ТЯЖЕЛАЯ ВОДА

СТАРШИЙ «БРАТ» ДЕЙТЕРИЯ

Ри делении тяжелых ядер в реакторе выделяется энергия. Где же источник этой энергии? Почему она освобож­дается в тот момент, когда ядро раскалывается на две части?

Ядро урана-235 состоит из 92 протонов и 143 нейтронов. Это не простая механическая смесь элементарных частиц, подобно, скажем, смеси железных опилок и порошка серы. Частицы, составляющие ядро атома, очень прочно связаны друг с другом так называемыми ядерными силами. Эта связь частиц в ядре во много миллионов раз крепче, чем связь, существующая между атомами в молекуле любого химического соединения. Прокалите те же железные опил­ки, смешанные с серой, получится химическое соединение — сернистое железо. Чтобы разрушить все молекулы серни­стого железа до атомов железа и серы, содержащиеся в од­ном грамме, необходима энергия в количестве примерно одной большой калории. А чтобы разрушить до элементар­ных частиц все ядра, находящиеся в кусочке урана весом один грамм, понадобилась бы энергия порядка 170 мил­лионов больших калорий. Такое количество энергии вы­деляется при сжигании почти 20 тонн бензина.

Нейтроны и протоны в ядрах различных химических элементов связаны друг с другом по-разному: в одних прочнее, в других — слабее. При делении ядра урана, как уже говорилось, образуются два «осколка», представляю­щие собой ядра атомов середины периодической таблицы элементов Менделеева, например ядра атомов бария и крип­тона. Протоны и нейтроны в этих ядрах связаны между собой более прочно, чем они были связаны в ядрах урана или других тяжелых элементах конца таблицы Менделеева. Для разрушения одного ядра бария и одного ядра криптона до элементарных частиц (на протоны и нейтроны) потребова­лось бы энергии на десять процентов больше, чем для раз­рушения одного ядра урана.

Если для расщепления ядра на отдельные элементарные частицы необходима некоторая определенная энергия, то при образовании ядер из этих частиц, согласно закону сохранения энергии, должна выделяться такая же энергия.

Расчленим мысленно процесс деления ядра урана на две стадии. Первая стадия — разрушение ядра урана на про­тоны и нейтроны; при этом затрачивается энергия в ко­личестве 170 миллионов больших калорий на один грамм чистого урана. Вторая стадия — образование ядер бария и криптона из элементарных частиц, образовавшихся при разрушении ядер урана. Этот процесс сопровождается вы­делением энергии в количестве уже около 190 миллионов больших калорий. В результате проведения обеих стадий реакции получается выигрыш энергии в 20 миллионов больших калорий. Для получения такого количества энер­гии надо сжечь примерно две тонны бензина. Таким обра­зом, «теплотворная способность» у урана при его делении оказывается в два миллиона раз выше, чем при горении бензина.

Поясним наши рассуждения следующим примером. До­пустим, вы стоите на склоне горы и из колодца глубиной два метра черпаете воду. На поднятие каждого килограм­ма воды вы затрачиваете работу в два килограмм-метра. За­тем вы эту воду льете по желобу на колесо турбины, распо­ложенной на пять метров ниже. Если пренебречь всевоз­можного рода потерями энергии, то турбина совершит ра­боту, равную уже пяти килограмм-метрам. В результате мы получаем работы на три килограмм-метра больше, чем за­трачиваем.

При делении ядер тяжелых элементов они не распада­ются до отдельных элементарных частиц, они только раска­лываются на две части — осколки. Внутри полученных осколков мгновенно происходит перегруппировка элемен­тарных частиц; они более плотно «упаковываются», и этот процесс сопровождается выделением энергии, причем вы­деляется энергии больше, чем ее расходуется на разруше­ние тяжелого ядра.

Расчеты показывают, что при делении тяжелых ядер выделяется только часть энергии, запасенной в ядре. Значи­тельно больше энергии получается, если те же самые ядра ба­рия и криптона синтезировать (составлять) непосредственно из протонов и нейтронов. Тогда не придется затрачивать энер­гию в 170 миллионов больших калорий на разрушение тяже­лых ядер. В примере с водой это соответствовало бы тому, что не надо вытягивать ее из колодца наверх, а пользовать­ся бассейном, вода в котором находится на уровне верхнего края желоба.

Но для синтеза атомных ядер из нейтронов и протонов необходимо прежде всего иметь в своем распоряжении эти элементарные частицы. В готовом виде в природе их нет. Их можно получить только искусственным путем. Однако выделенные в свободном состоянии нейтроны и протоны нельзя запасать впрок. Протоны — это атомы протия, ли­шенные единственного электрона, в обычных условиях они долго существовать не могут. Протоны найдут для себя по­терянные электроны и вновь превратятся в электрически нейтральные атомы протия.

Нейтроны легко проникают внутрь ядер атомов и захва­тываются ими. Кроме того, нейтроны радиоактивны. Про­должительность жизни нейтронов в свободном состоянии — считанные минуты. Если нейтрону удалось избежать захва­та ядром, то он самопроизвольно превращается в протон и электрон. Откуда при радиоактивном превращении ней­трона появился электрон? Дело в том, что и нейтрон и протон по сути одна и та же элементарная частица, только находится она в разных энергетических состояниях. Чтобы подчеркнуть общность этих частиц, когда они составляют в совокупности какое-нибудь ядро атома, их даже называют одним именем — нуклоны. Так и говорят, например, ядро изотопа хлор-35 состоит из 35 нуклонов, не подразделяя их на протоны и нейтроны. Процесс перехода нейтрона в протон, это — самопроизвольный переход с более высокого энергетического уровня на более низкий; при этом и «рож­дается» электрон. Самопроизвольный же переход протона в нейтрон невозможен, это соответствовало бы переходу с низкого уровня энергии на более высокий, что противоре­чит закону сохранения энергии. Камень, лежащий на земле, никогда сам собою, без вмешательства внешней силы, не поднимется вверх. Если же протону сообщить извне необходимое количество энергии, он может превратиться в нейтрон, причем этот акт сопровожается появлением частички, подобной электрону, но положительно заряженной. Ее называют, как мы уже знаем, позитрон. Вот так и полу­чается, что хотя в нейтронах и нет электронов, а в прото­нах — позитронов, но при взаимном их превращении части­цы эти выделяются.

Итак, если удается получить в свободном виде нейтро­ны и протоны, то их необходимо тотчас же пустить для син­теза атомных ядер.

Разрушение тяжелых ядер типа урана на элементарные частицы (нуклоны) сопряжено с затратой большого коли­чества энергии. А нет ли в природе таких ядер, в которых протоны и нейтроны связаны не так прочно между собой, как в ядре урана? Если такие ядра имеются, то первая мыс­ленная стадия реакции — разрушение ядра — потребо­вала бы меньшей затраты энергии. Возвращаясь к приме­ру с колодцем и желобом,— надо искать по возможности мелкий колодец.

Здесь-то и выходит на сцену водород со своими тяжелыми изотопами и теперь уже не одним, а двумя.

Какую роль играл дейтерий в работе ядерного реактора? Его роль была вспомогательная — замедлять быстрые ней­троны до тепловых скоростей. Прямого участия в высвобож­дении ядерной энергии он не принимал. Во многих реакто­рах, как вы уже знаете, в качестве замедлителей нейтро­нов успешно используются углерод в виде графитовых бло­ков, или обыкновенная вода. Имеются реакторы и вовсе без замедлителя — это реакторы, работающие на быстрых нейтронах. В процессах же, с которыми мы теперь позна­комимся, изотопы водорода имеют решающее значение в освобождении ядерной энергии.

Кроме тяжелого изотопа водорода — дейтерия, имеет­ся еще сверхтяжелый изотоп — тритий; его обозначают буквой Т. В ядро трития кроме протона входит не один ней­трон, как у дейтерия, а два (рис. 13). В отличие от дейтерия

(белыми кружками обозначены протоны, черными — ней­троны, составляющие ядра).

Половина всех имеющихся в наличии атомов трития рас­падается за 12,2 года. Этот срок не велйк, но вполне до­статочный, чтобы всегда иметь тритий в запасе в нужном ко­личестве.

Тритий является более сложно устроенным изотопом водорода. По своим свойствам он отличается от протия силь­нее, чем дейтерий.

Как и первые два изотопа, тритий может быть сконденси­рован в жидкость. Температура кипения жидкого трития уже на 4,65 градуса выше температуры кипения протия. Теплота испарения у него еще выше, чем у дейтерия. При соединении трития с кислородом образуется вода, которую называют тритиевой или сверхтяжелой водой. Подобно дей­терию тритий в сочетании с протаем, дейтерием и изотопа­ми кислорода дает воду различного изотопного состава. К тем девяти разновидностям воды, которые дал дейтерий, теперь добавляется столько же новых, в состав молекул которых входят атомы трития. Формулы этих молекул можно записать так:

Т2о1в, т2о17, Т2018, тно1в, тно17, тно18,

ТБО16, ТОО17 и ТОО18.

Тритий имеется в природной воде, но только в

И очень малых количествах ( зо ооо ооо ооо ооо ооо ооо от числа атомов протия). Ничтожное количество трития имеется и в атмосфере.

Тритий не выделяют из природной воды, как дейтерий, а получают искусственным путем. Если поместить внутрь ядерного реактора, где имеется мощный поток нейтронов,

Вещества, содержащие атомы дейтерия, лития, бора или азо­та, то в результате ядерной реакции образуется тритий. Например:

Азот-14
Углерод-12

Рассуждая таким же образом, как и в случае деления ядер урана (см. стр. 50), мысленно расчленим процесс на две стадии: первая—разрушение ядер дейтерия и трития до отдельных нуклонов, вторая — синтез из них ядер гелия. Нейтроны и протоны связаны между собой в ядрах дейтерия и трития значительно менее прочно, чем в ядрах гелия. Поэтому на разрушение ядер двух изотопов водорода сум­марно затрачивается меньше энергии, чем ее выделяется при синтезе одного ядра гелия из полученных элементар­ных частиц. Расчет показывает, что при образовании все­го лишь одного грамма атомов изотопа гелия-4 из ядер дейтерия и трития высвобождается энергии около ста миллионов больших калорий. Это в пять раз больше энергии, выделяемой при делении одного грамма урана под действием нейтронов.

Чтобы осуществить реакцию синтеза ядер гелия, надо привести к столкновению ядра дейтерия и трития друг с другом. В этом состоит основная трудность в проведении реакции синтеза ядер гелия. Ведь оба сталкивающихся ядра положительно заряжены, а электрически, одноименно за­ряженные тела отталкиваются друг от друга. Для преодо­ления электрических сил отталкивания надо к ядрам при­
ложить большие силы. Как же это сделать? Видимо, надо сообщить ядрам такую энергию движения, которой хватило бы на преодоление сил отталкивания, действующих между ними.

Средняя скорость беспорядочного движения частиц, а следовательно, и их энергия определяются температурой. Чем выше температура тела, тем больше средняя энергия частиц, тем быстрее они движутся. Значит, надо наши изо­топы нагреть и нагреть до очень высокой температуры, порядка миллиона градусов и даже выше. Только при та­ких температурах энергия частиц будет достаточной для преодоления электрических сил отталкивания между ядра­ми. Если вспомнить, что даже на поверхности Солнца тем­пература составляет всего лишь 6000 градусов, то трудность нагревания тел до миллиона градусов становится очевид­ной. Единственный известный в наше время источник, с помощью которого можно достигнуть таких температур, это взрыв атомной бомбы, то есть цепной процесс деления ядер урана или плутония. В зоне такого взрыва дейтерий и тритий будут существовать в форме плазмы — среды, состоящей из «голых» атомных ядер, лишенных электрон­ных оболочек. В таких условиях ядра изотопов водорода получают возможность при встрече соединяться в ядра ге­лия, осуществляется так называемая термоядерная реакция. Такой или подобный ему процесс и происходит при взрыве водородной бомбы.

Чтобы использовать энергию, выделяющуюся при тер­моядерных реакциях, для мирных целей, необходимо на­учиться управлять такими реакциями. Разрешением этой очень трудной задачи заняты теперь ученые многих стран мира. Большие исследования в этом направлении прово­дятся у нас, в Советском Союзе. Удачное решение этой за­дачи снимет с человечества заботу о поисках новых источ­ников энергии и приведет к невиданному расцвету науки и техники.

❖ *

*

Всего два с половиной десятилетия отделяют нас от мо­мента открытия тяжелой воды и того времени, когда она получалась в количествах, умещающихся на дне малень­кой пробирки. За это короткое время тяжелая вода завое­вала себе прочное место в ядерной энергетике. Она оказа­лась лучшим замедлителем для атомных реакторов, работа­

Ющих на тепловых нейтронах. Однако это еще не самое главное. Основное значение тяжелая вода приобретает при осуществлении термоядерных реакций. Для этих реакций прежде всего необходимо иметь в достаточном количестве сырье, то есть дейтерий и тритий. Атомы дейтерия являют­ся составной частью молекул тяжелой воды. Атомы трития могут быть получены, как мы видели, из атомов дейтерия. Следовательно, тяжелая вода — вот тот источник, который поставляет необходимые элементы для осуществления реак­ции синтеза ядер гелия. Поэтому теперь получение тяжелой воды во многих странах мира ведется в крупных завод­ских масштабах.