Почему человечеству будет нужна тяжёлая вода?

Тяжёлая вода

Ответить на этот вопрос мож­но только языком цифр и формул.

Вот значения очень точно из­меренных масс изотопных атомов водорода:

Атом водородаМежду      легкими     атомами, в том числе между атомами дейте­рия, возможна ядерная реакция.

1D2 + 1D2 = 1H1+ 1T3

К такой реакции неприменим закон сохранения веса, каким представляла его старая химия:

2 x2,014102 ≠1,007 825 + 3,016049

Разница в массах «недостача» равна 0,00433 грамма. Это озна­чает, что при реакции между двумя грамм-атомами тяжелого водорода можно получить, со­гласно уравнению Эйнштейна Е = Δm×с2, энергию:

0,00433 × (3,0 × 1010)2=3,9×1018 эрг.

Эта величина эквивалентна энергии, получаемой в наше вре­мя от сжигания в топках 13,5 тонн первосортного угля.

Итак: полвагона угля или два грамм-атома дейтерия, которые содержатся в одной грамм-молекуле тяжелой воды. А тяжелая вода есть в любой природной воде, один атом дейтерия на 6700 атомов протия. Следователь­но, простой воды потребуется:

6700 ×18 = 120 500 грамм или 120 литров.

Иначе говоря, один литр обычной воды может дать больше энергии, чем 100 кг хорошего угля… Но перейдем к трудностям, которые будут лучше всего по­нятны тоже на примере простого расчета.

Чтобы два атома могли всту­пить в ядерную реакцию, их ядра должны столкнуться, т. е. сбли­зиться до расстояния, на котором начинают действовать межъядерные силы — примерно до 10-12 см. Найдем энергию, необходимую для того, чтобы преодолеть их взаимное отталкивание. Из зако­на Кулона следует, что потен­циальная энергия двух ядер, сблизившихся на расстояние 10-12 см, должна быть равна

Формулаесли между собой сталкиваются элементы с атомными номерами Z1 и Z2.

Представить себе, мала или не очень мала эта энергия, не­специалисту затруднительно. Го­раздо легче понять, с какой ско­ростью должны сталкиваться атомы( чтобы преодолеть потен­циальную энергию электростати­ческого отталкивания. Они дол­жны обладать большей или по крайней мере равной кинетиче­ской энергией.

На языке формул это озна­чает:

ФормулаМассу одного атома m можно выразить через атомный вес, зная, сколько атомов содержится в грамм-атоме:

ФормулаПосле этого уже можно вы­числять скорость V, с которой должны столкнуться атомы, чтобы могла начаться ядерная реакция.

Из двух предыдущих формул по­лучим:

ФормулаУ дейтерия атомный номер Z=1. Масса изотопа А = 2. Значит, v = 5,3×1018 ×0,50,5 = 3,8×108 см/сек. Скорость атомов должна быть равна 3800 километров в секунду.

Средняя скорость теплового движения атомов дейтерия три комнатной температуре (293° К) равна всего 1,9 км/сек. Кинетиче­ская энергия молекул возрастает (пропорционально абсолютной температуре, или, что то же са­мое, пропорционально квадрату спорости. Следовательно, чтобы средняя скорость молекул дейте­рия была достаточной для реак­ции между ядрами, нужно нагреть тяжелый водород до температуры:

ФормулаИтак, сталкиваться и реагиро­вать между собой могут только ядра дейтерия, «нагретые» до температуры более миллиарда градусов. Так формулируется цифрами трудность, которую мы обсуждаем.

Быть может, тяжелую воду можно чем-нибудь заменить? Ни­чем. Тяжелая вода, как источник тяжелого водорода для термо­ядерных реакций с целью получе­ния энергии, по-видимому неза­менима. Это следует из того, что необходимая для начала реакции температура чрезвычайно сильно, как легко увидеть, вернувшись к нашим формулам, возрастает по мере увеличения атомного но­мера элемента Z. Часть дейтерия можно было бы заменить на тритий, но этого изотопа в природе почти нет.

Тяжелая водаВозможно ли преодолеть эти трудности? Вероятно, да. Во-пер­вых, для того, чтобы началась реакция, не нужно весь водород нагревать до такой немыслимо чудовищной температуры. Доста­точно, если хотя бы отдельные атомы будут обладать нужной энергией. Во всяком газе при лю­бой температуре есть частицы с разными скоростями, от очень малых до очень больших. Благо даря этому реакция между ато­мами дейтерия будет идти с до­статочной скоростью даже и при температуре в несколько раз меньшей, чем 109 градусов. Это намного облегчает задачу.

Во-вторых, существует так на­зываемый туннельный эффект, благодаря которому всегда есть некоторая вероятность, что реак­ция между ядрами все же может (произойти, даже если их кинети­ческая энергия будет несколько ниже, чем необходимо для прео­доления электростатического от­талкивания.

Поэтому для начала термо­ядерного процесса между ядрами тяжелого водорода будет доста­точна температура «всего» толь­ко в 300 миллионов градусов. Если же вести реакцию между дейтерием и тритием, то будет достаточно и 40 миллионов гра­дусов.

Нужен не взрыв, а управляе­мая реакция. Нужна термоядер­ная «топка» с температурой в сотню миллионов градусов. И хотя в природе нет и не может быть материала, способного выдержать такую температуру, физики нащу­пывают путь — первыми на него ступили советские ученые — к со­зданию термоядерного реактора.

Ведутся опыты: «стенками» камеры могут быть мощные элек­тромагнитные поля.

Сколько понадобится време­ни, чтобы термоядерная энерге­тика, настоящая «гидроэнергетика будущего» стала из фантазии фи­зиков реальностью — этого сего­дня не знает никто. Но ведь и электричество казалось когда-то (кстати, не так давно — каких-ни­будь двести лет, назад,— величи­на, ничтожная в истории челове­чества!) забавным явлением — и ничем больше…

Добавить комментарий

Ваш e-mail не будет опубликован. Обязательные поля помечены *

Можно использовать следующие HTML-теги и атрибуты: <a href="" title=""> <abbr title=""> <acronym title=""> <b> <blockquote cite=""> <cite> <code> <del datetime=""> <em> <i> <q cite=""> <strike> <strong>