Р. Сворень, специальный корреспондент журнала
"Наука и жизнь".
Опубликовано в журнале "Наука и жизнь", N 8, 2001 г.
| Содержание
|
Как было только что отмечено, энергией нас
снабжают в основном атомы и молекулы. Горят дрова,
взрываются в цилиндрах автомобильного двигателя
пары бензина, сгорает газ в паровых котлах
городской электростанции - во всех этих случаях
определенные атомы в молекулах топлива
соединяются с кислородом. При этом объединяются
и перестраиваются некоторые их электронные
орбиты, и в результате такой перестройки новая
молекулярная система выбрасывает во внешний мир
то, что для нее оказалось лишним - порцию энергии.
Для разных химических реакций это разная порция,
но всегда не очень большая - несколько электрон-вольт.
Напомним, что электрон-вольт (эВ) - это одна из
единиц измерения энергии, так же как метр или
дюйм - одна из единиц измерения длины. Энергия 1 эВ
появится у электрона, если его ускорить в
электрическим поле с разностью потенциалов в 1
вольт. Более крупная единица - мегаэлектронвольт,
1 МэВ = 1 000 000 эВ. Лампочка небольшого карманного
фонарика за минуту потребляет примерно сто
миллиардов МэВ.
Не зная всех этих подробностей, человек тысячи
лет использовал энергию горения. Глубокие
исследования мира атомов и молекул позволили
постепенно понять суть дела и в итоге открыли для
энергетики принципиально новые возможности. В
частности, в начале прошлого века стало
выясняться, что энергетическая машина "Атом"
может выдавать во внешний мир энергию, работая,
так сказать, в двух совершенно разных режимах и
используя при этом две разные силы -
электромагнитную и ядерную.
В настоящее время известны всего четыре
разновидности сил или взаимодействий: ядерные,
электромагнитные, гравитационные и слабые.
Другие науке не известны! Почему их именно четыре?
Почему они такие, какие есть, а не другие? Почему
действуют так, как они действуют, а не как-нибудь
иначе? На подобные вопросы сегодня есть один
ответ - так устроен мир, в котором мы живем (см. "Наука
и жизнь" N 11, 2000 г.). Первые две силы из
великолепной четверки нам хорошо известны - мы
неоднократно видели их в работе. Это гравитация (бутерброд
падает на пол) и электромагнитные силы (клочки
бумаги тянутся к натертой расческе, железные
опилки - к магниту). Две другие силы нельзя
обнаружить столь же просто, они действуют лишь в
атомном ядре, причем на очень малых расстояниях -
меньше триллионной доли миллиметра. Это третья
по счету ядерная, или иначе - сильная, сила и
четвертая по счету - слабая сила (название не
самое удачное: она на много порядков сильнее
гравитации).
Ядерные силы стягивают, или, как часто говорят,
склеивают, тяжелые частицы атомного ядра -
протоны и нейтроны. И для такого склеивания,
стягивания протонов и нейтронов в единое ядро
силы нужны немалые. Достаточно вспомнить, что у
протонов есть положительный заряд, а одноименные
заряды, как известно, взаимно отталкиваются.
Причем на малых внутриядерных расстояниях
протоны расталкиваются особенно энергично,
ядерные силы должны быть действительно очень
сильными, чтобы ядра не разваливались и мир был
стабильным, устойчивым.
Вместе с тем в каких-то случаях и в атомных
ядрах могут происходить изменения, в том числе и
такие, после которых от ядерных сил требуется
меньше усилий и их избыток уходит из ядра в виде
порции энергии. В принципе происходит то же самое,
что и при химических реакциях, при изменениях в
электронной структуре атомов - атом меняет свое
состояние, и это сопровождается выделением уже
не нужной ему энергии. Но только изменения в
атомных ядрах, изменения с участием могучих
ядерных сил сопровождаются несравнимо большим
выделением энергии, чем дают химические процессы,
то есть процессы в электронных оболочках, где в
основном действуют не очень мощные (в сравнении с
ядерными) электромагнитные силы.
В этом одно из главных достоинств атомной, или,
лучше сказать, ядерной, энергетики - каждый
участвующий в деле атом выдает в миллионы раз
больше энергии, чем при химических реакциях.
Второе достоинстово - запасы ядерного топлива
достаточно велики, а для ядерного синтеза, где
энергию получают в основном из ядер водорода и
топливом может служить обычная вода, -
практически безграничны.
Существуют два поставщика ядерной энергии -
деление, распад атомных ядер и создание, синтез
нового ядра из двух слившихся более простых ядер.
Реакции деления, в частности деление атомных
ядер урана, используется в современных, так
сказать, традиционных атомных электростанциях.
Их в мире уже работает больше четырехсот общей
мощностью почти 350 гигаватт (1 ГВт = 109 Вт),
что составляет более 4 процентов мировой
энергетики. А в некоторых странах они производят
весьма заметную часть электроэнергии - во
Франции, например, 75 процентов, в Бельгии - 58, в
Японии - 35, в США - 20, в России - 14.
Что же касается синтеза, то здесь реально речь
идет об одном виде таких ядерных реакций - о
слиянии двух ядер водорода, точнее его изотопов,
в одно ядро, в ядро гелия. Каждое такое слияние
двух водородных ядер в расчете на единицу массы
дает во много раз больше энергии, чем деление
уранового ядра, и при этом не сопровождается
появлением радиоактивных отходов. Наконец, еще
одно достоинство - водорода чрезвычайно много и
на Земле, и во Вселенной. Не случайно при
сотворении мира Природа выбрала именно
водородный синтез для своих энергетических
агрегатов - для звезд. Так, в частности, вся
гигантская энергия, которую выдает наше Солнце, в
том числе тепло и свет, попадающий на Землю (0,0000001
процента общей солнечной мощности), рождается из
ряда ядерных реакций синтеза. Поняв это, вполне
естественно было подумать о том, чтобы
воспроизвести водородный синтез в земных
условиях - заставить маленькое прирученное
Солнце щедро кормить нас энергией. Тогда уже не
нужно будет опасаться энергетического голода -
водород можно брать из воды, а ее у нас немерено. К
тому же ядерные реакции - это вам не слабосильное
горение, водородный синтез позволит из стакана
обычной воды, в которой есть и молекулы D2О,
получить столько энергии, сколько дает сжигание
целой бочки бензина.
 |
Реакторы будущего могут использовать энергию
синтеза ядер, протекающую по четырем основным
схемам с участием дейтерия (D), трития (T),
нейтронов (n) и протонов (p). Наиболее
перспективной считается первая, в которой из 17,6
МэВ энергии 3,5 МэВ уносит 4He, а 14,1 МэВ -
нейтрон. В последней реакции основная доля
энергии приходится на гамма-излучение ( ). |
В качестве своего рода "побочных продуктов"
реакции при каждом взаимодействии возникает
гамма-излучение () и вылетают электроны(e -)
и электронные антинейтрино ( ~ ).
Назад | Вперед
Написать комментарий
|
