Глеб Анфилов - Искусственное Солнце

Что значит сильно нагреть вещество?

Это значит привести его атомы в очень интенсивное беспорядочное движение. Подъем температуры соответствует увеличению средней энергии хаотического теплового танца атомов.

И вот этот атомный хаос — весьма заразительное явление. Невозможно заставить «танцевать» какую-то малую часть атомов. Они неминуемо расталкивают своих соседей, те, в свою очередь других, и так далее. Вы разогреваете вещество где-то в одной точке, а увеличенная

энергия теплового движения растекается оттуда во все стороны, распределяется между все большим и большим числом частиц. Стало быть, их средняя энергия, соответствующая температуре вещества, повышается очень слабо.

Теперь вам ясна первая трудность высокотемпературного нагрева—необходимость изоляции раскаляемого объекта от внешней среды.

Физики довольно давно пытались в своих лабораториях раскалить вещество до сверхвысоких температур. Один из применявшихся методов — взрывы тонких проволочек сильными ударами электрического тока — привел к мгновенному нагреву в сотни тысяч градусов. Подобное явление, кстати сказать, знакомо многим нашим читателям: нечто похожее происходит, когда перегорают пробки в осветительной электросети.

Другой способ — столкновение газовых струй огромного давления, вырывающихся из маленьких отверстий в баллонах, — дает десятки тысяч градусов.

Испытывали и столкновение ударных волн от двух одновременных небольших взрывов, направленных навстречу друг другу через сужающиеся конусные трубы. Между концами труб находился газ. И под двусторонней встряской взрывных волн он очень сильно раскалялся.

Однако ни в одном из перечисленных способов лабораторного нагрева требование строгой изоляции разогреваемого объекта от внешней среды не выполняется. Впрочем, можно возразить, что в водородной бомбе тоже нет изоляции от внешней среды. Верно. Но там нагрев обгоняет растекание энергии из-за чудовищного обилия внезапно выделяющегося тепла, из-за страшного по силе взрыва. А это отнюдь не контролируемая реакция. Никакая бомба, никакой взрыв нам теперь не нужны.

Зато на Солнце, горящем медленно, требование тепловой изоляции выполнено идеально. Скованный могучим тяготением, солнечный шар висит в пустом пространстве, не соприкасаясь ни с каким веществом, способным отсасывать энергию теплового движения солнечных частиц.

Однако окружающая пустота не мешает Солнцу отдавать свою энергию наружу. Она вырывается лучистыми потоками. С этим связана вторая трудность звездного нагрева, к которой мы сейчас и переходим.

Не только столкновения с окружающими атомами отнимают тепло у раскаленных тел. При определенной температуре в любом, даже идеально изолированном объеме вещества начинается весьма заметное лучеиспускание. Оно неумолимо растет при повышении температуры. В конце концов лучистая энергия, рожденная теплом, начинает с колоссальной скоростью вырываться наружу.

Здесь важно отметить существенную особенность: чем меньше размеры раскаленного тела, тем большую долю своего тепла оно испускает в виде лучей. Ведь выделяется-то энергия во всем объеме, а излучается только с поверхности. В маленьких телах отношение поверхности к объему больше, чем в крупных. Поэтому маленькие тела излучают быстрее крупных. Значит, и для нагрева их требуются более высокие темпы поступления энергии.

Отсюда понятно, почему в миллионоградусной жаре солнечных недр скорость энерговыделения невелика— если поделить общее количество вырабатываемой энергии на массу светила, то получится, что в килограмме солнечного вещества выделяется в среднем за секунду всего 1900 эргов энергии. Вскипятить на таком потоке энергии пол-литровую кружку воды удастся за... 34 года! Неожиданный результат, не правда ли? Он неважно согласуется с представлением о великом солнечном могуществе. Но зато он хорошо иллюстрирует размеры массы светила и ничтожность его поверхности по сравнению с объемом.

Иное дело в телах малого размера.

Представьте себе, что какой-то твердый предмет величиной с арбуз нагрет до миллиона градусов. Чтобы восполнить собственное излучение и не остывать, он должен получать ежесекундно сотни миллиардов калорий тепла на каждый килограмм вещества. В подобном потоке энергии десятки тысяч литров воды закипели бы за секунду.

Колоссальное излучение энергии не играло бы заметной роли, если бы мы могли построить установку термоядерного синтеза размером... с Луну. В реальных земных условиях это, разумеется, невозможно.

Как же быть?

Первое условие: нагревать горючее надо быстро. Подводить энергию, обращающуюся в тепло, следует, обгоняя рост лучеиспускания. Только тогда будут достигнуты температуры, достаточные для возбуждения незатухающих термоядерных реакций. При этом быстрый подвод энергии вовсе не должен быть безмерно большим. На скоростной разогрев изолированного от окружающей среды грамма дейтерия может уйти всего несколько киловатт-часов энергии — в десятки тысяч раз меньше, чем потом выделится при синтезе гелия.

Еще важнее другой залог успеха в борьбе с колоссальным лучеиспусканием: использовать горючее только в виде газа, причем возможно более разреженного. Ни жидкое, ни твердое горючее, столь выгодные для водородной бомбы, теперь вообще не годятся — именно потому, что мы хотим добиться спокойного выделения энергии. При сверхвысоких температурах в жидкостях и твердых телах неотвратимо создаются исполинские давления, которые приводят к катастрофическому разлету вещества— ко взрыву. Иное дело — разреженный газ. Его можно удержать в достаточно прочном сосуде даже в сильно нагретом состоянии.

Главное же преимущество газообразного горючего — прозрачность. Чем прозрачнее тело, чем меньше в нем «черноты», тем слабее оно излучает энергию при нагревании (вы помните, что больше всего излучает «абсолютно черное тело»). Словом, в газе при ничтожной плотности потери на излучение неизмеримо меньше, чем в жидкости или в твердом теле. Поэтому для звездного нагрева газа энергию можно подводить не столь стремительно, что очень важно для осуществления спокойного, не взрывного процесса.

До каких же все-таки температур надо нагреть газообразное термоядерное горючее, чтобы вызвать в нем самоподдерживающийся процесс ядерного синтеза?

Зная вероятности ядерных реакций при разных скоростях сталкивающихся частиц (что соответствует разным температурам), на этот вопрос ответить нетрудно.

Расчет показывает, что даже при комнатной температуре слияния ядер случаются, хоть и невообразимо редко. В литре холодного дейтерия при обычном атмосферном давлении одна пара дейтонов соединяется раз за 500 лет. С повышением же температуры число реакций увеличивается по определенному закону — сначала очень медленно, а затем неимоверно быстро.