Ядерная физика и ядерная энергетика

После открытия Анри Беккерелем в 1896 году радиоактивности урана в физике появилось новое направление — ядерная физика, изучающая свойства и строение атомных ядер.

Представления об атомном ядре менялись по мере накопления количества наблюдений и экспериментов с «элементарными» частицами.

Пьер и Мария Кюри, Э. Резерфорд и другие ученые открыли три типа радиоактивных ядерных излучений: излучение α-частиц (ядер атомов гелия); β-излучение, т. е. излучение потока электронов атомными ядрами; γ-лучи — электромагнитное излучение, подобное свету, но с очень короткой длиной волны.

Каждое из этих излучений возникает при распаде атомных ядер и является, таким образом, одним из источников нашего познания о строении и свойствах ядер.

В 1932 году советский физик Д. Д. Иваненко высказал гипотезу, согласно которой атомные ядра рассматривались как состоящие из положительно заряженных частиц — протонов и нейтральных частиц — нейтронов, открытых незадолго перед этим англичанином Дж. Чедвиком при облучении элемента бериллия α-частицами.

В дальнейшем с развитием квантовой механики и экспериментальной ядерной техники появилась теория различных ядерных процессов, а также выявлен характер и особенности ядерных сил, действующих между протонами и нейтронами, находящимися на весьма близких расстояниях. Немалая заслуга в этом принадлежит советским физикам И. М. Франку, Л. В. Грошеву, А. И. Алиханову, Д. Д. Иваненко и др., труды которых наряду с работами Гейзенберга, Бора и Ферми послужили основой, на которой была построена современная теоретическая ядерная физика.

Что же представляют собой атомные ядра и каким образом происходит выделение внутриядерной энергии?

Как известно, атомные ядра состоят из протонов и нейтронов, устойчиво соединяющихся в определенных соотношениях друг с другом. Самое легкое атомное ядро — ядро атома водорода — состоит из одного протона, ядро тяжелого водорода (дейтерия) — из протона и нейтрона (рис. 20).

_{Рис. 20. Схемы атомных ядер}

Чтобы сложное ядро существовало устойчиво, число нейтронов и протонов должно быть одинаковым у более простых ядер, но у тяжелых ядер число нейтронов должно превышать число протонов в определенном соотношении.

Протоны несут на себе положительные электрические заряды и поэтому отталкиваются друг от друга. Нейтроны нейтральны, и на них не действуют никакие силы (кроме силы тяжести). Все это справедливо только до тех пор, пока протоны и нейтроны находятся друг от друга на расстоянии, значительно превышающем их собственный диаметр. Если же эти частицы подходят очень близко друг к другу, возникают силы притяжения, во много раз превышающие электрическое отталкивание протонов и сжимающие протоны и нейтроны в очень плотное, и очень небольшое по своим размерам атомное ядро.

Известно, что энергия движения частиц вещества выражается температурой: чем больше энергия вещества, тем выше температура. Например, чтобы сблизить ядра атомов водорода, нужно нагреть водород примерно до сотни миллионов градусов. Если необходимое сближение достигнуто и ядерные силы начали действовать, энергия, выделяемая ядерными силами, покидает атомное ядро или в форме нескольких мощных фотонов, или в виде энергии движения одной или нескольких частиц, выброшенных из ядра.

Энергия, выделяющаяся при образовании атомных ядер химических элементов, настолько велика, что заметно уменьшает массу и вес ядра. По этому уменьшению массы можно очень, точно и сравнительно просто определять энергию образования атомных ядер всех известных видов.

Таким образом, атомные ядра с энергетической точки зрения напоминают молекулы. Так же как молекулы образуются из атомов, ядра образуются из нуклонов, т. е. из протонов и нейтронов. Энергия выделяется как при образовании молекул, так и при образовании атомных ядер. Прочность молекулы тем больше, чем больше энергии выделяется при ее образовании. Прочность атомного ядра также увеличивается при увеличении энергии его образования. При этом в обоих случаях подразумевают удельную энергию, отнесенную к единице массы.

Разница между молекулами и атомными ядрами, несмотря на рассмотренное сходство, все же чрезвычайно велика. Размеры ядер в сотни тысяч раз меньше размеров самых небольших молекул, хотя массы их отличаются сравнительно незначительно. По энергии образования атомные ядра превосходят молекулы в десятки и сотни миллионов раз.

Энергия образования атомного ядра, отнесенная к единице массы или к одному нуклону, зависит от атомного веса ядра, который выражается числам, равным числу нуклонов в ядре. При увеличении атомного веса энергия образования ядра (отнесенная к одному нуклону) сначала растет и достигает максимального значения для железа и смежных с ним химических элементов (рис. 21). Это объясняется тем, что при увеличении массы ядра число взаимодействующих частиц растет и их взаимное притяжение усиливается, поскольку каждую частицу-нуклон притягивают все остальные. Такое увеличение наблюдается при изменении атомного веса с 1 до 56 (железо).

При дальнейшем возрастании атомного веса размеры ядер становятся настолько значительными, что взаимное притяжение нуклонов снижается и энергия образования атомного ядра, отнесенная к одному нуклону, уменьшается при увеличении атомного веса от 56 (железо) до конца периодической системы элементов.

Существуют два различных способа получения ядерной энергии.

Во-первых, можно соединять легкие атомные ядра в более тяжелые (путь от водорода к железу). При этом, как правило, энергия, затраченная в процессе соединения легких ядер, будет меньше, чем энергия, выделяющаяся при образовании более тяжелого конечного ядра. Разность энергий выделится в виде энергии ядерной реакции.

_{Рис. 21. График зависимости энергии, выделяемой нуклоном при образовании ядра, от атомного веса (числа нуклонов)}

Во-вторых, можно «раздроблять» тяжелые ядра на более легкие. Это относится к ядрам — изотопов (разновидностей) урана и искусственно получаемого плутония.

Первый способ заключается в назревании легких химических элементов до очень высоких температур. Хорошо соединяются при температурах порядка десятков и сотен миллионов градусов ядра дейтерия (тяжелого водорода), образуя ядра гелия (рис. 22). Реакции такого типа называют термоядерными.

Термоядерные реакции широко распространены: в космосе. Мощное излучение Солнца и звезд обусловлено тем, что в их внутренних слоях, имеющих достаточно высокую температуру, интенсивно протекают термоядерные реакции. Вместе с тем громадные силы всемирного тяготения, действующие на Солнце и звездах, сдерживают раскаленные массы от разлета, несмотря на интенсивное выделение энергии,

Иначе обстоит дело в земных условиях, где термоядерная реакция протекает как взрыв чрезвычайно большой силы. Это объясняется тем, что на Земле пока не удалось создать силы, способные удержать в неизменном объеме реагирующую массу.

Взрывы, подобные термоядерным, имеют место, по-видимому, также и на Юпитере, но они скрыты плотной атмосферой этой планеты, и до нас доходят только импульсы радиоволн, порождаемых взрывами.

_{Рис. 22. Схема термоядерной реакции}

Так происходят реакции при синтезе атомных ядер. По-иному происходит распад или деление тяжелых ядер. При делении ядер урана и плутония среди «осколков» ядра получаются свободные нейтроны, способные проникнуть в ядра урана с атомными весами 235 и 233, а также в ядра плутония и вызвать их деление (рис. 23).

_{Рис. 23. Деление тяжелого ядра нейтроном}

Если собрать достаточную массу этих видов атомного горючего и окружить ее веществом, отражающим нейтроны, можно получить ядерную реакцию любой интенсивности — от самого слабого разогрева реагирующего вещества до ядерного (атомного) (взрыва чрезвычайной силы.

Управление скоростью реакции сравнительно легко и точно осуществляется при помощи замедлителей. Вводя в зону реакции стержни из кадмия или бора, которые сильно поглощают нейтроны, можно регулировать реакцию, которая сопровождается выделением в основном тепловой энергии. Таким образом, установка, где протекает ядерная реакция деления тяжелых элементов, т. е. ядерный (атомный) реактор, является по существу своеобразной нагревательной машиной. Реактор можно использовать для нагревания парового котла турбин, которые приводят в движение генераторы электрического тока. По такому принципу работают атомные электростанции.

Энергия атомных электростанций все больше используется в промышленности и сельском хозяйстве. Атомная электростанция может быть установлена на корабле и снабжать током электродвигатели, вращающие гребные винты корабля. На атомном топливе работает первый в мире советский атомный ледокол «Ленин».

Ядерные реакторы излучают опасные для человека потоки гамма-лучей и нейтронов. Для предохранения от их воздействия необходима громоздкая и тяжелая защитная оболочка. Эта оболочка, обычно состоящая из стали, бетона и воды, может иметь вес в несколько десятков или даже сотен тонн. Поэтому пока нельзя устанавливать атомные двигатели на обычных автомобилях, катерах, самолетах и железнодорожных локомотивах.

Зато атомные двигатели очень удобны на крупных кораблях дальнего плавания, потому что запас топлива для них ничтожен по весу и объему и время плавания кораблей ограничивается только работой машин, требующих текущего ремонта.

Атомные двигатели устанавливают и на военных подводных лодках. Подводные лодки типа «Наутилус», построенные в США, оборудованы атомной двигательной установкой и способны находиться в подводном положении в течение нескольких недель и даже месяцев. Преимущество таких лодок перед обычными подводными лодками состоит прежде всего в том, что нет необходимости часто пополнять запасы горючего, так как в сутки атомный двигатель расходует всего несколько сотен граммов ядерного топлива. Поэтому максимальная продолжительность плавания на атомной подводной лодке определяется скорее выносливостью ее экипажа ил;и необходимостью ремонта, а не запасами топлива.

Помимо использования на кораблях, атомные двигатели применяют в отдаленных и малодоступных районах, куда трудно доставлять в достаточных количествах обычное топливо.

Атомные двигатели за рубежом предполагают устанавливать на автоматических самолетах и ракетах, где нет экипажа, и поэтому не нужна тяжелая и громоздкая защита. Пока еще преждевременно считать, что атомная энергия сможет быстро заменить другие виды энергии в народном хозяйстве, потому что по своим техническим и экономическим показателям она не всегда удовлетворяет современным требованиям.

Гораздо проще и эффективнее использовать энергию урана и плутония для получения мощных взрывов. Их применение дало начало развитию атомного и термоядерного оружия. Атомным обычно называют оружие, взрыв которого происходит в результате деления ядер урана или плутония. Оружие называют термоядерным, если для усиления взрыва к атомному заряду (из урана или плутония) добавлено некоторое количество термоядерного взрывчатого вещества (в основном тяжелый водород — дейтерий) с добавлением сверхтяжелого водорода (тритий). В целом все виды средств поражения, использующие энергию атомного ядра, называют ядерным оружием (рис. 24).

В настоящее время ядерные боевые заряды являются основным видом снаряжения ракет различных типов. Исключение составляют ракеты, предназначенные для противовоздушной обороны, где преобладает снаряжение обычными взрывчатыми веществами.

Развитие техники, появление ракет и ядерных зарядов привело к созданию нового вида войск — ракетно-ядерных, новых способов вооруженной борьбы, основанных на использовании последних достижений техники.

Энергия, содержащаяся в атомных ядрах, может быть использована не только в энергетике. Используя атомную энергию, можно по-новому решать многие научные и технические задачи.

Рассмотрим некоторые примеры.

В атомных реакторах при делении ядер урана или плутония выделяется много свободных нейтронов. Чтобы ядерная реакция не переросла в катастрофический взрыв всего реактора, часть этих нейтронов поглощается кобальтом. В результате получается разновидность кобальта — изотоп кобальта. Ядра, поглотившие нейтроны, становятся неустойчивыми и через некоторое время самопроизвольно видоизменяются и выбрасывают быстро летящий электрон (бета-частицу) и фотон коротковолнового излучения (гамма-лучи). Другими словами, кобальт после поглощения нейтронов становится искусственным радиоактивным веществом.

_{Рис. 24. Схемы бомб:}

_{а — атомной; б — водородной}

Излучениями химических элементов, поглотивших нейтроны, пользуются для многих научных и технических целей. Ими просвечивают отливки из металлов, электросварные швы и различные изделия. Наблюдая на экране или фотографируя результаты просвечивания, можно обнаружить трещины, раковины и другие дефекты в изделиях.

С помощью гамма-лучей искусственных радиоактивных веществ контролируют состав жидкостей и газов, передаваемых по трубопроводам, определяют уровень жидкостей в баках (рис. 25); их применяют в медицине для лечения злокачественных опухолей.

Радиоактивные вещества могут быть примешаны в небольшом количестве к различным химическим веществам. Так, если к фосфору, входящему в состав удобрений и поглощаемому растениями, добавить облученный нейтронами радиоактивный фосфор, а затем сфотографировать растения, можно сразу же установить, в какие части растения проник фосфор из удобрений, и, таким образом, изучить движение вещества в растении, а также эффективность тех или иных удобрений. Итак, перспективы использования энергии искусственных радиоактивных веществ огромны.

_{Рис. 25. Контроль уровня жидкости в баке с помощью радиоактивного изотопа}