Перейдем к примерам практического использования ядерной энергии. Нам уже знакомо понятие энергии связи атомных ядер. Это одно из важнейших понятий в рамках обсуждаемой темы. Хотелось бы, чтобы вы научились понимать, как можно оценить энергию, которая выделяется в виде радиоактивных распадов, в ядерных реакциях.

Для дальнейшего проведения вычислений познакомим вас с таблицами нуклидов. Все изотопы могут быть представлены не только в карте нуклидов, но и в таблицах нуклидов, потому что в карте нуклидов мы не можем в одной клеточке уместить все характеристики данного нуклида. Поэтому часто вместо карты нуклидов используется таблица изотопов.

Изотопы водорода

Символ нуклида Название Масса изотопа, а.е.м. Период полураспада
\(_{1}\)H Протий 1,00782503207 Стабилен (\(> 6.6·10^{33}\) лет)
\(_{2}\)H Дейтерий 2,0141017778 Стабилен
\(_{3}\)H Тритий 3,016049268 12,33 года
\(_{4}\)H Квадрий 4,0278 1,39·10-22 с
\(_{5}\)H Пентий 5,040 \(8·10^{-23}\) с
\(_{6}\)H Гексий 6,0449 \(3·10^{-22}\) с
\(_{7}\)H Септий 7,05275 \(2,3·10^{-23}\) с

Здесь приведено начало одной из подобных таблиц: символ нуклида, название, масса изотопа в атомных единицах массы, период полураспада. Например, \(^{1}Н\), протий, масса в атомных единицах массы – 1,00782 и т. д., стабильная частица. Протий стабилен. Оценки периода его полураспада, в случае если такой распад существует, точно больше \(6,6 · 10^{33}\) лет.

Следующий изотоп дейтерий, 2,014000 а.е.м., стабилен. Затем идёт следующий изотоп водорода — тритий, 3,016 а.е.м., период полураспада — 12,33 года. Эти три изотопа, наверное, вы знаете.

Но есть так же изотоп водорода-4 — квадий, 4,0278 а.е.м., обратите внимание период полураспада \(1,39 · 10^{–22}\) секунды. Конечно, такой изотоп не может использоваться людьми в их практической деятельности. Другие изотопы, которые здесь приведены: пентий, гексий, септий, тоже имеют слишком короткие периоды полураспада, чтобы их можно было использовать.

В рамках этой таблицы можно увидеть, что атомные массы различных изотопов отличаются друг от друга, причём их значения измерены с высокой степенью точности с помощью современных приборов. Если внимательно присмотреться и вспомнить атомную единицу массы равную 1, то это 1/12 массы атома углерода, можно увидеть, что для одних ядер масса ядра или масса атома превышает целое число, а для других, наоборот, меньше целого числа, которое равно количеству нуклонов в данном ядре. Этот факт является основой того, что в одних ядрах мы имеем плотную упаковку, в других гораздо менее плотную упаковку нуклонов. Когда мы от более рыхлой упаковки будем переходить к плотной упаковке, может выделяться энергия – вот, фактически, источник ядерной энергии в земных условиях. Для того чтобы посчитать, какая энергия выделяется в ядерной реакции или в реакции радиоактивного распада, нам необходимо научиться использовать две физических величины. Первая физическая величина – это энергия связи нуклонов в атомном ядре, вторая величина — удельная энергия связи или энергия связи, делённая на количество нуклонов в ядре.

Вспомним график зависимости удельной энергии связи нуклона от массового числа. На этом графике заметен максимум, который относится к ядрам группы железа (железо-молибден-кобальт). В этой области расположены наиболее плотно упакованные ядра, у которых энергия одного нуклона приблизительно равна 8,5–8,6 МэВ. Все другие ядра имеют меньшую энергию связи по сравнению с этой. И это позволяет надеяться на различные способы получения ядерной энергии, которую мы могли бы использовать.

Зависимость удельной энергии связи от массового числа

Первый способ — синтез лёгких ядер. Энергию можно получить, если объединить лёгкие ядра в более тяжёлые. Обратите внимание на график энергии связи. Если ядра гелия и дейтерия, соединить между собой, то получится более тяжёлое ядро, энергия которого больше. Масса ядра при этом станет меньше, значит часть массы (дефект массы) куда-то исчезнет. Куда? Она может превратиться в энергию. Энергию, которая выделяется в результате ядерной реакции можно найти по формуле \(Δm\)с\(^{2}\).

Реакции синтеза лёгких ядер происходят в термоядерной бомбе — супероружии, которое было разработано в различных странах. Но в бомбе происходят неуправляемые ядерные реакции, в которых за короткое время синтезируется огромное количество ядер, в результате чего выделяется колоссальная энергия.

Для проведения управляемых термоядерных реакции разрабатывают специальные установки — термоядерные реакторы. Термоядерные реакторы, по всем оценкам, считаются будущим энергетики всего мира, потому что потенциал топлива этих реакторов очень большой — дейтерия, который может служить топливом для этих реакторов, в мировом океане практически бесконечное количество с точки зрения потребности людей.

Однако, сегодня, несмотря на то, что мы уже знаем все физические принципы, на которых должны работать эти реакторы, промышленный термоядерный реактор пока не создан.

Также на этом способе «работают» все звезды, потому что в звёздах, как раз протекают термоядерные реакции.

Второй способ — деление тяжёлых ядер. Обратите внимание опять на график. Тяжёлые ядра имеют энергию связи не 8,5 МэВ, а 7,5 МэВ. Это означает, что их упаковка более рыхлая, и при делении на два осколка, каждый из которых имеет более плотную упаковку, близкую к 8 или к 8,5 МэВ, должна выделяться энергия. Деление тяжёлых ядер было освоено раньше, чем слияние лёгких ядер. Причём раньше не только людьми, но и природой. Несколько миллиардов лет назад в природе работали природные ядерные реакторы (о таких реакторах мы расскажем в разделе Радиация и жизнь).

Люди научились сначала использовать ядерную реакцию деления в атомных бомбах, и только потом в ядерных реакторах. В настоящий момент около 16 % мирового производства электричества происходит на атомных электрических станциях. Этот путь уже освоен человечеством и надеюсь, что мы будем идти по нему ещё очень долгое время.

Третий способ — использование энергии радиоактивных распадов. На Земле запасено очень много энергии в виде ядер урана и продуктов его распада, которые мы можем использовать. Более того, возможно специально получать изотопы, запасая в них небольшую энергию, которую потом точечно использовать, когда она нам понадобится. Для получения изотопов существуют либо ядерные реакторы, либо специальные ускорители. Использование энергии радиоактивных распадов на сегодняшний день используется в ядерной медицине, радиоизотопных термоэлектрических генераторах (или коротко РИТЭГах), которые используются в местах, где нет человека и трудно доставлять обычные источники энергии, например, в космосе.

Способы использования ядерной энергии

Способ 1: слияние лёгких ядер:

Способ 2: деление тяжёлых ядер:

Способ 3: использование энергии радиоактивных распадов: