Уран иногда называют веществом с «невероятной калорийностью», но это эффектная игра с единицами, а не описание еды. Калория — всего лишь единица энергии, поэтому в неё можно перевести энергию батарейки, взрыва, солнечного света или ядерной реакции. Но пищевая калорийность означает химическую энергию, которую человеческий организм способен извлечь из питательных веществ. Делить ядра урана наше пищеварение, разумеется, не умеет.
За вирусной фразой всё же стоит реальный физический факт: ядерное деление даёт на единицу массы несравнимо больше энергии, чем химическое горение. Причина в том, что в химической реакции перестраиваются электронные связи между атомами, а в ядерной — само атомное ядро. Масштаб энергии связи там совсем другой.
Откуда берётся энергия деления
Ядро урана-235 способно поглотить нейтрон и стать неустойчивым. Затем оно делится на два более лёгких фрагмента, испускает несколько нейтронов и высвобождает энергию. В среднем на одно деление U-235 приходится около 200 МэВ — IAEA приводит величину порядка 200–202 МэВ в зависимости от того, какие составляющие энергетического выхода учитываются.
Энергия возникает не потому, что «часть урана исчезает», а потому, что суммарная масса продуктов реакции немного меньше массы исходной системы. Разность массы соответствует высвобождённой энергии по формуле E = mc². Основная часть сразу оказывается кинетической энергией фрагментов деления и затем превращается в тепло в топливе и окружающих материалах; часть приходит с нейтронами, гамма-излучением и более поздними распадами продуктов деления.
Испущенные нейтроны могут вызвать новые деления. Если в системе в среднем одно деление устойчиво порождает следующее, возникает управляемая цепная реакция — то, что поддерживается в активной зоне энергетического реактора. Как устроена сама установка, отдельно разобрано в статье «Из чего состоит ядерный реактор».
Сколько энергии скрыто в килограмме U-235
Если сделать идеализированный расчёт и предположить, что практически все ядра одного килограмма чистого U-235 разделились, получится примерно 8 × 1013 джоулей. Это около 80 триллионов джоулей. Если чисто математически разделить эту величину на 4184 джоуля в пищевой килокалории, выйдет около 20 миллиардов килокалорий.
Именно отсюда рождаются заголовки про «миллиарды калорий в грамме или килограмме урана». Пересчёт единиц сам по себе правильный, но смысл легко потерять. Пищевая килокалория отвечает на вопрос, сколько метаболической энергии организм может получить из еды. Уран не является пищевым топливом: организм не запускает ядерную цепную реакцию, а поступление соединений урана связано прежде всего с химической токсичностью тяжёлого металла и, в зависимости от изотопного состава и пути воздействия, с радиологическим риском.
Почему реальный реактор не получает идеальный максимум
Оценка для килограмма чистого U-235 — удобный физический предел, а не паспорт реального топливного элемента. Обычное энергетическое топливо содержит в основном U-238 и лишь обогащённую долю U-235. В процессе эксплуатации изменяется изотопный состав, накапливаются продукты деления, часть нейтронов поглощается без деления, а часть энергии уносится частицами, которые не удаётся превратить в полезное тепло.
Даже полученное тепло — ещё не электричество в розетке. Реактор нагревает теплоноситель, затем тепловая энергия через паровой цикл или другую схему приводит турбину и генератор. Как и у любой тепловой электростанции, эффективность преобразования меньше 100%. Поэтому нельзя взять теоретические 8 × 1013 Дж/кг и напрямую объявить, что столько электричества выдаст АЭС на килограмм загруженного топлива.
Есть и важная особенность современной реакторной физики: часть энергии в топливе со временем даёт не только исходный U-235. Например, нейтронный захват в U-238 может приводить к образованию плутония-239, который затем тоже делится и вносит вклад в выработку. Поэтому реальный «энергетический баланс килограмма топлива» зависит от типа реактора, обогащения и достигнутого выгорания.
Почему сравнение всё-таки полезно
Если обращаться с ним аккуратно, перевод в калории хорошо показывает разницу масштабов между химической и ядерной энергией. При сгорании топлива меняются электронные связи и энергия на атом измеряется единицами электрон-вольт. При делении тяжёлого ядра речь идёт примерно о сотнях миллионов электрон-вольт на одно событие. Поэтому небольшая масса ядерного топлива способна обеспечить огромный тепловой выход.
Но на этом аналогия с едой заканчивается. «Калорийность урана» — не свойство, которое можно прочитать на пищевой этикетке, а перевод ядерной энергии в знакомую единицу. Если хочется понять, чем радиоактивность элемента отличается от способности ядра делиться и какие изотопы урана здесь важны, см. материал о радиоактивных металлах.