Ядерная энергетика как источник энергии Солнца

Ядерная энергетика как источник энергии Солнца

Когда Ч. Дарвин предложил научной общественности свою знаменитую теория о происхождении видов, то самым серьезным вопросов его оппонентов был вопрос о сроках эволюции. К тому времени была известна масса Солнца и энергия, которую получает от него Земля. Предположим, утверждали оппоненты, что Солнце целиком состоит из самого высококалорийного кардиффского угля. Тогда, зная энергию, которую получает Земля от Солнца за единицу времени, можно рассчитать, что Солнце должно полностью сгореть в течение нескольких тысяч лет.

Это хорошо согласуется с христианским летоисчислением, согласно которому бог создал Землю примерно несколько тысяч лет тому назад, в то время как по Дарвину эволюция длилась многие миллионы лет. Кстати, Дарвин так и не смог убедительно ответить на этот вопрос, что и не удивительно. Так как в то время не было ничего известно о ядерной энергетике, которая в миллионы раз эффективнее обычного сжигания энергоносителей.

Строение атомного ядра

Как уже сообщалось, атом состоит из положительно заряженного ядра и электронной оболочки. Положительный заряд ядра полностью компенсируется отрицательным зарядом вращающихся вокруг него электронов. Химические свойства атома полностью определяются числом атомных электронов.

Параметры атомного ядра определяются следующими величинами.

Z – число протонов в ядре (совпадающее с числом электронов в атоме), являющееся порядковым номером элемента в Периодической системе Менделеева.

Протоны (р⁺) – тяжелые положительно заряженные элементарные частицы, входящие в состав атомного ядра.

N – число нейтронов в ядре.

Нейтроны (n) – тяжелые незаряженные элементарные частицы, входящие в состав атомного ядра. Протоны и нейтроны объединяются общим термином нуклоны.

А – массовое число ядра, равное числу нуклонов в ядре, А = Z + N.

Ядро X обозначается как . Обычно нижний индекс не пишется, так как он целиком определяется химическим символом элемента, то есть вместо обычно пишут просто Не⁴ (химический символ гелия Не, второго элемента в Периодической системе элементов, однозначно говорит о том, что для него Z = 2).

Ядра и атомы, имеющие одинаковое число протонов в ядре, но различающиеся между собой количеством нейтронов, называются изотопами. Т.о., различные изотопы одного и того же элемента отличаются друг от друга не по химическим свойствам (они у них идентичны в силу одного Z), а лишь по атомному весу.

В силу идентичности химических свойств задача разделения изотопов представляет собой сложную техническую проблему, решение которой возможно только в рамках так называемых высоких технологий и лишь в странах с высокой технической культурой.

О сложности проблем разделения изотопов можно судить по их сравнительной стоимости. Химически чистый уран ценится примерно как золото, т.е. порядка $25/г. Содержание изотопа U²³⁵ (топлива для АЭС, основы атомных бомб) в природном уране составляет всего 0,7%. Стоимость же урана, обогащенного таким изотопом, может возрастать (в зависимости от степени обогащения) в десятки тысяч раз и доходить до »$1 млн./г.

Для примера рассмотрим приведенные в таблице 8 параметры ядер простейших изотопов.

Таблица 1

Параметры строения ядер изотопов водорода и гелия

Изотопы водорода	Z	N	A	Изотопы гелия	Z	N	A
H¹ – обычный водород				He²
H² (D)– тяжелый водород (дейтерий)				He³
H³(T) – сверхтяжелый водород (тритий)				He⁴

Хотя к настоящему времени известно немногим более ста химических элементов, различных изотопов известно около тысячи. При этом большая часть известных изотопов неустойчива, т.е. радиоактивна.

Ядерные реакции

Энергия, выделяющаяся в ходе ядерных реакций, происходящих в реакторах АЭС, при взрыве атомных и водородных бомб и на солнце, определяется знаменитым уравнением Эйнштейна

E = mc² (1),

показывающим, что масса и энергия являются взаимно зависимыми параметрами вещества, которые могут переходить друг в друга.

При сжигании 1 кг первосортного угля выделяется энергия порядка 30 МДж = 3×10⁷ Дж. Если же это количество угля преобразовать в энергию по уравнению (1), то получим энергии в 3×10⁹
раз больше:

Е = 1кг (3×10⁸м/с)² = 9×10¹⁶ Дж » 10¹⁷ Дж,

что хватит для удовлетворения годовой планетарной потребности в энергии.

Т.о., уравнение (1) показывает, что мы окружены практически неисчерпаемым источником энергии. Проблема состоит в практическом освоении этого уравнения, которое началось с ядерных реакций распада и синтеза.

На сегодняшний день удается переводить в энергию не всю массу вещества, а лишь ее тысячную часть (согласно закону сохранения нуклонов). Т.о., для удовлетворения годовой энергетической потребности планеты необходимо по формуле (1) преобразовать в энергию не килограмм топлива, а тонну.

В ходе ядерных реакций наблюдается так называемый дефект массы Dm, т.е. масса конечных продуктов несколько меньше массы исходных. Тогда энергия DЕ, высвободившаяся в результате какой-либо ядерной реакции, определяется как

DЕ = Dm×c² (2).

Масса атомного ядра m_Я всегда меньше суммы масс составляющих его нуклонов (протонов и нейтронов). Разница таких масс определяет энергию связи ядра Е_св:

Е_св = (m_Я – Zm_p – Nm_n)c² (3).

Энергия связи атомных ядер (при пересчете на один нуклон) максимальна для средних элементов Периодической системы и минимальна для самых тяжелых и самых легких. Поэтому энергетически выгодны (т.е. приводят к дефекту массы и, следовательно, к высвобождению энергии) ядерные реакции синтеза легких ядер и распада тяжелых.

Реакции ядерного распада

Примером типичной реакции ядерного распада, происходящей в атомных бомбах и в ядерных реакторах, является следующая реакция:

(4).

Здесь ядро U²³⁵, поглощая медленный нейтрон, трансформируется в крайне неустойчивый, не существующий в природе изотоп U²³⁶, который немедленно распадается, образуя ядра цезия-140 и рубидия-94 с одновременным выбросов двух нейтронов и выделением энергии (180 МэВ на один распад).

эВ (электронвольт) – единица энергии, широко используемая в атомной и ядерной физике. 1 эВ = 1,66·10^-19Дж.

«Поджигом» реакции (4) является медленные нейтроны, число которых в ходе реакции может возрастать в геометрической прогрессии. Если масса ядерного горючего (урана-235) такова, что она поглощает менее половины образовавшихся в ходе реакции нейтронов, то реакция затухает. Если же поглощается ровно половина образовавшихся нейтронов, то реакция приобретает контролируемый характер (что реализуется в ядерных реакторах). Если масса исходного урана-235 достаточно велика для того, чтобы поглощать большую часть образовавшихся нейтронов, то реакция все время ускоряется, приобретая цепной характер, в результате чего происходит взрыв (что реализуется в атомных бомбах).

Масса ядерного горючего m_яг, при которой поглощается ровно 50% образовавшихся нейтронов, называется критической массой m_кр. При m_яг > m_кр скорость реакции ядерного распада начинает неконтролируемо возрастать, что приводит к взрыву.

В ядерных реакторах в качестве замедлителей реакции используются графитовые стержни, поглощающие медленные нейтроны. Основной причиной Чернобыльской катастрофы был вопиющий непрофессионализм операторов АЭС, которые ускорили ядерную реакцию (для получения большего количества вырабатываемой электроэнергии) так сильно, что она стала неконтролируемой.

Далее продукты реакции (4), являясь радиоактивными, испытывают цепь b-превращений, испуская b- и g-лучи, образуя в конце концов стабильные изотопы церий-140 и цирконий-94:

(5),

(6).

Ядерная энергетика на сегодняшний день является одним из самых экологически чистых способов получения энергии. Ведь 1 грамм урана-235 способен заменить несколько тонн традиционного горючего (угля, мазута и пр. – см. Табл.2)! В результате в мире неуклонно растет доля энергии, вырабатываемой на АЭС.

Таблица 2

Сравнительные энергетические способности различных топлив

Тип ядерной реакции	Энергоемкость, ГДж/г	Энергетические эквиваленты, т
		УТ	нефть	газ	уголь
		УТ	нефть	газ	каменный	бурый
Расщепление (4)	73,8	2,5	1,8	2,1	2,0–2,5	2,4–3,2
Синтез (8)					16–19	19–25
Аннигиляция (1)	9×10⁴				2500–3000	2903–3913

Реакции ядерного синтеза

Наше Солнце непрерывно излучает громадное количество энергии, которая получается в ходе реакций ядерного синтеза, например:

Н¹ + Н¹ ® Н² + е⁺ + 2,2 МэВ (7а),

Н² + Н¹ ® Не³ + 5,5 МэВ (7б),

Не³ + Не³ ® Не⁴ + 2Н¹ + 12,8 МэВ (7в),

Не³ + Не⁴ ® Ве⁷ + 1,6 МэВ (7г),

Ве⁷ + Н¹ ® В⁸ + 0,14 МэВ (7д).

Отметим, что в ходе реакций ядерного синтеза постепенно появляются все более тяжелые элементы, реакции с которыми становятся менее энергетически выгодными (в расчете на один нуклон).

Для человека, знакомого с основами только классической физики, реакции типа (7а,б) кажутся совершенно невозможными. Во-первых, протонам, чтобы сблизиться, необходимо преодолеть кулоновское отталкивание, которое будет возрастать по мере их сближения. Во-вторых, если каким-то образом удастся привести протоны в соприкосновение, преодолев так называемый кулоновский барьер, то что может заставить эти протоны «мирно сосуществовать» в новом ядре гелия – ведь под действием электрических сил протоны обязаны разлететься!

Стабильность атомных ядер (у которых Z > 1) объясняется силами ядерного притяжения (так называемого сильного взаимодействия), которые намного сильнее электрических, но обладают малым дальнодействием – они практически исчезают на расстоянии 2 фм (диаметр протона порядка 1 фм, 1 фм = 10^-15м). Т.о., система из нескольких протонов будет стабильной, если эти протоны соприкасаются друг с другом.

Протоны смогут соприкоснуться, если их кинетическая энергия превысит потенциальную энергию электрического отталкивания (около 3 МэВ). Такое станет возможным, если протоны разогреть до температуры порядка 10⁷К. Вследствие необходимости высоких температур подобные реакции ядерного синтеза называются термоядерными. Подходящие условия для протекания таких реакций реализуются на нашем Солнце и на других действующих звездах. В ходе термоядерных реакций в расчете на единицу массы исходных веществ выделяется в среднем в 5–6 раз больше энергии, чем в реакциях ядерного распада.

На практике при взрыве водородных бомб используют несколько иные, более легко осуществляемые реакции:

(а) Не⁴ + 24 МэВ

Н² + Н² ® (б) Не³ + n¹ + 3,3 МэВ (8),

(в) Н³ + р¹ + 4,0 МэВ

где водород заменяют тяжелым водородом (дейтерием). Высокая температура, необходимая для преодоления кулоновского отталкивания ядер дейтерия, достигается предварительным взрывом атомной бомбы. Каналы реакции (б) и (в) более вероятны, но менее энергетически выгодны. Увеличить вероятность наиболее привлекательного канала (а) можно только в рамках управляемого термоядерного синтеза.

К сожалению, следует констатировать, что первая советская атомная бомба была результатом деятельности, прежде всего, не советских ученых, а советской разведки. Между тем, в деле создания первой в мире водородной бомбы (1952 г.) российский научный приоритет несомненен.

Водородная бомба с экологической точки зрения гораздо «чище» атомной, т.к. в ходе реакций (8) практически не получается радиоактивных веществ. Т.о., если бы не «атомный поджиг», то водородная бомба была бы почти безвредной экологически.

Свободный нейтрон, получаемый в ходе реакции (8), радиоактивен и распадается по схеме

n ® p⁺ + e^–.

Однако период его полураспада составляет 15 минут. Следовательно, в течение часа радиоактивность образовавшихся нейтронов ослабнет в 2⁴=16 раз, а за сутки в 2⁹⁶»6×10²⁸ раз, т.е. снизится до фоновых значений.

Если планетарные запасы горючего для проведения реакций ядерного распада хотя и велики, но все же ограничены, то запасы дейтерия (исходного сырья для реакций ядерного синтеза) поистине безграничны. Ведь вода – самое распространенное вещество на нашей планете (планетарные запасы воды составляют 1,5×10²¹кг). Дейтерий обычно присутствует в воде в виде HDO, доля которой в мировых водах составляет 0,03%. Тогда количество HDO составляет 4×10¹⁷кг, а масса чистого дейтерия – 4×10¹⁶кг = 4×10¹³т. Между тем, из грамма дейтерия по реакции (8а) можно получить более 500 ГДж энергии. Т.е. для удовлетворения годовой планетарной потребности в энергии (10¹⁷Дж) потребуется всего 2×10⁵г = 200 кг дейтерия!

Тяжелая вода HDO и D₂O весьма токсична для человека. Существуют надежные статистические данные, показывающие четкую взаимосвязь между концентрацией дейтерия в природных водах и здоровьем населения. Из них следует однозначный вывод: чем меньше дейтерия в воде, тем здоровее население. Этим также можно объяснить происхождение древних легенд о живой и мертвой воде. Мертвая вода – это тяжелая вода, живая – облегченная, полученная, например, очисткой обычной воды от тяжелой.

К сожалению, в отличие от реакций ядерного распада, человечеству не удалось пока «приручить» реакции ядерного синтеза, сделав их контролируемыми. В настоящее время удается осуществлять их только со взрывом в водородных бомбах. Мировые эксперты сходятся на том, что необходимо начальное финансирование порядка 100 млрд. евро, чтобы начать масштабные работу по осуществлению управляемого термоядерного синтеза. Российскому академику Велихову принадлежит мысль, что термоядерная энергетика станет доступной человечеству только тогда, когда она в ней возникнет крайняя нужда. Т.е. пока не кончатся традиционные источники энергии – нефть, газ и уголь (а нашу современную цивилизацию можно считать нефтяной), серьезные работы по проблемам управляемого ядерного синтеза развернуты не будут.

Ядерные реакции в настоящее время успешно используются не только для получения энергии, но и во многих других областях, например, в медицине. Известна так называемая борнейтронзахватная терапия, успешно применяемая для лечения онкологических заболеваний. Суть ее заключается во введении в организм пациента соединений бора, которые хорошо усваиваются злокачественными клетками (в отличие от нормальных). Если после этого облучить пациента потоком свободных нейтронов, то в злокачественных клетках пойдет ядерная реакция

B¹⁰ + n¹ ® Li⁷ + He⁴ + 6.07 МэВ.

Выделяющаяся в ее ходе энергия избирательно сжигает злокачественные клетки, оставляя здоровые клетки неповрежденными.