Меню

Глава 18. Технологии получения, преобразования и использования энергии ядерная и термоядерная энергии
§ 18.1 Ядерная и термоядерная реакции

Технологии получения, преобразования и использования энергии ядерная и термоядерная энергии

Ядерная и термоядерная энергии являются перспективным и неисчерпаемым энергетическим ресурсом. Ядерные и термоядерные реакторы при небольших размерах дают в тысячи раз больше энергии, чем любой традиционный её источник.

Ядерная и термоядерная реакции

Почему человечество хочет «приручить» ядерную и термоядерную энергии, чтобы легко управлять их действием?

Атом, элементарные частицы. Из курса физики вам известно, что атомы любого вещества представляют собой объёмные структуры, в центре которых находится ядро, окружённое своеобразным облаком из электронов. Электроны условно принято считать отрицательно заряженными частицами. В электронном облаке они расположены по своеобразным слоям (рис. 18.1).

Ядро меньше атома в 100 000 раз. Если представить себе атом как огромный шар размером с Останкинскую телевизионную башню в Москве, то ядро в центре такого атома будет величиной с горошину.

Ядро состоит и частиц, называемых протонами и нейтронами. Принято считать, что протоны имеют положительный заряд, обратный заряду электрона.

Нейтроны не имеют никакого заряда. Нейтроны и протоны в ядре связаны друг с другом особыми внутриядерными силами. Их природа пока не известна.

Общий заряд всех протонов в ядре равен общему заряду всех электронов в электронном облаке. Масса одного протона в 1840 раз больше массы одного электрона. Поэтому почти вся масса каждого атома сосредоточена в его ядре — более 99,99%. Электроны, протоны и нейтроны называются элементарными частицами. Кроме них, в микромире есть и другие элементарные частицы.

Радиоактивность. Энергия выделяется, если ядра начинают распадаться. Явление самопроизвольного распада ядер называется радиоактивностью. Радиоактивность проявляется у урана, плутония, кобальта, радия, цезия, стронция и некоторых других веществ. Излучения, которые возникают при радиоактивном распаде ядер, опасны для людей и любых живых организмов.

Учёные и инженеры научились использовать явление радиоактивности для создания портативных источников электрической энергии. Такие источники энергии могут работать очень долго, в отличие от гальванических элементов. Такие батарейки устанавливают, например, на спутниках, обеспечивая их длительное электропитание. На таких батарейках указывается знак радиоактивной опасности.

Ядерная энергия возникает и при ядерных реакциях. Ядерная реакция — это процесс взаимодействия атомного ядра с элементарной частицей или другим ядром, в результате которого ядро делится и выделяется энергия.

Если в ядро урана, содержащего 92 протона и 143 нейтрона (уран-235), попадёт нейтрон, то это ядро будет содержать уже 144 нейтрона: получится уран-236 (92 протона + 144 нейтрона). Ядро такого урана очень неустойчиво. Оно как бы взрывается, распадаясь на два разлетающихся с огромной скоростью осколка и два нейтрона. Возникает мощное излучение. Осколки, нейтроны и излучение несут в себе очень большое количество энергии. Один грамм урана-235 может выделить столько же энергии, сколько можно получить от сжигания 3 тонн угля или 2,5 тонны нефти.

Виды водорода. Ядерная реакция может проходить не только в виде распада ядер тяжёлых элементов, но и при слиянии ядер лёгких элементов, таких, например, как ядра водорода, гелия, лития.

В природе существуют три вида водорода. Обычный водород, ядро которого состоит из одного протона. Его называют протий. Тяжёлый водород, в ядре которого содержится уже, кроме протона, и один нейтрон, — это дейтерий. Сверхтяжёлый водород, содержащий в ядре один протон и два нейтрона. Он получил название тритий.

Учёным удалость провести ядерную реакцию слияния ядер дейтерия и трития. В результате образовывалось новое вещество — гелий и ядерная частица — протон.

При температуре в десятки миллионов градусов Цельсия ядра дейтерия и трития начинают взаимодействовать и сливаться, образуя новое вещество — гелий. Это явление называется синтезом. И, поскольку такой синтез идёт при очень высокой температуре, его называют термоядерным синтезом, а реакцию образования гелия — термоядерной реакцией.

Проверьте себя:

1. Как устроен атом?

2. Какой знак заряда имеют электроны и протоны?

3*. Почему протоны в ядро атома не разлетаются, ведь тела с одноимёнными зарядами отталкиваются?

4. Что такое радиоактивность?

5. Что такое ядерная реакция?

* Подумайте, почему батарейки, работающие на энергии радиоактивного распада (радиоактивности), не продаются в магазинах.