Ядерная энергия

Я́дерная эне́ргия (атомная энергия), внутренняя энергия атомных ядер, выделяющаяся при ядерных превращениях (ядерных реакциях).

Нуклоны (протоны и нейтроны) в ядре прочно удерживаются ядерными силами. Чтобы удалить нуклон из ядра, надо совершить большую работу, т. е. сообщить ядру значительную энергию. Под энергией связи ядра понимают энергию, которая необходима для полного расщепления ядра на отдельные нуклоны. На основании закона сохранения энергии можно утверждать, что энергия связи равна энергии, которая выделяется при образовании ядра из отдельных частиц. Энергия связи атомных ядер очень велика по сравнению с энергией связи электронов с атомным ядром.

Определить энергию связи ядра можно, зная массу ядра и массы частиц —протонов и нейтронов, из которых оно состоит. Существует т. н. дефект массы: масса покоя ядра всегда меньше суммы масс покоя входящих в него нуклонов. Энергия связи ядер вычисляется с помощью известного соотношения Эйнштейна для связи энергии Е и массы m: E = mc² (где с —скорость света) и равна произведению дефекта массы (т. е. суммарной массы свободных нуклонов минус масса ядра) на квадрат скорости света.

Важную информацию о свойствах ядер дает знание удельной энергии связи ядра, т. е. энергии связи, приходящейся на один нуклон. Она определяется делением энергии связи на массовое число, равное числу нуклонов в ядре. С увеличением массового числа удельная энергия связи, начиная с гелия, сначала слабо растет, достигает максимума в области железа (массовое число 56), после чего плавно снижается. Для большинства химических элементов (за исключением самых легких ядер) эта энергия примерно равна 8 МэВ/нуклон. Наиболее устойчивыми являются ядра, обладающие самой большой удельной энергией связи, т. е. железо и близкие к нему химические элементы периодической системы.

Рост энергии связи легких элементов с увеличением атомного номера происходит из-за того, что значительная доля нуклонов этих элементов находится на периферии ядра. Каждый нуклон из-за короткодействия ядерных сил взаимодействует лишь с небольшим числом соседних нуклонов, и чем меньше массовое число, тем меньше число нуклонов участвует в полноценной ядерной связи со своими соседями. Уменьшение удельной энергии связи у тяжелых ядер обусловлено растущей с увеличением атомного номера энергией отталкивания протонов и означает относительную неустойчивость таких ядер. Становится энергетически выгодно их деление. Использование ядерной энергии основано на осуществлении цепных реакций деления тяжелых ядер и реакций термоядерного синтеза —слияния легких ядер; и те, и другие реакции сопровождаются выделением энергии.

В тяжелых ядрах, наряду с большими силами электрического отталкивания, стремящимися разорвать ядро на части, действуют еще значительные ядерные силы, которые удерживают ядро от распада.

Под влиянием поглощенного нейтрона ядро возбуждается и начинает деформироваться, приобретая вытянутую форму. Оно растягивается до тех пор, пока силы отталкивания половинок ядра не начинают преобладать над силами притяжения, действующими в перешейке. В результате ядро разрывается на две части (так называемые осколки). Под действием кулоновского отталкивания осколки разлетаются со скоростью, равной 1/30 скорости света; одновременно испускается излучение высокой частоты. Большая часть выделяемой энергии приходится на кинетическую энергию осколков.

Не все ядра способны к делению. Наиболее легко делится изотоп урана ²³⁵₉₂U, составляющий всего 1/140 от более распространенного изотопа ²³⁸₉₂U. Это деление вызывается как медленными, так и быстрыми нейтронами, попавшими в ядро. При каждом акте деления ядра испускается 2-3 нейтрона, которые в свою очередь могут вызывать деление других ядер. В результате возникает ядерная цепная реакция. Она сопровождается выделением огромной энергии. При делении одного ядра выделяется около 200 МэВ. При полном же делении ядер, находящихся в 1 г урана, выделяется энергия 2, 3*10⁴ кВт·ч. Это эквивалентно энергии, получаемой при сгорании 3 т угля или 2, 5 т нефти.

Управляемая реакция деления ядер используется в ядерных реакторах. Вероятность захвата ядрами урана медленных нейтронов с последующим делением ядер в сотни раз больше, чем быстрых. Поэтому в ядерных реакторах, работающих на естественном уране, используются замедлители нейтронов. Лучшим замедлителем нейтронов является тяжелая вода. Хорошим замедлителем считается также графит, ядра которого не поглощают нейтронов. Цепная реакция начинает идти, как только масса делящегося вещества превышает некую критическую массу. Управление реактором осуществляется при помощи стержней, содержащих кадмий или бор, являющиеся хорошими поглотителями нейтронов.

Неуправляемая цепная реакция осуществляется в атомной бомбе. Для того, чтобы происходило практически мгновенное выделение энергии (ядерный взрыв), реакция должна идти на быстрых нейтронах (без замедлителей). Взрывчатым веществом служит чистый уран ²³⁵₉₂U или плутоний ²³⁹₉₄Pu.

Выделение энергии при слиянии ядер легких атомов дейтерия, трития или литияс образованием гелия происходит в ходе термоядерных реакций. Эти реакции называются термоядерными, так как могут протекать лишь при очень высоких температурах. В противном случае, силы электрического отталкивания не позволяют ядрам сблизиться настолько, чтобы начали действовать ядерные силы притяжения. Реакции ядерного синтеза являются источником звездной энергии. Эти же реакции протекают при взрыве водородной бомбы.

Осуществление управляемого термоядерного синтеза на Земле сулит человечеству новый, практически неисчерпаемый источник энергии. Наиболее перспективна в этом отношении реакция слияния дейтерия и трития. Экономически выгодная реакция может идти только при нагревании реагирующих веществ до температуры порядка 10⁸ К при большой плотности вещества (10¹⁴-10¹⁵ частиц в 1 см³). Такие температуры могут быть достигнуты путем создания в плазме мощных электрических разрядов. Основная трудность заключается в том, чтобы удержать плазму столь высокой температуры внутри установки в течение 0, 1-1, 0 с. Из-за неустойчивости высокотемпературной плазмы эта задача пока остается нерешенной, и в качестве промышленного источника ядерной энергии в настоящее время используются только реакции деления ядер.

Автор: Г.Я. Мякишев