Александр Проценко - Энергия будущего
В этом анекдоте есть доля правды. Как ни удивительно, но в век атомной энергетики и покорения космоса очень многие ничего или почти ничего не знают о ядерном реакторе, об атомной энергетике, которая гигантскими шагами входит в нашу жизнь. Может быть, причина этого в удивительно быстром развитии знаний ученых о тайнах атома? Может быть, это развитие настолько стремительное, что за ним не поспевает ясная и правдивая информация? А может быть, виновным является и сам ядерный реактор: ведь понимание процессов, происходящих при его работе, очень непростая вещь. В этом отношении он довольно парадоксален. Вот пример: чтобы сделать простейший реактор, не нужно знать почти ничего, кроме, пожалуй... рецепта, подобного рецепту, взятому из поваренной книги.
Выглядеть такой рецепт мог бы так. "Возьмите алюминиевый бак. Наполните его 20 литрами дистиллированной воды, засыпьте 3800 граммов уранилнитрата (уран с азотом), тщательно перемешайте смесь стальной ложкой. Затем быстро выньте ложку, и вы получите работающий ядерный реактор".
Конечно, это шутка. Однако в принципе именно так может выглядеть гомогенный (однородный) ядерный реактор на тепловых нейтронах. Но как, не имея опыта домашней хозяйки, а руководствуясь только рецептом, можно приготовить не обед, а лишь нечто с ним схожее, так, не зная принципов работы реактора, не имея необходимых контрольных приборов, можно получить бак с грязной водой, а если и реактор, то такой, которым невозможно управлять.
Хотя о существовании больших запасов энергии в ядре атома было известно очень давно, понадобилось несколько десятилетий исканий, расширения знаний о свойствах ядер атомов, длинная цепочка интересных, открытий, приведших к созданию ядерного реактора, - устройства, в котором освобождается энергия деления ядра.
Ядра со "знаком качества"
Чтобы разделить ядро и вызвать высвобождение внутренней энергии, нужно выбрать "инструмент", сравнимый с размером самого ядpav-ведь никто не станет разбивать грещшй opejc паровым молотом. Непригоден он и для разделения ядра. Его и не разбить таким инструментом.
Мы уже знаем несколько частиц, сравнимых с размером ядра. Перечислим их. Прежде всего это само же ядро. Затем нейтрон и протон. Пока достаточно. Они пригодны в качестве инструмента. А теперь стоит уточнить,, какими свойствами этот инструмент должен обладать.
Чтобы расколоть полено, разбить камень или распилить железную заготовкуг мало иметь остро отточенный топор,, удобный молоток или пилу, нужно еще затратить энергию. Нельзя забывать, что материалы бывают капризные: каждому нужна только "его" энергия - та, с помощью которой можно этот материал обработать.
Чтобы разделить ядро, нужно затратить энергию, различную для разных ядер.
При изучении строения атома и его ядра обычно возникает вопрос: почему ядро не разваливается само по себе? Ведь входящие в его состав протоны электрически заряжены, следовательно, они должны отталкиваться друг от друга с большой силой. Почему же этого не происходит? Объясняется это тем, что внутри ядра действуют еще так называемые внутриядерные силы, притягивающие друг к другу частицы ядра. Силы эти велики, но действуют только на очень близком расстоянии, поэтому их называют короткодействующими. Онито и компенсируют - гасят силы электрического отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно распасться.
В пределах объема ядра составляющие его частицы находятся в беспрерывном движении. Если бы удалось добавить туда хотя бы немного энергии, то есть ввести ее избыточное количество, то частицы стали бы двигаться быстрее. Можно предположить, что они смогли бы преодолеть соединяющие их ядерные силы и "изнутри" взорвать, разделить ядро. Величину этой избыточной энергии (физики называют ее энергией возбуждения) можно рассчитать.
Если проделать эти вычисления, то окажется, что легче всего поддаются делению тяжелые ядра. Так, для урана-235 величина энергии возбуждения равна всего 5 миллионам электронвольт - 5 Мэв. (В своих расчетах физики предпочитают пользоваться этой единицей энергии. Один Мэв примерно равен 4-10^-17 килокалориям.) Для платины (атомный вес 195) величина возбуждения равна 40 Мэв, а для элемента с атомным весом 141 (празеодим) возрастет до 62 Мэв. Ядра тяжелых элементов самые неустойчивые. Достаточно лишь немного "подтолкнуть" такое ядро, то есть добавить небольшое количество энергии, как оно разделится.
Если теперь возобновить разговор об инструменте и энергии, то инструментом для деления атомного ядра могут быть, как уже говорилось, протоны, другие ядра или нейтроны. Попав в ядро, они должны иметь хороший запас энергии, то есть обладать большой скоростью. Этот запас должен быть не меньше той энергии возбуждения, о которой речь шла выше. Только тогда ядро перейдет в возбужденное состояние и произойдет его деление.
Для того чтобы протон или нейтрон обладали энергией 5 Мэв, необходимой, для деления урана-235, нужно, чтобы скорость их равнялась 30 тысячам километров в секунду.
Мы еще не обращали внимания на одно свойство частиц, представляющих собой инструмент для деления ядра, - их заряд. А ведь протоны и ядра атомов - это заряженные частицы, и именно поэтому они как инструмент непригодны для деления ядра. При сближении, например, протона с ядром между ними будут действовать силы отталкивания. Преодолевая их, протон потеряет часть своей энергии и попадет в ядро таким обессиленным, что уже не сможет разделить ядро. Значит, энергия заряженных частиц-снарядов должна быть очень большой (вспомните термоядерный синтез), существенно больше энергии, необходимой для деления ядра.
Поэтому в качестве инструмента для деления предпочтение надо отдать незаряженному нейтрону. Пользуясь своей нейтральностью, он может свободно проникать в ядро; ему не надо преодолевать силы отталкивания. Чтобы разделить ядро, он должен только принести в него энергию возбуждения, и ее будет достаточно для этой "операции".
Остановимся еще на одном факте, имеющем громадное значение для осуществления реакции деления.
Когда шла речь о синтезе элементов, мы заметили, что если лишь присоединить нейтрон к ядру, то, поскольку это будет уже элемент с другим атомным весом, должна выделиться энергия, обусловленная изменением недостатка (дефекта) массы. В случае присоединения нейтрона к урану-235 она равна примерно 7 Мэв. Прежде чем выделиться из ядра, эта энергия переведет его в возбужденное состояние. Следовательно, "простое присоединение" нейтрона к ядру уже вносит в него энергию возбуждения, большую той, которая необходима для разделения элемента с атомным весом 235 (она равна, если помните, 5 Мэв), точнее, 236, так как после присоединения нейтрона атомный вес увеличился на единичку.
Отсюда вытекает, что нейтрон не должен обладать никакой начальной энергией, его не нужно разгонять до 30 тысяч километров в секунду, необходимо только, чтобы он как-то попал в ядро. Тогда оно придет в возбужденное состояние и с большой вероятностью разделится. А уж само деление приведет к выделению энергии гораздо большей. О ее величине мы уже говорили: для урана-235 она равна примерно 200 Мэв на ядро (20 миллионов килокалорий на грамм урана).
Под действием нейтронов, не обладающих начальной энергией, могут делиться не все ядра, а только те, у которых энергия возбуждения, необходимая для их деления, меньше 7 Мэв, то есть той энергии, которая выделяется при простом добавлении нейтрона к ядру.
Таких ядер известно немного. Их атомный вес должен быть близким к 235, и для них энергия возбуждения, вызывающая деление их ядер, составляет около 5 Мэв.
Действительно, платина (атомный вес 195) уже не подходит. Энергия возбуждения, необходимая для ее деления, равна 40 Мэв. Элемент с атомным весом 141 вообще невыгодно делить: энергия, которую необходимо затратить на его деление (62 Мэв), меньше энергии, обусловленной дефектом массы и выделяющейся при делении (48 Мэв). Значит, нужные элементы со "знаком качества" следует искать вблизи атомного веса 235. Они легко делятся и отдают большую энергию, чем тратится на их деление. Прежде всего это сам уран с атомным весом 235, наиболее распространенный в природе, затем плутоний-239 и изотоп уран-233. Эти элементы называются делящимися.
Как это было
Последовательность шагов, которые мы делали, подходя к делению ядер, почти обратна историческому ходу событий. До 1938 года физики вообще не знали, что деление возможно. Лишь открыв это опытным путем, они объяснили природу данного явления: почему его легко осуществить с помощью нейтронов и трудно с помощью протонов. Вот как это происходило.
С 1919 года физики-экспериментаторы начали изучать ядра элементов, бомбардируя их-пучками летящих частиц: ядрами гелия (альфа-частицами), протонами.
При обстреле ядра влившаяся в него частица меняла его заряд и атомный вес. Первым человеком, осуществившим превращение ядра, был английский ученый Э. Резерфорд. Он наблюдал реакцию получения кислорода из азота при обстреле последнего ядрами гелия.
