8.6.4. Термоядерная реакция. Баланс энергии

Масса покоя ядра урана больше суммы масс покоя осколков (п.8.5.4). Для лёгких ядер – наоборот. Например, масса покоя ядра гелия значительно меньше суммы масс покоя двух ядер водорода, которые можно получить при его делении. Значит, при слиянии лёгких ядер должна выделяться энергия. Такие реакции могут протекать только при очень высоких температурах.

Термоядерная реакция – реакция слияния лёгких ядер при очень высокой температуре.

• Для таких реакций необходимо сближение ядер на расстояние  10^–14 м, чтобы ядерные силы превысили электрические, что может быть достигнуто за счёт высоких значений энергии теплового движения молекул.

Управляемые термоядерные реакции могут дать человечеству неиссякаемый источник энергии (например, слияние дейтерия с тритием: ). Баланс энергии: ядро имеет энергию связи 2,2 МэВ, – 8,5 МэВ, – 28,3 МэВ. Значит, в реакции выделяется энергия 28,3 – (2,2 + 8,5) = 17,6 МэВ, что даст на один нуклон МэВ, тогда как при делении ядра урана – только 1 МэВ на нуклон.

• Экономически выгодны реакции при Т  10⁸ К и плотности вещества 10¹⁴–10¹⁵ частиц в 1 см³. Основная трудность – удержать вещество в таком состоянии в течение 0,1–1 с. Стенки из вещества невозможны (испаряются), поэтому в качестве «посуды» учёные пытаются использовать магнитное поле.

• Работы по управляемым термоядерным реакциям в СССР были начаты под руководством Льва Андреевича Арцимовича (1909–1973) и Михаила Александровича Леонтовича (1903–1981). В этом направлении достигнуты значительные успехи, однако рабочего образца реактора ещё нет.

• Учёным под руководством Андрея Дмитриевича Сахарова (1921–1989, СССР) удалось осуществить неуправляемую термоядерную реакцию в водородной (термоядерной) бомбе. Такие бомбы способны уничтожить человечество и среду его обитания.

Огромную роль играют термоядерные реакции в эволюции и развитии Вселенной (п.9.1.3), они протекают с выделением громадного количества энергии, обеспечивая свечение звёзд в течение миллиардов лет.

8.6.5. Применение ядерной энергии

Ядерные реакции нашли применение в энергетике (преобразование ядерной энергии в электрическую) и обороне (ядерное оружие). В СССР первая атомная электростанция (АЭС) мощностью 5000 кВт была пущена в г. Обнинске, позднее – Нововоронежская, Ленинградская, Курская, Кольская и др. с реакторами мощностью 500–1000 МВт. Ядерные реакторы устанавливают также на атомных ледоколах и подводных лодках.

АЭС не потребляют торф, уголь, нефть, не загружают транспорт перевозками; не засоряют воздух золой и другими продуктами сгорания. Однако, они несут опасность радиоактивного загрязнения окружающей среды, т.к. реакторы на медленных нейтронах расщепляют только 1–2% исходного урана (полное использование урана достигается в реакторах на быстрых нейтронах). Проблемы возникают с захоронением отходов и отслуживших срок (20 лет) реакторов. Взрыв реактора Чернобыльской АЭС показал всю опасность ошибок при работе с ядерным топливом.

Ядерное оружие создают на основе неуправляемой ядерной реакции, в результате которой возникают мощные взрывные волны и излучение. Продукты взрыва сильно радиоактивны и опасны для живых существ.

• В 1945 г. США применили ядерное оружие против Японии (города Хиросима и Нагасаки), последствия этой трагедии не исчезли до сих пор.

В термоядерной бомбе (п.8.6.4) для инициирования реакции синтеза (путём сильнейшего сжатия термоядерного топлива) используют взрыв атомной бомбы. Ядерная война исключает победу какой-либо стороны и ведёт к гибели человечества.