Беседа 28. Практическое использование термояда

          Коллега, когда мы рассматривали в предыдущей беседе распределение протонов (таблица 2) и нейтронов (таблица 3) по оболочкам в ядре, то упоминали некие «магические» числа. Чем эти числа отличаются от обычных?
      
Главное отличие, мой друг, заключается в том, что у «магических» ядер оболочки «замкнуты» по аналогии с подобными электронными оболочками. Под понятием «оболочка» подразумевается стационарный энергетический уровень усреднённого потенциала.

К примеру, атомы инертных газов с трудом отдают свой или приобретают дополнительный электрон. Теория Бора объясняет это свойство образованием «замкнутых» оболочек.
         
И действительно, у инертных газов все электронные оболочки полностью заполнены необходимым числом электронов (комбинация чисел: 2, 6, 10 и 14 – подробнее здесь), которые очень прочно связаны между собой. Если к ним добавить ещё один электрон, то он должен попасть на следующий уровень, потенциальная энергия которого значительно больше и этот электрон будет связан с атомом уже гораздо слабее.
         
Подобное свойство «замкнутых» оболочек можно наблюдать и при ковалентной химической связи между двумя атомами. Их общая внешняя оболочка полностью заполнена электронами, поэтому ковалентные связи очень прочны.
         
А, есть ли «замкнутые» оболочки в ядрах атомов? Мария Гёпперт-Майер доказала, что такие оболочки в ядрах есть (Нобелевская премия 1963 года). И это подтверждается наличием «магических» ядер, которые отличаются от соседних повышенной устойчивостью и большей распространённостью в Природе. В таких ядрах число протонов или нейтронов равно одному из так называемых магических чисел – 2, 8, 20, 28, 50, 82, 114, 126 и 184. Энергия отрыва нуклона от такого ядра заметно выше, чем у соседних ядер.

          Коллега, и это свойство ядер можно как то использовать?
         
Конечно же, можно, мой друг. Для этого нам достаточно знать значение энергии связи между нуклонами (протоны + нейтроны) в интересующих нас ядрах.

Зависимость энергии связи Wсв от А (число нуклонов) и Z (число протонов) для всех известных ядер приближённо описывается полуэмпирическим уравнением (впервые предложено в 1935 году К. Ф. Вейцзеккером):
         
Wсв = 14,03А – 13,03A^2/3 – 0,5835Z^2/A^1/3 – 19,3125(A-2Z)^2/A ± 33,57/A^3/4 МэВ
         
Здесь первое (и наибольшее) слагаемое определяет линейную зависимость Wсв от A.
         
Второй член, уменьшающий Wсв, обусловлен тем, что часть нуклонов находится на поверхности ядра.
      
Третье слагаемое – энергия электростатического (кулоновского) отталкивания протонов (прямо пропорциональна квадрату его заряда и обратно пропорциональна радиусу ядра).
         
Четвёртый член учитывает влияние на энергию связи неравенства числа протонов и нейтронов в ядре.
         
И последнее пятое слагаемое вводится лишь для четных А (для нечетных – равно нулю). При этом, оно положительно, если Z четное число, и отрицательно для нечетных Z. Эта сравнительно небольшая поправка оказывается весьма существенной для ряда случаев, в том числе и для «магических» ядер, у которых A и Z всегда четные.
         
К примеру, в ядре никеля 58 (самый распространенный изотоп) имеются четыре нейтронные оболочки (K, L, M, N), состоящие, соответственно, из 6, 8, 8 и 8-и нейтронов (см. таблицу 4). Оболочка L может вобрать в себя еще два нейтрона (дубль первой гармоники 2s) и мы получим изотоп никеля 60, в ядре которого все гармоники во всех нейтронных оболочках полностью завершены:
         
- оболочка К – 1s, 1s, 1s (три первых гармоники: 3*2 = 6 нейтронов);
- оболочка L – 2p, 2s, 2s (одна третья гармоника и две первых: 1*6 + 2*2 = 10 нейтронов);
- оболочка М – 3p, 3s (одна третья гармоника и одна первая: 1*6 + 1*2 = 8 нейтронов);
- оболочка N – 4p, 4s (одна третья гармоника и одна первая: 1*6 + 1*2 = 8 нейтронов).
         
Расчёт энергии связи для никеля 58 и 60 приведен в таблице здесь:
         
Итак, мы получим искусственное «магическое» ядро, у которого энергия связи увеличилась примерно на 60 КэВ. Это значит, что один килограмм никеля выделит такую же энергию, как и 200 тонн условного топлива. Но самое важное здесь то, что такой реактор мощностью в несколько киловатт можно использовать даже в быту без линий электропередач и подстанций.

          Впечатляет. Однако, коллега, поясните, пожалуйста, как это можно реализовать практически?

Практически реализовать это не сложно. Для этого необходима нейтронная «пушка», плёнка бериллия для «замедления» нейтронов (приведения их в резонанс с ядром никеля) и несколько грамм никеля 58 (желательно в порошке).

Как видите, ничего сложного. Но и это ещё не всё. Если новый изотоп никеля 60 мы продолжим облучать нейтронами, но уже в резонансе с собственными колебаниями оболочки М, то и эта оболочка сможет вобрать в себя дополнительно два нейтрона (начнётся заполнение пятой гармоники 3d) и мы получим изотоп никеля 62, для которого энергия связи возросла (по модулю) ещё примерно на 20 КэВ. В этом случае переход 1 кг никеля 60 в изотоп никеля 62 выделит дополнительно такое же количество энергии, как и 70 тонн условного топлива.

Это экспериментальная установка. Её задача – определить значение требуемой частоты колебаний (энергии) поглощаемых нейтронов. А для серийного производства придётся подобрать естественные (более дешёвые) источники нейтронов с уже известной нам энергией (в совокупности с соответствующим катализатором). Однако, организовать массовый выпуск данных энергетических установок нам с Вами не позволят.

          Коллега, кто не позволит?

Это уже другая тема, мой друг. И к Физике отношения она не имеет.