Биография атома
Шрифт:
На лицах всех присутствовавших был вопрос: что нового скажет этот знаменитый русский ученый?
Но вот шум утих, и Курчатов начал лекцию. Он начал ее так: «Среди важнейших проблем современной техники особое место по своему значению занимает проблема энергетического использования термоядерных реакций. Необычайно интересная и вместе с тем очень трудная задача управления термоядерными процессами привлекает в настоящее время внимание физиков всех стран мира...»
Более полутора часов продолжалась эта лекция. С напряженным вниманием выслушали ее присутствовавшие ученые. А когда она окончилась, раздались аплодисменты. Журналисты бросились к ученым с просьбой прокомментировать лекцию Курчатова.
Вот
Английская газета «Дейли Экспресс»:
«Курчатов поразил аудиторию, сообщив, во-первых, что русские закончили эксперименты, которые в Харуэлле находятся только в стадии планирования, во-вторых, тем, что юн привел все подробности использования методов, иллюстрируя это цифрами и формулами, которые считали бы совершенно секретными в Англии и США. Он отвечал на все вопросы подробно, не пытаясь уклоняться от ответа... Ученые Харуэлла устроили ему овацию».
Американская газета «Нью-Йорк Таймс»:
«Курчатов поразил 300 самых видных ученых в Англии».
Это был новый этап в биографии атома, и о нем нужно рассказать подробнее.
Ядерная и термоядерная энергия
Посмотрим на таблицу Менделеева. Она начинается водородом, кончается ураном. Начинается с легких элементов, кончается тяжелыми. Все, что до сих пор рассказывалось о выделении и использовании внутриатомной энергии, касалось преобразований, происходящих с тяжелыми элементами — ураном, торием, плутонием.
Но есть и другой путь освобождения и использования внутриядерной энергии. Этот путь основан на преобразованиях ядер легких элементов, расположенных в начале таблицы Менделеева. Только энергия, выделяющаяся при этих преобразованиях, называется не ядерной, а термоядерной энергией.
Приставка «термо» определяет способ освобождения этой энергии. «Термос» по-гречески означает тепло. Значит,
Игорь Васильевич Курчатов.
термоядерная энергия — это энергия, получаемая при помощи тепла. Не кажется ли это странным? Тепло получается при помощи тепла. Как же это может быть? А вот как.
Оказывается, если два ядра атомов легких элементов сблизить между собой вплотную, то между ними произойдет ядерная реакция. В результате этой реакции из двух легких ядер образуется более тяжелое ядро и выделится энергия; причем этой энергии на единицу массы выделится значительно больше, чем при делении тяжелых ядер. Такая ядерная реакция называется реакцией синтеза (т. е. слияния), а энергия— энергией синтеза ядер. Это и есть термоядерная энергия.
Как будто все просто. Нужно только сблизить ядра легких элементов между собой и использовать выделяющуюся при этом колоссальную энергию. Но в этом-то и заключается основная, казавшаяся вначале ученым непреодолимой, трудность. Как сблизить ядра между собой? Ведь они все заряжены положительно и при сближении между ними действуют электрические силы отталкивания, т. е., как говорят физики, частицам нужно преодолеть кулоновский барьер. Чем сильнее сближаются ядра, тем больше сила отталкивания. Чтобы произошла реакция синтеза, нужно преодолеть эту силу отталкивания, вплотную сблизить ядра между собой. Но как это сделать?
Нужна спичка
Нетрудно догадаться, как сблизить ядра. Их нужно посильнее разогнать, чтобы летящие ядра преодолели силу электрического отталкивания и соприкоснулись друг с другом. Тогда и произойдет реакция. А как разогнать ядра? Есть несколько способов. Например, можно разогнать их под действием электрических и магнитных полей в специальных машинах,
Для выделения заметной энергии нужно, чтобы термоядерная реакция происходила во всем объеме вещества. А как разогнать все ядра вещества до огромной скорости? Нетрудно догадаться — нагреванием. Ведь каждый школьник знает, что при нагревании тела скорость движения атомов (следовательно, и ядер) увеличивается. Значит, если нагреть вещество, состоящее из ядер легких элементов, до достаточно высокой температуры, то начнется термоядерная реакция. Энергии, выделяющейся при этой реакции, хватит и для поддержания реакции, и для полезного использования. А энергия выделится огромная. Если при делении одного грамма урана выделяется энергия, эквивалентная энергии, получаемой при сгорании двух с половиной тонн угля, то при синтезе одного грамма легких ядер выделится энергия, эквивалентная энергии уже десятков тонн каменного угля.
Итак, нужна только «спичка», которая должна вызвать «термоядерный пожар» в веществе.
>
Чудовищные требования
Обычная спичка, конечно, не подходит. Она дает температуру всего лишь в несколько сотен градусов. А нужны сотни миллионов градусов! Или, во всяком случае, десятки миллионов градусов, чтобы реакция пошла достаточно интенсивно. Все достигнутые в технике температуры очень малы. Они не превышают пяти-шести тысяч градусов. Даже при такой ничтожно низкой температуре по сравнению с той, которая необходима для термоядерной реакции, все вещества превращаются в пар. А ведь нужно удержать эту температуру в ограниченном объеме. Из какого же материала сделать стенки, ограничивающие объем? Кроме того, при таких температурах возникает чудовищное давление на стенки от летящих с огромной скоростью ядер. Это выдвигает еще одно, казалось бы непреодолимое, требование к материалу стенок — он должен иметь непомерную прочность.
Материалов, удовлетворяющих этим требованиям, нет и не может быть в природе. Это очевидно. Но выход все-таки есть.
Снова разряд
Нет пределов для ухищрений человеческого ума. И в 1950 г. двое советских ученых — академики Сахаров и Тамм — впервые предложили один из способов получения сверхвысоких температур в земных условиях.
Этот способ — использование газового разряда. Да, того самого разряда, который мы видим в многочисленных трубках реклам. Того самого, который позволил Вильгельму Рентгену начать очень важный этап в биографии атома, связанный с открытием икс-лучей, испускаемых разрядной трубкой.
Газовый разряд — очень интересное явление. Каждый день нам приходится иметь дело с тремя состояниями вещества: газообразным, жидким и твердым. А при газовом разряде мы сталкиваемся с плазмой,—четвертым
Плазма под действием электродинамических сил при пропускании через нее электрического тока сжимается в тонкий шнур, имеющий огромную температуру. В этом и заключалась идея Сахарова и Тамма.
состоянием вещества. В этом состоянии у атомов вещества оторваны электроны. Электроны и положительно заряженные атомы свободно плавают в плазме. Поэтому любое вещество в состоянии плазмы обладает очень хорошей электропроводностью. Теперь вспомним школьный опыт с параллельными проводниками, по которым в одну и туже сторону течет электрический ток. Известно, что такие проводники притягиваются один к другому под влиянием кругового магнитного поля, которое охватывает эти два проводника. А если вместо проводников будет плазма?