Одновременно с решением проблемы большой ядерной энергетики и увеличением мощности реакторов в СССР успешно решаются проблемы малой ядерной энергетики. Уменьшение размеров реакторов крайне важно для использования ядерного горючего в двигателях, где лимитирован вес горючего. Такие двигатели устанавливаются на подводных лодках и ледоколах дальнего плавания. Как известно, в 1959 г. в СССР вступил в строй первый в мире ледокол «Ленин» с двигателем на ядерном топливе. В течение трех лет машины ледокола «Ленин» работали без перезарядки горючего.|
1. Кроме реакции деления тяжелых ядер, существует еще один путь выделения ядерной энергии - синтез ядер гелия из ядер изотопов водорода. Водород имеет три изотопа: легкий водород, или протий, с атомным весом 1,008, тяжелый водород, или дейтерий, с атомным весом 2,015 и сверхтяжелый водород, или тритий, с атомным весом 3,017. Ядра этих изотопов называются соответственно протон, дейтрон (или дейтерон) и тритон и обозначаются:
1Н1 или 1p1 1H2 или 1D2, 1H3 или 1T3. Удельная энергия связи ядра гелия значительно превышает удельную энергию связи ядер изотопов водорода. Поэтому при синтезе ядер гелия из водородных ядер будет выделяться энергия. Весьма эффективной в отношении выделения энергии является следующая реакция:
Оказывается, что при этой реакции выделяется энергия, равная 17,6 Мэв.
Выделение энергии на один нуклон в реакции синтеза в несколько раз больше, чем при делении тяжелых ядер. Так, при делении ядер урана, как уже говорилось, выделяется энергия около 200 Мэв, что составляет на один нуклон 200/238^0,85 Мэв. В реакции же (46.13) на один нуклон выделяется 17,6/5w3,5 Мэв, т. е. в четыре раза больше. Еще большая энергия выделяется при синтезе ядра гелия из четырех протонов:
В этой реакции выделяется энергия, равная 26,8 Мэв, т. е, выделение энергии на одну частицу составляет 26,8/4=6,7 Мэв.
3. Для осуществления реакции синтеза, для слияния легких ядер, нужно преодолеть потенциальный барьер, обусловленный кулоновским отталкиванием одноименно заряженных ядер. Оценим качественно высоту этого барьера.
Для слияния ядер дейтронов их нужно сблизить вплотную, т. е. на расстояние между центрами, равное удвоенному радиусу ядра водорода, r~3*10-15м. Для этого нужно совершить работу, равную электростатической потенциальной энергии ядер, находящихся на этом расстоянии друг от друга: U:=e2/4πε 0 r. Подставив числа, найдем, что высота потенциального барьера составляет примерно 0,1 Мэв. Ядра дейтрона смогут преодолеть этот барьер, если при столкновении они будут обладать соответствующей кинетической энергией. Средняя кинетическая энергия теплового движения дейтронов (3/2k Т) равна 0,1 Мэв и достаточна для преодоления потенциального барьера при T=2-109 °К, т. е. при температуре порядка миллиардов градусов. Это значительно больше температуры внутренних областей Солнца, которая оценивается примерно в 107 °К-
Однако термоядерные реакции синтеза могут происходить и при температурах меньших, чем 109 °К. Дело в том, что скорости ядер распределены по закону Максвелла, и поэтому при температуре, меньшей 109 °К, например при T~107 °К, имеется некоторая доля ядер, энергия которых превышает высоту потенциального барьера и которые, следовательно, могут начать реакцию синтеза.
Из приведенных данных видно, что реакции синтеза ядер требуют нагрева до очень высоких температур. Поэтому эти реакции называются термоядерными.
Частицы, находящиеся в «хвосте» максвелловского распределения при T~107 °К имеют энергии порядка десятков килоэлектрон-вольт, что еще, однако, значительно ниже кулоновского барьера. В ядерных реакциях заряженных частиц при обычных температурах вероятность туннельного проникновения сквозь кулоновский барьер при столкновении ядер невелика. Однако она очень быстро увеличивается с ростом энергии сталкивающихся частиц. Например, для двух ядер дейтерия эта вероятность при средней энергии частиц 1,7 кэв (соответствующей температуре 2-Ю7 °К) - превышает в 1047 раз вероятность туннельного слияния двух ядер дейтерия, обладающих средней энергией 17 эв (Т=2-105 °К). Температура 107 °К оказывается достаточной для того, чтобы начала протекать термоядерная реакция за счет туннельного слияния ядер, находящихся в «хвосте» максвелловского распределения. Кроме того, благоприятную роль для протекания термоядерных реакций играет то обстоятельство, что с повышением температуры интенсивнее происходят столкновения ядер, находящихся на «хвосте» максвелловского распределения, что способствует проникновению ядер друг в друга сквозь кулоновский потенциальный барьер.
Температура порядка 107 °К характерна для центральной части Солнца. С другой стороны, спектральный анализ излучения Солнца позволяет установить, что в составе Солнца, как и в составе многих других звезд, имеется значительная часть водорода (около 80%) и гелия (до 20%). Углерод, азот и кислород составляют не более 1% массы звезд. Впрочем, если учесть, что масса Солнца колоссальна (1,99-1030кг), то на Солнце имеется достаточное количество этих газов. Сопоставление всех этих данных с условиями протекания термоядерных реакций привело к выводу, что термоядерные реакции должны происходить на Солнце и звездах и являться источником энергии, компенсирующим их излучение. Ежесекундно Солнце излучает энергию 8,8-1036дж, что соответствует уменьшению его массы покоя на 4,3 млн. тонн. Полезно отметить, что удельное выделение энергии Солнца, т. е. выделение, приходящееся на единицу массы в одну секунду, оказывается при этом весьма малым, всего 1.9-10-4дж/сек-кг. Оно составляет лишь 1% от удельного выделения энергии в живом организме в процессе обмена веществ.
Малое удельное выделение Солнцем энергии за 1 сек объясняет, почему мощность излучения энергии нашим светилом практически не изменилась за несколько миллиардов лет существования солнечной системы.
В 1938 г. было высказано предположение о возможном протекании термоядерных реакций на Солнце в форме так называемого протонно-протонного цикла. В одном из вариантов протонно-протонного цикла происходят, как считают, следующие реакции. Цикл начинается с соединения двух протонов с образованием дейтрона и испусканием позитрона и электронного нейтрино:
1p1+lPl→lD2++1eo+0ν0.
Далее дейтрон реагирует с протоном, образуя ядро легкого изотопа гелия аНе3, а избыток энергии выделяется в виде Т-излучения:
lD2+1p1→2He4+21p1.
Заметим, что позитрон, образовавшийся на первом этапе цикла, соединяясь с электроном плазмы, также дает 7-излу-чение.
С 1951 г. считают, что наиболее вероятным продолжением цикла является соединение ядер гелия аНе3 с образованием ядра гНе" (а-частицы) и двух протонов:
2He3+2He3→2Hel+21p1.
Результатом цикла является синтез водородных ядер в ядро гелия, сопровождающийся выделением энергии.
7. В 1939 г. Г. Бете рассмотрел цикл термоядерных реакций, называемый углеродно-азотным циклом или циклом Бете. В этом цикле соединение ядер водорода в ядро гелия облегчается при помощи ядер углерода 6С12, играющих роль катализаторов термоядерной реакции. Началом цикла является проникновение быстрого протона в ядро углерода 6С12 с образованием ядра неустойчивого радиоактивного изотопа азота 7N13 и с излучением γ-кванта:
6С12+1p1→7N13+γ.
С периодом полураспада 14 мин в ядре 7N13 происходит превращение 1p1+lPl→lD2++1eo+0ν0 и образуется ядро изотопа углерода 6С13:
7N13→6С13++1eo +0ν0.
Приблизительно через каждые 2,7 млн. лет ядро 6C13, захватив протон, образует ядро устойчивого изотопа азота 7N14:
6C13+1p1→7N14+γ.
Спустя в среднем 32 млн. лет ядро 7N14 захватывает протон и превращается в ядро кислорода 8O15:
7N14+1p1→8O15+γ.
Неустойчивое ядро 8O15 с периодом полураспада 3 мин испускает позитрон и нейтрино и превращается в ядро 7N15:
8O15→7N15+ ++1eo+0ν0.
Завершается цикл реакцией поглощения ядром 7N15 протона и распадом его на ядро углерода 6С12 и γ-частицу, происходящими приблизительно через 100 тысяч лет:
7N15 +1p1→6С12+ 2He4
Новый цикл начинается вновь с поглощения углеродом 6С12 протона, происходящего в среднем через 13 млн. лет. Отдельные реакции цикла отделены временами, которые с точки зрения земных масштабов времени являются непомерно большими. Однако нужно учесть, что этот цикл является замкнутым и непрерывно происходящим. Поэтому различные реакции цикла происходят на Солнце одновременно, начавшись в разные моменты времени.
Результатом одного цикла является превращение четырех протонов в ядро гелия с появлением двух позитронов и 7-излучения, к которому следует добавить излучение, возникающее при слиянии позитронов с электронами плазмы. Количество энергии, выделяющейся на одно ядро гелия, составляет 26,8 Мэв. В пересчете на грамм-атом гелия это составляет 700 тыс. квт-ч энергии. Этого количества энергии достаточно для компенсации энергии, излучаемой Солнцем. Хотя термоядерные реакции на Солнце и приводят к уменьшению на нем водорода, расчеты показывают, что количества водорода, имеющегося на Солнце, хватит для поддержания термоядерных реакций и излучения Солнца на миллиарды лет.
Из предыдущего ясно, какое большое значение имеет осуществление в земных условиях термоядерных реакций для получения энергии. Достаточно сказать, что при использовании дейтерия, содержащегося в одном литре обычной воды, в реакции термоядерного синтеза выделится столько же энергии, сколько выделится при сгорании около 350 л бензина.