Детская энциклопедия
Том 1. Земля. Том 4. Растения и животные. Том 7. Человек. Том 10. Зарубежные страны.
Том 2. Мир небесных тел. Числа и фигуры. Том 5. Техника и производство. Том 8. Из истории человеческого общества. Том 11. Язык. Художественная литература.
Том 3. Вещество и энергия. Том 6. Сельское хозяйство. Том 9. Наша советская Родина. Том 12. Искусство.

Вот эти-то свойства резко отличают тяжелую воду от любой другой воды с иным изотопным составом: ведь в ее состав входит тяжелый водород. В наши дни тяжелая вода успешно применяется в атомной энерге­тике для замедления нейтронов в ядерных реакторах.

Роль замедлителя в атомном котле очень важна. Когда ядро урана-235 распадается на два атомных яд­ра-осколка, из него одновременно вылетают два или три нейтрона. Скорость их огромна, она превышает 20 000 км/сек. Эти быстрые нейтроны не могут сами вызвать новый распад в других атомах урана. Они пролетят мимо них с такой быстротой, что просто не успеют прореагировать. Нейтроны нужно замедлить примерно до 2,2 км/сек, так, чтобы они пришли в рав­новесие с тепловым движением окружающих молекул. При этом энергия нейтронов должна уменьшиться почти в 60 млн. раз. Далеко не всякое вещество при­годно в качестве замедлителя. Выбор очень ограничен. Во-первых, оно не должно поглощать нейтроны, всту­пая само в ядерные реакции, а во-вторых, оно должно состоять обязательно из легких элементов с малыми массовыми числами. При соударении с тяжелым ядром скорость нейтрона почти не изменяется, точно так же как почти не изменяется скорость мяча, отскакивающего при ударе о стенку.

Самым лучшим замедлителем мог бы быть легкий водород, но он заметно поглощает нейтроны. Тяжелый водород их почти не поглощает. Нейтрону, попавшему в тяжелую воду, достаточно всего 25 раз столкнуться с тяжелым водородом, чтобы потерять свою высокую энергию и приобрести способность взаимодействовать с ураном. Неплохой замедлитель — углерод в форме графита, но нейтрону в нем приходится испытывать около 110 столкновений, чтобы утратить начальную скорость.

Использование тяжелой воды в качестве замедли­теля позволяет конструкторам создавать очень эффек­тивные, а главное, легкие и компактные атомные энер­гетические установки, особенно для их применения на транспорте.

Зачем еще нужна тяжелая вода?

Чтобы исследовать механизм многих химических, физических и биологических процессов. Это, конечно, скромное, но очень важное применение тяжелой воды. Наверное, нет ни одного природного процесса, в кото­ром не принимала бы участия вода или водород. Атомы тяжелого водорода наиболее важные меченые атомы. Их, как разведчиков в бой, направляют химики в ис­следуемые реакции, чтобы проследить за ее ходом. В наши дни уже возникла и быстро развивается само­стоятельная область науки — химия изотопного обме­на. Наиболее важная ее задача — изучать с помощью дейтерия механизм химических реакций при получе­нии органических соединений и исследовать их строе­ние.

Почему же человечеству будет нужна именно тяжелая вода?

Чтобы ответить на этот вопрос, нельзя обойтись без самого замечательного языка — без языка цифр и формул. Он понятен всем по-настоящему грамотным людям, в какой бы стране они ни жили и на каком бы языке ни разговаривали. Для химиков теперь очень точно измерены массы всех изотопных атомов. Вот некоторые значения этих масс:

Протий 1Н1 M=1,007 825

Дейтерий 1D2 М=2,014 102

Тритий 1Т3 М=3,016 049

Физики сумели установить возможность ядерных реакций между легкими атомами, в том числе возмож­ность реакций между атомами дейтерия:

1D2+1D2=1H1+1T3.

К такой реакции неприменим закон сохранения веса, каким представляла его старая химия: в резуль­тате реакции получается недостача:

2•2,014 102-1,007 825-3,016 049=0,004 330 г. Это немалая недостача, она означает, что если бы уда­лось найти условия, при которых может протекать реакция между двумя грамм-атомами тяжелого водоро­да, то, согласно уравнению Эйнштейна Е=Dm•с2, можно было бы получить энергию:

0,00433•(3,0•1010)2=3,9•1018 эрг =3,9•1011 дж.

Это немалая энергия. В наше время, чтобы полу­чить такую энергию, приходится сжигать в топках котлов ни много ни мало 13,5 т первосортного угля. А ведь его еще нужно добыть из шахт и доставить из-под земли к топке.

Между тем в соответствии с уравнением ядерной реакции такую энергию можно получить при затрате всего лишь двух грамм-атомов дейтерия, которые со­держатся в одной грамм-молекуле тяжелой воды. А тя­желая вода есть в любой природной воде. Следователь­но, простой воды потребуется: 6700•18=120 600 г, или 120 л. Значит, из одного литра обычной воды можно добыть больше энергии, чем можно получить ее из ста килограммов высококачественного угля. А запасы воды на нашей Земле неисчерпаемы.

Что же мешает получать энергию из воды?

Такая возможность пока что кажется фантастиче­ской, но она вполне реальна. На пути к ее осуществ­лению наука уже преодолела немало трудностей. Уже решена сложнейшая проблема, как извлекать тяжелую воду из природной. Теоретически уже исследованы и рассчитаны условия, при которых возможны ядерные реакции между легкими атомами.

Но, к сожалению, исследователи встретили много трудностей. Насколько они серьезны, может показать прямой расчет: чтобы два атома могли вступить в ядер­ную реакцию, их ядра должны столкнуться, т. е. сбли­зиться до расстояния, начиная с которого межъядерные силы уже могут преодолеть электростатическое оттал­кивание — примерно до 10-12 см.

Но ядра атомов защищены, как броней, своими электронными оболочками. Эти оболочки простира­ются на расстояние в десятки тысяч раз большее. А самое главное — ядра заряжены и отталкиваются друг от друга, как и все одноименно заряженные тела. Энергию, необходимую для того, чтобы преодолеть их взаимное отталкивание, рассчитать нетрудно. Из за­кона Кулона следует, что потенциальная энергия двух ядер, сблизившихся на расстояние 10-12 см, должна быть равна:

Z1Z2(4,8•10-20)2/10-12=2,3•10-7Z1Z2 эрг,

514