Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Таким образом, температуры в десятки миллионов градусов оказываются достаточными для соединения наиболее легких ядер. Реакции соединения легких ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции — это реакции синтеза, то есть образования относительно тяжелых и сложных ядер из более простых и легких.

Теорию термоядерных реакций ученые стали разрабатывать еще задолго до искусственного осуществления этих реакций на Земле. Это было предпринято с целью объяснить происхождение солнечной и звездной энергии. Известно, что Солнце и звезды излучают огромное количество энергии. Солнце, например, излучает столько энергии, сколько ее можно получить при сжигании каждую секунду около 13 000 000 млрд. т каменного угля. Казалось бы, что, теряя так много энергии, Солнце давно должно было бы остыть. Но оно не остывает и светит вот уже несколько миллиардов лет. В связи с этим и было выдвинуто предположение о том, что на Солнце и в звездах происходят термоядерные реакции, конечным результатом которых является образование гелия из водорода. Сопоставление расчетных данных с результатами прямых наблюдений за Солнцем, проводимых астрономами и физиками, позволяет считать в настоящее время, что такое предположение является, по-видимому, правильным.

В центре Солнца, по современным данным, температура равна 13 млн. градусов (а не 20 млн., как считалось раньше), давление — 100 млрд. атмосфер. Плотность вещества при таком давлении достигает колоссальной величины: 70–100 г/см 3, причем около 80% вещества по весу приходится на долю водорода, а из более тяжелых элементов преобладает гелий, имеется также и углерод. Таким образом, условия, необходимые для протекания разных термоядерных реакций, на Солнце имеются.

Первый возможный путь образования гелия из водорода на Солнце — это так называемый протонно-протонный цикл. Цикл — это в данном случае цепочка из нескольких ядерных реакций, последовательно протекающих одна за другой. Вначале происходит слияние двух протонов ( р ); в результате образуется дейтрон (D 2) — ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия; эта реакция сопровождается испусканием позитрона (β+) и нейтрино (ν).

Затем дейтроны соединяются с протонами, образуя ядра легкого изотопа гелия с атомным весом 3 ( 2Не 3). Эта реакция сопровождается испусканием гамма-лучей (γ). Последующее развитие цикла может происходить разными путями. Наиболее вероятным, то есть относительно чаще встречающимся продолжением первых двух реакций протонно-протонного цикла, является реакция соединения двух ядер легкого изотопа гелия, ведущая к образованию ядра основного изотопа гелия ( 2Не 4) и двух протонов. Схема ядерных реакций такого варианта протонно-протонного цикла приведена на рис. 32.

Возможен и другой путь образования гелия на Солнце, связанный с так называемым углеродно-азотным циклом Г. Бете. При высоких температурах, господствующих внутри Солнца, быстрые протоны могут проникать в ядра атомов углерода, имеющегося там. Это дает начало цепочке ядерных реакций, составляющих цикл Бете и ведущих в конечном счете к образованию одного ядра гелия из четырех протонов с испусканием двух позитронов. На последнем этапе этого цикла углерод вновь возрождается полностью.

Как протонно-протонный, так и углеродно-азотный циклы дают один и тот же результат: из водорода образуется гелий и выделяется огромное количество энергии — около 165 миллионов килокалорий на каждый грамм гелия. Что касается времени протекания каждого из рассмотренных циклов, то оно очень велико. Продолжительность протонно-протонного цикла по современным данным составляет около 14 млрд. лет, продолжительность цикла Бете несколько меньше и равна примерно 330 млн. лет.

Следует иметь в виду, что огромная мощность излучения Солнца связана не с быстротой выделения энергии, а с огромной массой (весом) самого Солнца. Мощность излучения, рассчитанная на один грамм вещества Солнца, составляет всего около двух десятимиллионных долей ватта (точнее 1,9∙10 -7 вт ). При столь малой скорости выделения энергии потребовалось бы около 100 г солнечного вещества, чтобы обеспечить питание 20-ваттной электрической лампочки накаливания.

Таким образом, образование гелия из водорода в недрах Солнца и звезд происходит очень медленно, но в грандиозных масштабах. Именно поэтому Солнце излучает огромное количество энергии на протяжении миллиардов лет. А так как водорода на Солнце очень много, то его хватит, как показывают расчеты, еще на сотни миллиардов лет.

Для осуществления термоядерных реакций даже на основе самых легких ядер требуются, как мы теперь знаем, чрезвычайно высокие температуры порядка десятков миллионов градусов. Поэтому практическое осуществление термоядерных реакций на Земле стало возможным лишь после овладения цепными реакциями деления тяжелых ядер взрывного типа. Необходимые для начала термоядерной реакции сверхвысокая температура и давление оказалось возможным получить с помощью атомного взрыва. Атомный взрыв вызывает (инициирует) термоядерную реакцию соответствующей «горючей» смеси, протекающую в форме так называемого теплового взрыва. Заряд атомного взрывчатого вещества (урана 235 или плутония 239) является здесь как бы капсюлем-детонатором, инициирующим тепловой взрыв.

Тепловые взрывы в случае химических процессов были изучены выдающимся советским ученым Н. Н. Семеновым еще более двух десятков лет тому назад. Такие взрывы происходят в некоторых химически сложных веществах, в которых скорость реакции, сопровождающейся значительным выделением тепла, сильно увеличивается с ростом температуры. Примером подобных веществ являются различные пороха, смесь паров бензина с воздухом при сильном сжатии и т. п. В таких веществах с началом химической реакции и выделением первых порций тепла начинает повышаться температура. Это ведет к ускорению реакции: количество выделяющегося тепла возрастает, а следовательно, возрастает и температура. Процесс настолько быстро развивается, что происходит взрыв, который и называют тепловым.

Аналогично этому протекает термоядерная реакция в так называемой водородной бомбе, рассматриваемой ниже. Цепная реакция деления дает начало реакции синтеза ядер гелия из водорода. От этого в свою очередь выделяется теплота и повышается без того высокая температура. Скорость термоядерной реакции и количество выделяющегося тепла резко увеличиваются, что в свою очередь ведет к дальнейшему лавинообразному ускорению реакций. В конечном счете происходит мощный термоядерный взрыв.