Обратимся опять к химическим реакциям. Попробуйте при обычной комнатной температуре провести реакцию соединения (горение) древесины с кислородом. Дерево повсюду окружает нас, но, находясь в непосредственном контакте с кислородом, оно не соединяется с ним. Для того чтобы эта реакция началась, его нужно поджечь, повысив температуру.
Еще со школьной скамьи каждому из нас известно, что при нагревании вещества изменяется характер движения его атомов и молекул. Эти частицы всегда находятся в состоянии хаотического, беспорядочного движения. Так, при минусовой температуре молекулы, скажем, воды, прочно связанные друг с другом, лишь слабо колеблются, образуя кристаллики льда.
При повышении температуры колебания их становятся все быстрее и быстрее, при ноле и выше градусов прочные связи между ними разрываются и лед превращается в жидкость, воду.
С дальнейшим увеличением температуры энергия молекул возрастает настолько, что они начинают вылетать из воды, при 100 градусах она закипает и переходит в пар.
Если продолжать нагревать пар, то начнут распадаться сами молекулы воды на отдельные молекулы водорода и кислорода. Когда температура станет еще большей, распадутся все молекулы и перейдут в свободные атомы водорода и кислорода.
Итак, вещество из твердого переходит в жидкое, а затем в газообразное состояние.
При дальнейшем повышении температуры от атомов станут отрываться электроны и образовываться смесь ядер и электронов. Говорят, вещество переходит в так называемое четвертое состояние - в плазму.
Конечно, чтобы зажечь дерево, не нужно переводить его в четвертое состояние. Уже при температуре около 400 градусов его молекулы (точнее, молекулы целлюлозы) и молекулы кислорода движутся настолько интенсивно, что при соударении соединяются друг с другом, "сцепляются" своими электронными оболочками и образуют новое вещество. Выделяющейся при этой реакции энергии с избытком хватает на то, чтобы прошла такая же реакция соединения соседних молекул. От них энергия передается к следующим и так далее. Так возникает цепная реакция горения.
Мы обратились к химическим реакциям, чтобы на их примере показать, как можно осуществить реакцию синтеза атомных ядер, то есть заставить соединиться, например, два ядра дейтерия. Оказывается, надо дейтерий также разогреть, но до такой высокой температуры, при которой движущиеся атомы лишились бы своих электронных оболочек, дейтерий перешел бы в четвертое состояние, и лишь потом его ядра при соударении будут образовывать ядро трития и свободный протон.
Не нужно забывать, что химические и ядерные реакции (в данном случае реакция синтеза) качественно различны. В первой из них соединение атомов или молекул приводит к образованию нового вещества, но не нового элемента. Для осуществления химической реакции достаточно придать атомам или молекулам относительно небольшие скорости движения. В реакции синтеза совершенно другая ситуация. Чтобы соединить ядра, их нужно разогнать до гораздо больших скоростей движения.
Ведь ядра атомов несут положительный электрический заряд, а всякие одноименно заряженные частицы отталкиваются, и чем меньше расстояние между ними, тем больше силы отталкивания. Для преодоления этих сил отталкивания и нужно придать ядрам колоссальные скорости порядка 500-800 километров в секунду! Такую большую скорость ядра дейтерия приобретут только при температуре 100-150 миллионов градусов.
Таков первый путь освобождения энергии ядра. Второй путь - деление ядер. А есть ли еще какие-либо способы высвобождения энергии ядра? Пока, к сожалению, нет, или, точнее, мы их пока не знаем.
Аннигиляция
В реакциях деления и синтеза ядер в тепло и излучение превращается от 0,1 до 0,5 процента вещества. При химических реакциях, как мы уже говорили, эта величина составляет всего лишь одну десятимиллионную (10^-7) часть. Значит, овладев энергией деления и синтеза, человечество увеличит калорийность (теплотворную способность) топлива в миллионы раз. Это очень важный и своевременно взятый рубеж. Но, овладев им, человек начинает думать о взятии нового. Это и не удивительно.
"Человек создан затем, чтобы идти вперед и выше", - говорил Максим Горький, поэтизируя это качество людей.
Если же думать о практическом значении такого "опережения событий", то, пожалуй, не скажешь лучше известного польского писателя-фантаста С. Лема: "...в предыстории практика, естественно, опережала теорию, ныне же теория обязана провидеть пути практики, ибо за всякое невежество, проявленное сейчас, человечеству придется дорого уплатить потом".
Итак, стоит вопрос, который задают и ученые-теоретики, и экспериментаторы, занимающиеся физикой ядрасуществуют ли пути превращения в энергию большего количества вещества, чем реакции деления и синтеза ядер. Возможны ли они в принципе?
В принципе такие пути возможны. Нужно только найти законы, управляющие процессами большего превращения вещества в энергию.
Один из таких возможных процессов называется аннигиляцией. Это слово образовано от латинского "nihil" - ничто. Буквальный перевод: превращение в ничто, уничтожение. Физики называют аннигиляцией превращение элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов), обладающих в неподвижном состоянии массой, в другие формы материи, например в гамма-кванты, имеющие массу покоя, равную нулю (электромагнитное излучение). Ясно, что речь не идет об уничтожении материи, а о превращении одного ее вида движения в другой. Только простоты ради мы иногда будем называть этот процесс превращением вещества в энергию.
Аннигиляция происходит при столкновении какойлибо элементарной частицы, например, протона, с ее античастицей - антипротоном. Обладая т0й же массой, что и протон, она имеет не положительный, а отрицательный заряд и отличается рядом других свойств.
Эта ядерная реакция найдена не только на бумаге, но и осуществлена 1зо многих экспериментальных установках. Если аннигиляция протона и антипротона происходит в вакууме - образуются гамма-кванты, несущие 34 процента энергии; электрон и его положительно заряженный антипод позитрон с 16 процентами энергий. Половину энергии уносят нейтрино частицы с весьма большой проникающей способностью. Удержать их невозможно: свою долю энергии они уносят в необозримые просторы вселенной. Однако другую половину удержать удается. Если аннигиляция будет происходить в плотной среде, то энергия, уносимая нейтрино, уменьшается до 9 процентов.
Казалось бы, все обстоит ладно. Но есть один неприятный факт: на Земле, да и, кажется, во всей Солнечной системе антивещества нет. В распоряжении людей есть только технические способы получения искусственного антивещества. Здесь уже есть некоторые успехи. В лабораториях получены антипротоны, антиэлектроны (позитроны), даже созданы атомы антивещества: антиводород, антигелий. Однако задача - значительное уменьшение количества энергии, необходимой для создания античастиц, - еще не решена. В существующих способах на создание антипротонов или антиэлектронов бомбардировкой ядер ускоренными электронами или протонами тратится почти столько же энергии, сколько получается потом при аннигиляции полученных античастиц с частицами. Коэффициент полезного действия в такой схеме составляет не более 0.1 процента. Следовательно, чтобы получить одну килокалорию аннигиляционной энергии, надо предварительно затратить 999 килокалорий энергии того вида, которым мы располагаем, например электроэнергии.
Может ли устроить человека процесс, когда в конце концов энергии получается меньше, чем ее затрачивается? Принципиально может. В жизни мы пользуемся такими процессами. Например, на получение одной килокалории электроэнергии затрачивается 2,5 килокалории тепла сжигаемого топлива. Зато в результате получается качественно новый вид энергии, который можно эффективно использовать в промышленности, быту.
Для чего же нужна аннигиляционная энергия антивещества с калорийностью, в 100-300 раз превышающей калорийность ядерного топлива? Возможно, в далеком будущем она понадобится только для космических аппаратов. Для земной энергетики такой процесс не подходит.
Пожалуй, стоит рассказать еще об одной идее, которая родилась на заре работ по термоядерному синтезу.
Напомним: чтобы осуществить термоядерную реакцию, нужно разогреть плазму до 100-150 миллионов градусов. Лишь такая температура может обеспечить высокие скорости ядер, достаточные для преодоления силы отталкивания их положительных зарядов. Но допустим, что удалось бы нейтрализовать заряд одной из взаимодействующих частиц. При таком условии отпала бы необходимость в высокой температуре.
В природе существует некая элементарная частица, которая называется отрицательным мю-мезоном. Егозаряд равен электронному, а масса в 212 раз больше. Если этот мю-мезон соединить, например, с дейтерием, то может образоваться новый атом, в котором электрон атома дейтерия будет заменен мю-мезоном. Поскольку масса мю-мезона в две сотни раз больше массы электрона, то вокруг ядра он будет вращаться по орбите, лежащей во столько же раз ближе к ядру, чем орбита электрона. Благодаря тому, что эта система нейтральна и очень мала, она может очень близко подойти к другому ядру дейтерия, лишенному электрона (иону), и образовать молекулярный ион дейтерия, в котором вокруг двух очень близко расположенных ядер дейтерия вместо электрона будет вращаться мю-мезон. Расчеты показывают, что в этом случае очень велика вероятность того, что даже при не очень высокой температуре ядра дейтерия вступят в реакцию синтеза и начнет выделяться энергия. При этом процессе мю-мезон будет невредимым выброшен и сможет снова вызывать реакцию другой пары, потом третьей, потом...
К сожалению, "потом" может не быть. Время жизни мю-мезона всего несколько миллионных долей секунды. Окончив свою "деятельность", он распадается на электрон и два нейтрино. Так что за отпущенное ему время он сможет инициировать синтез всего нескольких пар ядер. Выделившаяся при этом энергия составит малую долю той энергии, которую необходимо затратить на создание самого мю-мезона. Значит, такой синтез не имеет практической ценности для энергетики.
Что же показывают эти два примера "неудачной попытки" еще более эффективного и более легкого использования энергии ядра в энергетике? Возможно, пессимист скажет, что они подтверждают сказанное ранее: пока нет других, более эффективных способов высвобождения- энергии ядра. Оптимист ответил бы по-другому: наличие таких "почти пригодных" способов позволяет надеяться и показывает, что где-то рядом, пока еще скрытые от нас, существуют процессы, познав которые человек станет обладать еще большими запасами дешевой и нужной энергии. Надо только их искать. И ученые ищут.
Теоретики считают, что если получить уран в изомерном состоянии, то при делении, по-видимому, можно будет получить не 2,5, а, скажем, 5 свободных нейтронов. Почему это важно, мы увидим позже.
Теоретически показана возможность существования сверхплотных ядер. Пока трудно говорить о возможностях их использования, но стоит обратить внимание на то, что сверхплотные ядра должны обладать запасами внутренней энергии в тысячи раз большей, чем обычные ядра.
В энергетике, по-видимому, можно было бы использовать и ядра нейтронные, то есть состоящие почти из одних этих частиц. О такой возможности говорит теория.
КАК РАЗДЕЛИТЬ ЯДРО
Ценнейшее в жизни качество - вечно юное любопытство, не утоленное годами и возрождающееся каждое утро.
Ромен Роллан
В одном из номеров журнала "Иностранная литература" был напечатан памфлет "Законы Паркинсона".
В острой сатирической форме автор расскааал, Б частности, о заседании парламентариев, рассматривавших новые финансовые законопроекты. Около трех часов ушло на обсуждение такого "важного" законопроекта, как выдавать ли парламентариям в перерыве между заседаниями бесплатный кофе (стоимостью в несколько пенсов). По этому поводу почти каждый счел своим долгом высказать мнение потому, что вопрос этот был известен и близок каждому депутату. Другое дело - проведение законопроекта... о строительстве ядерного реактора (стоимостью в несколько миллионов фунтов стерлингов) . На это ушло меньше пяти минут, ибо высказываться не хотел никто. Не хотел? Вернее, не мог. Ведь для этого нужно обладать знаниями. А что такое ядерный реактор - парламентарии имели о нем самое общее представление.
В этом анекдоте есть доля правды. Как ни удивительно, но в век атомной энергетики и покорения космоса очень многие ничего или почти ничего не знают о ядерном реакторе, об атомной энергетике, которая гигантскими шагами входит в нашу жизнь. Может быть, причина этого в удивительно быстром развитии знаний ученых о тайнах атома? Может быть, это развитие настолько стремительное, что за ним не поспевает ясная и правдивая информация? А может быть, виновным является и сам ядерный реактор: ведь понимание процессов, происходящих при его работе, очень непростая вещь. В этом отношении он довольно парадоксален. Вот пример: чтобы сделать простейший реактор, не нужно знать почти ничего, кроме, пожалуй... рецепта, подобного рецепту, взятому из поваренной книги.
Выглядеть такой рецепт мог бы так. "Возьмите алюминиевый бак. Наполните его 20 литрами дистиллированной воды, засыпьте 3800 граммов уранилнитрата (уран с азотом), тщательно перемешайте смесь стальной ложкой. Затем быстро выньте ложку, и вы получите работающий ядерный реактор".
Конечно, это шутка. Однако в принципе именно так может выглядеть гомогенный (однородный) ядерный реактор на тепловых нейтронах. Но как, не имея опыта домашней хозяйки, а руководствуясь только рецептом, можно приготовить не обед, а лишь нечто с ним схожее, так, не зная принципов работы реактора, не имея необходимых контрольных приборов, можно получить бак с грязной водой, а если и реактор, то такой, которым невозможно управлять.
Хотя о существовании больших запасов энергии в ядре атома было известно очень давно, понадобилось несколько десятилетий исканий, расширения знаний о свойствах ядер атомов, длинная цепочка интересных, открытий, приведших к созданию ядерного реактора, - устройства, в котором освобождается энергия деления ядра.
Ядра со "знаком качества"
Чтобы разделить ядро и вызвать высвобождение внутренней энергии, нужно выбрать "инструмент", сравнимый с размером самого ядpav-ведь никто не станет разбивать грещшй opejc паровым молотом. Непригоден он и для разделения ядра. Его и не разбить таким инструментом.
Мы уже знаем несколько частиц, сравнимых с размером ядра. Перечислим их. Прежде всего это само же ядро. Затем нейтрон и протон. Пока достаточно. Они пригодны в качестве инструмента. А теперь стоит уточнить,, какими свойствами этот инструмент должен обладать.
Чтобы расколоть полено, разбить камень или распилить железную заготовкуг мало иметь остро отточенный топор,, удобный молоток или пилу, нужно еще затратить энергию. Нельзя забывать, что материалы бывают капризные: каждому нужна только "его" энергия - та, с помощью которой можно этот материал обработать.
Чтобы разделить ядро, нужно затратить энергию, различную для разных ядер.
При изучении строения атома и его ядра обычно возникает вопрос: почему ядро не разваливается само по себе? Ведь входящие в его состав протоны электрически заряжены, следовательно, они должны отталкиваться друг от друга с большой силой. Почему же этого не происходит? Объясняется это тем, что внутри ядра действуют еще так называемые внутриядерные силы, притягивающие друг к другу частицы ядра. Силы эти велики, но действуют только на очень близком расстоянии, поэтому их называют короткодействующими. Онито и компенсируют - гасят силы электрического отталкивания протонов и не дают ядру самопроизвольно распасться.
В пределах объема ядра составляющие его частицы находятся в беспрерывном движении. Если бы удалось добавить туда хотя бы немного энергии, то есть ввести ее избыточное количество, то частицы стали бы двигаться быстрее. Можно предположить, что они смогли бы преодолеть соединяющие их ядерные силы и "изнутри" взорвать, разделить ядро. Величину этой избыточной энергии (физики называют ее энергией возбуждения) можно рассчитать.
Если проделать эти вычисления, то окажется, что легче всего поддаются делению тяжелые ядра. Так, для урана-235 величина энергии возбуждения равна всего 5 миллионам электронвольт - 5 Мэв. (В своих расчетах физики предпочитают пользоваться этой единицей энергии. Один Мэв примерно равен 4-10^-17 килокалориям.) Для платины (атомный вес 195) величина возбуждения равна 40 Мэв, а для элемента с атомным весом 141 (празеодим) возрастет до 62 Мэв. Ядра тяжелых элементов самые неустойчивые. Достаточно лишь немного "подтолкнуть" такое ядро, то есть добавить небольшое количество энергии, как оно разделится.