Ядерный синтез

Несмотря на все плюсы, у ядерного топлива есть и свои минусы. Уран и торий составляют всего лишь ^1,2/₁₀₀₀₀₀ часть земной коры. Из этого топлива можно получить примерно в десять раз больше энергии, чем при сгорании всего имеющегося на Земле газа, нефти и угля.

Однако с относительной легкостью можно добыть лишь малую часть этого ядерного топлива. И даже если удастся использовать все это топливо, что делать с растущим количеством опасных ядерных отходов?

Стоит лишь посмотреть в самый конец кривой изменения коэффициента уменьшения массы, как решение напрашивается само. Энергию можно получать не только в результате распада более тяжелых атомов до более легких, но и путем соединения более простых атомов в более сложные. Этот процесс называется ядерным синтезом.

Простейшим примером является преобразование водорода — простейшего элемента — в гелий, ближайший к водороду элемент. Рассмотрим следующую реакцию:

₁Н² + ₁Н² ? ₂Нe⁴.

Массовое число одного ядра водорода–2 равно 2,01410, двух — 4,02820. Массовое число обладающего необычно низким коэффициентом уменьшения массы гелия–4 равно 4,00280. Потеря массы составляет 0,0254 из общей массы 4,0282, или 0,63%, в то время как при делении ядра урана потеря массы составляет всего 0,056%. Другими словами, для одного и того же количества вещества при ядерном синтезе выделяется в 10 раз больше энергии, чем при делении ядра.

Люди узнали о ядерном синтезе благодаря небу. В XIX веке после открытия закона сохранения энергии перед физиками встал вопрос о происхождении огромной энергии Солнца. Немецкий физик Герман Гельмгольц (1821–1894) единственным возможным источником энергии Солнца видел силу гравитации и предположил, что солнечное излучение возникает в результате медленного сжатия звезды.

Однако если источником энергии излучения является гравитация, то Земля не просуществовала бы более сотни миллионов лет. Более того, для выделения энергии в результате сжатия в течение сотни миллионов лет Солнце должно было быть гораздо больше по размерам: его радиус равнялся бы орбите Земли.

Открытие радиоактивности позволило взглянуть на проблему по-новому. Гельмгольц и его современники ничего не знали о том, что атомное ядро может служить источником энергии. Со временем было сделано предположение, что солнечное излучение возникает в результате ядерных реакций.

Однако природа этих реакций оставалась неизвестной еще а течение нескольких десятилетий. Ученые уже знали о реакции распада урана и тория и делении ядра урана, однако вряд ли на Солнце происходили эти реакции, так как там мало урана и тяжелых элементов в целом. Кроме того, мощности выделяемой при делении урана энергии просто недостаточно для создания столь мощного излучения.

Действительно, 85% всех атомов Солнца составляет кислород, еще 10% — гелий. Так что если на Солнце и происходят ядерные реакции, то в них участвует водород.

Однако в условиях Земли водород не вступает в ядерные реакции. Условия на Солнце отличаются в основном температурой (температура на поверхности Солнца равна 6000 °С), но это отличие никакой роли не играет.

Дело в том, что еще самые первые эксперименты с ураном и другими естественными радиоактивными веществами показали, что, в отличие от обычных химических реакций, ядерные реакции не подвержены влиянию температуры. Период полураспада радия не меняется ни при низкой, ни ври высокой температуре, а не вступающие в ядерные реакции атомы нагреванием до высоких температур реагировать не заставишь.

Конечно же многое зависит от того, что понимать под «высокой температурой». В начале XX века ученые не умели получать температуру достаточную для того, чтобы два атомных ядра пробили электронные «бамперы» и столкнулись. Впрочем, для этого недостаточно даже температуры Солнца.

Однако английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) привел ряд убедительных документов, доказывая, что если Солнце является газообразным объектом, то для того, чтобы оставаться стабильным, температура внутри светила должна быть очень высокой — миллионы градусов Цельсия.

Действительно, при настолько высокой температуре два ядра столкнутся, а немыслимые при обычной температуре реакции станут обычным делом. Ядерная реакция, происходящая при столь высокой температуре, называется термоядерном реакцией (от греч. thermo — «тепло»). Понятно, что источником солнечного излучения являются термоядерные реакции, идущие внутри звезды.

В 1938 году немецкий физик Ханс Альбрехт Бете исключил из списка возможных термоядерных реакций те из них, которые идут слишком быстро и могут привести к взрыву Солнца или же, наоборот, идут слишком медленно и не смогут поддерживать солнечное излучение. В конце концов он остановился на реакции, которая начинается с наиболее широко распространенного на Солнце водорода.

Бете предположил, что водород реагирует с углеродом, в результате сначала образует азот, а в ходе еще нескольких реакций — кислород. Атом кислорода распадается на гелий и углерод, после чего углерод вступает в очередной цикл реакции, а поскольку он не претерпевает изменений, углерод можно считать «ядерным катализатором». Результирующим эффектом этого ряда реакций является преобразование водорода–1 в гелий–4. Позднее были предложены и более короткие цепочки преобразования водорода–1 в гелий–4.[140]

Выделяемой в процессе синтеза гелия из водорода (в присутствии катализатора и без него) энергии вполне достаточно для поддержания излучения Солнца. Конечно же энергия образуется за счет уменьшения массы Солнца. Для поддержания излучения на обычном уровне Солнце теряет 4 200 000 тонн массы каждую секунду, преобразовывая 530 000 000 тонн водорода в гелий–4. Однако запасов углерода на Солнце настолько много, что, хотя оно уже и светит в течение 6 миллиардов лет, еще на несколько миллиардов лет водорода хватит.

Разрабатывая атомную бомбу, ученые научились, пускай и на очень короткий период времени, получать температуры, достаточные для начала ядерного синтеза на Земле. Новое оружие (водородная бомба) должно было обладать настолько чудовищной разрушительной силой, что многие ученые не решались его разрабатывать. Среди них был и Оппенгеймер, которому в 1954 году пришлось поплатиться за это, лишившись расположения политиков и ученых, а также доступа к секретной информации. Наиболее выдающимся среди тех, кто порицал Оппенгеймера и настаивал на продолжении работы над водородной бомбой, был Эдвард Теллер. Он сделал настолько много, что впоследствии получил весьма незавидный титул «отца водородной бомбы».

В 1952 году на Маршалловых островах США провели испытания первой водородной бомбы. Чуть позже свою водородную бомбу разработал Советский Союз, а Великобритания стала третьей ядерной державой. (Франция и Китай обладают лишь атомными бомбами.)

В то время как взрывная сила атомных бомб составляет 20 000 т тротила, успешно прошли испытания водородных бомб мощностью 50 000 000 тонн (50 мегатонн) тротила и более.