Вера Черногорова - Беседы об атомном ядре

Когда будет создан реактор на сжатом делящемся веществе, можно будет проверить на опыте и принцип действия изомерного реактора, для которого необходимо будет создать всего лишь граммы изомерных ядер.

— А что будут делать люди потом, когда исчерпаются запасы тяжелых элементов?

— Имея это в виду, физики давно пытаются осуществить вторую возможность получения ядерной энергии, соединяя два легких ядра.

— «Опыт» Солнца нам здесь не поможет?

В общих чертах ученые знают, как работает солнечная «установка», вырабатывающая энергию, благодаря которой на Земле возникла жизнь и появился человек. Слияние ядер водорода — основная ядерная реакция, протекающая как в далеких звездах, так и в нашем Солнце. Эту звездную реакцию физики впервые воспроизвели в земных условиях еще в 1932 году, сразу после запуска первого ускорителя.

Искусственно ускоренные ядра изотопа водорода — дейтерия, — соударяясь с покоящимися дейтонами (ядрами дейтерия) мишени, превращались в ядра гелия с большим дефектом массы. Каждое такое событие непременно сопровождалось выделением энергии в точном соответствии с формулой А. Эйнштейна E = mc 2.

Два ядра дейтерия могут сливаться друг с другом только в том случае, если обладают скоростью, достаточной для преодоления электростатического барьера. Тогда они с разгона «перемахивают» через этот заслон и накрепко сцепляются «буграми» ядерных сил.

Разогнать дейтоны в ускорителе до необходимой энергии и бросить их на мишень несложно. Но соединяются только те частицы, которые испытали лобовое соударение, что случается довольно редко, а остальные, рассеиваясь на холодных атомах мишени, быстро расходуют энергию на их ионизацию и полностью теряют возможность когда-либо подойти близко друг к другу. Мишень просто впитывает в себя энергию падающих на нее горячих дейтонов, возвращая лишь незначительную ее часть в редких реакциях синтеза двух ядер. Такими изредка вспыхивающими спичками не разжечь ядерного «костра» в холодной мишени.

Реакция слияния ядер тяжелых изотопов водорода, так же как и другие отдельные экзотермические ядерные реакции, никогда не принималась всерьез как возможный практический метод генерации энергии. Она не давала выигрыша. Каким же образом в звездах эта реакция синтеза ядер делается энергетически выгодной?

Если четвертое измерение — удобная математическая абстракция, то четвертое состояние вещества — полнейшая реальность. Древние называли его огнем, мы предпочитаем слово «плазма». Плазма — это ионизированный, то есть состоящий из смеси заряженных ядер и электронов, газ.

Почти вся материя вселенной находится именно в этом четвертом состоянии: и Солнце и звезды состоят из раскаленной плазмы. В ней реакции синтеза становятся достаточно интенсивными, потому что уже многие ядра изотопов водорода имеют энергию, достаточную для сцепления.

В хаосе теплового движения ядра непрерывно сталкиваются друг с другом, но энергии уже не теряют. Поэтому даже неудачное, не лобовое столкновение не выводит дейтон из игры. Если каждое ядро успеет испытать несколько десятков соударений, то одно из них наверняка завершится реакцией синтеза. Эти реакции называют термоядерными, потому что они происходят в веществе, нагретом до очень высокой температуры.

Первый экспериментальный термоядерный взрыв, который был осуществлен в 1952 году, доказал возможность освобождения большого количества термоядерной энергии. Но человечество заинтересовано в создании такого устройства, где можно добывать термоядерную энергию не взрывом, а в условиях жесткого контроля над ней.

По аналогии с ядерными реакторами, в которых идут контролируемые человеком реакции деления ядер урана, будущие установки для интенсивных, но управляемых реакций синтеза легких ядер назвали термоядерными реакторами.

Насколько быстро удалось пройти путь от открытия цепных реакций деления урана до создания первого реактора, настолько более трудной, тернистой и утомительной оказалась дорога, ведущая к созданию термоядерного реактора.

Плазма давно служит человеку. Без нее не обходится ни один газоразрядный прибор. Каждый вечер на улицах вспыхивают лампы дневного света, огни реклам, в которых пылает так называемая холодная плазма с температурой ионов, близкой к комнатной. До какой же температуры надо нагреть дейтериевую плазму, чтобы начались интенсивные реакции синтеза?

Термоядерный «реактор» Солнца работает при температуре около 15 миллионов градусов. Такая температура слишком низка для плазмы будущего энергетически выгодного земного реактора. И вот по какой причине.

Электростатический барьер вокруг заряженного ядра дейтерия имеет высоту около 400–500 килоэлектрон-вольт. А температура в 15 миллионов градусов сообщает ядрам в среднем энергию всего лишь в 2 килоэлектрон-вольта. Большинство ядер без толку топчется друг около друга, и только редкие из них, те, кому перепала большая энергия, вступают в реакцию синтеза. Но солнечный реактор содержит такую огромную массу вещества, что даже при малой вероятности термоядерных реакций в не очень горячей плазме достаточно большое количество ядер участвует в реакции слияния.

В земных условиях осуществить это нельзя. В больших масштабах получать термоядерную энергию с помощью взрыва водородной бомбы можно, но нельзя же использовать взрыв в качестве источника энергии для мирной деятельности! Проблема освоения термоядерной энергии заключается в добывании ее небольшими порциями, пригодными для использования в энергетике и на транспорте.

Значит, при небольшой массе реагирующего вещества вся надежда возлагается только на температуру. Только увеличивая температуру плазмы, можно увеличить и вероятность термоядерных реакций. В разогретой до 100 миллионов градусов плазме ядра в среднем будут иметь энергию около 15 килоэлектрон-вольт, то есть еще во много раз меньше той, что необходима для преодоления силы электростатического отталкивания. И все-таки столь высокая температура обеспечивает возможность вступления в реакцию синтеза уже значительно большему количеству частиц.

Энергия, которую необходимо «накачать» в плазму для разжигания в ней интенсивных термоядерных реакций, относительно невелика. Но как дырявая велосипедная шина быстро теряет воздух, так же быстро теряет получаемую энергию и плазма, касаясь холодных стенок сосуда. Здесь и Прометей опустил бы руки. Ему просто не в чем было бы принести людям огонь из термоядерного костра.

В звездах огромные силы тяготения удерживают горячую плазму в центральной области и не дают ей расползтись и перемешаться с более холодными слоями. На Земле физикам предстояло создать в лаборатории такую звездную плазму и научиться удерживать ее некоторое время в нагретом состоянии.