Курс физики для вузов - часть 127

Создание ядерных реакторов привело к

промышленному применению ядерной

энергии. Энергетические запасы ядерного

горючего в рудах примерно па два порядка
превышают запасы

 видов топ-

лива. Поэтому, если, как предполагается, ос-

новная доля электроэнергии будет выраба-

тываться на АЭС, то это, с одной стороны,

снизит стоимость электроэнергии, которая
сейчас сравнима с вырабатываемой на теп-
ловых электростанциях, а с другой — решит
энергетическую проблему на несколько сто-
летий и позволит использовать сжигаемые
сейчас нефть и газ в качестве ценного сырья

для химической промышленности.

В СНГ помимо создания мощных АЭС

(например, Нововоронежской общей мощ-
ностью примерно 1500 МВт, первой очере-

ди Ленинградской с двумя реакторами по

1000 МВт) большое внимание уделяется со-

зданию небольших АЭС (750 — 1500 кВт),
удобных для эксплуатации в
условиях, а также решению задач малой

ядерной энергетики. Так, построены первые

в мире передвижные АЭС, создан первый в
мире реактор («Ромашка»), в котором с по-
мощью полупроводников происходит не-
посредственное преобразование тепловой
энергии в электрическую (в активной зоне

содержится 49 кг

 тепловая мощность

реактора 40 кВт, электрическая —• 0,8 кВт).

Огромные возможности для развития

атомной энергетики открываются с создани-
ем реакторов-размножителей на быстрых
нейтронах

 в которых выработ-

ка энергии сопровождается производством
вторичного горючего — плутония,
зволит кардинально решить проблему обес-
печения ядерным горючим. Как показыва-

ют оценки, 1 т гранита содержит примерно
3 г

 и 12 г

 (именно они использу-

ются в качестве сырья в реакторах-размно-

жителях), т.е. при потреблении энергии

5 • 10

8

 МВт (на два порядка выше, чем сей-

час) запасов урана и тория в граните хватит
на

 лет.

Техника реакторов на быстрых нейтро-

нах находится в стадии поисков наилучших
инженерных решений. Первая опытно-про-
мышленная станция такого типа мощнос-

тью 350 МВт построена в г. Шевченко на

берегу Каспийского моря. Она использует-
ся для производства электроэнергии и оп-
реснения морской воды, обеспечивая водой
город и прилегающий район пефтедобычи с
населением около 150 тыс. человек. Шевчен-
ковская АЭС положила начало новой «атом-

ной отрасли» — опреснению соленых вод,
которая в связи с дефицитом пресноводных
ресурсов во многих районах может иметь
большое значение.

§ 268. Реакция синтеза атомных

ядер. Проблема управляемых

термоядерных реакций

Источником огромной энергии

жет служить реакция синтеза атом-
ных ядер — образование из легких ядер
более тяжелых. Удельная энергия свя-
зи ядер (см. рис. 345) резко увеличива-
ется при переходе от ядер тяжелого во-

дорода (дейтерия

 трития \Н) к ли-

тию

 и особенно к гелию

 т. е. ре-

акции синтеза легких ядер в более тя-
желые должны сопровождаться выде-
лением большого количества энергии,
что действительно подтверждается рас-
четами. В качестве примеров рассмот-
рим реакции синтеза:

где Q —- энерговыделение.

Реакции синтеза атомных ядер обла-

дают той особенностью, что в них энер-
гия, выделяемая на один нуклон, зна-
чительно больше, чем в реакциях деле-
ния тяжелых ядер. В самом деле, если
при делении ядра

 выделяется энер-

гия примерно 200 МэВ, что составляет
на один нуклон примерно 0,84 МэВ, то

507

в реакции (268.1) эта величина равна

 МэВ  3,5 МэВ.

о

Оценим на примере реакции синтеза

ядер дейтерия

 температуру ее проте-

кания. Для соединения ядер дейтерия их
надо сблизить до расстояния 2 •

 м,

равного радиусу действия ядерных сил,
преодолевая при этом потенциальную

энергию отталкивания ——

 МэВ.

1)

 или во-

дородный, цикл, характерный для тем-
ператур примерно

 К:

1 ак как на долю каждого сталкивающе-

гося ядра приходится половина указан-
ной энергии, то средней энергии тепло-
вого движения, равной 0,35 МэВ, соот-
ветствует температура, приблизитель-
но равная 2,6 •

 К. Следовательно, ре-

акция синтеза ядер дейтерия может
происходить лишь при температуре,
два порядка превышающей температу-
ру центральных областей Солнца (при-
мерно 1,3 • 10

7

 К).

Однако оказывается, что для проте-

кания реакции синтеза атомных ядер
достаточно температуры порядка 10

7

 К.

Это связано с двумя факторами: 1) при

температурах, характерных для реак-
ций синтеза атомных ядер, любое веще-
ство находится в состоянии плазмы,
распределение частиц которой подчи-
няется закону Максвелла; поэтому все-
гда имеется некоторое число ядер, энер-
гия которых значительно превышает
среднее значение; 2) синтез ядер может
происходить вследствие туннельного
эффекта (см. § 221).

Реакции синтеза легких атомных

ядер в более тяжелые, происходящие

при сверхвысоких температурах (при-
мерно 10

7

 К и выше), называются тер-

моядерными реакциями.

Термоядерные реакции являются,

по-видимому,
энергии Солнца и звезд. В принципе
высказаны два предположения о воз-
можных способах протекания термо-
ядерных реакций на Солнце:

2) углеродно-азотный, или угле-

родный, цикл, характерный для более

высоких температур (примерно 2 •

 К):

В результате этого цикла четыре

протона превращаются в ядро гелия и
выделяется энергия, равная 26,7 МэВ.
Ядра же углерода, число которых оста-
ется неизменным, участвуют в реакции
в роли катализатора.

Термоядерные реакции дают наи-

больший выход энергии на единицу
массы «горючего», чем любые другие
превращения, в том числе и деление
тяжелых ядер. Например, количество
дейтерия в стакане простой воды энер-
гетически эквивалентно примерно 60 л
бензина. Поэтому заманчива перспек-
тива осуществления термоядерных ре-
акций искусственным путем.

Впервые искусственная термоядерная

реакция осуществлена в СССР (1953), а
затем (через полгода) в США в виде
взрыва водородной (термоядерной) бом-
бы, являющегося неуправляемой реакци-

ей. Взрывчатым веществом служила смесь

дейтерия и трития, а запалом — «обыч-

ная» атомная бомба, при взрыве которой

508

создается температура, необходимая
для протекания термоядерной реакции.

Особый интерес представляет осу-

ществление управляемой термоядер-
ной реакции, для обеспечения которой
необходимо создание и поддержание в
ограниченном объеме температуры по-
рядка 10

8

 К. Так как при данной темпе-

ратуре термоядерное рабочее вещество
представляет собой полностью ионизо-
ванную плазму (см. § 108), возникает
проблема ее эффективной термоизоля-
ции от стенок рабочего объема. Сейчас
считается, что основной путь в этом на-
правлении — это удержание плазмы в
ограниченном объеме сильными маг-
нитными полями специальной формы.

Начало широкого международного со-

трудничества в области физики высокотем-
пературной плазмы и управляемого тер-
моядерного синтеза положено работами
И. В. Курчатова.

Под руководством Л. А. Арцимовича

коллектив ученых Института атомной энер-
гии (ИАЭ) им. И. В. Курчатова осуществил
широкий круг исследований, результатом

которых стал пуск летом 1975 г. в ИАЭ
крупнейшей в мире термоядерной установ-
ки

В

 как и во всех установках этого типа,

плазма создается в тороидальной камере,

находящейся в магнитном поле,  само плаз-
менное образование — плазменный шнур —
также имеет форму тора. В Т-10 плазма с
температурой примерно (7

 •

 К и

плотностью примерно 10

14

 частиц/см

3

 созда-

ется в объеме, приблизительно равном 5
на время около 1 с. Однако следует отме-
тить, что до осуществления критерия Лоу-

 — условия, необходимого для начала

самоподдерживающейся термоядерной ре-
акции, — еще остается значительный «путь»:
примерно 20 раз

 пт (произведение плот-

ности частиц на время удержания плазмы)

и примерно 10 раз

 температуре. Резуль-

таты, полученные на Т-10, вместе с резуль-
татами, ожидаемыми на создаваемых уста-
новках (например, Т-20), по мере решения
разного рода инженерно-технологических

проблем служат базой для создания термо-

ядерного реактора «Токамака».

Управляемый термоядерный синтез от-

крывает человечеству доступ к неисчерпае-
мой «кладовой» ядерной энергии, заклю-
ченной в легких элементах. Наиболее заман-
чивой в этом смысле является возможность
извлечения энергии из дейтерия, содержа-
щегося в обычной воде. В самом деле, коли-
чество дейтерия в океанской воде составля-
ет примерно 4 • 10

13

 т, чему соответствует

энергетический запас 10

17

 МВт • год. Други-

ми словами, эти ресурсы не ограничены.

Остается только надеяться, что решение

этих проблем — дело недалекого будущего.

Контрольные вопросы

Какие частицы образуют ядро атома цинка? Сколько их?

Атомное ядро «составили» из

 нуклонов (масса каждого нуклона равна т).

Чему равны масса и удельная энергия связи этого ядра?
Чем отличаются изобары от изотопов?

Почему прочность ядер уменьшается при переходе к тяжелым элементам?
Как объясняется сверхтонкая структура спектральных линий?

Как и во сколько раз изменится число ядер радиоактивного вещества за время, равное

трем периодам полураспада?

Как (по какому закону) изменяется со временем активность нуклида?
Как объясняется

 на основе представлений квантовой теории?

Как изменится положение химического

 в Периодической системе элементов

Д. И. Менделеева после двух

 ядер его атомов? после последовательных одного

 и двух (3~-распадов?

 (р. 1923) — английский физик.

509

• Как объясняется непрерывность энергетического спектра
• Изменится ли химическая природа элемента при испускании его ядром
• Какие явления сопровождают прохождение

 через вещество и в чем их суть?

• В чем суть эффекта Мёссбауэра? Где его применяют?
• Под действием каких частиц

 нейтронов) ядерные реакции более эффектив-

ны? Почему?

• Чем объяснить выброс нейтрино (антинейтрино) при
• По каким признакам можно классифицировать ядерные реакции?
• Запишите схему е-захвата. Что сопровождает е-захват? В чем его отличие от
• Что представляет собой реакция деления ядер? Приведите примеры.
• Охарактеризуйте нейтроны деления. Какие они бывают?

• В результате какой реакции происходит превращение ядер

 в ядра

 Каковы ее

перспективы?

• Что можно сказать о характере цепной реакции деления, если: 1) к > 1; 2) к = 1; 3) к < 1?
• Почему деление тяжелых ядер и синтез атомных ядер сопровождаются выделением боль-

шого количества энергии? Когда на один нуклон выделяется большая энергия? Почему?

• По каким признакам можно классифицировать ядерные реакторы?

ЗАДАЧИ

32.1. Определите удельную энергию связи для ядра

 если масса его нейтрального

атома равна 19,9272 • 10~

27

 кг. [7,7 МэВ/нуклон]

32.2. Определите, какая часть (в %) начального количества ядер радиоактивного изото-

па останется нераспавшейся по истечении времени t, равного трем средним временам жиз-
ни т радиоактивного ядра. [5 % ]

32.3. Период полураспада радиоактивного изотопа составляет 24 ч. Определите время,

за которое распадается

 начального количества ядер. [10,5 ч]

32.4. Поглощается или выделяется энергия при ядерной реакции  Н +  Не

 Н

 ?

Определите эту энергию. [18,4 МэВ]

32.5. В процессе осуществления реакции

 энергия фотона была равна

2,02 МэВ. Определите полную кинетическую энергию позитрона и электрона в момент их
возникновения. [1 МэВ]

32.8. В ядерном реакторе на тепловых нейтронах среднее время жизни одного поколе-

ния нейтронов составляет Г = 90

 Принимая коэффициент размножения нейтронов

 определите период т реактора, т. с. время, в течение которого поток тепловых ней-

тронов увеличится в е раз. [ т  = 30 с]

 — 1

 33

ЭЛЕМЕНТЫ ФИЗИКИ ЭЛЕМЕНТАРНЫХ ЧАСТИЦ

§ 269. Космическое излучение ходящего на Землю практически изот-

ропно со всех направлений космичес-

Развитие физики элементарных ча- кого пространства. Измерения интен-

стиц тесно связано с изучением косми- сивиости космического излучения, про-
ческого излучения — излучения, при- водимые методами, аналогичными ме-

510