Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

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∙10 20, согласно формуле (2) найдем

Умножая эту величину на число атомов, содержащихся в грамме гелия [6] Число атомов в 1 г любого элемента равно числу Авогадро 6,02∙10 23 , деленному на атомный вес этого элемента. Для гелия, атомный вес которого равен 4, это число составляет 6,02∙10 23 /4= 1,5∙10 23 атомов на один грамм. 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.