§ 2. Пути высвобождения внутриядерной энергии

Энергия атомного ядра может быть получена в результате таких ядер­ных процессов, при которых система переходит из состояния с большей в со­стояние с меньшей энергией, т.е. из менее устойчивого в энергетически более устойчивое состояние. При этом, как уже показано выше, основным носите­лем энергии является нуклон. Причем величина его энергии для ядер разных атомов различна, поскольку у него различна величина затраченной энергии, которая высвобождается при образовании ядра в виде удельной энергии свя­зи. На графике (рис. 2) приведена зависимость потенциальной энергии ну­клона в ядре от массового числа ядра.

Рис. 2. Зависимость потенциальной энергии нуклонов от массового числа яд­ра

Из рис. 2 следует, что энергетический уровень нуклонов легких и тяжелых ядер выше, чем ядер элементов, находящихся в средней части таблицы Д.И. Менделеева. Отсюда очевидно, что ядерные превращения легких и тяже­лых элементов сопровождаются выде­лением энергии.

Таким образом, одним из путей получения ядерной энергии является рассмотренный выше процесс — синтез (образование) ядер из свободных ну­клонов. Так, например, при синтезе ядра гелия из двух ядер дейтерия каждый нуклон может выделить около 6 МэВ энергии.

Другой практический путь получения ядерной энергии – деление тяже­лых ядер:

₉₂U²³⁵ + ₀n¹ → ₃₆X¹⁰⁵ + ₅₆Y¹³⁰ + ₀n¹ + 2γ + 200 МэВ. (1.13)

Нуклоны ₉₂U²³⁵ энергетически находятся на более высоком уровне, чем нуклоны ₃₆Х¹⁰⁵ и ₅₆Y¹³⁰ (см. рис. 2 ), и поэтому при делении ядра ₉₂U²³⁵ каж­дый нуклон выделяет в среднем около 1 МэВ энергии.

Реакции синтеза ядер легких элементов и деления тяжелых ядер реали­зованы как источник получения энергии в термоядерных и ядерных зарядах, а реакция деления, кроме того, используется для получения энергии в ядерных реакторах (управляемая реакция).

Таким образом, оба рассмотренных выше пути выделения энергии свя­заны с одним и тем же процессом – изменением структуры атомного ядра, при котором образуется более прочное ядро. Такое изменение структуры ядра приводит к значительно большему выделению энергии, чем перестройка электронной оболочки атома при химических реакциях. Так, при образовании 1 кг гелия из двух дейтонов (ядро атома дейтерия) выделяется 1 · 10¹¹ ккал, делении 1 кг урана – 2 · 10¹⁰ ккал, а взрыв 1 кг тротила сопровождается вы­де­лением всего лишь 10³ ккал.

Вместе с тем следует отметить, что количество выделяемой энергии при реакциях деления и синтеза колеблется в пределах 0,1 – 0,5% всей энер­гии ядер.

Более высокий коэффициент выделения ядерной энергии может дать ан­нигиляция частицы и античастицы. В этом случае частицы взаимно исчезают, превращаясь в волновую форму, т.е. выделяется энергия, эквивалентная сумме масс взаимодействующих частиц. Так, при взаимодействии электрона и пози­трона в околоядерном поле может произойти их аннигиляция с образованием двух гамма-квантов. Однако аннигиляция ядерного вещества – пока еще вопрос будущего, хотя зарубежными военными специалистами уже ведутся разгово­ры о создании аннигиляционного оружия.