Энергия будущего

Но вернемся к синтезу и делению - так будем называть два рассмотренных пути освобождения внутриядерной энергии - атомных ядер. Говоря о реакции синтеза, надо заметить, что в ряде случаев наряду с образованием нового элемента происходит высвобождение злементарных частиц: протона или нейтрона. Так, в реакции соединения двух атомов дейтерия образуется тритий, или гелий-3, и высвобождается протон или нейтрон. Возможна реакция синтеза дейтерия и трития с образованием атома гелия и вылетом нейтрона. Величина выделяющейся на грамм соединившихся веществ энергии составляет около 80 миллионов килокалорий. При делении же урана на один его грамм освобождается только около 20 миллионов килокалорий.

Итак, сопоставим: при синтезе дейтерия и трития выделяется 80*10^6 килокалорий на грамм; при делении урана - 20*10^6; при сжигании углерода всего лишь 7.

Количество энергии, выделяющейся при сгорании углерода, приведено для сравнения. Ее по сравнению с энергией синтеза и деления меньше (в расчете на один грамм вещества) в несколько миллионов раз. Это цифры, за которые стоит бороться. Как же осуществить реакцию синтеза?

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.