Моисей Нейман - Термоядерное оружие

Следует отметить, что понятие о термоядерных реакциях существовало в науке задолго до того, как последние были практически осуществлены. В 1936 году учеными была разработана теория, объяснившая происхождение энергии звезд и, в частности, Солнца сложным рядом термоядерных реакций с участием водорода, углерода, азота и кислорода, которые приводят в конечном счете к образованию гелия. По современным представлениям преобразование ядер водорода в ядра гелия (синтез одного ядра гелия из четырех ядер водорода) является основным источником энергии, излучаемой звездами и Солнцем. Для краткости нередко говорят об образовании из водорода гелия, подразумевая образование из ядер водорода ядер гелия.

Познакомимся с термоядерными реакциями, происходящими в недрах Солнца.

Далеко не каждый знает, что Солнце — тело не твердое и не жидкое, а газообразное. Солнце представляет собой гигантский огненный шар, состоящий наполовину из водорода. Так как водород является легчайшим из всех известных элементов, то при любых температурах движущиеся молекулы, атомы или ядра атомов водорода обладают наибольшими скоростями. В недрах Солнца царят огромное давление и колоссальная температура, достигающая приблизительно по новым данным 13 млн. градусов. Давление здесь столь огромно, что даже газообразный водород сжат в такой степени, что его плотность в 7 раз больше плотности свинца.

В таких условиях в недрах Солнца, как и в недрах звезд, происходят термоядерные реакции взаимодействия ядер атомов водорода с другими элементами. Приведем один из возможных циклов солнечных реакций (табл. 3).

Таблица 3

В недрах Солнца сначала к углероду 12 присоединяется ядро атома водорода — протон. В результате этой ядерной реакции получается азот 13. Затем неустойчивый азот 13 превращается в углерод 13, при этом выделяется атомная энергия в виде гамма-излучения и позитронов. Далее углерод 13 соединяется еще с одним протоном, в результате чего получается азот 14 (это — обычный азот, основная составная часть воздуха). Азот 14 соединяется с третьим протоном, образуется кислород 15, который является неустойчивым и превращается в азот 15 с выделением новой огромной порции энергии в виде гамма-излучения и позитронов. Азот 15 вступает в реакцию с четвертым протоном. Получается углерод 12 и гелий 4.

Итак, в результате всего цикла реакций образуется такое же ядро углерода 12, которое было израсходовано в начале цикла. Значит, в результате всего цикла реакций количество углерода не изменилось. Что же изменилось? В процессе цикла четыре протона постепенно соединились, образовав атом гелия, при этом выделилась колоссальная энергия в виде быстролетящих позитронов и гамма-лучей. Следовательно, под циклом можно подвести итоговую черту и написать суммарный результат цикла солнечных ядерных превращений, как это показало в приведенной таблице. Энергия, выделяющаяся при превращении протонов (или атомов водорода) в гелий, в несколько раз превышает энергию, получающуюся при расщеплении атомов урана или плутония.

Отдельные реакции указанного солнечного цикла имеют неодинаковую продолжительность. Весь цикл в целом занимает десятки миллионов лет. На Солнце такие процессы идут беспрерывно — одни атомные ядра участвуют в начале цикла, другие в это время уже завершают цикл и т. д. Поэтому на Солнце постоянно образуется гелий и выделяется энергия.

В недрах Солнца и звезд происходит и другой цикл ядерных превращений. Два протона соединяются, причем испускается позитрон и образуется дейтрон по реакции

Дейтрон с протоном образуют легкий изотоп гелия, причем освобождающаяся энергия испускается в виде гамма-кванта

Наконец, при столкновении двух ядер гелия 3 образуется гелий 4 и два протона по реакции

Этот цикл приводит к образованию гелия из водорода и, следовательно, также сопровождается выделением большого количества энергии. Есть основания считать, что, по-видимому, протон-протонный цикл играет более существенную роль в поддержании высокой температуры Солнца, нежели углеродно-азотный цикл.

Выделяемая Солнцем энергия распространяется в мировом пространстве во все стороны в виде лучистой энергии. За счет этой энергии нагреваются близкие к Солнцу планеты — Меркурий, Венера, Земля и Марс. Лишь небольшая доля излучаемой Солнцем энергии падает на Землю, нагревая главным образом ее поверхность. В листьях растений при участии солнечной энергии, в основном из углекислого газа и из воды, создается организм растения. Некоторые животные питаются только растительной пищей — растениями, созданными при участии Солнца. Многие животные и человек питаются пищей растительного и животного происхождения. Следовательно, без солнечной энергии не было бы первоисточника пищи для всего живого на Земле. Солнце — один из источников жизни на Земле, благодаря энергии Солнца возникли существующие на Земле формы жизни. Солнце является не только источником жизни, но и источником почти всех видов энергии на земле. Дерево, торф, уголь и, по-видимому, нефть произошли при участии солнечной энергии.

Лучи Солнца приносят на Землю в течение года значительно большее количество энергии, чем могли бы дать все земные ресурсы ядерных (уран, торий) и химических видов топлива. Человеком, животными и растениями используется лишь ничтожная часть падающей на Землю энергии Солнца.

Солнечные лучи уносят с собой часть массы Солнца. В общей сложности Солнце теряет 4 млн. т массы каждую секунду. Однако Солнце огромно, и можно не беспокоиться о том, что оно может скоро угаснуть. Достаточно сказать, что за несколько миллиардов лет только 2–3% водорода Солнца превратилось в гелий. Следовательно, запас ядерного горючего на Солнце практически неисчерпаем.

Для осуществления термоядерных реакций на Земле необходимо создать с помощью какого-то источника сверхвысокие температуры, окружив этот источник легкими ядрами, способными вступать в ядерное взаимодействие. Таким источником может, в частности, служить взрыв атомной бомбы. На этом принципе и устроена так называемая водородная бомба. Познакомимся с ее устройством.