ЯДЕРНАЯ ЭНЕРГИЯ И ЕЁ ОСОБЕННОСТИ
Ядро атома состоит из нуклонов — протонов и нейтронов, удерживаемых вместе ядерными силами. При рассмотрении ядерной массы оказывается, что масса ядра всегда меньше суммы масс отдельных нуклонов. Эта разность называется массовым дефектом:
Δm = Zmp + (A − Z)mn − mядра
где
Соответствующая масса переходит в энергию связи ядра по формуле Эйнштейна:
Eсв = Δm ⋅ c2
Энергия связи характеризует стабильность ядра. Чем выше энергия связи на нуклон, тем устойчивее ядро.
В ядерных реакциях строго выполняется закон сохранения энергии, с учетом эквивалентности массы и энергии. Изменение массы между исходными и конечными продуктами реакции всегда соответствует изменению энергии системы.
Q-значение реакции, или тепловой эффект, определяется как разность масс (или энергий покоя) до и после реакции:
Q = (∑mисх. − ∑mпрод.)c2
Если Q > 0, реакция экзотермическая — энергия выделяется. Если Q < 0, реакция эндотермическая — энергия поглощается.
Рассмотрим двухчастичную реакцию типа:
a + X → Y + b
При известном Q и кинетических энергиях частиц можно вычислить распределение энергии между продуктами реакции. Закон сохранения импульса и энергии позволяет установить соотношение между кинетическими энергиями частиц до и после реакции. Особенно важно учитывать массу частиц: более легкая частица обычно уносит большую часть кинетической энергии.
Пример: В реакции 6Li + 2H → 4He + 4He энергия Q = 22.4 МэВ полностью переходит в кинетическую энергию альфа-частиц, поскольку начальные ядра покоятся.
Деление тяжелых ядер, таких как 235U или 239Pu, сопровождается выделением огромного количества энергии — порядка 200 МэВ на акт деления. Эта энергия состоит из:
Сравнение: 1 атом угля при сгорании выделяет ~4 эВ; 1 акт деления 235U — около 2 × 108 эВ.
Таким образом, энергетическая эффективность ядерного топлива превосходит химическое на 6–7 порядков.
При слиянии легких ядер, например, дейтерия и трития:
2H + 3H → 4He + n + 17.6 МэВ
выделяется значительная энергия. Основной вклад вносит высокая энергия связи в конечных продуктах. Термоядерные реакции обладают высоким Q-значением и потенциально безграничным энергетическим потенциалом, особенно с участием изотопов водорода.
Однако реализовать такие реакции в управляемом режиме чрезвычайно сложно из-за необходимости создания экстремальных температур и давления (условия “термоядерного плазменного шара”).
Энергетический выход ядерной реакции — это доля энергии, полученной на единицу массы топлива. В ядерной энергетике важна специфическая энергоотдача, обычно выражаемая в МэВ/нуклон или Дж/кг.
Для урана-235:
$$ E_\text{уд} \approx \frac{200 \cdot 1.6 \cdot 10^{-13}}{235 \cdot 1.66 \cdot 10^{-27}} \approx 8.5 \cdot 10^{13}\, \text{Дж/кг} $$
Это значение на 10⁶ раз превышает удельную энергию сгорания нефти.
Эффективность энергетического использования зависит от возможности контролировать и полноценно использовать высвобождающуюся энергию. В ядерных реакторах, например, преобразование ядерной энергии в электрическую осуществляется через тепловые циклы (Парсонс, Брейт-Уиллер и др.).
Реакции, протекающие с поглощением или выделением энергии, подчиняются строгому энергетическому балансу. Полная энергия до и после реакции включает как энергию покоя, так и кинетическую:
Eполная = ∑Eпокоя + ∑Eкинетическая
Баланс позволяет рассчитать минимальную энергию, необходимую для протекания реакции (энергетический порог), и оценить распределение энергии между продуктами. В ряде случаев возможны резонансные явления — сильное увеличение вероятности реакции при определённой энергии частиц.
Хотя ионизация не является ядерной реакцией, она позволяет проиллюстрировать масштаб различий: энергия ионизации атома водорода — 13.6 эВ, тогда как энергия ядерной реакции — порядка миллионов эВ. Это подчёркивает фундаментальное различие между ядерной и электронной энергетикой.
При практической реализации ядерных реакций часть энергии теряется в форме:
Особенно значительны потери при бета-распаде, где нейтрино уносит до трети энергии.
Кроме энергии, в ядерных реакциях также выполняется закон сохранения импульса. Это позволяет точно рассчитывать кинематические параметры продуктов реакции. Например, в реакции деления импульсы осколков направлены противоположно (в системе покоя исходного ядра), что определяет их энергию:
$$ p_1 = -p_2 \Rightarrow \frac{1}{2}m_1v_1^2 + \frac{1}{2}m_2v_2^2 = Q $$
Такой подход особенно важен при анализе реакций с малым числом продуктов, например, в анализе каналов двухтельных реакций.
Продукты ядерных реакций нередко образуются в возбуждённых состояниях. Энергия возбуждения может достигать десятков МэВ и со временем освобождается через гамма-излучение или внутреннюю конверсию. Эти процессы входят в полный энергетический баланс и существенно влияют на дозиметрию и тепловыделение в ядерных реакторах.
В цепных реакциях (например, в реакторах или атомных бомбах) каждый акт деления должен сопровождаться выбросом достаточного числа нейтронов и выделением энергии, чтобы поддерживать процесс. Энергия деления не только используется, но и влияет на вероятность следующего акта деления, особенно при взаимодействии нейтронов с ядрами-мишенями (например, замедление в водном или графитовом замедлителе).
Поддержание критического состояния требует учёта тепловыделения и рассеяния энергии в активной зоне, а также потерь через облучение и поглощение в конструкционных материалах.
Радиоактивные превращения также сопровождаются выделением энергии, хотя и меньшей, чем в реакциях деления или синтеза. Например, при альфа-распаде:
238U → 234Th + α + Q
где Q ≈ 4.2 МэВ, основная часть энергии уносится альфа-частицей. Для бета-распада энергия распада распределяется между электроном и антинейтрино, создавая непрерывный спектр.
Такие источники используются в ядерных батареях и радионуклидных термоэлектрических генераторах.
Ядерные реакции являются источником энергии, превосходящей по плотности все известные химические источники. Энергетический анализ каждой реакции позволяет не только понять её механизм, но и оценить технические возможности её практического использования, будь то в энергетике, медицине или астрофизике. Полный учёт всех форм энергии — ключ к пониманию и контролю над ядерными процессами.