Урок 20 · Энергия: происхождение и использование Не начат
Главная идея. В Солнце ядра соединяются, а в реакторе делятся, и в обоих случаях энергия берётся из исчезающей массы.
Этот урок отвечает на вопрос, который остался открытым: если почти вся энергия планеты приходит от Солнца, откуда её берёт Солнце?
Мы говорим «Солнце горит», как будто это гигантский костёр. Это не так, и расчёт это доказывает.
Если бы Солнце состояло из лучшего мыслимого химического топлива и сжигало его с той скоростью, с какой отдаёт энергию, оно погасло бы за несколько тысяч лет. Но на Земле есть горные породы возрастом 4000 миллионов лет, образовавшиеся под солнечным светом.
Подсказка: это рассуждение — инструмент, а не курьёз. Когда объяснение предсказывает продолжительность в тысячу раз меньше наблюдаемой, объяснение неверно. Не нужно знать правильный ответ, чтобы отбросить неправильный.
Химическая реакция перераспределяет электроны и оставляет ядра нетронутыми. В Солнце происходит другое: меняются ядра.
В центре Солнца около 15 миллионов градусов и сокрушительное давление. В этих условиях ядра водорода движутся так быстро, что при столкновении слипаются, а не отскакивают. Четыре ядра водорода в итоге образуют одно ядро гелия.
И вот что странно: получившееся ядро гелия весит меньше, чем четыре вступивших ядра водорода. Массы не хватает. Эта недостающая масса не исчезла: она превратилась в энергию, а сколько — говорит соотношение Эйнштейна.
Так как $c$ — скорость света, $300\,000\ \mathrm{km/s}$, при возведении в квадрат число, на которое умножается масса, получается огромным. Поэтому крошечная масса даёт очень много энергии: Солнце превращает в энергию около четырёх миллионов тонн массы в секунду, и всё же топлива ему хватит ещё примерно на 5000 миллионов лет.
Деление — обратный путь. Очень тяжёлое ядро, например урана-235, захватывает нейтрон, становится неустойчивым и раскалывается на два меньших ядра, выделяя энергию и два или три новых нейтрона.
Эти нейтроны могут расщепить другие ядра урана, которые выделяют ещё нейтроны, которые расщепляют ещё ядра. Это цепная реакция.
Атомная электростанция по сути — дорогой котёл: деление нагревает воду, пар вращает турбину, а турбина — генератор. Отличается только то, откуда берётся теплота. В Аргентине работают три: Атуча I, Атуча II и Эмбальсе.
Подумай, прежде чем открыть: если синтез выделяет больше энергии на килограмм, чем деление, не оставляет долгоживущих отходов, а его топлива много в морской воде, почему все атомные электростанции мира работают на делении?
Потому что для синтеза ядер нужно преодолеть отталкивание между двумя положительными зарядами, а это требует температур в миллионы градусов. Солнце достигает их собственной гравитацией, которая сжимает центр весом всей звезды. На Земле ничего подобного нет: эти условия нужно создать и удерживать газ горячее солнечного ядра так, чтобы он не касался ни одной стенки.
Попытки ведутся с пятидесятых годов. Международный проект ITER, строящийся во Франции, как раз призван показать, что можно получить больше энергии, чем тратится на поддержание реакции. Ни одной термоядерной электростанции, подключённой к электросети, пока нет.
| Аспект | Деление | Синтез |
|---|---|---|
| Что происходит с ядром | Тяжёлое ядро раскалывается на два. | Два лёгких соединяются в одно. |
| Топливо | Уран-235, плутоний: их мало, и их нужно обогащать. | Изотопы водорода: есть в морской воде. |
| Условия | Достигается при комнатной температуре, с помощью нейтрона. | Нужны миллионы градусов. |
| Отходы | Радиоактивные, некоторые — на тысячи лет. | Гораздо менее проблемные и более короткоживущие. |
| Где работает сегодня | Атомные электростанции, в том числе три в Аргентине. | В Солнце и звёздах. На Земле — пока экспериментально. |
Общее у них — причина, по которой они дают так много энергии: в обоих случаях часть массы ядер исчезает и снова появляется в виде энергии. В обоих случаях это тот же расчёт Эйнштейна.
Теперь можно завершить полную карту того, откуда берётся энергия, которую мы используем. Почти все источники восходят к синтезу в Солнце, но три — нет.
Какие
Солнечная, конечно. Ветровая: ветер существует потому, что Солнце неравномерно нагревает воздух. Гидроэнергия: Солнце испаряет воду, которая потом выпадает дождём в горах. Биомасса: фотосинтез. И ископаемое топливо — это биомасса сотен миллионов лет назад.
Какие
Ядерная: энергия хранилась в тяжёлых ядрах, образовавшихся в звёздах, которые взорвались ещё до появления Солнца. Геотермальная: теплота, оставшаяся от образования планеты, плюс та, что выделяют радиоактивные элементы в недрах. Приливная: вращение Земли, как мы видели на прошлом уроке.
Эту классификацию мы будем использовать на следующих трёх уроках, когда проследим цепочку от источника до розетки и сравним электростанции между собой.
Анимация начинается с Солнца, нарисованного кругом, и двух полос сбоку, сравнивающих продолжительности: очень короткая, с подписью «если бы это был костёр: несколько тысяч лет», и гораздо более длинная — «столько оно уже светит: 4600 миллионов лет». Подпись делает вывод, что горения недостаточно для объяснения и нужно смотреть на ядро.
Затем мы переходим в центр Солнца, где около пятнадцати миллионов градусов. Четыре ядра водорода, нарисованные синим, сближаются, пока не соединятся, и превращаются в одно ядро гелия — зелёное и побольше. Подпись говорит, что лёгкие ядра соединяются в одно более тяжёлое.
Потом появляется сравнение масс: слева четыре ядра водорода, справа ядро гелия, а между ними фраза «весят больше, чем». Ниже появляется E равно m на c в квадрате, с пояснением, что недостающая масса превратилась в энергию и что Солнце превращает четыре миллиона тонн в секунду.
Следующая сцена показывает деление. Нейтрон, фиолетовый, попадает в ядро урана, оранжевое. Ядро раскалывается на два осколка и выбрасывает три нейтрона, которые летят вправо и попадают в три новых ядра урана. Каждое из них в свою очередь раскалывается и снова выбрасывает нейтроны. Подпись объясняет, что каждое делящееся ядро выделяет два или три нейтрона и каждый из них может расщепить ещё одно: это цепная реакция.
Перед завершением оба процесса сравниваются в столбцах: синтез соединяет лёгкие ядра, происходит в Солнце и звёздах, а здесь пока экспериментален; деление расщепляет тяжёлые ядра, происходит на атомных электростанциях, и три из них работают в Аргентине. Под обоими столбцами одна и та же фраза: в обоих случаях часть массы исчезает и снова появляется в виде энергии.
Итоговая надпись говорит, что Солнце работает на синтезе, а атомные электростанции — на делении, что в обоих случаях энергия берётся из исчезающей массы и что химическая реакция не затрагивает ядра, поэтому даёт гораздо меньше энергии.
Источники анимации: NASA, Sun Fact Sheet (температура ядра, масса, превращаемая за секунду, возраст Солнца). OpenStax, College Physics 2e, гл. 32 (нейтроны, выделяющиеся при делении урана-235). IAEA, Power Reactor Information System (аргентинские электростанции). Схема, не в реальном масштабе. Цвет обозначает тип частицы; это не реальное свойство.
Для каждого источника укажи, берётся ли энергия от синтеза в Солнце или нет, и, где это применимо, запиши полную цепочку до Солнца.
Напиши ответ, разделённый на три части.
Восемь вопросов. Когда выбираешь вариант, появляется объяснение — и при верном, и при неверном ответе: прочитай его, даже если ответил правильно.
Загрузка вопросов…
