Ефим Балабанов - Ядерные реакторы

Однако произвести соединение ядер не так легко. Ведь одноименно заряженные ядра с большой силой отталкиваются. Поэтому для того чтобы производить такие ядерные реакции, нужно ускорять заряженные частицы на специальных аппаратах-ускорителях. Но можно ли на ускорителях получать атомную энергию для практических целей? Оказывается, нет. Из огромного числа частиц лишь одна совершит ядерную реакцию, и энергии, выделенной при этом, недостаточно даже для того, чтобы компенсировать работу, затраченную на ускорение миллионов заряженных частиц, которые пройдут мимо атомных ядер. Таким путем нельзя получить выигрыш в энергии.

Очевидно, что для получения энергии при соединении легких ядер нужен процесс, который сам себя поддерживает. Оказалось, что для получения быстрых частиц совсем необязательно применять ускорители. Вспомните, ведь атомы и молекулы любого вещества всегда находятся в непрерывном движении. Причем скорость движения атомов, а следовательно, и ядер растет с повышением температуры вещества. Поэтому надо нагреть смесь легких элементов. Ядра этих элементов при своем движении будут сталкиваться друг с другом — соединяться. Происходят ядерные реакции и выделяется энергия. Если тепла, получающегося в этих реакциях, достаточно, чтобы поддержать высокую температуру вещества, то будет осуществляться самоподдерживающийся ядерный процесс. Этот процесс и называется термоядерной реакцией.

Примерно так же мы зажигаем смесь газа с воздухом в газовой горелке. Вы знаете, что газ сам по себе не загорится. Для его горения необходима температура порядка 400–500 градусов. Надо повернуть кран, пустить газ и поднести к нему зажженную спичку. Дальше уже газ сам будет поддерживать свое горение. Будет идти так называемая термохимическая реакция, при которой тепла, выделяющегося за счет химической реакции горения газа, достаточно, чтобы поддерживать существование самой реакции.

То же самое будет, если мы как-нибудь подожжем смесь легких элементов. Будет идти поддерживающая сама себя термоядерная реакция, при которой будет выделяться энергия, в десятки миллионов раз большая энергии любой химической реакции.

Но оказалось, что сделать это совсем не так просто. Для «зажигания» термоядерной реакции уже простая спичка не годится; нужна зажигалка, дающая температуру в несколько миллионов градусов. Только тогда скорость некоторой части легких ядер будет достаточна для преодоления отталкивающих электростатических сил и осуществления ядерных реакций.

Энергия Солнца и звезд.Получить температуру в несколько миллионов градусов в земных условиях очень трудно. Но оказывается, что термоядерные реакции идут в природе без нашего участия.

Солнце и звезды излучают огромную энергию в мировое пространство, и эта энергия пополняется за счет ядерных реакций соединения легких элементов. В центре Солнца температура порядка 13 миллионов градусов. При этой температуре атомы полностью ионизованы, то есть вокруг их ядер уже не существует электронных оболочек. Фактически Солнце заполнено электронно-ионным газом. Высокие температуры вызывают колоссальные давления этих газов, и ядра могут подойти значительно ближе друг к другу, нежели в земных условиях при обычных температурах. Благодаря давлению плотность газов в центре Солнца равна около 80 граммов на кубический сантиметр, что намного больше плотности самых тяжелых твердых тел на земле.

Исследования показали, что на Солнце и в ряде других звезд идет целый ряд ядерных реакций, в результате которых четыре атома водорода превращаются в одно ядро гелия.

В результате этих реакций выделяется огромная энергия. При превращении одного килограмма водорода в гелий выделяется тепло, достаточное для того, чтобы вскипятить полтора миллиона кубометров воды.

Интересно, что термоядерная реакция на Солнце протекает очень медленно. Нужно несколько миллионов лет, чтобы четыре атома водорода превратились в ядро гелия. Поэтому тепло, излученное десятками тонн солнечного вещества в сутки, недостаточно, чтобы вскипятить один стакан воды. При таком медленном процессе только благодаря участию гигантских масс возможно выделение Солнцем огромного количества тепла. Если применить известный уже нам закон взаимосвязи массы и энергии, то оказывается, что наше Солнце излучает такую огромную энергию, что вместе с этой энергией каждую секунду Солнце теряет четыре с половиной миллиона тонн своего веса. Правда, для Солнца эта потеря совершенно ничтожна. Масса его настолько велика, что за два миллиарда лет своего непрерывного излучения Солнце теряет не больше одной десятой процента своего веса.

Естественно, что в результате ядерных реакций содержание водорода на Солнце уменьшается, и после того как весь водород израсходуется, выделение энергии прекратится: Солнце погаснет. Но и здесь опасаться незачем. Сейчас на Солнце столько водорода, что его хватит, как показывают подсчеты, на 100 миллиардов лет.

Солнце на земле.Мы приходим с вами к удивительному выводу. Оказывается, человечество за все время своего существования всегда использовало ядерную энергию — энергию Солнца. Действительно, мы уже говорили, что какой бы источник энергии мы ни имели на земле, его происхождение неразрывно связано с Солнцем.

Однако земля получает ничтожную часть энергии ядерных реакций, происходящих на Солнце. Еще меньшую часть полезно расходуем мы для наших нужд. И, безусловно, прав академик Несмеянов, когда он сказал в 1955 году на сессии Академии наук: «Настало время вместо использования жалких крох консервированной в том или ином виде на нашей планете колоссальной энергии Солнца создать свое Солнце на земле». Не правда ли, это звучит как фантазия? Но мы не привыкли слышать из уст выдающегося ученого, президента Академии наук, фантастические идеи. Разве фантазия электростанции, использующие ядерную энергию деления урана, двигатели на атомном горючем? Еще ближе мы подойдем к цели, когда сумеем получить управляемую термоядерную реакцию, подобную реакциям, идущим на нашем большом Солнце. Тогда мы действительно создадим свое Солнце на земле.

На этом пути ученым предстоит решить еще очень много трудных задач. Мы обладали до сих пор единственным средством, позволяющим получать температуру в миллионы градусов, необходимую для осуществления термоядерных реакций. Это — взрыв атомной бомбы. Она и применяется в качестве детонатора для термоядерного, водородного оружия. Но, конечно, невозможно применять для промышленных целей атомную бомбу. Поэтому прежде всего надо было найти возможность «зажигать» термоядерные реакции, не прибегая к атомному взрыву, то есть построить прибор, позволяющий получать температуру в миллион градусов.