1.6. Необходимость развития ядерной энергетики

Примем за единицу измерения энергии ту энергию, которая выделяется при сгорании 33 млрд. тонн угля.

Посчитано, что в 1956г. потребление энергии во всем мире составило 0,12 таких единиц, а к 2000 году ~ 3 единицы в год. В 21 веке темпы прироста потребления энергии, видимо, будут замедляться, т.к. энерговооруженность труда приблизится к практически необходимой величине (кроме того, нужно иметь в виду, что на Земле вообще нельзя выделять энергию более 20% от той, которую дает Солнце – иначе Земля начнет перегреваться). Допустим, что в 21 веке и далее темп прироста будет составлять ~ 0,5%. Тогда до 2150 года человечеству понадобится ~ 600 единиц энергии.

По последней оценке запасы химического топлива на Земле составляют не более 400 единиц. За счет возобновляемых источников (гидроресурсы, солнце, ветер …) можно получить около 200 единиц за период до 2150 года.

Т.о., уже в ближайшие столетия человечество может столкнуться с проблемой энергетического голода.

Запасы термоядерного топлива практически не ограничены. Пусть в качестве топлива будет использоваться только дейтерий, содержание которого в воде составляет 0,0017%. При общем весе воды на Земле ~ 1,4·10¹⁸m вес дейтерия составляет ~ 25 000 млрд. тонн. Даже 1/10 этого количества даст 200 млн. единиц энергии.

Кроме того, переход на ядерное топливо позволит отказаться от массового сжигания химического, которое является ценным сырьем для химической промышленности.

Есть такие области использования ядерной энергии, где ее просто нечем заменить – уже только ради этого стоит заниматься раскрытием тайн ядра, освобождением его энергии.

2. Физические основы ядерной энергетики Строение ядра. Дефект массы Давайте ответим на вопрос: сколько энергии таит в себе земной шар?

Проведем воображаемый опыт. В герметичный сосуд поместим 32 кг кислорода и 12 кг углерода (т.е. в сумме 44 кг). С помощью электрической спирали, помещенной в сосуд, подожжем углерод и проведем полностью реакцию соединения углерода с кислородом.

Взвесив сосуд после реакции, можно определить, что вес углекислого газа не 44 кг, а на ~ 4·10^-6г меньше. Куда делась недостающая масса?

По закону связи массы и энергии (E = m·c², формула Эйнштейна) потери массы соответствуют выделению энергии. Теплота, выделяющаяся при горении углерода, известна. На 12 кг углерода это ~ 94 000 ккал, что составляет 94 000 ккал/4,36·10^-6г = 21,5·10⁹ ккал/г.

Оказывается, величина 21,5·10⁹ ккал/г является постоянной для любых химических реакций.

Т.о., можно посчитать, сколько энергии таит в себе Земной шар. Масса Земли 6·10²⁴г, что соответствует 1,3·10³⁸ ккал - это в 10¹⁹ раз больше, чем весь запас энергии в химическом топливе. 1 кг вещества хватит, чтобы обеспечить энергией 5 человек в течение всей жизни.

Это было бы так, если бы можно было превратить в энергию всю массу вещества, но пока это только из области фантастики. В рассмотренном опыте (C + O₂ = CO₂) мы превратили в энергию лишь одну десятимиллиардную долю вещества. Это очень мало. Надо искать другой путь.

Подумаем, что же это за путь. Что происходит с веществами при химической реакции? Мы получаем новую молекулу, которая состоит из тех же атомов, что и молекулы исходного вещества (молекула характеризует свойства вещества, а атом – свойства данного элемента). В химических реакциях мы никогда не сможем получить новых атомов, что пытались сделать алхимики средневековья.

Т.о., нам нужно искать реакции, в которых менялись бы сами атомы.

Рассмотрим строение атома.

Атом очень мал – его размер составляет ~ 0,2·10^-6 мм.

Вещество, составляющее атом, сконцентрировано в его центре и образует ядро атома. Вокруг ядра на большом (по сравнению с размерами ядра) расстоянии вращаются электроны, которые несут отрицательный заряд и по массе во много раз меньше, чем ядро. Вращаясь вокруг ядра, электроны как бы образуют электронную оболочку атома.

Ядро атома состоит из частиц 2-х типов – нейтронов и протонов. Нейтрон не имеет никакого электрического заряда (латинское слово neutrum означает “ни то, ни другое”). Протон имеет положительный заряд, в точности равный заряду электрона по величине.

В каждом атоме имеется одинаковое число протонов и электронов. Поэтому в целом атом электрически нейтрален.

Сколько весит электрон, нейтрон, протон (e, n, p)? Их масса измеряется в атомных единицах массы: 1 а.е.м. ≈ 1,66·10^-24г. Тогда масса протона равна 1,00759; нейтрона 1,00898; электрона 0,00055.

Мы рассмотрели строение атома и его ядра. Теперь можно подумать, как все-таки извлечь из атома большую энергию, чем он дает при химических реакциях?

Может быть, использовать способ, похожий на реакцию горения, но уже в масштабе элементарных частиц, из которых состоит атом? Возьмем тот же углерод. Это ¹²₆C (6p, 6n, 6e). Масса 6p + 6n + 6e = 12,10272 а.е.м. А вот если взвесить готовый (т.е. существующий в природе) атом C, то его масса меньше – 12,00382 а.е.м. Т.о., недостаток массы = 0,0989 а.е.м. В пересчете на 44 кг выделится энергия 7,78·10¹² ккал. Это ~ в 100 млн. раз больше, чем в реакции соединения углерода и кислорода.

Но у рассмотренного способа есть один “недостаток”. Мы не можем пока получать атомы из отдельных элементарных частиц (и даже неизвестен путь, по которому нужно идти, чтобы осуществить эти реакции). Будем искать дальше.

Точно такое же вычисление недостатка масс, как для C, можно провести для любого элемента и тогда оказалось бы, что этот недостаток массы присущ каждому элементу (изотопу): D (дейтерий) → 0,0024 а.е.м.; T (тритий) → 0,009; He → 0,03; Li → 0,034; Mo → 0,88; La → 1,23; U → 1,91.

Посмотрим различные реакции образования одного элемента из двух других. Чтобы реакция происходила с выделением энергии, получившийся элемент должен иметь больший дефект массы, чем сумма дефектов массы у исходных элементов.

Пример: ²₁D + ⁶₃Li → 2⁴₂He. Здесь результирующий дефект массы = 0,0236. Такие реакции называются реакциями синтеза.

Посмотрим теперь, что можно ожидать от реакции синтеза элементов с большим массовым числом:

⁹⁶Mo + ¹³⁹La → ²³⁵U, откуда результирующий дефект массы = -0,2. Т.о., выгодно, наоборот, разделить U на Mo и La. Такие реакции называются реакциями деления.

Каков энергетический эффект рассмотренных реакций? Вот сравнение:

C + O₂ → 7 ккал/г; D² + Li⁶ → 65000000 ккал/г; U⁵ → 19700000 ккал/г.

В каких случаях выгодна реакция синтеза, а в каких деления? Если сделать соответствующие расчеты дефектов массы для всех известных элементов, то окажется, что при соединении элементов с массовым числом, большим 60, новый синтезируемый элемент может быть получен лишь при затрате энергии на эту реакцию.