Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

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.

Как известно из вышеизложенного, ядерными реакциями называются превращения атомных ядер одного химического элемента в ядра какого-либо другого элемента.

От открытия ядерных реакций, самопроизвольно протекающих при радиоактивном распаде некоторых элементов в природе, до практического осуществления ядерных реакций с целью получения ядерной энергии наука прошла почти полувековой путь.