Популярная физика. От архимедова рычага до квантовой теории - Айзек Азимов

Во время бомбардировки нейтронами торий–232 превращается в торий–233 с периодом полураспада в 22 минуты и, испуская бета-частицу, становится протактинием–233, период полураспада которого составляет 27 дней. Испуская бета-частицу, протактиний–233 становится ураном–233. Поэтому если вокруг ядерного реактора повесить оболочку из тория, то в ней будет образовываться способный к ядерному делению уран–233, который легко можно отделить от тория. Как видите, к общему количеству ядерного топлива на Земле можно отнести и запасы тория.

Несмотря на применение деления атомного ядра и в мирных целях, нельзя забывать, что основной целью проекта 1941 года было создание атомной бомбы. Требовался реактор с максимально возможным коэффициентом размножения нейтронов. Кроме того, бомба должна быть удобоперевозимой, значит, ее критическая масса должна быть максимально малой. Следовательно, нужно использовать либо чистый уран–235, либо плутоний–239.

Для безопасной транспортировки атомной бомбы ее следует разделить на две части, так как в этом случае каждая часть будет иметь докритические размеры. В нужный момент с помощью взрывчатки обе половины «выстреливаются» друг в друга, а содержащиеся в воздухе электроны приведут к немедленному ядерному взрыву.

К 1945 году было получено достаточное количество изотопов урана и плутония для создания трех атомных бомб. 16 июля 1945 года в 5 ч 20 мин утра в Аламогордо (шт. Нью-Мексико) одна из них была взорвана. Успех был полным и ужасающим. Мощность взрыва была эквивалентна 20 000 тоннам (20 кило-тоннам) тротила.

Вторая мировая война в Европе к тому времени уже закончилась, однако война с Японией все еще шла. Было принято решение сбросить две оставшиеся бомбы на Японию. 6 августа 1945 года одна из них упала на город Хиросима, а 8 августа вторая бомба взорвалась над городом Нагасаки. Япония сдалась, и Вторая мировая война окончилась.

Несмотря на все плюсы, у ядерного топлива есть и свои минусы. Уран и торий составляют всего лишь 1,2/100000 часть земной коры. Из этого топлива можно получить примерно в десять раз больше энергии, чем при сгорании всего имеющегося на Земле газа, нефти и угля.

Однако с относительной легкостью можно добыть лишь малую часть этого ядерного топлива. И даже если удастся использовать все это топливо, что делать с растущим количеством опасных ядерных отходов?

Стоит лишь посмотреть в самый конец кривой изменения коэффициента уменьшения массы, как решение напрашивается само. Энергию можно получать не только в результате распада более тяжелых атомов до более легких, но и путем соединения более простых атомов в более сложные. Этот процесс называется ядерным синтезом.

Простейшим примером является преобразование водорода — простейшего элемента — в гелий, ближайший к водороду элемент. Рассмотрим следующую реакцию:

1Н2 + 1Н2 → 2Нe4.

Массовое число одного ядра водорода–2 равно 2,01410, двух — 4,02820. Массовое число обладающего необычно низким коэффициентом уменьшения массы гелия–4 равно 4,00280. Потеря массы составляет 0,0254 из общей массы 4,0282, или 0,63%, в то время как при делении ядра урана потеря массы составляет всего 0,056%. Другими словами, для одного и того же количества вещества при ядерном синтезе выделяется в 10 раз больше энергии, чем при делении ядра.

Люди узнали о ядерном синтезе благодаря небу. В XIX веке после открытия закона сохранения энергии перед физиками встал вопрос о происхождении огромной энергии Солнца. Немецкий физик Герман Гельмгольц (1821–1894) единственным возможным источником энергии Солнца видел силу гравитации и предположил, что солнечное излучение возникает в результате медленного сжатия звезды.

Однако если источником энергии излучения является гравитация, то Земля не просуществовала бы более сотни миллионов лет. Более того, для выделения энергии в результате сжатия в течение сотни миллионов лет Солнце должно было быть гораздо больше по размерам: его радиус равнялся бы орбите Земли.

Открытие радиоактивности позволило взглянуть на проблему по-новому. Гельмгольц и его современники ничего не знали о том, что атомное ядро может служить источником энергии. Со временем было сделано предположение, что солнечное излучение возникает в результате ядерных реакций.

Однако природа этих реакций оставалась неизвестной еще а течение нескольких десятилетий. Ученые уже знали о реакции распада урана и тория и делении ядра урана, однако вряд ли на Солнце происходили эти реакции, так как там мало урана и тяжелых элементов в целом. Кроме того, мощности выделяемой при делении урана энергии просто недостаточно для создания столь мощного излучения.

Действительно, 85% всех атомов Солнца составляет кислород, еще 10% — гелий. Так что если на Солнце и происходят ядерные реакции, то в них участвует водород.

Однако в условиях Земли водород не вступает в ядерные реакции. Условия на Солнце отличаются в основном температурой (температура на поверхности Солнца равна 6000 °С), но это отличие никакой роли не играет.

Дело в том, что еще самые первые эксперименты с ураном и другими естественными радиоактивными веществами показали, что, в отличие от обычных химических реакций, ядерные реакции не подвержены влиянию температуры. Период полураспада радия не меняется ни при низкой, ни ври высокой температуре, а не вступающие в ядерные реакции атомы нагреванием до высоких температур реагировать не заставишь.

Конечно же многое зависит от того, что понимать под «высокой температурой». В начале XX века ученые не умели получать температуру достаточную для того, чтобы два атомных ядра пробили электронные «бамперы» и столкнулись. Впрочем, для этого недостаточно даже температуры Солнца.

Однако английский астроном Артур Стэнли Эддингтон (1882–1944) привел ряд убедительных документов, доказывая, что если Солнце является газообразным объектом, то для того, чтобы оставаться стабильным, температура внутри светила должна быть очень высокой — миллионы градусов Цельсия.

Действительно, при настолько высокой температуре два ядра столкнутся, а немыслимые при обычной температуре реакции станут обычным делом. Ядерная реакция, происходящая при столь высокой температуре, называется термоядерном реакцией (от греч. thermo — «тепло»). Понятно, что источником солнечного излучения являются термоядерные реакции, идущие внутри звезды.

В 1938 году немецкий физик Ханс Альбрехт Бете исключил из списка возможных термоядерных реакций те из них, которые идут слишком быстро и могут привести к взрыву Солнца или же, наоборот, идут слишком медленно и не смогут поддерживать солнечное излучение. В конце концов он остановился на реакции, которая начинается с наиболее широко распространенного на Солнце водорода.

Бете предположил, что водород реагирует с углеродом, в результате сначала образует азот, а в ходе еще нескольких реакций — кислород. Атом кислорода распадается на гелий и углерод, после чего углерод вступает в очередной цикл реакции, а поскольку он не претерпевает изменений, углерод можно считать «ядерным катализатором». Результирующим эффектом этого ряда реакций является преобразование водорода–1 в гелий–4. Позднее были предложены и более короткие цепочки преобразования водорода–1 в гелий–4.[140]