Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Величина термоядерного заряда может быть малой и большой. Для этого заряда не существует критических размеров и критической массы.

Для эффективного протекания термоядерной реакции, кроме высокой температуры, требуется также высокая плотность горючего. Чем больше вещества заключено в данном объеме, тем больше в нем будет атомов и тем чаще, следовательно, будут сталкиваться ядра между собой, тем больше будет образовываться ядер гелия с выделением соответствующей энергии.

Так как продолжительность атомного взрыва исчисляется всего несколькими миллионными долями секунды, то есть несколькими микросекундами, то в качестве горючего для термоядерной реакции должны быть взяты вещества, ядра которых успевают за это время соединиться в достаточном количестве. Физикам известна пока только одна термоядерная реакция, которая может быть непосредственно вызвана атомным взрывом даже в случае, когда плотность горючего близка к плотности вещества внутри Солнца; это — реакция соединения тяжелого и сверхтяжелого изотопов водорода (дейтерия и трития). Ядра дейтерия и трития, сталкиваясь между собой, образуют новое и притом возбужденное ядро, которое тотчас же превращается обычно в ядро гелия, испуская нейтрон. Схема подобного процесса образования ядер гелия из водорода приведена на рис. 33. Продолжительность этой реакции составляет около 40 микросекунд при температуре 20 млн. градусов и сокращается примерно до четверти микросекунды с повышением температуры до 200 млн. градусов.

Величина выделяющейся при этой реакции энергии была выше подсчитана. Она равна 100 млн. ккал на каждый грамм гелия, что примерно в 5 раз больше той энергии, которая выделяется при полном делении грамма урана или плутония.

Если учесть, что вес термоядерного заряда ничем принципиально не ограничен, то нетрудно будет понять, что мощность взрыва водородной бомбы может оказаться во много раз большей, чем мощность взрыва атомной бомбы.

Высокая плотность термоядерного горючего может быть достигнута либо путем сжатия газа до высоких давлений или его сжижения, либо использованием химических соединений изотопов водорода с другими веществами. Последний путь представляется более вероятным, так как применение сильно сжатого или жидкого водорода не обеспечивает высокой плотности горючего и к тому же связано с рядом конструктивных трудностей. Наиболее простым и доступным соединением водорода является тяжелая и сверхтяжелая вода. У тяжелой воды молекулы построены по обычной формуле химии из двух атомов дейтерия и одного атома кислорода, у сверхтяжелой воды — из двух атомов трития и также одного атома кислорода.

Водород может использоваться также в виде твердого соединения с металлом — в виде, например, гидрида лития. Гидрид лития LiH — твердое соединение лития с водородом, похожее по своим свойствам на соли и имеющее плотность 0,82 г/см 3. Содержание водорода в 1 см 3этого соединения (0,1 г/см 3) превышает плотность жидкого водорода (0,07 г/см 3).

Необходимый для термоядерной реакции дейтерий содержится в природном водороде в количестве 0,01–0,02%. Выделение дейтерия из природных соединений водорода освоено и является сравнительно простым делом. Тритий в достаточных количествах в природе отсутствует и получается искусственным путем в ядерных реакторах.

Термоядерная реакция с атомным зарядом в качестве детонатора может быть использована лишь для военных целей, так как разрушительное действие самого атомного взрыва очень велико. Если найти менее разрушительный детонатор, то тогда эту реакцию можно будет осуществить не только в больших масштабах, но и в малых, что откроет путь для мирного использования термоядерных реакций.

Первые опыты в этом направлении связаны с использованием нескольких небольших по величине зарядов обычного взрывчатого вещества (ВВ). Французские ученые Тибо и Перье еще в 1951 г. произвели крошечный взрыв в небольшой камере, примерное устройство которой приведено на рис. 34. Ударные волны, образующиеся при взрыве зарядов обычного ВВ, сталкивались в центре камеры, вследствие чего смесь воздуха и аргона, наполнявшая камеру, моментально нагревалась до температуры, значительно превышающей температуру на поверхности Солнца, и начинала светиться. Свечение наблюдалось через окошко камеры и регистрировалось фотокамерами.

Если две или более встречных ударных волны от взрыва обычного ВВ направить через суживающиеся каналы, то можно будет сконцентрировать энергию, необходимую для повышения температуры горючей смеси в небольшом объеме. Если этот объем будет достаточно мал, то температура поднимется до весьма большой величины, чем и будут созданы условия, необходимые для начала термоядерной реакции. К сожалению, реакция, осуществленная подобным способом, также будет иметь характер взрыва, хотя, быть может, и безопасного.

Не исключено, однако, применение этого способа для получения малой мощности взрывов водородной смеси, следующих друг за другом. Для этого надо будет «зажигать» смесь небольшими порциями. Как только «выгорит» первая порция, в камеру впускается и «зажигается» вторая порция, затем третья и т. д. Это будет напоминать работу двигателя внутреннего сгорания типа дизеля, в котором также порциями впрыскивается горючее; оно мгновенно зажигается, выделяя энергию и обеспечивая работу двигателя.

Для использования термоядерных реакций в мирных целях необходимо разработать такие способы получения сверхвысоких температур и регулирования скорости реакций, в которых можно было бы избежать взрыва. В этом состоит генеральная задача современной ядерной физики.

Термоядерные реакции с регулируемой скоростью позволят получать ядерную энергию не за счет запасов ее в таких редких элементах, как уран и торий, а за счет образования гелия из широко распространенного в природе водорода. Достаточно сказать, что одного только дейтерия во всех океанах, морях, озерах и реках земного шара содержится почти 25 000 млрд т . А ведь каждый грамм гелия, полученный из дейтерия, дает около 130 млн. ккал энергии. Насколько велика эта энергия, можно видеть из такого примера. Вода охлаждающей системы двигателя легковой автомашины содержит около 0,2 г дейтерия. Если бы весь этот дейтерий превратился в гелий, то выделившейся энергии хватило бы для поездки на расстояние в 50 тыс. км , то есть вполне хватило бы для кругосветного путешествия.