Ядерные реакторы

Физики еще раньше, чем была открыта реакция деления урана, знали, что при бомбардировке легких ядер быстрыми заряженными частицами происходят ядерные реакции, в которых выделяется очень большая энергия. Например, при бомбардировке лития ядрами водорода — протонами выделяется энергия, примерно в два с половиной раза большая, чем при делении урана, если отнести эту энергию к единице веса вещества, входящего в реакцию. Еще большая энергия получается при образовании ядер гелия из различных изотопов водорода.

Однако произвести соединение ядер не так легко. Ведь одноименно заряженные ядра с большой силой отталкиваются. Поэтому для того чтобы производить такие ядерные реакции, нужно ускорять заряженные частицы на специальных аппаратах-ускорителях. Но можно ли на ускорителях получать атомную энергию для практических целей? Оказывается, нет. Из огромного числа частиц лишь одна совершит ядерную реакцию, и энергии, выделенной при этом, недостаточно даже для того, чтобы компенсировать работу, затраченную на ускорение миллионов заряженных частиц, которые пройдут мимо атомных ядер. Таким путем нельзя получить выигрыш в энергии.

Очевидно, что для получения энергии при соединении легких ядер нужен процесс, который сам себя поддерживает. Оказалось, что для получения быстрых частиц совсем необязательно применять ускорители. Вспомните, ведь атомы и молекулы любого вещества всегда находятся в непрерывном движении. Причем скорость движения атомов, а следовательно, и ядер растет с повышением температуры вещества. Поэтому надо нагреть смесь легких элементов. Ядра этих элементов при своем движении будут сталкиваться друг с другом — соединяться. Происходят ядерные реакции и выделяется энергия. Если тепла, получающегося в этих реакциях, достаточно, чтобы поддержать высокую температуру вещества, то будет осуществляться самоподдерживающийся ядерный процесс. Этот процесс и называется термоядерной реакцией.

Примерно так же мы зажигаем смесь газа с воздухом в газовой горелке. Вы знаете, что газ сам по себе не загорится. Для его горения необходима температура порядка 400–500 градусов. Надо повернуть кран, пустить газ и поднести к нему зажженную спичку. Дальше уже газ сам будет поддерживать свое горение. Будет идти так называемая термохимическая реакция, при которой тепла, выделяющегося за счет химической реакции горения газа, достаточно, чтобы поддерживать существование самой реакции.

То же самое будет, если мы как-нибудь подожжем смесь легких элементов. Будет идти поддерживающая сама себя термоядерная реакция, при которой будет выделяться энергия, в десятки миллионов раз большая энергии любой химической реакции.

Но оказалось, что сделать это совсем не так просто. Для «зажигания» термоядерной реакции уже простая спичка не годится; нужна зажигалка, дающая температуру в несколько миллионов градусов. Только тогда скорость некоторой части легких ядер будет достаточна для преодоления отталкивающих электростатических сил и осуществления ядерных реакций.

Энергия Солнца и звезд.

Получить температуру в несколько миллионов градусов в земных условиях очень трудно. Но оказывается, что термоядерные реакции идут в природе без нашего участия.

Солнце и звезды излучают огромную энергию в мировое пространство, и эта энергия пополняется за счет ядерных реакций соединения легких элементов. В центре Солнца температура порядка 13 миллионов градусов. При этой температуре атомы полностью ионизованы, то есть вокруг их ядер уже не существует электронных оболочек. Фактически Солнце заполнено электронно-ионным газом. Высокие температуры вызывают колоссальные давления этих газов, и ядра могут подойти значительно ближе друг к другу, нежели в земных условиях при обычных температурах. Благодаря давлению плотность газов в центре Солнца равна около 80 граммов на кубический сантиметр, что намного больше плотности самых тяжелых твердых тел на земле.

Исследования показали, что на Солнце и в ряде других звезд идет целый ряд ядерных реакций, в результате которых четыре атома водорода превращаются в одно ядро гелия.

В результате этих реакций выделяется огромная энергия. При превращении одного килограмма водорода в гелий выделяется тепло, достаточное для того, чтобы вскипятить полтора миллиона кубометров воды.