Сокровищница XXI века - Владислав Иванович Кузнецов

Масса вещества, а следовательно, и его энергия, почти полностью заключена в атомных ядрах. На долю остальной части атома — электронной оболочки — приходится менее двухтысячной доли атомной массы. В химических реакциях, когда перестраиваются электронные оболочки, изменения массы на каждый реагирующий атом незначительны (ведь процесс протекает в легкой части атома!) по сравнению с убылью в ядерных превращениях, в которых преобразуется тяжелая атомная сердцевина.

Непрерывно убывает масса нашего Солнца. Ее уносит в пространство Вселенной световой поток, рождаемый ядерными процессами. В недрах Солнца ядра водорода — протоны — становятся ядрами гелия.

Уже в середине двадцатых годов нашего века ученые знали, что из одного килограмма водорода получится только 988 граммов гелия. Дело в том, что масса ядра солнечного элемента меньше массы четырех водородных ядер, из которых можно «сделать» гелиевое ядро. «Массовый» избыток при переходе водорода в гелий и обеспечивает энергией Солнце.

В старых физических журналах можно прочитать удивительные статьи. Они посвящены попыткам превратить водород в гелий. Авторы пытались в обычных лабораторных условиях того времени получить из водорода гелий. Им казалось, что стоит только найти подходящий катализатор, например палладий, — и пойдет желанная реакция. Ставились опыты. В сосуде с водородом находили примесь гелия! Получалось, что реакция протекает уже при комнатных температурах, но слишком медленно... Сегодня, просматривая такую статью, трудно сдержать улыбку — ученые твердо установили: водород становится гелием при температуре порядка 20 миллионов градусов. Очевидно, в тех опытах солнечный газ попадал в сосуд из атмосферы, а не рождался из водорода.

Высокие температуры нужны потому, что водород переходит в гелий по сложной цепи ядерных реакций. В отличие от атомов, ядра реагируют между собой лишь в том случае, когда они движутся с очень большими скоростями, существующими в сильно нагретом веществе. Только тогда они преодолевают силы отталкивания, препятствующие их сближению и взаимодействию между собой.

В нашу эпоху водород — основное вещество, из которого состоит Солнце. Однако на Солнце в незначительных концентрациях есть и другие элементы. Особую роль играет углерод. Атомное ядро обычного углерода захватывает протон и становится родоначальником циклической цепи превращений: после захвата протонов в цепи трижды появляются разные сорта атомов азота, один раз тяжелый изотоп углерода с массой 15 атомных единиц и, наконец, богатый нейтронами изотоп кислорода. Его ядро очень неустойчиво и мгновенно распадается на гелий и обычный углерод, с которого все начиналось. Углерод опять начинает захватывать протоны, и цикл превращений повторяется. В результате количество углерода не изменяется, а в каждом цикле исчезают четыре протона, возродившись в форме гелиевых ядер и дополнительной энергии, уносимой гамма-лучами. К счастью для землян, гелий рождается в центральной области Солнца — только там температура достигает подходящей для его появления величины, и гамма-лучи не достигают поверхности Солнца. Рассеиваясь на своем пути солнечным веществом, они дробятся на менее энергичные кванты электромагнитного излучения и во внешних слоях светила становятся потоком носителей света — фотонов.

На Солнце гелий образуется и по другим цепочкам ядерных превращений. В одной из них вначале из протонов получаются тяжелые атомы водорода, а потом из них — гелий. И все же главная роль — за углеродной цепочкой, остальные вносят сравнительно малый вклад в энергетику Солнца.

Процесс синтеза гелия приводит к тому, что каждую секунду Солнце теряет 4,3 миллиона тонн своей массы, которая превращается в энергию и уносится в пространство световым потоком. Мизерную часть солнечной энергии — 0,4 миллиардной доли — перехватывает земная поверхность. И вот эти крохи, падающие на Землю с поверхности нашего светила, миллиарды лет поддерживают развитие земной жизни, рождают ветры, разрушают горы.

Ядерная энергия солнечного вещества приходит на Землю слишком рассеянной. Чтобы получить скромную мощность в один киловатт, нужно в солнечный день в средних широтах собрать энергию с поверхности, равной квадратному метру. Да и работать на нас Солнце может нерегулярно, с большими перерывами, — то наступает ночь, то небо затягивают облака. Меняется световой поток и от времени года. А нельзя ли у нас дома, на Земле, построить искусственное Солнце?

Осуществить в земных условиях управляемый синтез гелия из простейших ядер водорода протонов гораздо сложнее, чем из ядер тяжелого водорода дейтерия. Даже на Солнце протоны очень медленно переходят в ядра гелия. На каждую тонну солнечной массы выделяется всего 0,2 ватта. За сто тысяч лет в тонне солнечного вещества один грамм протонов превратится в гелий. Только большой объем нашего светила — естественного термоядерного реактора — спасает положение, и мощность, излучаемая квадратным сантиметром поверхности, достигает 7 киловатт — на каждый квадратный сантиметр работает 35 тысяч тонн солнечной массы.

Пока в современных лабораториях исследователи нагревают тяжелый водород до высоких температур мощными электрическими разрядами. Трудности велики. Плазму — нагретую до миллионов градусов смесь электронов и атомных ядер — трудно удержать в ограниченной части пространства. Плазма не должна соприкасаться со стенками какого-либо сосуда — нет и не будет материалов, которые выдержат столь высокие температуры, да и холодные стенки отводили бы слишком много тепла от зоны термоядерной реакции и она бы глохла. Поэтому горячую водородную плазму удерживают в определенном объеме с помощью сильных магнитных полей. И хотя в наши дни достигнуты большие успехи в изучении способов получения высокотемпературной плазмы, промышленный энергетический термоядерный реактор, по-видимому, появится еще нескоро.

Но есть другой не менее обильный и уже доступный нам источник ядерной энергии — источник, которым человек уже овладел в полной мере.

Водород и гелий самые легкие элементы. В другом конце таблицы Менделеева, в его девяносто второй клетке, стоит символ урана — элемента, открытого в 1789 году Мартином Клапротом и названного им в честь самой далекой из известных тогда планет. Вот эти граничные элементы и служат источником энергии.

В 1939 году опытным путем было показано, что ядра урана делятся нейтронами. Два изотопа урана — уран-235 и уран-238 — альфа и омега современной ядерной энергетики.

Если в термоядерных реакциях энергия освобождается при образовании из легких протонов более тяжелых ядер гелия, то внутренняя энергия урана, напротив, выделяется после его превращения в сравнительно легкие ядра — в процессе деления. Чтобы разделился уран, высокие температуры не нужны.

Нейтрон — частица нейтральная, и положительно заряженное ядро не отталкивает летящий в его направлении нейтрон. Изотоп уран-235 делится нейтронами очень малой энергии. Чем меньше скорость или, что равнозначно, температура нейтронов, тем с большей вероятностью они прилипают к ядру.