2.11. Атом энергиясы

Атом энергиясын бейбіт мақсатта пайдалану ТМД-да басталды. 1954 жылдың 27 маусым күні Москваның жанындағы Обнинск қаласында дүние жүзіндегі ең тұңғыш атом электр станциясы іске қосылды.

1986 жылдың басында дүние жүзінің 26 елінде 370 энергетикалық реактор жұмыс жасады. Олардың жалпы қуаты 250 млн. кВт-тан артық болды. Кейбір елдерде АЭС энергетика саласында жетекші роль атқаруда. Болгарияда барлық өндірілген электр энергиясының 30%, Швейцарияда—35, Швецияда—39, Бельгияда.—50, Францияда 65%-і атом электр станцияларында өндіpiлуде. 1984 жылы барлық өндірілген энергияның 12%-і АЭС-ларда өндірілген болса, 2000 жылы дүние жүзінде пайдаланылатын энергияның 20% -і АЭС-ларда өндіріледі деген тұжырым бар. Кейбір елдерде олардың үлес салмағы әлдеқайда жоғары болмақ.

Осындай табысқа ядролық энергетика өте аз уақытта —30 жыл шамасында жетіп отыр.

1990 жылы атом электр станцияларының қуатын 370—400, ал 2000 жылы —580—800 млн. кВт-қа жеткізілді.

Атом энергиясы дегеніміз не? Осы энергияның мән- сырын түсіну үшін алдымен өзімізге жақсы таныс химия энергиясын сөз етіп, онан соң атом энергиясына көшейік.

Біз көмірде, мұнайда, газда энергия бар екенін білеміз. Бұл химиялық энергия. Ал осы химиялық энергия жоғарыда аталған отын түрлерінен қалай бөлінеді?

Айталық, сіз қолыңызға әрқайсысының салмағы 1 кг болатын 10 таразы тасын алдыңыз және сіз әрбір тастың 1 кг болатынын әбден анықтадыңыз. Енді осы тастарды бірге жинастырып өлшегеніңізде, оның салмағы сіз күткендей 10 кг болмай, 9,9 кг болып шықса, сіз таңданар едіңіз, тіпті сенбеген де болар едіңіз. Ал салмақтың жоғалу құбылысы сағат сайын, секунд сайын тек лаборатория жағдайында ғана емес, мұнай мен көмір жанатын оттықтарда, әрбір үйде тұрған газ плиткаларында газ жанған уақытта болып жатады.

Көміртек жанғанда көмір қышқыл газы пайда болатыны мәлім. 12 кг көміртек жанғанда 32 кг оттек жұмсалып, 44 кг көмір кышқыл газы алынуы керек. Ақиқатында алынған газдың салмағы 44 кг-нан грамның миллионнан 4 бөлігіндей (0,000004 г) аз екені дәлелденіп отыр. Ал сонда бұл салмақ қайда кетті? Жану реакциясы кезінде тек жану өнімі — көмір қышқыл газ ғана түзіліп қоймай, жылу энергиясының бөлінетіні белгілі. Жоғалған 4*10 ⁶ грамм масса осы энергияның бөлінуі үшін жұмсалады екен.

Бұл мысалдан зат массасы мен энергиясы тікелей байланыста екенін көруге болады. Зат массасы мен энергиясы арасындағы байланысты салыстырмалылық теориясының негізін қалаушы А. Эйнштейн ашқан.

С алыстырмалылық теория ядро массасы мен оның энергиясы арасындағы байланысты төмендегі теңдікпен көрсетеді:

мұндағы Е — энергия; т—масса; с — жарық жылдамдығы.

А томдық салмағы жоғары элементтердің (уран, плутоний, торий) ауыр ядроларының бөліну реакциясына дейінгі салмағы бөлінгеннен кейін алынған кіші бөлшектердің салмағына карағанда артық болады. Бөлінбеген ядро массасы (m₀) мен олар бөлінген уақыттағы алынатын протондар мен нейтрондардың массасы (т) арасындағы байланысты төмендегі теңдікпен көрсетуге болады:

1 кг 235 U ыдыраған уақытта 1,9*10¹⁰ ккал (жылу ретінде) немесе 2,22*10⁷ кВт*сағ энергия бөлінеді. Ал 1 кг шартты отын 7000 ккал жылу береді. Демек, жылу бергіштігі жағынан 1 кг 235 U 2,7*10⁶ кг шартты отынға эквивалентті, яғни 1 г 235 U беретін жылу мөлшерін алу үшін 2,7 т шартты отын жағу қажет.

Бұл заңдылыққа сәйкес заттың 1 г массасына 21,5 млрд. ккал энергия сәйкес келеді. Бұл өте көп шама. 1 ккал—1 кг судың температурасын бір градуска көтеру үшін қажетті жылу мөлшері. Егер де 1 г затты теріс энергияға айналдыру мүмкін болса, онда алынған энергия 5—10 адамның өмір бойғы мұқтаждығын өтер еді. Әзірше бұл тек теория жүзінде ғана дәлелденіп отыр.

Atom — заттың өте кішкене бөлшегі, оның шамасы мөлшермен миллиметрдің бес миллионнан бір бөлігіндей. Осы атомды құрайтын негізгі бөлшектер оның ортасына жиналып, ядро құраған.

Атом ядросы екі түрлі бөлшектерден — протон мен нейтроннан тұрады. Нейтронның ешқандай электр заряды жоқ, ал протон оң зарядталған және оның зарядының абсолют шамасы электрон зарядына тең.

Қандай болмасын химиялық элемент нейтрон, протон мен электроннан тұрады. Мысалы, ең жеңіл элемент сутек атомы ядросы бір протоннан тұрады, ал оны бір электрон айналып жүреді. Ал уран атомының бір изотопында 143 нейтрон, 92 протон және 92 электрон бар. Барлық элементтердің құрамындағы протон саны электрон санына тең болуына байланысты атом әр уақытта электрлік бейтарап қалпында болады. Енді осы бөлшектердің салмақтарына тоқтала кетейік. Олардың массалары өте аз болуына байланысты массаның атомдық бірлігі (м.а.б.) деп аталатын жаңа өлшем бірлігі қабылданған. Массаның атомдық бірлігі 1,66*10^-24 г-ға тең. Нейтрон мен протонның салмағы шамамен 1 м. а. б.

Ж ану реакциясы кезінде заттардың қосылып жаңа зат түзілуіне байланысты жылу энергиясы бөлінеді. Ал атомды осылай жеке кіші бөлшектерден кұрастыратын болсақ, қандай жағдай байқалған болар еді?

Ең алдымен көміртекті қарастырайық. Есептеулерде көміртек атомын ұсақ бөлшектерден құрастыратын болсақ, онда оның массасы 12,1 м.а.б. болатынын көрсетеді, ал табиғатта кездесетін көміртек атомының салмағы 12,1 емес, тура 12,0 м.а.б. Осы жайды қарастырып көрейік. Материя із-түзсіз жоғалмайды. Масса энергияға айналады. Егер де 44 кг көміртек алынған кезде пайда болған қалдық масса түгелдей энергияға айналатын болса, онда көміртектің тотығу реакциясы кезінде бөлінетін жылу энергиясынан шамамен жүз миллион есе артық—3,26*10¹⁶ Дж энергия алынған болар еді. Ал бұл аз энергия емес. Олай болса, жаңағы жоғалған 0,1 м.а. бірлігіне көңіл аударған жөн.

Қазір ғылымда атомның масса ақауы (дефектісі) теориясы негізінде энергия алынатыны анықталып отыр. Түсініктірек болу үшін бірнеше элементтердің массаларының ақауын және олардың нейтрондары мен протондарының қосындысына тең масса сандарын қарастырайық. Бұл шамалар төмендегі 2.7 кестеде берілген.

Егер де осы кестеде көрсетілген екі элементтің ядролары қосылатын болса, онда осы қосылу (ядролық реакция) кезінде энергия бөліну үшін реакция нәтижесінде алынған элементтің массасының ақауы алғашқы пайдаланылған элементтердің массасының ақауынан артық болуы керек.

Біз кестені қарастырып отырып, екі дейтерий ядросының қосылу реакциясы жүру негізінде гелий алынатын болса, онда алынған гелийдің масса ақауы екі дейтерийдің масса ақауынан артық болатынын байқаймыз. Осындай жағдай дейтерий мен литий косылып гелийдің екі атомы түзілетін болса да байқалады.

Қандай болмасын бір элементке нейтрон косылатын болса, онда түзілетін элементтің масса ақауы алғашқы элементтің масса ақауынан арта түсетінін де байқауға болады. Мысалы, дейтерийге нейтрон қосылатын болса, онда пайда болатын тритийдің масса ақауы дейтерийге қарағанда артық. Бұл қандай болмасын жеңіл элементке нейтрон қосылатын болса, онда энергия бөлінеді деген сөз.

Міне, осындай жеңіл элементтердің қосылу реакцияларының жүруін іске асыру — термоядролық синтездің негізі болып отыр.

Енді Менделеев кестесінің соңын ала орналасқан ауыр элементтер қосылатын болса, онда қандай жағдай болатынын қарастырайық. Егер молибден мен лантан косылатын болса, массалық саны 235 болатын бір элемент алынады. Бұл — уран 235. Бірақ бұл реакция нәтижесінде алынған элементтің өз масса ақауы оны алуға пайдаланылған элементтердің масса ақауынан аз болады (2.7 кесте). Осыған байланысты, бұл жағдайда ешбір энергия бөлінбей, қайта осындай косылу реакциясы жүру үшін энергия жұмсалуы қажет. Менделеев кестесінде көрсетілген химиялық элементтердің масса ақаулары арқылы осындай есептеулер жүргізетін болсақ, онда массалық саны 60-тан асатын элементтерді қосу үшін қосымша энергия жұмсау қажеттігі анықталды.

Енді осы жайды қорытындылай отырып, жоғарыда айтылған мысалға қайта оралайық. Егер уран атомын алу үшін молибден мен лантан атомдары қосылып және осы қосылу реакциясы жүру үшін қосымша энергия жұмсау қажет болатын болса, онда уран атомы молибден мен лантан атомдарына ажыраған уақытта энергия бөлуі тиіс қой. Бұл пікір толық дәлелденді. Ауыр атом ядроларының бөліну реакциясы жылу энергиясы бөлінуі негізінде жүреді. Miнe, осылай энергия алудың жаңа тәсілі ашылып, ғалымдар табиғаттың тағы бір сырын ашты. Бұл жерде осы құбылыстың сырын ашумен тығыз байланысты ағылшын ғалымдары Э.Резерфорд және Д.Чэдвикті, даниялық Н.Борды, итальян Э.Фермиді, ТМД физиктері Д.Иваненконы, И.Гуревичті, Д.Ландауды, II. Померанчукты, Г.Флеровты, И.Курчатовты, немістер О.Ган мен Ф.Штрассманды, француздар И. және Ф.Жолио-Кюрилерді және басқа да көптеген данқты ғалымдарды айта кетуге болады.

Атом ядросы екі түрлі элементар бөлшектерден: за- ряды e = l,6-l0^-19 Кл, массасы т_р = 1,672- 10^-27 кг протондар мен массасы т_n=1,674-10^-27 кг зарядталмаған нейтрондардан тұрады.

Ядродағы протондар саны (Z) атом қабықшасындағы электрондар санына тең, яғни Менделеев кестесіндегі элементтің атомдық реттік нөмірлеріне тең. Ядродағы протондардың (Z) саны мен нейтрондардың (/V) санының қосындысы (А) массалық сан деп аталады

A = Z + N.

Ядроның радиусы r=r₀-А^2/3, мұнда r₀ = (1,3—1,7)*10^-15м, ал тығыздығы ρ_я = 1,3* 10¹⁷ кг/м³, μ_я = 5,O5*10^-27 Дж/Тл.

Ядролық бөлшектер (нуклондар) арасындағы күштер ядролық күштер деп аталады. Олардың бірнеше қасиеті бар:

1. Ол күштер (әсер ету радиусы r = 2,2*10^-15 м) тартылыс күштеріне жатады.

2. Бұл күштер қанығу қасиетіне ие болады. Бір нуклон тек белгілі нуклондармен ғана әсерлеседі.

3. Ядролық күштер зарядқа байланысты емес, яғни екі протонның, екі нейтронның, және нейтрон мен протонның өзара тартылыс күштері бірдей болады.

Бұл күштер табиғатта кездесетін күштердің ең қуаттысы, мысалы, электромагниттік күштерден 100 есе- гe жуық артық, сондықтан нуклондардың өзара әсерін көбінесе өзара күшті әсерлер деп атайды.

Ядроның байланыс энергиясы дегеніміз ядроны түгелімен жеке кинетикалық энергияға ие болмайтын нуклондарға ауыстыру үшін қажет энергия. Z — протондар мен N = А—Z—нейтрондардан ядро түзілгенде бөлініп шығатын энергия байланыс энергиясына тең.

Француз физигі А.Беккерель (1896 ж.) мен ерлі- зайыпты Кюрилер (1896—1898 жж.) радиоактивтік деп аталатын құбылыс ашты. Радиоактивтік ыдырау — атом ядросы өзгерісі салдарынан өздігінен сәуле шығару құбылысы. Радиоактивті элементтердің (уран, радий, торий) атомдары сәулеленіп шығара отырып, басқа бір элемент атомына айналады. 1903 жылы Резерфорд, Содди радиоактивтік құбылыс атомдардың ыдырауынан болады деген батыл тұжырымға келді. Резерфорд жүргізген тәжірибеге қарағанда шығарылатын сәуле үш түрлі болатындығы тағайындалды:

1. Оң зарядты бөлшектер—α-бөлшектер ағыны. α- бөлшегінің абсолют энергия шамасы электрон зарядының абсолют шамасынан екі есе көп, яғни 2е-ге тең, массасы гелий атомы ядросының массасына тең. а-бөл- шектердің өтімділік кабілеті өте аз, ол қалыңдығы 0,1 мм қағаздан өте алмайды.

2. β-сәулелер — жарық жылдамдығына жақын жылдамдықтармен қозғалатын электрондар, зат арқылы β- сәулелер өткенде, олар аз жұтылады. Тек қалыңдығы 2 мм алюминий пластинка ғана оларды түгелімен өткізбейді.

3. γ-сәулелер — толқын ұзындығы өте аз (λ= 10^-10 м) электромагниттік толқындар, вакуумда таралу жылдамдығы с = 3• 10¹⁸м/с, өте күшті өтімділік кабілеті бар. γ -сәулелердің жұтылу интенсивтігі жұтатын заттың атомдық нөмірі артқан сайын өседі. Қалыңдығы 1 см қорғасыннан өткенде олардың интенсивтігі не бары екі есе кемиді.

α-ыдырауда ядро 2е оң зарядын жоғалтады және массасы шамамен атомдық массаның төрт бірлігіне кемиді. Осының нәтижесінде элемент периодтық жүйенің бас жағына қарай екі тор көзге ығысады. Мұнда символ түрінде былай жазуға болады:

Элемент жалпы қабылданған символдармен белгіленеді, ядроның заряды символдың сол жағындағы төменгі индекс түрінде, ал атомдық масса сол жақтағы жоғары индекс түрінде жазылады. Мысалы

β -ыдырауда ядроның заряды бірге артады да, массасы өзгермей қалады. Осының нәтижесінде элемент периодтық жүйенің соңына жақын бір тор көзге ығысады.

Ыдырау кезінде ядродан электрон ұшып шығады. Ядроның ішіндегі нейтрон протон мен электронға бөлінеді. Протон ядрода қалады да, электрон сыртқа ұшып шығады. Ядроның массалық саны өзгермейді, ал нейтрондардың саны бірге кемиді. Мұнда теңбе-тең ядролар энергиясы түрліше электрондар шығарады. Алайда шы- ғарылған электронның энергиясы қандай екендігіне қарамастан, жаңадан пайда болған ядролар бірдей болады. Ал электрон ұшып шыққаннан кейін ядроның бір заряды, яғни бір протон заряды артық калады. В.Паули (1931 ж.) нейтронның ыдырауы кезінде протон және электронмен бірге жетіспейтін энергияны көзге көрінбейтін бөлшек әкетеді деген болжам айтады. Бұл бөлшектің заряды жоқ, затпен өте әлсіз әрекеттеседі, оны Ферми нейтрино деп атады. Нейтрино 3- 10⁸ м/с жылдамдықпен қозғалады, басқа бөлшектер сияқты нейтриноның ν антибөлшегі бар (антинейтрино ν). Нейтрон протон мен электронға ыдырағанда дәл осы антинейтрино шығады

Нейтронның энергиясы әрқашан да протон мен электрон энергияларының қосындысынан артық болады. Артық энергияны антинейтрино алып кетеді. Нейтрино эксперимент жүзінде 1956 ж. ашылды.

Бастапқы t = 0 уақытта радиоактивті атомдар саны N₀ болса, онда кез келген t уақыт мезетінде ыдырамай калған N атомдар саны радиоактивтік ыдыраудың негізгі заңынан табылады

мұндағы X — радиоактивтік ыдырау тұрақтысы.

Жартылай ыдырау периоды (Т_1|2)— радиоактивтік ыдыраудың жылдамдығын сипаттайтын негізгі шама,

о л радиоактивті заттың ыдырамаған атомдар санының жартысы ыдырайтын уақыт:

Жартылай ыдырау периоды неғұрлым кіші болса, атомдар соғұрлым аз өмір сүреді және ыдырау тез өтеді. Уранның жартылай ыдырау периоды 4,5 млрд. жылға, радийдікі 1600 жылға тең.

Р адиоактивті ядроның орташа өмір сүру уақыты:

Бұдан

Изотоптарда атом ядроларының зарядтары бірдей, сондықтан атом қабыршақтарындағы электрондар саны, демек, изотоптардың химиялық қасиеттері де бірдей. Бірақ ядроның массалары әр түрлі. Сонымен бірге ядролар радиоактивті де, тұрақты да бола алады. Қазіргі уақытта химиялық элементтердің бәрінің де изотоптары бар екендігі анықталды. Әсіресе, сутектің изотоптары ерекше; салыстырмалы атомды массасы 2 болатын протон-дейтерий, ал 3 болатын протон-тритий деп аталады. Дейтерий орнықты, ал тритий β-радиоактивті, оның жартылай ыдырау периоды 12 жылға жуық. Радиоактивті изотоптар ғылымда, медицинада және гехникада энергия шығаратын көздер ретінде кең түрде қолданылады.

Атом ядроларының элементар бөлшектермен немесе бір-бірімен өзара әсерлесуі кезінде болатын өзгерістер ядролық реакциялар деп аталады. а бөлшек X ядромен әсерлескенде b бөлшек пен У ядросы пайда болады

немесе

Ядролық реакцияның энергетикалық шығыны деп, ядролар мен бөлшектердің реакцияға катысқанға дейінгі және реакциядан кейінгі тыныштық энергияларының айырымын айтады. Энергияның сақталу занына сәйкес ядроның реакция процесінде кинетикалык энергияның өзгеруі реакцияға қатысқан ядролар мен бөлшектердің тыныштық энергиясының өзгерісіне тең. Егер ядролар мен бөлшектердің реакцияға қатысқаннан кейінгі кинетикалық энергиясы реакцияға қатысқанға дейінгіден көп болса, онда энергия бөлінеді, ал кері жағдайда энергия жұтылады.

Кейбір ауыр элементтердің ядроларын пейтрондармен атқылағанда, олар екі бөлікке бөлініп екі-үш нейтрон мен сәулелер шығарады. Уран ядроларының бөлінетіндігін О. Ган мен Ф. Штрассман (1938 ж.) ашқан

Бөлініп шыққан нейтрондар басқа ядроларды тағы екіге бөледі, сөйтіп кете береді. Бұны ыдыраудың тізбекті реакциясы деп атайды. Тізбекті реакцияның жүруі нейтрондардың көбею коэффициенті k-мен сипатталады:

мұндағы Ni—реакцияның бір кезеңдегі ядроларды бөлуге қатысатын нейтрондар саны, N_i-1 - —оның алдыңғы кезеңдегі ядроны бөлуге қатысатын нейтрондар саны. Егер k=1болса, бөлінуге қатысып отырған заттың массасын кризистік масса ден атайды. Егер k < 1 болса, реакция өшіп қалады, ал k> 1 болса, қопарылыс болады.

Ядро бөлінгенде әрбір нуклонға келетін байланыс энергиясы 1 МэВ-қа артады да, жалпы бөлінетін энергия 200 МэВ-қа жуық болады. Бұл энергияның көбі (168 МэВ) бөліктердің кинетикалық энергиясы.

Атомдық реактор деп, ядролардың басқарылатын бөліну реакциясын жүзеге асыратын кұрылғыны айтады. Олардың негізгі элементтері ядролық отын , нейтрондарды баяулатқыш (графит, ауыр су, т.б.), пайда болған энергияны әкетуге арналған жылу тасымалдағыш (су, сұйық, натрий, т.б.), реакцияның жылдамдығын реттегіш (нейтронды жақсы жұтатын кадмий немесе бор) өзекшелер. Реакторды сыртынан нейтрондарға тосқауыл болатын қорғасын қабықшасымен қоршайды.

Шапшаң нейтрондармен (энергиясы 1 МэВ-тан артық) жұмыс жасайтын реакторлардың бір ерекшелігі: электр энергиясын өндіру кезінде уранның бір изотопы шығындалып, оның басқа түрі түзіліп жатады. Басқа электр станцияларымен салыстырғанда АЭС-ның негізгі артықшылығы: оның шикізат көзіне тәуелсіз және бір ғана реактордан орасан зор (1—2 млн. кВт-қа дейін) қуат алу мүмкіндігінің болуы.