В конце XIX и начале XX в. было установлено, что атомы химических элементов состоят из положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов, вращающихся вокруг ядер. При этом число электронов атома любого химического элемента равно номеру элемента в периодической системе элементов Менделеева. Атом в обычном состоянии электронейтрален, отсюда следует, что ядро имеет заряд, равный суммарному заряду всех электронов, но противоположный по знаку. Далее было установлено, что ядро состоит из частиц (нуклонов), именуемых протонами и нейтронами.
Протон имеет массу, равную 1,00757 АЕМ (АЕМ — атомная единица массы, равная 1,66 • 10″524 г, или Vie массы атома наиболее распространенного в природе изотопа кислорода), и положительный заряд, по абсолютной величине соответствующий заряду электрона. Нейтрон электронейтрален: его масса равна 1,0893 АЕМ. Число протонов в ядре атома равняется числу электронов атома и, следовательно, номеру данного элемента в периодической системе. Химические свойства элемента определяются числом электронов атома, а значит, и числом протонов в ядре. При равном числе протонов в ядре любого элемента количество нейтронов может быть неодинаковым. Разновидности одного и того же элемента с разным числом нейтронов в ядре называются изотопами. Общее число нуклонов (протонов и нейтронов) в ядре определяет массовое число.
Возможность использования ядерной энергии вытекает из следующего. Известно, что энергия неразрывно связана с массой. Там, где выделяется энергия, происходит и соответствующая убыль массы. Связь между массой и энергией подчиняется закону Эйнштейна Е = тС2, где Е — энергия в эргах (Эрг — единица энергии, равная 2,39 • 10-8 кал.), т — масса в граммах, С — скорость света, равная 3-1010 см/сек.
Рассмотрим пример. Ядро атома гелия состоит из двух протонов и двух нейтронов, общая масса которых в свободном состоянии равна 4,033 АЕМ; однако масса ядра гелия несколько меньше, а именно 4.003 АЕМ. Оказалось, что масса ядра любого элемента несколько меньше суммы масс нуклонов, находящихся в свободном состоянии. Из этого можно заключить, что при образовании любого ядра из составляющих частиц происходит убыль массы. Величина убыли массы, отнесенная к массе ядра, называется дефектом массы. Но при потере массы выделяется определенное количество энергии. При образовании ядра гелия убыль массы составляет 5-10 —26 г, значит, по закону Эйнштейна, количество выделяющейся при этом энергии будет равно 44,08 —6 эргов.
Величина выделенной энергии, отнесенная к одному нуклону, называется энергией связи ядра. Чем больше энергия связи, тем прочнее ядро атома. Энергия связи ядер закономерно изменяется с ростом порядкового номера элемента в периодической системе. Для изотопа водорода — дейтерия, ядро которого состоит из одного протона и одного нейтрона, она равна 1,1 мэв (Мэв=106 эв (электроновольт) = 1,6 • 10-6 эргов.), для другого изотопа водорода — трития (один протон и два нейтрона) — 2,78 мэв. Один из изотопов гелия (два протона и один нейтрон) имеет энергию связи 2,53 мэв, а следующий (два протона и два нейтрона) — 7,07 мэв; эта величина наибольшая по сравнению с предшествующим и последующим соседями гелия — литием (изотопы с тремя и четырьмя нейтронами) и бором (изотоп с пятью нейтронами). Далее значения энергии связи плавно повышаются, достигая для более прочных ядер элементов середины периодической системы почти 9 мэв. Затем величина энергии связи постепенно уменьшается до 7,5 мэв для самых тяжелых ядер элементов конца периодической системы.
Ядерная энергия может быть реализована двумя путями: расщеплением самых тяжелых ядер на ядра средней величины или синтезом более тяжелых ядер из самых легких. В настоящее время используют оба метода: первый — для производства атомных бомб и в мирных целях, второй — пока только для производства водородных бомб.
Из естественных атомов расщеплению может подвергаться только изотоп урана, ядро атома которого состоит из 92 протонов и 143 нейтронов. При вхождении постороннего нейтрона в его ядро последнее делится на две части, образуя ядра изотопов элементов середины периодической системы. Освобождающаяся ядерная энергия проявляется в кинетической энергии образующихся осколков и возникающем излучении. При расщеплении 1 кг указанного изотопа урана выделяется 2 * 1010 ккал энергии, примерно то же, что при сгорании 2500 т угля.
При делении каждого ядра изотопа урана, кроме осколков, выделяются два-три нейтрона, которые в свою очередь могут расщепить два-три ядра, затем четыре-восемь и т. д. Процесс идет настолько быстро, что вся масса расщепляется за малые доли секунды и происходит взрыв. При этом развивается температура до нескольких сотен миллионов градусов и давление в несколько миллионов атмосфер. Этот процесс и лежит в основе действия атомной бомбы. Но если в рассматриваемом процессе часть выделяющихся нейтронов поглощать каким-нибудь веществом, то процесс можно регулировать так, чтобы вместо взрыва происходило спокойное выделение энергии. Этот принцип лежит в основе мирного использования атомной энергии.
Количество урана в земной коре значительно, но содержание в нем рассмотренного изотопа невелико — 0,7%. Основной же изотоп урана с ядром из 92 протонов и 146 нейтронов не расщепляется. Однако найдена возможность использовать для получения ядерной энергии и этот изотоп урана. При поглощении одного нейтрона его ядро превращается в ядро третьего изотопа урана (92 протона и 147 нейтронов), из которого при поглощении нейтрона образуется ядро нового элемента— нептуния (93 протона и 146 нейтронов). Это последнее, поглощая нейтрон, образует ядро плутония (94 протона и 145 нейтронов), который является расщепляющимся материалом. Несколько иным путем нерасщепляющийся изотоп тория (90 протонов и 142 нейтрона) можно превратить в расщепляющийся изотоп урана (92 протона и 141 нейтрон).
Из сказанного следует, что в перспективе все запасы урана и тория можно рассматривать как источник расщепляющегося атомного горючего. Общие запасы урана и тория оцениваются в 16 * 106 т с возможной энергией 5,47 * 10 17 квт-ч, т. е. величиной того же порядка, что и запасы энергии во всех залежах топлива. Возможно, конечно, что в дальнейшем запасы урана и тория окажутся большими.
Человечество уже вступило в век атомной энергии. Первая в мире атомная электростанция (АЭС) мощностью 5 тыс. квт была пущена в СССР в 1954 г.; пять лет спустя заработал первый агрегат (мощность 100 тыс. квт) Сибирской АЭС. В 1964 г. начал работать первый агрегат (мощность 100 тыс. квт) Белоярской (на Урале) и первый агрегат (мощность 210 тыс. квт) Нововоронежской АЭС. Программа дальнейшего развития ядерной энергетики СССР исходит из строительства крупных атомных электростанций прежде всего в районах, не располагающих большими запасами топлива. К таким районам относятся, например, северо-запад, центр и запад страны.
К концу 1964 г. во всем мире в эксплуатации находилось уже 35 АЭС и строилось 30. При этом общая мощность всех АЭС достигла 5,0 млн квт, из которой более 900 тыс. квт приходилось на долю советских АЭС. Ожидают, что к 1980 г. общая мощность АЭС в США, Японии, Англии, Канаде и европейских странах общего рынка достигнет 135 млн квт.
При современном техническом уровне себестоимость электроэнергии АЭС несколько выше себестоимости энергии электростанций, работающих на угле. Если в последнем случае капитальные затраты на 1 квт мощности составляют 100%, то для АЭС—125—160%. С увеличением мощности отдельных агрегатов АЭС и типизацией оборудования атомная электроэнергия будет не дороже электроэнергии топливных станций. На Женевской конференции (1964) по мирному использованию атомной энергии специалисты разных стран пришли к единодушному выводу, что энергия АЭС становится серьезным конкурентом энергии угольных электростанций при условии, что мощность отдельных блоков АЭС не менее 400—500 тыс. квт. Предполагают, что в следующем десятилетии такие АЭС станут экономически выгодными на половине территории нашей планеты.
В США считают, что к 1970 г. стоимость электроэнергии АЭС и топливных станций будет одинаковой на большей части территории страны.
Атомная энергия получает широкое применение на судовых установках. Первый в мире атомный ледокол «Ленин» уже ряд лет работает в арктических условиях Дальнего Севера. Американское торгово-пассажирское судно с ядерной энергетической установкой успешно совершило несколько рейсов в Европу. Атомное грузовое судно строится в ФРГ. Работают над созданием атомных судовых установок и в других странах, в частности в Японии.
В настоящее время энергию ядерного распада превращают в электрическую через тепловую и механическую энергию. Ведутся работы по превращению тепла, получаемого за счет ядерных реакций, непосредственно в электрическую энергию. В СССР на этом принципе создана опытная установка под названием «Ромашка» мощностью 500 в, в которой тепло ядерной реакции превращается в ток с помощью кремний-германиевых преобразователей. Но и это еще не все. Ученые изыскивают методы превращения ядерной энергии сразу в электрическую, так как при этом резко повысится коэффициент использования ядерной энергии. В основу опытов положен следующий принцип. При разложении, например, радиоактивного изотопа стронция, являющегося отходом при расщеплении урана и плутония, освобождаются электроны. При попадании каждого из них на полупроводник последний освобождает 200 электронов, создающих ток. Уже сконструирована электрическая батарейка, работающая по этому принципу, в батарейке создается ток силой в несколько миллиампер и напряжением 0,2 в. Батарейка, размером с наперсток, может непрерывно работать 20 лет. На этой же основе создаются «изотопные аккумуляторы», атомная энергия которых превращается непосредственно в электрическую. Установка Бета-1 с использованием изотопацерия-144 более года успешно работала на метеостанции в Подмосковье. Такие установки очень удобны для питания током отдаленных маяков, радиостанций, автоматических приборов. В Советском павильоне на Лейпцигской ярмарке 1965 г. работала метеостанция с подобной автоматической установкой, передающей на специальное табло сведения о погоде.
Несравнимо большие возможности сулит синтез ядер гелия из ядер изотопов водорода, а также взаимодействие ядер изотопов водорода и изотопов лития. При образовании гелия из дейтерия на 1 г последнего выделяется 100 тыс. квт-ч энергии. В гидросфере Земли (океаны, моря, реки), масса которой оценивается в 1.4 * 1018 т, содержится 2,5 * 1019 г дейтерия. При превращении всего дейтерия в гелий могло бы выделиться 2.5 * 10 24 квт-ч энергии, что почти равно количеству солнечной энергии, приходящейся на поверхность всей Земли в течение 4 млн лет.
В настоящее время реакции ядерного синтеза используются только в водородных бомбах, при взрывах которых громадные количества энергии выделяются мгновенно, При опытном взрыве первой водородной бомбы выделилось энергии в 16 раз больше, чем ее требовалось для прорытия Панамского канала, где было вынуто 183 млн м3 грунта. Сейчас имеются водородные бомбы силой, считая на тротиловый эквивалент, 100 млн т. Энергия взрыва такой бомбы равна 9,7 * 10 13 ккал; это эквивалентно 13,8 млн т условного топлива.
Чтобы регулировать процессы ядерного синтеза, надо преодолеть силы электростатического отталкивания ядер дейтерия. Для этого необходима очень высокая температура. В начале реакции требуется температура порядка 1 млн градусов, а при осуществлении непрерывного процесса температуру надо поднять до 200 млн градусов. При таких температурах всякое вещество находится в состоянии плазмы, представляющей собой смесь положительно заряженных ядер и отрицательно заряженных электронов. Отсюда ясно, насколько трудна проблема овладения ядерным синтезом. Во-первых, не так просто нагреть плазму хотя бы до температуры начала реакции; во-вторых, нет материалов, которые могли бы выдерживать такие высокие температуры; в-третьих, надо предотвратить быстрое охлаждение реагирующей плазмы за счет теплопроводности и лучеиспускания и разлетание ионов дейтерия. Но, несмотря на все эти трудности, работы по ядерному синтезу ведутся во многих странах и особенно интенсивно в СССР и США.
На первой Женевской конференции по мирному использованию атомной энергии индийский профессор Баба заявил, что для решения проблемы использования энергии ядерного синтеза потребуется 20 лет. Некоторые советские ученые считают, что освоение этого вида энергии можно ожидать примерно к 2000 г.