Фантастическая энергия. Часть 2

Поиски альтернативной энергии

Устойчивая энергетика обеспечивает фундамент для развития государств и человечества и является двигателем государственной и мировой экономики. Однако ограниченность традиционных источников энергии на Земле становится все более заметной, поскольку значительная часть ресурсов, используемых человеком на данный момент, является исчерпаемой. Динамика мирового потребления энергии показывает, что сегодня основным источником энергии является углеводородное топливо (уголь, нефть и природный газ), и позволяет оценить то, что мировых разведанных запасов нефти и газа хватит еще примерно на 50 лет при сохранении их добычи на текущем уровне.

Поэтому одной из главных задач человечества на сегодня является поиск источников энергии, альтернативных углеводородным. Такими источниками являются, например, энергия падающей воды, ядерная энергия (выделяется при распаде ядер тяжелых элементов), энергия ветра, энергия солнечного излучения и другие. Все эти источники по тем или иным причинам не способны полностью заменить человечеству углеводородное топливо.

Единственной известной альтернативой являются реакторы, работающие по принципу управляемого термоядерного синтеза. Термоядерные реакции – основной источник энергии в современной Вселенной. Энергозапас таких видов реакций грандиозен. Благодаря этим реакциям существуют звезды и наше Солнце, поток излучения которого делает возможной жизнь на Земле. Зловещей демонстрацией возможности осуществления неуправляемых реакций этого типа явились неоднократные взрывы водородных бомб, произведенные сначала США, а затем и СССР . В них запуск термоядерного процесса обеспечивается за счет предварительного взрыва атомной бомбы, которая входит в состав водородной бомбы. Измеренная мощность взрыва «Царь-бомбы» составила 58,6 миллиона тонн в тротиловом эквиваленте. Откуда же берется такая колоссальная энергия?

Откуда берется энергия

Современная физика утверждает, что масса исследуемого объекта и его энергия (мера способности этого объекта совершать работу) взаимосвязаны – это важнейший вывод специальной теории относительности, разработанной Альбертом Эйнштейном. Масса может переходить в энергию, а энергия – в массу. Согласно этому закону взаимосвязи массы и энергии, тело массой m обладает энергией, называемой энергией покоя: E₀ = mc², где с – скорость света в вакууме, равная приблизительно 3∙10⁸ м/с. На сегодняшний день это одна из самых известных формул в физике.

Масса тела изменяется каждый раз, когда изменяется его внутренняя энергия: при изменении скорости, агрегатного состояния (например, при таянии льда), в ходе химических реакций (например, при сжигании газа) и ядерных превращений. Важно, что в процессах, происходящих на атомно-молекулярном уровне, изменения массы крайне малы. В ядерных же реакциях изменения массы примерно в 10⁶-10⁷ раз больше, чем в химических реакциях! Это объясняет грандиозный энергозапас ядерных реакций по сравнению с химическими источниками энергии.

Это означает, что часть массы нуклонов при их соединении в одно ядро превратилась в энергию, которая состоит из излучения и кинетической энергии.

Посчитать энергию

Выделившаяся при таком преобразовании массы нуклонов энергия называется энергией связи и определяется следующей формулой:

Отношение энергии связи ядра к числу нуклонов в ядре (A = Z + N) называется  удельной энергией связи . Зная массы ядер различных химических элементов и массы протона и нейтрона, которые определяются экспериментально с помощью специальных детекторов, можно определить энергии связи ядер этих химических элементов (рисунок 3) и их потенциальный энергозапас.

В ядрах нуклоны удерживаются вместе ядерными силами. Эти силы являются короткодействующими: они существенны на расстоянии примерно одного размера нуклона – 10 ^-15 м – это в тысячи раз меньше самых маленьких атомов. На таких расстояниях ядерные силы намного превосходят электростатические силы отталкивания между протонами, но являющиеся сравнительно дальнодействующими. Для того чтобы «разобрать» ядро на отдельные нуклоны, необходимо затратить энергию, равную энергии связи всех нуклонов, ведь иначе, без привлечения этой энергии, нуклонам ядра «не хватает массы» для существования в разделенном состоянии. При образовании ядра из отдельных нуклонов энергия их связи высвобождается: «лишняя масса» нуклонов преобразуется в энергию и покидает систему.

Из рисунка 3 видно, что энергия связи ядра в расчете на один нуклон настолько больше, насколько компактно ядро «упаковано» . Форма самых легких ядер, содержащих всего несколько нуклонов, несимметрична, и удельная энергия связи в таких ядрах невелика. Ядра с большим атомным весом, как правило, имеют «рыхлую» структуру, и удельная энергия связи в таких ядрах также сравнительно мала.

Ученые выяснили, что наибольшую удельную энергию связи имеют ядра среднего размера: редкого изотопа никеля с  атомной массой  62 (8 794  КэВ ), изотопа железа с атомным весом 58 (8 792 КэВ) и наиболее распространенного изотопа железа (он составляет около 92% всего железа на Земле) с атомным весом 56 (8 790 КэВ). Их ядра максимально плотно «упакованы». Такие ядра очень устойчивы и наиболее прочно связаны ядерным силами.

Именно изменение состава ядра называется ядерной реакцией. Положительный энергетический баланс имеют те ядерные реакции, которые направлены в сторону образования ядер с наиболее плотной «упаковкой» нуклонов, то есть ядра среднего размера (по числу нуклонов): либо путем деления тяжелых ядер, либо путем слияния легких. Первая реакция называется реакцией ядерного распада, вторая – реакцией термоядерного синтеза. Обе реакции можно использовать для получения энергии.

Весы для ядра

Понимание принципов физики ядра и действующих внутри него ядерных сил открывает путь к решению энергетической проблемы. Масса ядра и, следовательно, его энергия связи, являются одними из наиболее фундаментальных ядерных свойств, поскольку вся информация о ядерном взаимодействии, действующем в системе нуклонов, содержится в этой величине.

Это измерение должно иметь высокую точность, ведь масса одного протона равняется невообразимо маленьким величинам, поэтому закономерен вопрос – а какими «весами» их можно было бы измерить?

Наиболее современные измерения масс ядер проводятся с использованием так называемых  ловушек Пеннинга , в которых обеспечивается относительная неопределенность массы до 10^-10 для радионуклидов и даже менее 10^-11 для стабильных ядер.

Принцип работы ловушки построен на использовании скрещенных однородного статического магнитного поля и неоднородного электрического поля, способных поймать и удерживать заряженные частицы продолжительное время. Обычно в ловушках Пеннинга частицы радиально удерживаются сильным магнитным полем, а аксиально – слабым электрическим. Поля подобраны таким образом, чтобы пойманная частица вращалась по замкнутой траектории, не касаясь стенок аппарата. Для воздействия на движение пойманной частицы прикладывается дополнительное электрическое поле. Для этого коррекционные электроды ловушки делают разделенными на несколько сегментов, к различным частям электрода подаются напряжения возбуждения. Период изменения характера движения при возбуждении позволяет определить массу пойманной частицы с рекордной точностью. Как это происходит?

В процессе движения частицы внутри ловушки она попеременно приближается и удаляется от соответствующих стенок. Если разделить электрод ловушки на несколько сегментов, то на каждом из них появится наведенный заряд изображения, который при движении частицы будет изменяться. Этот эффект можно использовать для измерения частоты вращения пойманной частицы. Кроме того, измерение частоты вращения можно произвести с помощью  времяпролетного детектора , оптических методов на основе лазеров и так далее.

Помимо решения вопроса производства энергии, прецизионные измерения ядерных масс необходимы для углубления понимания ядерной физики и поведения материи на фундаментальном уровне, способствуют уточнению основных физических констант и проверке теоретических моделей. Эти измерения также помогают достичь большого прогресса в медицине: точные измерения ядерной массы важны для идентификации изотопов, которые используются в диагностической визуализации и лечении рака. Они также обеспечивают незаменимый вклад ядерной физики в астрофизические модели. Кроме того, точная изотопная идентификация находит применение в экологических исследованиях, археологии и криминалистике.