§ 218. Термоядерные реакции

Теоретические расчеты показывают, что атомные ядра почти всех элементов могут в принципе быть источниками энергии. Оказывается, любое ядро, более тяжелое, чем ядро атома серебра, обладает большей энергией, чем части, на которые его можно разделить. Все тяжелые ядра выделяют энергию при расщеплении. Чем тяжелее ядро, тем больше величина этой энергии. Поэтому уран является предельно «удачным» ядерным горючим.

Однако и легкие ядра могут служить источниками энергии. Теория показывает, что ядро, полученное слиянием двух легких ядер, будет обладать меньшей энергией, чем исходные частицы. Следовательно, при слиянии легких ядер происходит выделение энергии. И здесь тем больше выделяется энергии, чем дальше мы отходим от середины Менделеевской таблицы. Наибольшую энергию можно получить при слиянии ядер атома водорода.

При каких условиях можно осуществить реакции слияния легких ядер? Ядерная бомбардировка не может привести к успеху ввиду сильного торможения заряженной частицы в веществе. Единственная возможность — это повышение температуры. Легко подсчитать необходимые температуры, которые надо придать атомным ядрам, чтобы они могли приблизиться друг к другу вплотную, преодолев электрическое отталкивание.

В центре Солнца, по расчетам астрономов, имеет место температура в 20 миллионов градусов. Зная, что на одну степень свободы приходится энергии, находим среднюю кинетическую энергию, которую будет иметь частица при этой непредставимо высокой температуре. Энергия будет равна всего лишь Подсчитаем теперь по формуле потенциальной энергии электрического взаимодействия на какое расстояние удастся подвести друг к другу два протрна. Оказывается, расстояние будет см. Как

мы знаем, радиус ядра существенно меньше. И все же термоядерные реакции, т. е. реакции, идущие при высокой температуре, возможны в недрах Солнца. Расчет, учитывающий туннельный эффект, а также то, что во всяком газе, в том числе и в газе ядерных частиц, имеются частицы со скоростями, существенно большими средней, показывает, что в течение года одному атому из миллиона удается принять участие в реакции слияния ядер. Этого малого процента оказывается достаточно для обеспечения деятельности Солнца.

В земных условиях такие высокие температуры создавались уже неоднократно при испытании водородных бомб. Температуры в десятки миллионов градусов создаются при взрыве урановой бомбы. Если в зону этого взрыва будет помещено вещество, ядра которого способны соединяться с выделением энергии, то возникает термоядерная реакция, энергия которой во много раз больше энергии урановой бомбы, играющей в этом случае роль запала.

Приведем примеры наиболее легко осуществимых реакций, выделяющих большую энергию:

Термоядерные реакции могут возникнуть лишь при таких температурах, которые дадут ядрам тепловую скорость, достаточную для преодоления с заметной вероятностью кулоновского потенциального барьера.

Наибольший интерес представляют реакции в дейтерии и в смеси дейтерия и трития — в этом случае нужна наименьшая энергия. Температура, необходимая для получения одного нейтрона в секунду в грамме дейтерия (по реакции равна В сильно разреженном газе для той же цели нужна еще более высокая температура, порядка При такой температуре дейтерий (или другое вещество) будет представлять собой плазму из ядер и электронов. Для перевода дейтерия в это состояние требуется совсем небольшая энергия, порядка нескольких киловатт-часов. Однако трудность состоит не в сообщении дейтерию энергии, а в тепловой изоляции плазмы, т. е. в сохранении ядрами дейтерия соответствующей кинетической энергии в течение длительного времени (см. § 178а).