атомных ядер, в которых происходит изменение (перестройка) самих ядер: протоны и нейтроны перегруппировываются в более сложные ядра, либо, наоборот, сложные ядра распадаются на более простые. При ядерных превращениях происходит либо выделение энергии и массы, либо их поглощение. Энергию, которая выделяется в ядерных реакциях, принято называть атомной, или ядерной.

Количество ядерной энергии, выделяющейся на каждый грамм вещества в используемых в настоящее время реакциях, превышает в миллионы раз химическую энергию, освобождающуюся при сжигании одного грамма лучшего топлива.

Впервые с ядерными реакциями человечество познакомилось около 50 лет назад при изучении радиоактивности. Распад ядер радиоактивных атомов представляет собой пример естественной самопроизвольно протекающей ядерной реакции с выделением части энергии, заключенной в ядрах. Поэтому открытие и изучение радиоактивности справедливо считают первым шагом на пути овладения ядерной энергией.

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∙10²⁰, согласно формуле (2) найдем

Умножая эту величину на число атомов, содержащихся в грамме гелия[6] 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.

Указанные выше основные пути получения энергии атомных ядер ныне практически реализуются: первый — в реакции деления тяжелых ядер урана или плутония, второй — в термоядерной реакции с водородом.