Откуда вообще энергия: дефект массы
Ядро состоит из протонов и нейтронов, но его масса меньше суммы масс отдельных нуклонов. Эта недостача — дефект массы Δm. По Эйнштейну она эквивалентна энергии связи, удерживающей ядро вместе:
И деление, и синтез выгодны тогда, когда после реакции суммарная масса продуктов меньше, чем была. Освободившийся «излишек массы» уходит в кинетическую энергию осколков и излучение. Это не «магия из ничего» — закон сохранения энергии выполняется строго.
Кривая удельной энергии связи
Ключ ко всему — график удельной энергии связи (энергии на один нуклон) в зависимости от массового числа. Он растёт от лёгких ядер, достигает максимума около железа-56 (≈ 8,8 МэВ на нуклон) и плавно спадает у тяжёлых ядер.
- Энергия выделяется при любом движении к вершине кривой (к железу).
- Лёгкие ядра (водород) идут к вершине, сливаясь — это синтез.
- Тяжёлые ядра (уран) идут к вершине, распадаясь — это деление.
Поэтому железо — «дно» энергетики: из него нельзя извлечь ядерную энергию ни делением, ни синтезом. Именно на железе обрывается синтез в недрах массивных звёзд.
Деление: тяжёлые ядра распадаются
Нейтрон попадает в ядро урана-235, оно становится неустойчивым и разваливается на два осколка плюс 2–3 новых нейтрона. Эти нейтроны бьют по соседним ядрам — начинается цепная реакция. Один акт деления U-235 даёт около 200 МэВ.
На этом работают АЭС и атомные бомбы. В реакторе цепную реакцию держат в управляемом режиме поглощающими стержнями и замедлителем; в бомбе — наоборот, дают развиться лавинообразно. Минус деления — радиоактивные осколки, требующие захоронения.
Синтез: лёгкие ядра сливаются
Синтез — слияние лёгких ядер. В Солнце водород через цепочку реакций превращается в гелий; в земных проектах термоядерных реакторов сливают изотопы водорода — дейтерий и тритий:
На один акт синтез даёт меньше энергии (≈17,6 МэВ против 200 МэВ деления), но на единицу массы топлива синтез выгоднее в несколько раз, а топливо (водород) практически неисчерпаемо. Сложность в том, что ядра заряжены положительно и отталкиваются: чтобы они сблизились, нужны температуры в десятки и сотни миллионов градусов — отсюда слово «термоядерный». Управляемый синтез на Земле (токамаки, ITER) пока на грани положительного выхода энергии.
Таблица сравнения
| Критерий | Деление | Синтез |
|---|---|---|
| Что происходит | Тяжёлое ядро распадается на два | Лёгкие ядра сливаются в одно |
| Топливо | Уран-235, плутоний-239 | Дейтерий, тритий (водород) |
| Где идёт | АЭС, атомная бомба | Солнце, звёзды, токамаки, водородная бомба |
| Энергия на акт | ≈200 МэВ | ≈17,6 МэВ (но больше на 1 кг топлива) |
| Условия запуска | Захват нейтрона, критическая масса | Десятки миллионов градусов |
| Отходы | Долгоживущие радиоактивные осколки | Гелий (стабилен), меньше отходов |
Масштаб энергии: почему это так много
Чтобы почувствовать разницу с химией, сравним. При сгорании одного атома углерода выделяется несколько электрон-вольт. При делении одного ядра урана — около 200 миллионов электрон-вольт, то есть примерно в десятки миллионов раз больше на одну частицу. Поэтому 1 кг урана-235 в реакторе по энергии заменяет около 2–3 тысяч тонн угля. Синтез ещё плотнее: 1 кг термоядерного топлива эквивалентен миллионам килограммов угля. Источник этого изобилия один — ядерные силы на много порядков сильнее химических связей между атомами.
Что общего
И деление, и синтез — это движение ядер к более «упакованному» состоянию вблизи железа, а энергия в обоих случаях выходит из дефекта массы по формуле E = mc². Разница только в том, с какой стороны кривой энергии связи вы стартуете: тяжёлые ядра выгодно дробить, лёгкие — сливать.
