Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Рассмотренная нами цепная реакция деления тяжелых ядер — это основной путь в настоящее время для получения ядерной энергии. В качестве горючего для этой реакции, кроме урана 235, могут быть использованы уран 233, плутоний 239 и, по-видимому, плутоний 241.

Цепная реакция деления, осуществляемая с возможно большей и быстро нарастающей скоростью, происходит в форме атомного взрыва и используется в атомной бомбе.

Цепная реакция, протекающая без взрыва с регулируемой по воле человека скоростью, осуществляется в так называемых атомных реакторахили котлах; она служит для получения ядерной энергии как источника тепловой, механической и электрической энергии в промышленности, на транспорте, в военном деле и в быту.

Как уже указывалось, ядерную энергию можно получить не только при делении тяжелых ядер, но и путем соединения наиболее легких ядер в более тяжелые. Из кривой энергии связи, рассмотренной выше (см. рис. 20), следует, что наибольшая энергия должна выделяться при соедининии легких ядер в ядра атомов железа и никеля, энергия связи которых имеет самую большую величину, примерно равную 200 млн. ккал на 1 г . Такое количество энергии выделилось бы при образовании 1 г железа из протонов и нейтронов. При рассмотрении кривой энергии связи обращает на себя внимание гелий, ядра которого также имеют большую энергию связи (165 млн. ккал в расчете на 1 г ). Реакции синтеза ядер гелия путем соединения ядер водорода сопровождаются значительно бóльшим выделением энергии на единицу массы, чем реакции деления тяжелых ядер.

Атомные ядра, имея положительный электрический заряд, отталкиваются друг от друга, как и всякие одноименно заряженные тела. Поэтому для слияния каких-либо двух ядер в одно ядро необходимо сначала преодолеть значительные силы электрического отталкивания. Только после того, когда ядра сблизятся настолько, что вступят в действие силы ядерного притяжения, произойдет их слияние.

Ядерные силы имеют, как мы уже знаем, огромную величину лишь внутри ядра, где они в миллионы раз превосходят силы электрического отталкивания между одноименно заряженными протонами. На границе же ядра они настолько быстро уменьшаются до нуля, что радиус их действия не превосходит 7∙10 -13 см . Поэтому для слияния двух легких ядер их надо сблизить настолько, чтобы расстояние между ними стало меньше этой величины. Тогда ядерные силы заставят сближаться ядра дальше до полного слияния и образования нового, более тяжелого ядра.

Из вышеизложенного следует, что соединяться могут только очень быстрые ядра, обладающие большим запасом кинетической энергии, достаточным для производства работы по преодолению сил электрического отталкивания. Значит, здесь, как и в случае реакции деления, для сближения ядер и обеспечения начала ядерного взаимодействия между ними требуется предварительная затрата некоторой энергии, которая называется критической энергией, или энергией активации.

Энергия активации будет, конечно, тем меньше, чем меньше сила электрического отталкивания между соединяемыми ядрами. Значит, легче всего соединить ядра, имеющие возможно меньший электрический заряд. Такими ядрами являются, как мы знаем, ядра атомов водорода, гелия и лития. Вот почему при практическом осуществлении реакций синтеза в качестве реагирующего вещества используют различные изотопы именно этих элементов.

Сказанное выше относительно слияния атомных ядер можно пояснить следующим примером. Представим себе гору с глубоким кратером (рис. 31, а ), и пусть у подножия кратера находятся два шарика (камня). Чтобы воспользоваться потенциальной энергией камней, их можно сбросить в кратер, но для этого им надо сначала сообщить добавочную энергию, подняв на край кратера. После этого под действием силы земного притяжения камни упадут вниз и отдадут значительно больше энергии, чем ее было затрачено при их подъеме.

Преодоление сил электрического отталкивания при слиянии атомных ядер соответствует подъему камней на край кратера в нашем примере. Та добавочная энергия, которая затрачивается при этом, и есть энергия активации. Сближению ядер в сфере действия ядерных сил, сопровождающемуся выделением части ядерной энергии, соответствует падение камней в кратере.