Общая химия. Избранные главы - Вольхин В.В.
ISBN 5-88151-282-0
Скачать (прямая ссылка):
205 МэВ/ядро • 6,022-1023 ядро/моль • 1,602?W^ ДжПэВ • 106эВ/ШэВ ? 1кДжП03Дж = ЪЮю кДж/моль.
Определим массу нуклида 2J2U, которую необходимо израсходовать при взрыве в атомной бомбе.
8-10t0кДж 12-1010 кДж/моль ? 235 г/моль = 940 г.
Ответ: в урановой атомной бомбе, эквивалентной по мощности 20000 т тротила, расходуется при взрыве на реакцию деления 940 г нуклида 2J2U.
Термоядерный синтез. Слияние легких ядер - энергетически более выгодный процесс, чем деление тяжелых (см. рис. 5.1). Именно за счет реакций такого типа вырабатывается энергия внутри Солнца и звезд. На Земле процесс слияния легких ядер осуществлен в водородной бомбе. Для того чтобы процесс слияния ядер произошел, они должны иметь при столкновении очень высокую кинетическую энергию.
262
В.В. Вольхин. Общая химия
Эта энергия необходима, чтобы одноименно заряженные ядра сблизить на расстояние 1 - 2 фм (\фм = 10~|5л^), при котором начинают проявляться сильные взаимодействия. Для решения этой задачи ускорители не приемлемы. Остается путь нагрева вещества до очень высоких температур - порядка 100 миллионов К. Вещество при таких температурах переходит в состояние плазмы и распадается на ионы (обнаженные ядра) и электроны. Кинетическая энергия сталкивающихся ядер (по крайней мере части из них) оказывается достаточной для их слияния. Таким образом, осуществляется процесс термоядерного синтеза.
Перспективными для термоядерного синтеза представляются реакции
2Н+2Н-> 3He+ [п, АЕ = +4,0МэВ, 2H+ 3,Н-» 42Не+ [п, &Е = +3,ЗМэВ.
Первая из них привлекательна тем, что ресурсы дейтерия 2 H практически неограниченны: природный водород содержит 0,015 % дейтерия. Но для ее осуществления требуется весьма высокая температура -4•107ZT. Вторая реакция возможна при более низких температурах. Однако тритий ,H в природе не встречается. Его получают в ядерном реакторе, облучая нуклид ,Li медленными нейтронами:
\L\+l0n->]H+ JHe.
Этот процесс является достаточно дорогостоящим. К тому же ] H - радионуклид, распадающийся по реакции ,H -» \ Не + ? ", ty2 = 12,26 года. Несмотря на указанные сложности, именно реакция слияния ядер 2 H и ,H составила основу термоядерного синтеза в водородной бомбе и в экспериментальных устройствах, используемых при поиске путей осуществления управляемого термоядерного синтеза.
Для создания температуры, необходимой для начала термоядерного синтеза, в водородной бомбе производят взрыв небольшой урановой (атомной) бомбы. Таким путем запускаются реакции синтеза ядер. Мощность взрыва водородной бомбы примерно в 100 раз выше мощности взрыва урановой или плутониевой бомбы.
Трудности на пути создания реакторов управляемого термоядерного синтеза пока преодолеть не удается. С одной стороны, в отличие от деления тяжелых ядер, синтез легких ядер не требует критической массы ядерного топлива. Но, с другой стороны, для него необходима очень высокая температура и приемлемая плотность плазмы, а время существования плазмы должно быть достаточным для осуществления реакции синтеза. Очевидно, любые вещества, из которых можно было бы изготовить сосуд для плазмы, при температурах в несколько миллионов градусов просто испарятся (и охладят плазму). Основной путь решения этой задачи - создание кольцевого (тороидального) «сосуда» из магнитных полей. Для создания таких полей используются сверхмощные магниты, работающие на основе сверхпроводников. Плазму разогревают с помощью лазерных разрядов. От группы лазеров излучения направляются в точку, где сосредоточены дейтерий и тритий. В ходе эксперимента плазму стремятся быстро сжать и довести ее плотность до уровня, при котором возможна реакция синтеза. Другой путь разогрева плазмы - электрические разряды.
Ядерные реакции
263
Трудности осуществления управляемого термоядерного синтеза порождают стремление исследователей искать нетрадиционные пути для осуществления процесса слияния ядер. Одна из интересных методик заключается в замене в молекулярном ионе Dj(2H2") электрона мюоном (его масса 207 те-), что должно привести к сокращению расстояния D-D в 200 раз и облегчить процесс термоядерного синтеза.
Известны попытки осуществить реакции слияния легких ядер без использования плазмы. В 1989 г. опубликовано сенсационное сообщение о холодном ядерном синтезе. Был проведен электролиз тяжелой воды, обогащенной на 99,5 % D2O (D = 2 Н). Ее электропроводность обеспечивалась растворением LiOD. Исследователи, проводившие такие эксперименты, утверждали, что обнаружили выделение мощных импульсов тепловой энергии и нейтронов. Но объявленные результаты этих экспериментов не подтвердились. Однако заманчивая идея холодного ядерного синтеза по-прежнему привлекает исследователей.
Ученые развивают идею фотоядерных реакций. Если привести в возбуждение электроны внутренних оболочек атомов, то они становятся источником рентгеновского или у-излучения. В свою очередь, эти излучения могут поглощаться ядрами. Возбужденные таким образом ядра могут распадаться, генерируя новые у-кванты и (или) нейтроны. Возникает возможность осуществления энерговыделяющей хемоядерной цепной реакции. Важное условие проявления такой реакции - высокая энергия у-квантов. Полагают, что генерирование атомами у-квантов высокой энергии удастся достигнуть путем механохимического возбуждения атомов с помощью ударных воли.
