В атомной энергетике достижение ядерным горючим критической массы очень опасно, поскольку реактор превращается в бомбу. Первый в мире реактор был запущен под руководством Э. Ферми в США в 1942 г. В нашей стране в 1946 г. был запущен первый в Европе атомный реактор. Его запуском ведал основатель отечественной ядерной физики И. В. Курчатов.
Управляемый термояд
Термояд — сокращенное, полуофициальное название термоядерного синтеза. Энергию атомного ядра можно до бывать не только путем расщепления, но и посредством синтеза тяжелых ядер, когда рождение новых продуктов сопровождается выделением радиоактивного излучения и колоссального количества тепла. Видимо, эпоха анализа (разложения) в науке и технике безвозвратно уходит в прошлое. Ее сменяет эпоха синтеза. Человек больше не разрушает, а старательно создает из простого сложное. Мы объединяем вещества в лекарства, пластмассы, волокна, сплавы и многое другое. Теперь человеку предстоит создавать новые атомы, чтобы обеспечить себе доступ к практически безграничным источникам энергии.
Открытие реакции термоядерного синтеза
Реакции синтеза атомных ядер были предсказаны рядом физиков в 1910-х гг. на основании данных изучения радиоактивного превращения элементов. Парадоксально, но термоядерный синтез был осуществлен в 1919 г., т. е. почти за 9 лет до искусственного проведения реакции радиоактивного распада. Впервые в искусственных условиях его провел Э. Резерфорд: он столкнул на большой скорости гелий с азотом и получил водород и тяжелый кислород. Спустя 5 лет ученый успешно провел в своей лаборатории синтез сверхтяжелого водорода трития из ядер тяжелого водорода дейтерия.
Ядро гелия (альфа-частица) обладает удивительной способностью воздействовать на атомы. Еще сильнее расшатывает любое атомное ядро дейтрон — ядро дейтерия. Бомбардируя этими ядрами более тяжелые изотопы, удается вызвать интенсивные реакции, приводящие к синтезу новых элементов. Средневековые алхимики мечтали превращать неблагородные металлы в золото. Наука показала, что химическим путем этого добиться невозможно, но каждый специалист по ядерной физике знает, что превратить свинец или ртуть в золото реально. Нужно воспользоваться колоссальными возможностями термоядерного синтеза.
Сегодня уже найдены формулы реакций, обеспечивающих получение золота из любого неблагородного металла. К сожалению, искусственный синтез элементов чрезвычайно труден, поэтому золото гораздо выгоднее добывать из земных недр. Чтобы сталкиваемые ядра вступили в реакцию, им нужно сообщить значительную скорость, которая напрямую зависит от энергии летящих частиц. Резерфорд осуществил лишь простейшие реакции, значительно разогнав ядра. Более сложные реакции потребуют или невероятно длительного разгона, или создания температур от 50 до 100 млн °С.
Задолго до того, как ученые столкнулись с проблемами осуществления термоядерного синтеза, английский физик А. Эддингтон выдвинул смелое предположение, что звезды горят благодаря протеканию в их недрах термоядерных реакций. До того времени ученые выдвигали самые невероятные гипотезы для объяснения причины свечения звезд.
Ближе всех к истине подошел Г. Гельмгольц. Он предположил, что разогревание недр звезды объясняется ее сильным гравитационным сжатием под действием собственного тяготения. Однако в таком случае запаса теплоты такому светилу, как Солнце, хватило бы максимум на 1,8 млн лет. Гипотеза Гельмгольца была справедлива лишь отчасти. Звезда действительно разогревалась под влиянием гравитационного сжатия до температуры в недрах около 80 млн °С, при которой в ее веществе «зажигались» термоядерные реакции, поддерживающие дальнейшее ее свечение.
В 1937 г. американскому ученому Г. Бете удалось доказать протекание термоядерных реакций на Солнце, следовательно, Эддингтон оказался совершенно прав. Звезды действительно черпают свою колоссальную энергию из протекающих в их недрах реакций термоядерного синтеза. Если бы наше Солнце состояло из угля или бензина, то выгорело бы за 1000 лет. Более калорийным и долговечным топливом, чем бензин, может служить только ядерное горючее. Все звезды горят благодаря реакциям синтеза ядер, поэтому астрофизическое изучение этих космических объектов значительно продвинуло ядерную физику вперед.
Сегодня известно, что небесное тело может зажечься и самостоятельно светиться, если оно имеет массу свыше 0,2 солнечной. Во Вселенной обнаружены огромные звездообразные тела, т. н. коричневые карлики. Их масса приближается к 0,2 солнечной, но она недостаточна для поддержания высокой температуры внутри недр. Тем не менее новорожденные звезды могут иметь самые разные размеры и массы, главное, чтобы количество вещества превышало минимальную отметку.
От размеров и массы светила зависит ход термоядерных процессов в его недрах и его дальнейшая судьба. Маленькие светила, чьи масса и размеры значительно меньше солнечных, относятся к красным карликам и эволюционируют медленно. Проходят десятки миллиардов лет (до 80 млрд), прежде чем красные карлики превратятся в новый тип звезд. За это время звезды остальных типов успевают сильно измениться. Крупные бело-голубые светила, значительно превосходящие Солнце, сжигают запас водорода стремительно, за неполные 1,5 млн лет.
После этого они начинают постепенно разрушаться, но сначала проходят стадию пульсирующих звезд. У пульсаров в недрах горит гелий, и его неравномерное горение вызывает частые колебания внешнего газового слоя и, соответственно, периодические изменения светимости. Такие звезды то увеличиваются, то уменьшаются; поток лучистой энергии из их недр то возрастает, то идет на убыль. В силу этой причины звезды такого рода названы переменными. Астрономам известны несколько классов пульсирующих переменных. Это красные гиганты, красные сверхгиганты и желтые гиганты (лириды).
Как понятно из названий светил, их линейные размеры крайне велики и часто в сотни раз превосходят солнечные. Самая большая звездная масса, точно измеренная астрономами, в 50 раз превосходит солнечную. В таких звездах протекает синтез углерода из гелия. Некоторые красные гиганты не только производят углерод, но и активно выпускают его в мировое пространство. Попадая в открытый космос, углерод быстро застывает, превращаясь в сажу. Она на время окутывает звезду сплошным покрывалом, заметно снижая блеск светила.
Постепенно, по мере выгорания гелия, пульсации переменных становятся все более аритмичными и напряженными. Процесс заканчивается грандиозным взрывом. Газовая оболочка звезды разлетается в пространстве, образуя горячую туманность. Ядро взорвавшейся звезды, которую земной наблюдатель назовет новой или сверхновой, превращается под действием сжатия в нейтронную звезду или, предположительно, в «черную дыру». Подобная нейтронная звезда обнаружена на месте сверхновой в созвездии Тельца. Сейчас там находится Крабовидная туманность, сложенная остатками взрыва.
Впрочем, конец не всегда наступает после полного выгорания гелия. Звезда может, исчерпав свои запасы гелия, перейти на синтез более тяжелых элементов, чем углерод. Известна звезда, вырабатывающая кремний и бурно извергающая его в космос. Кремниевый газ стремительно застывает, превращаясь в песчинки. Вокруг звезды возникает зона, полная настоящего песка.
Солнцеподобные светила почти не взрываются и не превращаются в нейтронные звезды или «черные дыры». Солнце после угасания начнет терять газовую оболочку. Она станет расширяться, поглощая планеты, а затем превратится в сферическую туманность. Ученые часто наблюдали такие туманности, с Земли они похожи на колечки сигарного дыма. В центре сферической туманности, называемой астрономами планетарной, останется сильно сжатое ядро звезды. Оно само станет звездой, поскольку будет светить за счет запасов тепловой энергии. Такие слабые светила называют белыми карликами.
Изучение законов термоядерного синтеза принесло астрономам множество больших и малых открытий, касающихся не только звезд. Сегодня почти все космологические представления так или иначе затрагивают ядерно-физическую эволюцию мироздания. Сама Вселенная родилась в результате чудовищной силы взрыва мельчайшей частицы с поперечником 1031 см. Внутри этой частицы пребывала вся мировая материя, сжатая до плотности 1095 г/см3.
Эпоха Большого взрыва, как называют пору возникновения Вселенной, характеризуется интенсивным синтезом простейших частиц из вакуума. Впрочем, сам по себе тогдашний вакуум резко отличался от нынешнего. Это было вакуумообразное состояние материи, предельно насыщенное энергией. Запасы энергии придавали материи температуру около 10 млрд С и возбуждали в вакууме огромные силы отрицательного тяготения. Оно вызвало ускоренное расширение пространства сразу во всех точках.
