Физические основы получения атомной энергии

V. ЯДЕРНЫЕ РЕАКЦИИ

Как известно из вышеизложенного, ядерными реакциями называются превращения атомных ядер одного химического элемента в ядра какого-либо другого элемента.

От открытия ядерных реакций, самопроизвольно протекающих при радиоактивном распаде некоторых элементов в природе, до практического осуществления ядерных реакций с целью получения ядерной энергии наука прошла почти полувековой путь.

Важным этапом здесь было изучение искусственных ядерных реакций, производимых по методу «ядерной» артиллерии. Обстреливая атомы различных элементов быстрыми частицами (альфа-частицами, протонами, дейтеронами и т. п.), ученым удалось осуществить в лабораторных условиях тысячи различных ядерных превращений, в которых из одних химических элементов получались другие элементы.

Тем самым ученые XX века решили практически задачу, которую еще в годы открытия периодического закона поставил Д. И. Менделеев. Говоря о химических превращениях (превращениях молекул), Менделеев указывал: «Все учение химии состоит в учении о свойствах элементов. Цель и задача — превратить один в другой — это будет дальше».

Над превращением элементов безуспешно бились средневековые алхимики, стремившиеся получить золото, серебро и другие драгоценные металлы из дешевых свинца, ртути и меди. Но только ученые XX века, изучив свойства атомов и их ядер и овладевая ядерными реакциями, научились осуществлять подобные превращения. И атомы ртути и свинца могут быть средствами современной физики превращены в атомы золота и серебра. В ядре, например, атома ртути 80 протонов. Можно выбить один из них. Мы получим тогда ядро с 79 протонами. Это будет ядро атома золота. Но только золото, добываемое подобным способом, обходится чрезвычайно дорого. Поэтому такой способ производства золота пока не имеет практического значения.

Для обстрела атомных ядер с целью вызвать их превращения нужны очень быстрые частицы. Длительное время единственным источником таких частиц были естественные радиоактивные вещества, испускающие альфа-частицы (ядра гелия). Но альфа-частицы, как и всякие ядра, имеют положительный электрический заряд. Поэтому при приближении к обстреливаемому ядру, также положительно заряженному, альфа-частица испытывает действие силы электрического отталкивания тем большее, чем больше заряд ядра.

Вследствие этого энергии альфа-частиц, испускаемых радиоактивными веществами, хватает лишь для расщепления ядер легких атомов. От более тяжелых ядер природные альфа-частицы отталкиваются, не проникая внутрь их.

Для увеличения скорости заряженных частиц-«снарядов» были созданы весьма сложные установки — ускорители, в которых альфа-частицы, протоны, дейтероны и другие заряженные частицы разгонялись до громадных скоростей и, значит, энергий.

Первые установки такого рода были созданы английскими физиками Кокрофтом и Уолтоном, а затем и советскими физиками Синельниковым и Вальтером, сумевшими получить с помощью этих установок быстрые протоны.

Протоны в качестве «снарядов» для обстрела атомных ядер имеют серьезное преимущество перед альфа-частицами. Оно заключается в том, что заряд у протона в 2 раза меньше заряда альфа-частицы. Вследствие этого сила отталкивания, испытываемая протоном при его приближении к обстреливаемому ядру, будет в 2 раза меньше силы, которую испытывает альфа-частица. Поэтому протону легче проникнуть в ядро и вызвать его превращение. Обстреливая быстрыми протонами атомы лития, Д. Кокрофт и Э. Уолтон в Англии осуществили в 1932 г. расщепление его ядра на две альфа-частицы. Ядро лития с атомным весом 7, захватив попавший в него протон, возбуждается («нагревается») и затем распадается на две альфа-частицы (два ядра гелия), разлетающиеся в прямо противоположных направлениях с большой скоростью.

Освобождаемая в этой реакции ядерная энергия переходит в кинетическую энергию быстро движущихся альфа-частиц. Величина ее оказывается большой и составляет около 17,2 Мэв на каждое ядро лития. Если бы можно было таким способом расщепить 1 г лития, то выделившаяся энергия составила бы около 56 млн. ккал.

Расщепление лития быстрыми протонами было первой искусственной ядерной реакцией, в которой освобождалось большое количество ядерной энергии. Это указывало на принципиальную возможность получения ядерной энергии с помощью искусственно вызываемых превращений атомных ядер.

Важную роль в развитии ядерной физики сыграл циклический ускоритель заряженных частиц — циклотрон, предложенный и построенный американским физиком Э. Лоуренсом в 1932 г. В этом ускорителе разгоняемые частицы движутся по круговой траектории с постепенно увеличивающимся радиусом, делая определенное, строго постоянное число оборотов, или циклов, в каждую секунду (отсюда и само название циклический ускоритель, или циклотрон). При помощи циклотрона протоны можно разогнать до скоростей, соответствующих энергии в 10 Мэв, имея переменное электрическое напряжение, измеряемое всего лишь тысячами вольт. Именно с циклотрона начинается фактически история современных ускорителей.

Позже были созданы ускорители, с помощью которых можно получать заряженные частицы с энергией в сотни и даже тысячи миллионов электрон-вольт. Это удалось осуществить, используя методы, разработанные советским физиком членом-корреспондентом Академии наук СССР В. И. Векслером в 1944 г. и независимо от него американским физиком Мак-Миланом в 1945 г. Ускоритель, в котором используется один из методов Векслера, называется синхроциклотроном, или фазотроном. Крупнейшим в мире ускорителем этого типа является синхроциклотрон, построенный в 1949 г. в Институте ядерных проблем Академии наук СССР. Это — крупное инженерное сооружение, внешний вид которого дан на рис. 21. Синхроциклотрон позволяет ускорять протоны до энергий 680 Мэв.

Эта установка вместе с другим оборудованием передана Советским государством в 1956 г. Объединенному институту ядерных исследований в г. Дубна.

Еще более мощными являются американские ускорители, также основанные на идеях Векслера и Мак-Милана. Это, во-первых, так называемый космотрон в Брукхейвене, рассчитанный на получение протонов с энергией в 3 млрд. эв, и, во-вторых, беватрон Калифорнийского университета в Беркли, с помощью которого удается разгонять протоны до энергии в 6,3 млрд. эв.

Самый мощный в мире ускоритель заряженных частиц, общий вид которого приведен на рис. 22, построен в 1956 г. в СССР под руководством В. И. Векслера. Это — синхрофазотрон; вместе с другим уникальным оборудованием он также передан Объединенному институту ядерных исследований. Синхрофазотрон позволяет получать интенсивные потоки протонов, обладающих энергией в 10 млрд. эв.

Вот некоторые цифры, характеризующие масштабы и точность этой гигантской установки. Вес ее кольцевого электромагнита вместе с обмоткой составляет 36 тыс. т, средний диаметр стального кольца достигает почти 60 м. Обмотка представляет собой изолированную медную шину, охлаждаемую дистиллированной водой и весящую около 600 т. Для питания электромагнита построена большая подстанция, на которой установлены специальные электрические генераторы мощностью в 140 тыс. ква (киловольт-ампер; рис. 23).

Вакуумная камера, внутри которой движутся ускоряемые частицы, имеет объем, равный. 160 м³; благодаря непрерывной работе 56 мощных насосов давление воздуха в камере падает до миллиардной доли атмосферы.

Магнитное поле, непрерывно воздействующее на частицы, выверено с точностью до десятых долей процента. Чтобы обеспечить необходимую однородность поля (малейшее его искажение могло бы вывести установку из строя), было сделано более 150 тыс. измерений.

Объем основных производственных зданий синхрофазотрона составляет 335 тыс. м³. Помимо основного оборудования, в этих зданиях смонтирована многочисленная уникальная радиотехническая и электронная аппаратура, включающая 6 тыс. различных реле и автоматов, 2 тыс. контрольноизмерительных приборов и свыше 2 тыс. различных аппаратов управления. Для соединения всей этой аппаратуры проложены кабели протяжением около 1 тыс. км.

В апреле 1957 г. гигантский синхрофазотрон начал работать; в ночь на 17 апреля его мощность была доведена до расчетной. За 3,3 секунды протоны делают внутри вакуумной камеры 4,5 млн. оборотов и пробегают при этом путь в 1 млн. км, приобретая скорость, почти равную скорости света. Их энергия, как и предполагалось, достигает 10 млрд. эв. Это самая высокая энергия частиц, какую когда-либо удавалось искусственно создавать. Тем самым физики многих стран, работающие в Объединенном институте, получили в свое распоряжение необычайно скоростные «снаряды» для обстрела атомных ядер.

Постройка и пуск гигантского синхрофазотрона, не имеющего себе равного в мире, представляет выдающееся достижение современной науки и техники. Создание его оказалось возможным благодаря упорному и творческому труду большого коллектива ученых, инженеров и рабочих различных специальностей и высокому уровню развития советской науки и промышленности.

Ускорители заряженных частиц являются незаменимыми орудиями исследования атомного ядра и тех простейших, так называемых элементарных частиц, с которыми имеет дело ядерная физика.

«Обстреливая» протоны быстрыми частицами с энергиями в сотни миллионов электрон-вольт, советским физикам удалось, например, выяснить размеры протона. Оказалось, что радиус протона равен примерно 5∙10^-14 см. Установлено также, что протон, по всей видимости, состоит из какого-то остова, окруженного «облаком» мезонов — частиц, масса которых имеет промежуточную величину между массами электрона и нуклона. Используя протоны с энергиями в несколько миллиардов электрон-вольт, американские физики, работающие на беватроне, открыли в 1955 г. антипротон — частицу с такой же массой, что и протон, но имеющую отрицательный электрический заряд. Наконец, в 1956 г. был открыт антинейтрон — нейтральная частица вещества с массой нейтрона, но по своим магнитным свойствам противоположная ему. Число открытых физиками частиц все время увеличивается.

Обилие элементарных частиц, многообразие их свойств, необычайная сложность процессов, происходящих с их участием в ядрах атомов, являются блестящим подтверждением учения диалектического материализма о неисчерпаемости материи, о сложнейшей структуре атома и составляющих его частиц и неограниченных возможностях человеческого познания. Можно надеяться, что опыты на новом гигантском ускорителе, пущенном в СССР, сделают крупный вклад в развитие ядерной физики и позволят наблюдать рождение совсем новых элементарных частиц, пока еще не известных науке.

В качестве «снарядов» для обстрела атомных ядер могут быть использованы также и нейтроны. Ввиду отсутствия у них электрического заряда нейтроны не отталкиваются ядрами атомов. Поэтому все нейтроны попадают в цель (в ядра атомов обстреливаемой мишени) без промаха, если только взять мишень достаточной толщины. К сожалению, у нас нет иных источников нейтронов, кроме самих атомных ядер, из которых их приходится выбивать, прибегая к обстрелу другими заряженными частицами.

Для обстрела атомов с научной целью широко используются космические лучи. Так физики называют потоки атомных ядер, непрерывно падающих к нам на Землю из мирового пространства с огромной скоростью, близкой к скорости света.

Большинство космических частиц обладает колоссальной энергией, измеряемой миллиардами и десятками миллиардов электрон-вольт. Насколько велика энергия таких частиц, показывает следующий пример. Если листочек свинца толщиной всего в 0,001 см полностью поглощает альфа-частицы, то для космических частиц не является препятствием и слой свинца толщиной в 1 м. В космических лучах имеются и такие сверхбыстрые частицы, энергия которых еще в миллиарды раз больше. Чтобы получить наглядное представление о том, насколько велика их энергия можно привести такой пример. Если сверхбыстрая космическая частица имела бы массу в один грамм, то при падении ее в Черное море вся вода в нем закипела бы. Но так как космические частицы ничтожно малы и общее число их невелико, то попадание их на Землю не вызывает заметного нагревания.

Космические частицы оказываются превосходными «снарядами» для обстрела атомных ядер, в том числе ядер тяжелых элементов. Сталкиваясь с ядрами, космические частицы вызывают ряд интересных ядерных явлений. В 1942 г. советский физик А. П. Жданов впервые наблюдал под действием космических лучей полное расщепление ядер атомов серебра и брома на составляющие их частицы.

Однако опыты с космическими лучами крайне затруднены тем, что потоки их очень слабы. Исследователю приходится месяцами ждать, пока в его приборы попадут именно те частицы, которые его интересуют. Вот здесь-то и приходят на помощь ускорители заряженных частиц, позволяющие разгонять частицы до огромных скоростей, при которых можно гораздо лучше изучать атомные ядра и процессы в них.

Изучая ядерные процессы, вызываемые быстрыми частицами-«снарядами», ученые открыли значительное число ядерных реакций, в которых выделялось относительно большое количество ядерной энергии. Таковы, в частности, реакции расщепления лития под действием протонов и дейтеронов, первая из которых рассмотрена выше.

Однако от установления факта выделения большого количества ядерной энергии до практического использования ее было еще далеко.

Главная трудность, которую нужно было еще преодолеть, заключалась в том, что для освобождения ядерной энергии необходимо было попасть частицей-«снарядом» в каждое атомное ядро. Между тем при обстреле атомов какой-либо мишени лишь ничтожная доля «снарядов» попадает в ядра ее атомов. В среднем лишь один снаряд из целого миллиона попадает в цель, то есть в ядро, и вызывает его превращение. Остальные 999 999 «снарядов» пролетают мимо цели и, растрачивая свою энергию на ионизацию атомов, теряют способность проникать в ядра. В результате такого положения на получение огромного количества «снарядов» затрачивается энергии значительно больше, чем ее получается при ядерных превращениях. Естественно, что такой способ освобождения ядерной энергии не может иметь практического значения.

Если бы для извлечения энергии топлива приходилось «поджигать» каждую молекулу его, то уголь, нефть и другие виды топлива не получили бы практического применения. К счастью, химическая реакция горения протекает совсем иначе. Если поджечь уголь в каком-либо месте, то при надлежащем доступе кислорода горение идет дальше самостоятельно, само себя поддерживая и охватывая все большую и большую массу угля. Молекулы углерода, из которых состоит уголь, сами «зажигаются» одна от другой, по цепочке. Такие самоподдерживающиеся химические реакции, которые, будучи начаты, поддерживают себя дальше сами, называются цепными. Теорию цепных химических реакций разработал еще в 1928 г. советский ученый Н. Н. Семенов.

Среди многочисленных ядерных реакций, о которых говорилось выше, не было ни одной, которая, будучи начата, развивалась бы дальше сама собой, по цепочке. В этих ядерных реакциях расщепление одного ядра не вызывает подобного же превращения других соседних ядер.

Положение коренным образом изменилось в 1939 г. благодаря открытию ядерной реакции нового типа, названной реакцией деления тяжелых ядер, которая при определенных условиях может протекать, как цепная. Эта реакция была открыта при обстреле нейтронами урана — самого тяжелого из существующих на Земле элементов.

Используя цепную реакцию деления тяжелых ядер, ученым удалось осуществить тепловую ядерную реакцию с водородом, протекающую в форме взрыва. Эта реакция, называемая иначе термоядерной реакцией, происходит под действием весьма высокой температуры, измеряемой миллионами и десятками миллионов градусов.

Деление тяжелых ядер и термоядерная реакция с водородом практически используются в настоящее время для получения ядерной энергии.

Как протекают эти ядерные реакции, каковы их особенности и рассказывается ниже.

Как известно из вышеизложенного, путем обстрела быстрыми частицами можно сделать радиоактивными большое число химических элементов. Итальянский физик Э. Ферми в 1934 г. показал, что чрезвычайно эффективными возбудителями искусственной радиоактивности являются нейтроны. Изучая воздействие нейтронов на ядра атомов урана, ученые ряда стран открыли много интересных и на первых порах загадочных явлений. Одним из таких открытий, явившимся, без сомнения, выдающимся достижением физики, было открытие в 1939 г. вызываемого нейтронами деления урана. Как установили немецкие физики О. Ган и Ф. Штрассман, после бомбардировки урана нейтронами в нем обнаруживаются ядра атомов элементов, стоящих в середине периодической таблицы Менделеева. Усилиями многих физиков было доказано, что эти новые ядра получаются в результате деления ядра урана, захватившего нейтрон; при этом масса и заряд исходного ядра распределяются (делятся) между новыми ядрами — «осколками» деления.

Теория деления тяжелых ядер была разработана в том же году советским физиком Я. И. Френкелем и зарубежными учеными Н. Бором и Д. Уилером на основе «капельной» модели ядра.

В ядре урана, содержащем 92 протона, электрические силы отталкивания между одноименно заряженными протонами весьма велики и лишь немного уступают ядерным силам притяжения. Вследствие этого ядра урана не отличаются большой прочностью (устойчивостью). Поэтому нейтрон, попадающий в такое ядро, легко возбуждает (нагревает) его, делая еще менее устойчивым. В результате ядро деформируется и, теряя свою сферическую форму, вытягивается, как это показано на рис. 24, 2. Поскольку, как мы знаем, ядерные силы действуют лишь на очень коротком расстоянии, постольку электрические силы отталкивания между противоположными половинками растянутой капли превысят ядерное притяжение между ними. От этого ядро-капля станет вытягиваться еще больше, на нем образуется перетяжка (шейка; рис. 24, 3), и в конце концов оно разделится под действием электрических сил отталкивания на две части, то есть на два ядра («осколка») среднего веса (рис. 24, 4). Делящееся ядро выбрасывает («испаряет») несколько новых (вторичных) быстрых нейтронов. При этом излучаются также гамма-лучи. Особенно эффективно подобное деление под действием нейтронов происходит с ядрами урана 235. Схема деления ядер этого изотопа урана приведена на рис. 25.

Ядра-«осколки» разлетаются в разные стороны с большой скоростью. Как показал Ф. Жолио-Кюри, «осколки», несмотря на их сравнительно большую величину, способны пробегать в воздухе до 2,1 см, что свидетельствует о наличии у них огромной энергии. Измеряя пробеги «осколков», нашли, что их кинетическая энергия составляет около 162 Мэв. Сталкиваясь с атомами окружающей среды, ядра-«осколки» передают им свою кинетическую энергию, вследствие чего происходит сильное нагревание среды.

Однако этим не исчерпывается количество выделяющейся энергии. Следует еще учесть энергию вторичных нейтронов, гамма-излучения, испускаемого в процессе самого деления (мгновенное гамма-излучение), и, наконец, энергию радиоактивных излучений «осколков», поскольку они получаются всегда радиоактивными и в дальнейшем уже после деления распадаются, испуская бета- и гамма-лучи и нейтрино. Примерное распределение энергии, выделяющейся при делении одного ядра урана 235, согласно современным расчетным и экспериментальным данным, таково:

Таким образом, общее количество энергии, выделяющейся при делении одного ядра урана 235, составляет почти 200 Мэв. В расчете на 1 г урана, содержащий 2,6∙10²¹ атомов, это дает огромную энергию, равную примерно 23 тыс. квт-ч. Если эту энергию выразить в килокалориях, то мы получим знакомую нам величину[7] в 21 млн. ккал, что в 3 млн. раз превосходит то количество тепла, которое выделяется при сжигании 1 г хорошего каменного угля (7000 кал или 7 ккал). Количество тепла, которое выделяется при сгорании 1 г (или 1 кг) топлива, называется, как известно, теплотворной способностью топлива. По аналогии с этим количество энергии, которое выделяется в результате ядерной реакции деления 1 г урана (21 млн. ккал на 1 г), называют теплотворной способностью ядерного горючего. Уран 235 и некоторые другие вещества, ядра которых делятся с высвобождением энергии, называют ядерный горючим.

Заметим, что полный запас энергии в 1 г любого вещества, в том числе и урана, составляет около 21 млрд. ккал, как это было показано на стр. 58, Сравнивая эту величину с приведенной выше теплотворной способностью урана, мы найдем, что при делении ядер урана освобождается около одной тысячной доли всей той энергии, которая в них заключена.

Природный уран представляет собой смесь в основном двух изотопов: изотопа с атомным весом (массовым числом) 238 (уран 238) и изотопа с массовым числом 235 (уран 235). Главную массу (около 99,3%) составляет уран 238; на долю урана 235 приходится 0,7%. Другими словами, на каждые 140 атомов урана 238 приходится всего лишь один атом урана 235. Свойства этих изотопов в отношении деления, вызываемого нейтронами, несколько различны. Это обусловлено тем, что энергия, которую нужно сообщить ядру для того, чтобы вызвать его деление, составляет 6,5 Мэв для урана 235 и 7,0 Мэв для урана 238. Эту энергию обычно называют критической энергией деления или энергией активации ядра.

Чтобы лучше представить себе, что такое энергия активации, обратимся к знакомому явлению выстрела. Известно, что для того, чтобы освободить химическую энергию пороха в патроне и произвести выстрел, необходимо сначала сообщить пороху некоторую добавочную энергию, произведя взрыв капсюля патрона ударом бойка ударника. Так и атомному ядру надо сообщить добавочную энергию, чтобы оно поделилось и высвободило значительно большее количество скрытой в нем энергии. Наименьшая энергия, необходимая для этого, и есть энергия активации. Роль капсюля выполняет здесь нейтрон.

Энергия, которую приносит ядру нейтрон, называется энергией возбуждения ядра. Чем больше скорость нейтрона, тем больше энергия возбуждения.

Важную роль в ядерной энергетике играют медленные, так называемые тепловые нейтроны. Такое наименование получили нейтроны, энергия которых имеет примерно такую же величину, как и у молекул и атомов окружающей среды в их непрерывном тепловом движении. При комнатной температуре средняя кинетическая энергия нейтрона равна 0,038 эв, его средняя скорость составляет при этом около 2,7 км/сек.

Энергия возбуждения, сообщаемая ядру попадающим в него тепловым нейтроном, имеет разную величину для различных изотопов урана. Критические энергии деления и соответствующие энергии возбуждения для удобства обозрения даны в нижеследующей таблице.

Как видим, тепловой нейтрон сообщает ядрам урана 238 и 235 разную энергию. Это различие объясняется тем, что нейтрон вносит в ядро не только кинетическую энергию (в обоих случаях одинаковую), но и свою энергию связи с ядром, которая для урана 235 составляет большую величину, чем для урана 238.

С другой стороны, из таблицы видно, что энергия возбуждения заметно больше критической энергии в случае урана 235 (6,8 против 6,5) и значительно меньше в случае урана 238 (5,5 против 7,0). Отсюда следует, как это бывает на практике, что ядра атомов урана 235 могут делиться как быстрыми, так и тепловыми нейтронами, в то время как ядра урана 238 делятся лишь весьма быстрыми нейтронами. Как показали советские физики Г. Н. Флёров и К. А. Петржак, деление ядер урана 238 могут вызвать только нейтроны, имеющие энергию больше 1,1 Мэв, что соответствует скорости свыше 14 тыс. км/сек. Такие же нейтроны, которые имеют меньшую скорость, ядрами этого урана захватываются без деления. В последующем эти ядра превращаются в результате радиоактивного распада в ядра атомов химического элемента плутония, имеющего атомный вес 239 и занимающего в таблице Менделеева 94 место.

Рассмотрим теперь поближе явление испускания нейтронов при делении и радиоактивность получающихся при этом «осколков». Мы уже знаем, что ядра урана 235 не отличаются большой устойчивостью. Поэтому нейтрон, попавший в такое ядро, легко вызывает его деление. Особенность этого явления состоит в том, что «осколки» деления могут быть самыми различными. В одном случае это будут ядра ксенона и стронция, в другом — ядра бария и криптона, в третьем случае деление даст ядра атомов редкого металла палладия и т. д. Деление ядер урана 235, вызываемое нейтронами, осуществляется десятками вариантов. Поэтому среди «осколков» встречаются изотопы более чем 30 элементов периодической системы Менделеева, начиная с селена (Z=34) и кончая лантаном (Z=57); их атомные веса (массовые числа) колеблются от 72 до 162. Интересно отметить, что деление ядер урана на две равные части происходит сравнительно редко. Чаще всего они делятся на два различных ядра-«осколка», массовые числа которых относятся как три к двум.

Ядро атома урана 235, захватив попавший в него нейтрон, будет иметь 236 нуклонов (92 протона и 144 нейтрона). Допустим теперь, что оно делится на два равных «осколка». Тогда в каждом таком «осколке» будет по 46 протонов и по 72 нейтрона. Это будут ядра атомов палладия (Z=46) с массовым числом 118. Но самый тяжелый изотоп палладия, существующий в природе, то есть самый тяжелый устойчивый изотоп этого элемента, имеет массовое число 110 и содержит в своем ядре всего 64 нейтрона против 72. Таким образом, в каждом ядре палладия, образовавшемся в результате деления, получится до 10 лишних нейтронов, в силу чего такое ядро не может быть устойчивым. Подобное положение бывает и в других ядрах-«осколках». Вот почему часть лишних нейтронов освобождается (испаряется) в процессе самого деления. Такие нейтроны называют мгновенными; они составляют более 99% общего числа нейтронов, вылетающих при делении. Часть нейтронов испускается уже после деления с запаздыванием 0,6–80 секунд. Эти нейтроны называются запаздывающими; они составляют несколько меньше 1% общего числа нейтронов деления. На опыте установлено, что при делении урана 235 медленными нейтронами на каждое ядро, испытывающее деление, приходится в среднем всего 2,5 вторичных нейтронов; средняя кинетическая энергия каждого из них порядка 2 Мэв. Среднее число вторичных нейтронов не является целым, потому что массовые числа «осколков», получающихся при делении ядер урана, оказываются, как мы уже знаем, весьма разнообразными. В соответствии с этим число нейтронов, вылетающих в каждом индивидуальном акте деления, оказывается различным и колеблется от 1 до 3.

Как видим, число вылетающих нейтронов невелико. Поэтому и после испускания нейтронов ядра-«осколки» обладают еще большим избытком нейтронов. Это ведет к тому, что в дальнейшем лишние нейтроны последовательно превращаются внутри ядра-«осколка» в протоны, что сопровождается, как известно, испусканием бета-частиц и нейтрино и во многих случаях гамма-лучей. Внутриядерное превращение нейтронов в протоны происходит до тех пор, пока не установится такое соотношение между ними, при котором ядро делается устойчивым (стабильным).

Каждое радиоактивное ядро-«осколок» имеет свою характерную цепочку бета-распадов. Две радиоактивные цепочки, принадлежащие барию и стронцию, приведены для примера на рис. 26.

Период полураспада бария 143, получающегося при делении, около 1 мин.; распадаясь с испусканием бета-частицы, он превращается в лантан. Лантан тоже радиоактивен, период его полураспада 15 мин.; распадаясь, он превращается в церий, который превращается в дальнейшем в празеодим, и т. д. Цепочка заканчивается стабильным изотопом неодима.

Стронций 94 дает короткую цепочку, заканчивающуюся стабильным изотопом циркония.

Как указано выше, при делении ядра урана получается несколько (в среднем 2,5) новых свободных нейтронов. Эта особенность деления ядер урана, обнаруженная в 1939 г. Ф. Жолио-Кюри и затем подтвержденная другими физиками, имеет исключительно важное значение. Благодаря испусканию вторичных нейтронов, способных в свою очередь вызвать деление других ядер, реакция деления может протекать при определенных условиях самостоятельно, сама собой, стоит только ее начать. Такая самоподдерживающаяся ядерная реакция, которая, будучи начата (инициирована), поддерживает себя сама, и есть цепная.

Чтобы реакцию деления ядер урана 235 осуществить как цепную, нужно только взять достаточно большой кусок чистого урана 235.

Как показали в 1940 г. Г. Н. Флёров и К. А. Петржак, небольшое число ядер урана делится с испусканием нейтронов самопроизвольно. Самопроизвольные деления происходят редко — в одном грамме обычного урана наблюдается всего около 23 делений в час. Но получающихся в результате этого свободных нейтронов будет достаточно для того, чтобы начать («зажечь») цепную реакцию в куске урана. В результате деления какого-либо ядра урана одним из блуждающих нейтронов, всегда имеющихся в уране, появятся новые нейтроны и притом в большем количестве. Эти нейтроны смогут вызвать новые деления, вследствие чего число делящихся ядер и число нейтронов будет само лавинообразно увеличиваться.

Таким образом, один нейтрон даст начало целой цепочке делений, причем количество ядер, подвергающихся делению, нарастает чрезвычайно быстро. Схема цепной реакции приведена на рис. 27. Заштрихованные кружки изображают ядра среднего веса, получающиеся при делении («осколки» деления).

В большом куске урана процесс деления большинства ядер осуществляется всего за 2–3 миллионные доли секунды, в течение которых в весьма малом объеме выделится огромное количество ядерной энергии. В результате получится взрыв колоссальной силы, называемый атомным взрывом. Предельное количество энергии, которое может выделиться в атомном взрыве 1 кг урана 235 при делении всех его ядер, приблизительно равно энергии взрыва 20 тыс. т обычного взрывчатого вещества — тротила (тола). Однако энергии фактически выделяется значительно меньше вследствие того, что не весь уран успевает прореагировать и часть его разбрасывается.

В малых кусках урана 235 цепная реакция невозможна, и если даже ее начать, то она все равно тотчас же затухнет, так как большая часть вторичных нейтронов вылетит за пределы куска, не успев столкнуться с новыми ядрами и вызвать их деление (рис. 28). Это объясняется тем, что ядра занимают в веществе ничтожно малую часть его объема. Напомним, что диаметр атома равен в среднем одной стомиллионной доле сантиметра, а диаметр ядра еще меньше в десятки тысяч раз.

Следует также иметь в виду, что часть нейтронов может быть потеряна для деления вследствие их захвата ядрами атомов посторонних примесей и самого урана без деления.

Если размеры куска урана, в котором происходит деление, увеличивать, то пробег нейтрона в веществе возрастает, отчего шансы его столкнуться с ядром и произвести деление увеличиваются. Поэтому при увеличении размеров куска урана относительная потеря нейтронов за счет утечки их наружу уменьшается и при некотором объеме куска наступает момент, когда начавшаяся реакция будет развиваться дальше самостоятельно, сама себя поддерживая. Наименьшее количество урана или плутония, при котором возможна цепная реакция, называется критической массой. При этой массе один из вторичных нейтронов каждого делящегося ядра обязательно вызовет новое деление. Поэтому-то реакция и сможет в этом случае сама себя поддерживать. При бóльшей массе урана еще бóльшее число вторичных нейтронов будет вызывать новые деления. На рис. 29 схематически показано начало развития цепной реакции в куске урана с массой больше критической. В этой схеме исходное деление (I) дает три вторичных нейтрона (первое поколение нейтронов). Все они в нашем примере вызывают новые (вторые) деления (II), в результате чего появляется второе поколение нейтронов в количестве 8. Один из нейтронов этого поколения, столкнувшись с ядром атома какой-либо примеси, захватывается им без деления и новых нейтронов не вызывает. Остальные «рождают» несколько нейтронов третьего поколения, которые в дальнейшем «порождают» новые вторичные нейтроны, и т. д.

Нетрудно сообразить, что для поддержания цепной реакции необходимо, чтобы из двух с половиной вторичных нейтронов, возникающих в среднем в каждом индивидуальном акте деления, по крайней мере один вызывал новое деление. В этом случае начатая реакция не остановится и будет протекать с постоянным количеством делений в единицу времени, то есть с постоянной скоростью. Если же на каждые два с половиной вторичных нейтрона будет приходиться не одно деление, а больше, например, два, то количество нейтронов, производящих деление, будет лавинообразно расти в геометрической прогрессии 1: 2: 4: 8: 16: 32: 64:… Число нейтронов будет удваиваться от одного поколения к другому, так что уже в десятом поколении их будет 1000, а в восьмидесятом — около 10²⁴ (единица с двадцатью четырьмя нулями), то есть примерно столько, сколько имеется атомов в 0,5 кг урана.

Таким образом, скорость развития цепной реакции зависит от того, как происходит размножение нейтронов. Для количественной характеристики этой зависимости применяют особую величину, называемую коэффициентом размножения нейтронов. Коэффициент размножения нейтронов — это число, которое показывает, во сколько раз увеличивается в среднем количество нейтронов, производящих деления, от одного поколения к другому. Другими словами, коэффициент размножения есть среднее число нейтронов, вызывающих деления, приходящееся на каждый нейтрон предыдущего поколения. Обозначим коэффициент размножения буквой K.

Если коэффициент размножения равен единице (K=1), то цепная реакция возможна. Будучи начата, реакция происходит с такой же скоростью, с которой она началась. Пусть, например, в каком-то определенном поколении было 1000 нейтронов, вызвавших деления. В каждом последующем поколении при K=1 таких нейтронов будет также 1000. Поскольку число нейтронов, производящих деления в каждую единицу времени, в этом случае постоянно, постольку количество выделяемой в единицу времени энергии (выделяемая мощность) также будет постоянно.

Если коэффициент размножения K меньше единицы (K<1), то цепная реакция невозможна; если даже ее начать, то она сама собой тотчас же затухнет.

Если коэффициент размножения больше единицы (K>1), то число нейтронов в процессе деления лавинообразно увеличивается и тем быстрее, чем больше K по сравнению с единицей. Реакция идет с нарастающей скоростью, то есть с возрастающим количеством делений в единицу времени. Увеличение же скорости реакции означает увеличение выделяемой мощности. Чем больше K по сравнению с единицей, тем быстрее увеличивается мощность. Как видим, скорость развития цепной реакции зависит от величины коэффициента размножения K. На этом основании коэффициент размножения нейтронов называют также коэффициентом развития цепной реакции.

Величина коэффициента размножения нейтронов зависит от массы (веса) и геометрической формы куска делящегося вещества. Чем больше масса куска, тем больше при прочих равных условиях коэффициент размножения K. Так называемая критическая масса — это как раз такая масса, при которой коэффициент размножения нейтронов равен единице.

Коэффициент размножения нейтронов у кусков одинаковой массы, но различной формы, имеет разную величину. Легко понять, что если кусок урана взять, например, в виде тонкой пластинки, то даже при очень большой массе (весе) ее коэффициент размножения будет меньше единицы, и цепная реакция не разовьется. Это объясняется тем, что у тонкой пластинки очень велика поверхность, через которую вторичные нейтроны будут уходить в окружающее пространство, не производя делений (рис. 30, а).

Иное дело, если такое же количество урана взять в виде шара (рис. 30, б). При одной и той же массе, а значит и объеме шар обладает наименьшей поверхностью по сравнению с куском урана любой другой формы. Например, прямоугольная пластинка с размерами 0,5∙40∙25 см при объеме в 500 см³ имеет поверхность 2065 см². Шар такого же объема (радиус его равен примерно 5 см) имеет поверхность всего около 314 см². Как видим, при одном и том же объеме (массе) поверхность шара значительно меньше, чем у тонкой пластинки. Поэтому утечка нейтронов в окружающее пространство у шара значительно меньше, чем у тонкой пластинки. Это значит, что у шара коэффициент размножения K будет равен единице при значительно меньшей массе, чем у куска любой другой формы. Другими словами, критическая масса имеет наименьшую величину в случае, когда кусок делящегося вещества имеет форму шара. Расчет показывает, что для урана 235 в этом случае критическая масса составляет несколько килограммов. Следует иметь в виду, что присутствие в уране 235 хотя бы в самом незначительном количестве посторонних примесей, поглощающих нейтроны, вызывает их дополнительные потери. Это влечет за собой уменьшение коэффициента размножения и, следовательно, увеличение критической массы.

Рассмотренная нами цепная реакция деления тяжелых ядер — это основной путь в настоящее время для получения ядерной энергии. В качестве горючего для этой реакции, кроме урана 235, могут быть использованы уран 233, плутоний 239 и, по-видимому, плутоний 241.

Цепная реакция деления, осуществляемая с возможно большей и быстро нарастающей скоростью, происходит в форме атомного взрыва и используется в атомной бомбе.

Цепная реакция, протекающая без взрыва с регулируемой по воле человека скоростью, осуществляется в так называемых атомных реакторах или котлах; она служит для получения ядерной энергии как источника тепловой, механической и электрической энергии в промышленности, на транспорте, в военном деле и в быту.

Как уже указывалось, ядерную энергию можно получить не только при делении тяжелых ядер, но и путем соединения наиболее легких ядер в более тяжелые. Из кривой энергии связи, рассмотренной выше (см. рис. 20), следует, что наибольшая энергия должна выделяться при соедининии легких ядер в ядра атомов железа и никеля, энергия связи которых имеет самую большую величину, примерно равную 200 млн. ккал на 1 г. Такое количество энергии выделилось бы при образовании 1 г железа из протонов и нейтронов. При рассмотрении кривой энергии связи обращает на себя внимание гелий, ядра которого также имеют большую энергию связи (165 млн. ккал в расчете на 1 г). Реакции синтеза ядер гелия путем соединения ядер водорода сопровождаются значительно бóльшим выделением энергии на единицу массы, чем реакции деления тяжелых ядер.

Атомные ядра, имея положительный электрический заряд, отталкиваются друг от друга, как и всякие одноименно заряженные тела. Поэтому для слияния каких-либо двух ядер в одно ядро необходимо сначала преодолеть значительные силы электрического отталкивания. Только после того, когда ядра сблизятся настолько, что вступят в действие силы ядерного притяжения, произойдет их слияние.

Ядерные силы имеют, как мы уже знаем, огромную величину лишь внутри ядра, где они в миллионы раз превосходят силы электрического отталкивания между одноименно заряженными протонами. На границе же ядра они настолько быстро уменьшаются до нуля, что радиус их действия не превосходит 7∙10^-13 см. Поэтому для слияния двух легких ядер их надо сблизить настолько, чтобы расстояние между ними стало меньше этой величины. Тогда ядерные силы заставят сближаться ядра дальше до полного слияния и образования нового, более тяжелого ядра.

Из вышеизложенного следует, что соединяться могут только очень быстрые ядра, обладающие большим запасом кинетической энергии, достаточным для производства работы по преодолению сил электрического отталкивания. Значит, здесь, как и в случае реакции деления, для сближения ядер и обеспечения начала ядерного взаимодействия между ними требуется предварительная затрата некоторой энергии, которая называется критической энергией, или энергией активации.

Энергия активации будет, конечно, тем меньше, чем меньше сила электрического отталкивания между соединяемыми ядрами. Значит, легче всего соединить ядра, имеющие возможно меньший электрический заряд. Такими ядрами являются, как мы знаем, ядра атомов водорода, гелия и лития. Вот почему при практическом осуществлении реакций синтеза в качестве реагирующего вещества используют различные изотопы именно этих элементов.

Сказанное выше относительно слияния атомных ядер можно пояснить следующим примером. Представим себе гору с глубоким кратером (рис. 31, а), и пусть у подножия кратера находятся два шарика (камня). Чтобы воспользоваться потенциальной энергией камней, их можно сбросить в кратер, но для этого им надо сначала сообщить добавочную энергию, подняв на край кратера. После этого под действием силы земного притяжения камни упадут вниз и отдадут значительно больше энергии, чем ее было затрачено при их подъеме.

Преодоление сил электрического отталкивания при слиянии атомных ядер соответствует подъему камней на край кратера в нашем примере. Та добавочная энергия, которая затрачивается при этом, и есть энергия активации. Сближению ядер в сфере действия ядерных сил, сопровождающемуся выделением части ядерной энергии, соответствует падение камней в кратере.

Не следует только думать, что слияние всяких ядер всегда сопровождается высвобождением энергии. Слияние ядер может происходить и с поглощением энергии. Так, если бы путем слияния двух ядер гелия нам удалось образовать одно ядро бериллия, то в такой реакции пришлось бы затратить энергии больше, чем ее было бы получено. Дело обстоит здесь так, как если бы в рассмотренном примере кратер был мелкий, а края его высокие (рис. 31, б), Понятно, что на подъем камней потребуется здесь больше энергии, чем они ее отдадут при последующем падении.

Как заставить атомные ядра сближаться настолько тесно, чтобы ядерные силы вступали в действие и образовывали более тяжелые ядра? Каким способом сообщить ядрам необходимые для этого колоссальные скорости?

Можно, конечно, разогнать ядра, например дейтерия, с помощью того или иного ускорителя и направить их на мишень, содержащую эти же или какие-либо другие ядра. Однако такой метод, при огромном его научном значении, не годится для производства ядерной энергии, так как количество быстрых ядер, получаемых таким способом, невелико и к тому же шансы попасть в ядра мишени очень уж малы. Из многих тысяч ядер-«снарядов» лишь одно испытывает лобовое столкновение с ядром мишени, ведущее к образованию более тяжелого ядра. В результате выход энергии оказывается ничтожным по сравнению с колоссальными затратами ее.

Как разогнать одновременно большое количество атомных ядер? Можно, оказывается, воспользоваться вечным тепловым движением частиц вещества. Тепловым движением называют непрерывное и беспорядочное по направлению и скорости движение частиц вещества (молекул, атомов, атомных ядер, электронов и т. д.). Известно, что скорость частиц в этом движении растет с температурой, и поэтому, нагревая какое-либо вещество, в принципе возможно сообщить его частицам такие же большие скорости, как и в ускорителе. Сталкиваясь в силу теплового движения друг с другом, частицы смогут в этом случае преодолевать силы электрического отталкивания и соединяться. Какие же температуры необходимы для этого?

При обычных температурах, при которых мы живем, средняя скорость теплового движения молекул азота воздуха, например, составляет 0,5 км/сек, водорода — около 1,8 км/сек. При таких скоростях сближение частиц до слияния их ядер невозможно, так как имеющейся энергии недостаточно для преодоления сил электрического отталкивания. Чтобы преодолеть это отталкивание, необходимы значительно более высокие скорости.

Температуры, измеряемые десятками и даже сотнями тысяч градусов, тоже еще не дают нужных скоростей. И только при температурах в несколько миллионов градусов, когда средние скорости ядер водорода достигают нескольких сот километров в секунду, отдельные столкновения наиболее быстрых из них заканчиваются слиянием их. Наконец, при температуре в десятки миллионов градусов уже многие столкновения между ними ведут к ядерным превращениям. Еще более высокие температуры потребуются для осуществления слияния атомных ядер более тяжелых элементов.

При сверхвысоких температурах атомы легких элементов (водород, гелий, литий и т. д.) оказываются полностью ионизированными, их ядра лишены обычно окружающей их электронной оболочки и существуют, так сказать, в «голом» виде. Ядра и вырванные из атомов электроны образуют своеобразный электронно-ядерный газ, называемый физиками плазмой, с очень высокой плотностью (порядка нескольких десятков граммов на кубический сантиметр). Все частицы этой плазмы движутся с огромными скоростями и часто сталкиваются между собой. То, что ядра водорода и других легких элементов в этих условиях «голые», весьма облегчает их слияние при столкновениях.

Таким образом, температуры в десятки миллионов градусов оказываются достаточными для соединения наиболее легких ядер. Реакции соединения легких ядер в более тяжелые, происходящие при сверхвысоких температурах, называются термоядерными реакциями. Термоядерные реакции — это реакции синтеза, то есть образования относительно тяжелых и сложных ядер из более простых и легких.

Теорию термоядерных реакций ученые стали разрабатывать еще задолго до искусственного осуществления этих реакций на Земле. Это было предпринято с целью объяснить происхождение солнечной и звездной энергии. Известно, что Солнце и звезды излучают огромное количество энергии. Солнце, например, излучает столько энергии, сколько ее можно получить при сжигании каждую секунду около 13 000 000 млрд. т каменного угля. Казалось бы, что, теряя так много энергии, Солнце давно должно было бы остыть. Но оно не остывает и светит вот уже несколько миллиардов лет. В связи с этим и было выдвинуто предположение о том, что на Солнце и в звездах происходят термоядерные реакции, конечным результатом которых является образование гелия из водорода. Сопоставление расчетных данных с результатами прямых наблюдений за Солнцем, проводимых астрономами и физиками, позволяет считать в настоящее время, что такое предположение является, по-видимому, правильным.

В центре Солнца, по современным данным, температура равна 13 млн. градусов (а не 20 млн., как считалось раньше), давление — 100 млрд. атмосфер. Плотность вещества при таком давлении достигает колоссальной величины: 70–100 г/см³, причем около 80% вещества по весу приходится на долю водорода, а из более тяжелых элементов преобладает гелий, имеется также и углерод. Таким образом, условия, необходимые для протекания разных термоядерных реакций, на Солнце имеются.

Первый возможный путь образования гелия из водорода на Солнце — это так называемый протонно-протонный цикл. Цикл — это в данном случае цепочка из нескольких ядерных реакций, последовательно протекающих одна за другой. Вначале происходит слияние двух протонов (р); в результате образуется дейтрон (D²) — ядро тяжелого изотопа водорода — дейтерия; эта реакция сопровождается испусканием позитрона (β+) и нейтрино (ν).

Затем дейтроны соединяются с протонами, образуя ядра легкого изотопа гелия с атомным весом 3 (₂Не³). Эта реакция сопровождается испусканием гамма-лучей (γ). Последующее развитие цикла может происходить разными путями. Наиболее вероятным, то есть относительно чаще встречающимся продолжением первых двух реакций протонно-протонного цикла, является реакция соединения двух ядер легкого изотопа гелия, ведущая к образованию ядра основного изотопа гелия (₂Не⁴) и двух протонов. Схема ядерных реакций такого варианта протонно-протонного цикла приведена на рис. 32.

Возможен и другой путь образования гелия на Солнце, связанный с так называемым углеродно-азотным циклом Г. Бете. При высоких температурах, господствующих внутри Солнца, быстрые протоны могут проникать в ядра атомов углерода, имеющегося там. Это дает начало цепочке ядерных реакций, составляющих цикл Бете и ведущих в конечном счете к образованию одного ядра гелия из четырех протонов с испусканием двух позитронов. На последнем этапе этого цикла углерод вновь возрождается полностью.

Как протонно-протонный, так и углеродно-азотный циклы дают один и тот же результат: из водорода образуется гелий и выделяется огромное количество энергии — около 165 миллионов килокалорий на каждый грамм гелия. Что касается времени протекания каждого из рассмотренных циклов, то оно очень велико. Продолжительность протонно-протонного цикла по современным данным составляет около 14 млрд. лет, продолжительность цикла Бете несколько меньше и равна примерно 330 млн. лет.

Следует иметь в виду, что огромная мощность излучения Солнца связана не с быстротой выделения энергии, а с огромной массой (весом) самого Солнца. Мощность излучения, рассчитанная на один грамм вещества Солнца, составляет всего около двух десятимиллионных долей ватта (точнее 1,9∙10^-7 вт). При столь малой скорости выделения энергии потребовалось бы около 100 г солнечного вещества, чтобы обеспечить питание 20-ваттной электрической лампочки накаливания.

Таким образом, образование гелия из водорода в недрах Солнца и звезд происходит очень медленно, но в грандиозных масштабах. Именно поэтому Солнце излучает огромное количество энергии на протяжении миллиардов лет. А так как водорода на Солнце очень много, то его хватит, как показывают расчеты, еще на сотни миллиардов лет.

Для осуществления термоядерных реакций даже на основе самых легких ядер требуются, как мы теперь знаем, чрезвычайно высокие температуры порядка десятков миллионов градусов. Поэтому практическое осуществление термоядерных реакций на Земле стало возможным лишь после овладения цепными реакциями деления тяжелых ядер взрывного типа. Необходимые для начала термоядерной реакции сверхвысокая температура и давление оказалось возможным получить с помощью атомного взрыва. Атомный взрыв вызывает (инициирует) термоядерную реакцию соответствующей «горючей» смеси, протекающую в форме так называемого теплового взрыва. Заряд атомного взрывчатого вещества (урана 235 или плутония 239) является здесь как бы капсюлем-детонатором, инициирующим тепловой взрыв.

Тепловые взрывы в случае химических процессов были изучены выдающимся советским ученым Н. Н. Семеновым еще более двух десятков лет тому назад. Такие взрывы происходят в некоторых химически сложных веществах, в которых скорость реакции, сопровождающейся значительным выделением тепла, сильно увеличивается с ростом температуры. Примером подобных веществ являются различные пороха, смесь паров бензина с воздухом при сильном сжатии и т. п. В таких веществах с началом химической реакции и выделением первых порций тепла начинает повышаться температура. Это ведет к ускорению реакции: количество выделяющегося тепла возрастает, а следовательно, возрастает и температура. Процесс настолько быстро развивается, что происходит взрыв, который и называют тепловым.

Аналогично этому протекает термоядерная реакция в так называемой водородной бомбе, рассматриваемой ниже. Цепная реакция деления дает начало реакции синтеза ядер гелия из водорода. От этого в свою очередь выделяется теплота и повышается без того высокая температура. Скорость термоядерной реакции и количество выделяющегося тепла резко увеличиваются, что в свою очередь ведет к дальнейшему лавинообразному ускорению реакций. В конечном счете происходит мощный термоядерный взрыв.

Величина термоядерного заряда может быть малой и большой. Для этого заряда не существует критических размеров и критической массы.

Для эффективного протекания термоядерной реакции, кроме высокой температуры, требуется также высокая плотность горючего. Чем больше вещества заключено в данном объеме, тем больше в нем будет атомов и тем чаще, следовательно, будут сталкиваться ядра между собой, тем больше будет образовываться ядер гелия с выделением соответствующей энергии.

Так как продолжительность атомного взрыва исчисляется всего несколькими миллионными долями секунды, то есть несколькими микросекундами, то в качестве горючего для термоядерной реакции должны быть взяты вещества, ядра которых успевают за это время соединиться в достаточном количестве. Физикам известна пока только одна термоядерная реакция, которая может быть непосредственно вызвана атомным взрывом даже в случае, когда плотность горючего близка к плотности вещества внутри Солнца; это — реакция соединения тяжелого и сверхтяжелого изотопов водорода (дейтерия и трития). Ядра дейтерия и трития, сталкиваясь между собой, образуют новое и притом возбужденное ядро, которое тотчас же превращается обычно в ядро гелия, испуская нейтрон. Схема подобного процесса образования ядер гелия из водорода приведена на рис. 33. Продолжительность этой реакции составляет около 40 микросекунд при температуре 20 млн. градусов и сокращается примерно до четверти микросекунды с повышением температуры до 200 млн. градусов.

Величина выделяющейся при этой реакции энергии была выше подсчитана. Она равна 100 млн. ккал на каждый грамм гелия, что примерно в 5 раз больше той энергии, которая выделяется при полном делении грамма урана или плутония.

Если учесть, что вес термоядерного заряда ничем принципиально не ограничен, то нетрудно будет понять, что мощность взрыва водородной бомбы может оказаться во много раз большей, чем мощность взрыва атомной бомбы.

Высокая плотность термоядерного горючего может быть достигнута либо путем сжатия газа до высоких давлений или его сжижения, либо использованием химических соединений изотопов водорода с другими веществами. Последний путь представляется более вероятным, так как применение сильно сжатого или жидкого водорода не обеспечивает высокой плотности горючего и к тому же связано с рядом конструктивных трудностей. Наиболее простым и доступным соединением водорода является тяжелая и сверхтяжелая вода. У тяжелой воды молекулы построены по обычной формуле химии из двух атомов дейтерия и одного атома кислорода, у сверхтяжелой воды — из двух атомов трития и также одного атома кислорода.

Водород может использоваться также в виде твердого соединения с металлом — в виде, например, гидрида лития. Гидрид лития LiH — твердое соединение лития с водородом, похожее по своим свойствам на соли и имеющее плотность 0,82 г/см³. Содержание водорода в 1 см³ этого соединения (0,1 г/см³) превышает плотность жидкого водорода (0,07 г/см³).

Необходимый для термоядерной реакции дейтерий содержится в природном водороде в количестве 0,01–0,02%. Выделение дейтерия из природных соединений водорода освоено и является сравнительно простым делом. Тритий в достаточных количествах в природе отсутствует и получается искусственным путем в ядерных реакторах.

Термоядерная реакция с атомным зарядом в качестве детонатора может быть использована лишь для военных целей, так как разрушительное действие самого атомного взрыва очень велико. Если найти менее разрушительный детонатор, то тогда эту реакцию можно будет осуществить не только в больших масштабах, но и в малых, что откроет путь для мирного использования термоядерных реакций.

Первые опыты в этом направлении связаны с использованием нескольких небольших по величине зарядов обычного взрывчатого вещества (ВВ). Французские ученые Тибо и Перье еще в 1951 г. произвели крошечный взрыв в небольшой камере, примерное устройство которой приведено на рис. 34. Ударные волны, образующиеся при взрыве зарядов обычного ВВ, сталкивались в центре камеры, вследствие чего смесь воздуха и аргона, наполнявшая камеру, моментально нагревалась до температуры, значительно превышающей температуру на поверхности Солнца, и начинала светиться. Свечение наблюдалось через окошко камеры и регистрировалось фотокамерами.

Если две или более встречных ударных волны от взрыва обычного ВВ направить через суживающиеся каналы, то можно будет сконцентрировать энергию, необходимую для повышения температуры горючей смеси в небольшом объеме. Если этот объем будет достаточно мал, то температура поднимется до весьма большой величины, чем и будут созданы условия, необходимые для начала термоядерной реакции. К сожалению, реакция, осуществленная подобным способом, также будет иметь характер взрыва, хотя, быть может, и безопасного.

Не исключено, однако, применение этого способа для получения малой мощности взрывов водородной смеси, следующих друг за другом. Для этого надо будет «зажигать» смесь небольшими порциями. Как только «выгорит» первая порция, в камеру впускается и «зажигается» вторая порция, затем третья и т. д. Это будет напоминать работу двигателя внутреннего сгорания типа дизеля, в котором также порциями впрыскивается горючее; оно мгновенно зажигается, выделяя энергию и обеспечивая работу двигателя.

Для использования термоядерных реакций в мирных целях необходимо разработать такие способы получения сверхвысоких температур и регулирования скорости реакций, в которых можно было бы избежать взрыва. В этом состоит генеральная задача современной ядерной физики.

Термоядерные реакции с регулируемой скоростью позволят получать ядерную энергию не за счет запасов ее в таких редких элементах, как уран и торий, а за счет образования гелия из широко распространенного в природе водорода. Достаточно сказать, что одного только дейтерия во всех океанах, морях, озерах и реках земного шара содержится почти 25 000 млрд т. А ведь каждый грамм гелия, полученный из дейтерия, дает около 130 млн. ккал энергии. Насколько велика эта энергия, можно видеть из такого примера. Вода охлаждающей системы двигателя легковой автомашины содержит около 0,2 г дейтерия. Если бы весь этот дейтерий превратился в гелий, то выделившейся энергии хватило бы для поездки на расстояние в 50 тыс. км, то есть вполне хватило бы для кругосветного путешествия.

Осуществление управляемых термоядерных реакций является трудным делом, требующим привлечения новейших достижений самых разнообразных областей физической науки. Однако теоретические работы советских ученых по атомной и ядерной физике открыли новый путь экспериментальных исследований по управлению этими реакциями.

Советские ученые обратили внимание на то, что трудности в достижении сверхвысоких температур связаны не с величиной энергии, которую нужно сообщить разогреваемому веществу (эта энергия невелика), а с необходимостью устранить утечку тепла в окружающее пространство как в процессе нагревания вещества, так и во время самой реакции. Так, например, для нагрева изолированного от окружающей среды 1 г дейтерия до 1 млн. градусов теоретически требуется всего около 1700 ккал тепла, то есть в десятки тысяч раз меньше, чем может затем выделиться за счет термоядерной реакции в дейтерии. Однако фактически необходимое для такого нагрева количество энергии во много раз больше и к тому же чрезвычайно быстро возрастает с повышением температуры. Это обусловлено утечкой тепла из разогреваемого вещества в окружающую среду. Как устранить ее? При сравнительно невысоких температурах, которые должны быть пройдены в процессе нагревания вещества, утечка тепла определяется главным образом столкновениями частиц разогреваемого вещества со стенками сосуда (баллона), в котором вещество заключено. Поэтому необходимо прежде всего изолировать нагреваемое вещество от стенок сосуда. Так как при высоких температурах вещество существует в виде электронно-ядерного газа (плазмы), то задача теплоизоляции сводится к необходимости удерживать быстрые частицы плазмы внутри некоторого объема вдали от стенок. Это необходимо осуществлять в течение такого времени, которое достаточно для того, чтобы заметная доля частиц успела соединиться между собой.

На Солнце и звездах, имеющих огромную массу, частицы раскаленной плазмы удерживаются в определенном объеме силами тяготения; именно поэтому термоядерные реакции протекают в недрах этих светил на неизменном уровне в течение миллиардов лет.

Чем заменить силы тяготения в лабораторных условиях, когда масса разогреваемого вещества мала и поэтому совершенно ничтожные силы тяготения не могут оказывать такого же действия? В 1950 г. академики И. Е. Тамм и А. Д. Сахаров предложили воспользоваться для теплоизоляции плазмы магнитными силами. Идея магнитной теплоизоляции, предложенная этими учеными, основана в конечном счете на простом физическом явлении, заключающемся в том, что одинаково направленные параллельные токи притягиваются (рис. 35). Поэтому, если через газообразный дейтерий пропускать электрический ток в несколько сот тысяч ампер, то силы магнитного поля, возникающего вокруг тока, будут сжимать со всех сторон отдельные нити тока к центральной его оси. Так как ток течет в газе, то вместе с собой он увлечет и частицы дейтерия, оттягивая плазму от стенок сосуда. Тем самым магнитное поле создаст вокруг плазмы невидимую, но непроницаемую преграду, которая не пропустит частицы к стенкам сосуда. В результате теплообмен между быстрыми («нагретыми») частицами плазмы и холодными стенками резко уменьшится, что и создаст благоприятные условия для достижения высоких температур. Нагревать вещество будет тоже ток, который служит для создания магнитного поля.

Используя идею магнитной теплоизоляции плазмы, советские физики-экспериментаторы научились получать в лабораторных условиях очень высокие температуры, превышающие 1 млн. градусов. Более высокие температуры достигнуты искусственным способом пока лишь при взрыве атомных и водородных бомб.

Работы советских ученых по изучению возможностей осуществления управляемых термоядерных реакций далеко опередили аналогичные исследования, ведущиеся в Англии и США.

Однако это только первый шаг на пути овладения этими реакциями. Много трудностей предстоит еще преодолеть, чтобы создать термоядерный реактор (термоядерную «печку») и сделать реакции, протекающие в нем, безопасными и контролируемыми. Каким способом будут осуществлены управляемые термоядерные реакции, покажет будущее.

Работая над проблемой управляемых термоядерных реакций, физики одновременно ищут других путей для осуществления слияния легких ядер в более тяжелые. Один из таких принципиально новых путей указан членом-корреспондентом Академии наук СССР Я. Б. Зельдовичем, теоретически обосновавшим еще в 1954 г. возможность ядерной реакции синтеза нового типа, в результате которой образуется гелий из водорода при обычной температуре. В конце 1956 г. реальность этого пути была подтверждена в предварительном эксперименте американским физиком Альварецом.

Это замечательное открытие явилось результатом целой серии теоретических и экспериментальных исследований. Его историю можно начать с 1936–1937 гг., когда в дополнение к известным нам частицам — электронам, протонам, нейтронам, позитронам и нейтрино — физики открыли новую «элементарную» частицу, получившую название мезона (мезотрона). Масса мезона имеет величину, промежуточную между массами легкого электрона и сравнительно тяжелого протона. В 1946–1949 гг. на основании своих опытов академик А. И. Алиханов и член-корреспондент Академии наук СССР А. И. Алиханян пришли к заключению о существовании мезонов с различными массами. Так оно и оказалось. К настоящему времени открыта целая серия частиц такого типа, обозначаемых греческими буквами: μ (мю), π (пи), τ (тау), θ (тета) и т. д. Мезоны, открытые в 1937 г., называют теперь мю-мезонами; их масса превышает массу электрона примерно в 209 раз. Мезоны, называемые пи-мезонами, имеют массу, равную приблизительно 300 электронным массам.

Заряд мезона равен заряду электрона и бывает как отрицательный, так и положительный. В 1950 г. советские физики П. И. Лукирский и А. П. Жданов открыли первые нейтральные мезоны. Все мезоны по своей природе неустойчивы (нестабильны) и самопроизвольно распадаются подобно радиоактивным атомам. Их время жизни очень мало и составляет около 2 миллионных долей секунды (2∙10^-6 сек.) для мю-мезонов и около 25 миллиардных долей секунды (25∙10^-9 сек.) для заряженных пи-мезонов.

Первоначально мезоны были открыты в космических лучах, но теперь они получаются в лабораториях посредством «бомбардировки» различных веществ (бериллия, углерода, меди и т. д.) протонами и нейтронами больших скоростей.

Вскоре после открытия первых мезонов, в 1940 г., японские физики Томонага и Араки высказали предположение о том, что отрицательные мезоны после остановки в веществе могут захватываться электрическим полем какого-либо ядра на близкую к нему орбиту и в течение некоторого времени могут вследствие этого вращаться вокруг ядра, образуя так называемый мезоатом. Мезоатом — это своеобразный атом, в котором вместо электронов или наряду с ними вокруг положительно заряженного ядра вращаются отрицательные мезоны.

Мезоатом водорода, например, мезоводород, состоящий из положительного ядра и вращающегося вокруг него одного отрицательного мезона, внешне подобен обычному водородному атому с одним электроном. Но в отличие от последнего мезоатом обладает рядом специфических особенностей. Первая и главная особенность — это близость мезона к ядру: радиус орбиты мезона в сотни раз меньше радиуса электронной орбиты. Отсюда вытекает вторая особенность — возможность захвата мезона ядром. Единственный электрон обычного водородного атома находится сравнительно далеко от ядра и никогда не захватывается им. Мезон же в мезоатоме может быть захвачен ядром раньше, чем он испытает самопроизвольный распад. В тяжелых мезоатомах, например, около половины своего времени жизни мезон проводит внутри ядра.

В силу указанных свойств мезоны значительно лучше экранируют своим отрицательным зарядом положительный заряд ядра, чем это делают электроны. В мезоводороде, например, отрицательный мезон может полностью нейтрализовать заряд его единственного протона.

Существование мезоатомов подтверждено на опыте. В 1952 г. установлено существование пи-мезоатомов, то есть атомов с вращающимися вокруг ядра пи-мезонами, а в 1953 г. открыты мю-мезоатомы.

Серьезная не только теоретическая, но и возможная практическая ценность изучения мезоатомов как раз и связана с идеей Я. Б. Зельдовича. Чтобы заставить ядра водорода, преодолевая силы электрического отталкивания, подойти близко друг к другу, необходимо, как мы знаем, разогнать их до огромных скоростей, повышая для этого температуру до многих миллионов градусов. При новом же методе Зельдовича синтез ядер гелия возможен и при обычной температуре, если вместо обычных атомов легкого и тяжелого водорода использовать мезоатомы этого элемента. Отрицательный мезон нейтрализует в мезоводороде заряд протона, вследствие чего ядра мезоводорода смогут сближаться до соприкосновения и слияния и при обычной температуре. Реальность такой реакции и была подтверждена на опыте Альварецом.