Виктор Михайлов - Физические основы получения атомной энергии

Не следует только думать, что слияние всяких ядер всегда сопровождается высвобождением энергии. Слияние ядер может происходить и с поглощением энергии. Так, если бы путем слияния двух ядер гелия нам удалось образовать одно ядро бериллия, то в такой реакции пришлось бы затратить энергии больше, чем ее было бы получено. Дело обстоит здесь так, как если бы в рассмотренном примере кратер был мелкий, а края его высокие (рис. 31, б ), Понятно, что на подъем камней потребуется здесь больше энергии, чем они ее отдадут при последующем падении.

Как заставить атомные ядра сближаться настолько тесно, чтобы ядерные силы вступали в действие и образовывали более тяжелые ядра? Каким способом сообщить ядрам необходимые для этого колоссальные скорости?

Можно, конечно, разогнать ядра, например дейтерия, с помощью того или иного ускорителя и направить их на мишень, содержащую эти же или какие-либо другие ядра. Однако такой метод, при огромном его научном значении, не годится для производства ядерной энергии, так как количество быстрых ядер, получаемых таким способом, невелико и к тому же шансы попасть в ядра мишени очень уж малы. Из многих тысяч ядер-«снарядов» лишь одно испытывает лобовое столкновение с ядром мишени, ведущее к образованию более тяжелого ядра. В результате выход энергии оказывается ничтожным по сравнению с колоссальными затратами ее.

Как разогнать одновременно большое количество атомных ядер? Можно, оказывается, воспользоваться вечным тепловым движением частиц вещества. Тепловым движением называют непрерывное и беспорядочное по направлению и скорости движение частиц вещества (молекул, атомов, атомных ядер, электронов и т. д.). Известно, что скорость частиц в этом движении растет с температурой, и поэтому, нагревая какое-либо вещество, в принципе возможно сообщить его частицам такие же большие скорости, как и в ускорителе. Сталкиваясь в силу теплового движения друг с другом, частицы смогут в этом случае преодолевать силы электрического отталкивания и соединяться. Какие же температуры необходимы для этого?

При обычных температурах, при которых мы живем, средняя скорость теплового движения молекул азота воздуха, например, составляет 0,5 км/сек , водорода — около 1,8 км/сек . При таких скоростях сближение частиц до слияния их ядер невозможно, так как имеющейся энергии недостаточно для преодоления сил электрического отталкивания. Чтобы преодолеть это отталкивание, необходимы значительно более высокие скорости.

Температуры, измеряемые десятками и даже сотнями тысяч градусов, тоже еще не дают нужных скоростей. И только при температурах в несколько миллионов градусов, когда средние скорости ядер водорода достигают нескольких сот километров в секунду, отдельные столкновения наиболее быстрых из них заканчиваются слиянием их. Наконец, при температуре в десятки миллионов градусов уже многие столкновения между ними ведут к ядерным превращениям. Еще более высокие температуры потребуются для осуществления слияния атомных ядер более тяжелых элементов.

При сверхвысоких температурах атомы легких элементов (водород, гелий, литий и т. д.) оказываются полностью ионизированными, их ядра лишены обычно окружающей их электронной оболочки и существуют, так сказать, в «голом» виде. Ядра и вырванные из атомов электроны образуют своеобразный электронно-ядерный газ, называемый физиками плазмой, с очень высокой плотностью (порядка нескольких десятков граммов на кубический сантиметр). Все частицы этой плазмы движутся с огромными скоростями и часто сталкиваются между собой. То, что ядра водорода и других легких элементов в этих условиях «голые», весьма облегчает их слияние при столкновениях.

Таким образом, температуры в десятки миллионов градусов оказываются достаточными для соединения наиболее легких ядер. Реакции соединения легких ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции — это реакции синтеза, то есть образования относительно тяжелых и сложных ядер из более простых и легких.

Теорию термоядерных реакций ученые стали разрабатывать еще задолго до искусственного осуществления этих реакций на Земле. Это было предпринято с целью объяснить происхождение солнечной и звездной энергии. Известно, что Солнце и звезды излучают огромное количество энергии. Солнце, например, излучает столько энергии, сколько ее можно получить при сжигании каждую секунду около 13 000 000 млрд. т каменного угля. Казалось бы, что, теряя так много энергии, Солнце давно должно было бы остыть. Но оно не остывает и светит вот уже несколько миллиардов лет. В связи с этим и было выдвинуто предположение о том, что на Солнце и в звездах происходят термоядерные реакции, конечным результатом которых является образование гелия из водорода. Сопоставление расчетных данных с результатами прямых наблюдений за Солнцем, проводимых астрономами и физиками, позволяет считать в настоящее время, что такое предположение является, по-видимому, правильным.