Энергия ядерной реакции (энергетический выход)
Ядерная энергия — это энергия, выделяющаяся в реакциях с участием атомных ядер и элементарных частиц.
Какая это энергия и в любых ли ядерных превращениях она выделяется? Необходимо ввести количественную характеристику выделившейся энергии и определить энергетический выход реакции как разность «пользы» и «затрат».
Пусть несколько ядер, провзаимодействовав, превратились в другие ядра и элементарные частицы. Запишем схему этого процесса:
X1 + X2 + X’1 + X’2 + .
Как можно получить энергию в результате такой реакции? Только отобрав ее у конечных ядер.
Если в результате реакции образовались быстрые частицы, то, затормозив их, мы превратим их кинетическую энергию в теплоту, которая затем может быть преобразована в электрическую энергию. Таким образом, «польза» — это кинетическая энергия частиц (ядер), образовавшихся в результате реакции.
А что такое «затраты»? По-видимому, это энергия, которую нужно вложить для того, чтобы произошла ядерная реакция.
И ее действительно приходится вкладывать. Это связано с тем, что ядерные силы короткодействующие, поэтому, чтобы ядра провзаимодействовали, их нужно сблизить на очень малые расстояния — порядка 10-15 — 10-14 м. Но все ядра положительно заряжены, кулоновские силы отталкивают их друг от друга.
Значит, для того, чтобы произошла реакция, ядрам нужно сообщить кинетическую энергию, которая при их сближении перейдет в работу против кулоновских сил. Это и есть «затраты».
Так вот энергетическим выходом реакции называют величину, равную разности кинетических энергий продуктов реакции и начальных частиц, участвующих в процессе.
Запишем закон сохранения энергии для ядерной реакции:
(штрихом отмечены характеристики частиц в конечном состоянии). Тогда энергетический выход реакции будет равен:
Q = ΣjE’КИНj — ΣiE’КИНi = c2(Σimi — Σjm’j).
Если Q 0, то реакция идет с выделением энергии и называется экзотермической (от греч. exo — «вне»). Например,
p + 7Li α + α + 17 МэВ.
Если Q 0, то реакция идет с поглощением энергии и называется эндотермической (от греч. endon — «внутри»). Пример такой реакции:
α + α p + 7Li + 17 МэВ.
При упругом рассеянии, когда состав и состояние частиц не меняются, в результате реакции Q = 0 (в результате упругого рассеяния частицы могут только изменить направление своего движения).
Поскольку в ядерных реакциях сохраняются суммарный электрический заряд и суммарное число нуклонов A (последнее, правда, при энергиях ядер, не превышающих ~300 МэВ), то выражение для энергетического выхода можно переписать в виде:
Q = ΣjE’СВj — ΣiEСВi = Σjε’СВjA’j — Σε’СВiAj = (ε’СР — εСР)A.
где εСР и ε’СР — средняя удельная энергия связи начальных и конечных ядер. Таким образом, энергетический выход ядерной реакции положителен, если удельные энергии связи конечных ядер больше удельных энергий связи начальных ядер.
Зависимость удельной энергии связи от порядкового номера ядра очень интересна. Удельная энергия быстро увеличивается с ростом Z(A) для легких ядер, достигает максимального значения, примерно равного 8 МэВ/нуклон в области Z = 26 (это железо, Fe), а затем плавно убывает при движении к концу таблицы Менделеева.
И именно наличие «железного» максимума определяет возможность получения ядерной энергии. Очевидны два «пути движения в сторону увеличения удельных энергий связи» — развал тяжелых ядер и слияние (синтез) легких.
Анализ хода кривой удельной энергии связи (см. рисунок) показывает, что при делении тяжелых ядер можно получить огромное количество энергии. Ведь «ядерное топливо» намного калорийнее химического.
Для практического осуществления «ядерного горения» необходимо, чтобы, во-первых, ядерное топливо было доступным, т. е. достаточно распространенным в природе, а во-вторых, чтобы реакция деления протекала в макроскопических масштабах, когда одновременно разваливаются на осколки не единичные ядра, а макроскопическое число ядер. Поскольку даже в радиоактивных препаратах, содержащих макроскопическое количество неустойчивых ядер, число распадов в 1 с не так уж велико, для получения мощного тепловыделения нужно «спровоцировать» распад относительно стабильных ядер.
