Ядерные реакции и термоядерный синтез

«На свете есть столь серьезные вещи, что говорить о них можно только шутя.»
Нильс Бор

То, о чем алхимики только мечтали, в природе происходит постоянно. Атомы одних элементов превращаются в другие, более тяжелые и более легкие. В физике это описывается ядерными и термоядерными реакциями.

Мы уже разобрались со строением атома, его ядра и даже со структурой составляющих ядро элементарных частиц. Как же образуются элементы в природе? И могут ли они переходить один в другой?

Нестабильные ядра химических элементов могут распадаться на более легкие с испусканием разных частиц и электромагнитного излучения. При этом они, как правило, вначале захватывают какую-то частицу, а потом распадаются. В свою очередь более легкие ядра могут забирать себе протоны и нейтроны и при этом становиться совершенно другими элементами. Деление ядер называется ядерной реакцией, объединение же ядер получило название «термоядерный синтез».

Мечта алхимиков

С явлением естественной радиоактивности, самопроизвольного превращения неустойчивых ядер атомов в ядра других атомов с испусканием частиц и излучением энергии еще в 1896 году нас познакомил французский физик Анри Беккерель.

Ученый выяснил, что почти 90% известных ядер нестабильны. Они могут испускать частицы трех видов: положительно заряженные а-частицы, по сути представляющие собой ядра гелия, отрицательно заряженные р-частицы—электроны и нейтральные у-частицы — кванты коротковолнового электромагнитного излучения.

Масса любого ядра всегда меньше суммы масс входящих в его состав протонов и нейтронов — эту разность называют дефектом массы. Дефект масс — это по сути энергия связи элементов в ядре. Опираясь на знаменитую формулу Эйнштейна E = тс², где т— масса частицы, а с—это скорость света в вакууме, можно сделать вывод, что при ядерной реакции выделяется колоссальная энергия!

В отличие от естественной радиоактивности, впервые искусственную ядерную реакцию осуществил Резерфорд в 1919 году, бомбардируя α-частицами ядра атомов азота. Она была зафиксирована по появлению вторичных ионизирующих частиц, идентифицированных как протоны. Это можно считать началом эры управления атомом. Прошло по историческим меркам не так много времени, и атом стал как грозной разрушающей силой, показав свою мощь при взрывах в Хиросиме и Нагасаки, так и надеждой на освоение космических пространств и энергетическую стабильность Земли.

«Исследователя всегда охватывает чувство удивительного счастья, когда он идет по следу нового элементарного кирпичика, из которого состоит наша планета» (Клаус Гофман)

Сам себе алхимик

Мы говорили до сих пор о делении ядер. Но ведь ядра легких элементов могут и соединяться.

Для того чтобы ядерная реакция произошла, исходные атомные ядра должны преодолеть силу электростатического отталкивания между ними или так называемый кулоновский барьер. Для этого они должны иметь большую кинетическую энергию. Поскольку кинетическую энергию движущихся микрочастиц вещества можно представить в виде температуры, следовательно, нагревая вещество, можно достичь ядерной реакции.

Внутри ядра действуют силы притяжения, которые, как мы уже говорили, и обуславливают стабильность ядра. Ими же обусловлено и энерговыделение при ядерном синтезе.

Впервые задачу по управляемому термоядерному синтезу сформулировал и предложил конструктивное решение советский физик Олег Лаврентьев. Кроме него, важный вклад в решение проблемы внесли такие выдающиеся физики, как Андрей Сахаров и Игорь Тамм, а также Лев Арцимович, возглавлявший советскую программу по управляемому термоядерному синтезу с 1951 года.

Термоядерная реакция—это практически неисчерпаемый источник энергии. Например, количество угля, необходимого для обеспечения работы тепловой электростанции мощностью 1 ГВт, составляет 10 000 тонн в день. Это десять железнодорожных вагонов, а термоядерная установка такой же мощности будет потреблять в день лишь около 1 килограмма смеси дейтерия и трития, получаемых из воды. Озеро среднего размера в состоянии обеспечить любую страну энергией на сотни лет. К преимуществам такого источника энергии следует отнести следующее: отсутствие продуктов сгорания, отсутствие необходимости применять материалы, которые могут быть использованы для производства ядерного оружия, вырабатывается незначительное количество радиоактивных отходов с коротким периодом полураспада, ну и реакция синтеза не производит атмосферных выбросов углекислоты, что является главным вкладом в глобальное потепление.