Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Нельзя получить энергию для практических целей и путем бомбардировки веществ нейтронами, так как получение каждого нейтрона связано с большой затратой энергии.

Опыт практического использования химической энергии говорит нам, что ее можно получать только в таких реакциях, которые поддерживают сами себя, — в так называемых цепных процессах. Таким процессом является известная каждому химическая реакция горения. Для того чтобы зажечь костер из сухих веток, не надо нагревать каждую ветку. Можно зажечь некоторые из них, и тепла, выделяемого при их горении, достаточно для того, чтобы разгорелись соседние, а затем и весь костер.

Нужно было найти такие ядерные реакции, которые вызывали бы подобные же реакций в соседних ядрах вещества, то есть получить ядерный цепной процесс.

Недавно был открыт электрический способ окраски различных изделий. Распыление краски производится при ее соприкосновении с электродом высокого напряжения. Жидкие капли краски разрываются электростатическими силами, возникающими благодаря электрическому заряду жидкости. Здесь, очевидно, электростатические силы преодолевают молекулярные силы сцепления, и большая капля краски делится на ряд маленьких.

То же самое может происходить и с положительно заряженным ядром. Например, при попадании в него нейтрона оно нагревается и может не испускать отдельных частиц, а приходить в колебательное движение, как жидкая капля. Этот процесс схематически изображен на рис. 9. Благодаря таким колебаниям шарообразное ядро попеременно принимает либо сплющенную, либо удлиненную форму. Размах подобного колебания может быть настолько велик, что в средней части ядра образуется перетяжка, и оно под действием электростатических сил разрывается на две части.

Такое расщепление скорее всего возможно у очень тяжелых ядер, так как заряд их довольно большой, а электростатические силы расталкивания растут с зарядом ядра.

Тяжелые ядра обладают меньшей энергией связи, а следовательно, и менее устойчивы. Если такое ядро придет в колебательное движение, то это движение усиливается электростатическим отталкиванием и ядро может разорваться на две части.

Ядерная реакция деления урана была открыта в 1939 году. Было обнаружено, что если нейтрон попадает в ядро урана, то в некоторых случаях это ядро раскалывается, делится на две части, два «осколка» (рис. 10). Из одного ядра урана получаются два радиоактивных ядра более легких элементов. При этом выделяется значительная энергия.

Эту энергию довольно просто подсчитать, воспользовавшись кривой энергии связи. Мы примем, что ядро урана разделится на два почти одинаковых ядра. В получившихся ядрах частицы связаны друг с другом более прочно, нежели в ядре урана. Энергия связи, приходящаяся на одну частицу в этих ядрах, больше энергии связи частицы в уране на 0,85 Мэв.

В момент разрыва ядра урана частицы в «осколках» сжимаются, и при этом выделяется энергия. Каждая частица выделяет как раз ту энергию, которую она приобрела, двигаясь под действием ядерных сил. Эта энергия и равна увеличению энергии связи одной частицы — 0,85 Мэв. Для всех частиц ядра урана выделение энергии составит около 200 Мэв. Сюда входит энергия движущихся «осколков» ядра, нейтронов, гамма-квантов и других частиц, получающихся как в самом процессе деления, так и при последующем радиоактивном распаде «осколков». Надо считать, что кинетическая энергия всех этих «осколков» и частиц в конечном счете превращается в теплоту.

В одном килограмме урана содержится около 2,46∙10 24ядер. Если все ядра разделятся, то при этом выделится 200∙2,46∙10 24=4,92∙10 26Мэв.

Для того чтобы пересчитать эту энергию в более знакомые нам единицы, надо учесть, что 1 Мэв равен 4,5∙10 -20киловатт-часа. Деление одного килограмма урана дает 22 миллиона киловатт-часов энергии, что равноценно теплу, получающемуся при сгорании 2,5 тысячи тонн угля.