Мир на пике – Мир в пике

Анпилогов Алексей Евгеньевич

Надо сказать, что и с Т-3 ситуация была тоже не в виде «сегодня решили, завтра построили». Первое постановление о начале работ по мирной термоядерной энергии подписал еще Иосиф Сталин в 1952 году. А рекордные 10 миллионов градусов температуры, которые удивили весь мир, советские ученые получили на токамаке Т-3 только в 1968 году.

И вот тут мы подходим к одному интересному моменту, который часто не осознается многими людьми, которые слышали о термоядерной энергии только в рамках школьного курса физики.

Поясню, в чем состоит тонкий момент термоядерной реакции, которую сейчас хотят запустить в экспериментальном реакторе ITER.

Как вы поняли, напрямую повторить реакции по слиянию

ядер протия, которые идут в недрах нашего Солнца, или же сложный CNO-цикл, который тоже понемногу превращает «легкий» водород в гелий, в земных условиях невозможно. Хотя бы потому, что размеры реактора для таких циклов и реакций необходимы просто безумные — речь идет о том, что термоядерные реакции на легком водороде нуждаются в реакторе размером с наше Солнце.

Рис. 178. Схема CNO-цикл, который тоже греет наше Солнце вместе с вездесущим протием.

А в целом, если мы начнем в известном нам космосе искать варианты минимальных условий для создания самоподдерживающейся ядерной реакции на легких элементах (так, чтобы ничего не строить, а только смотреть на готовое, созданное самой природой), то мы упремся в такие необычные объекты, как коричневые карлики.

Коричневый карлик — это звездоподобный объект, размеры которого будут сравнимы с размерами нашего Юпитера, но масса будет уже в 10–30 раз больше, что позволит коричневому карлику ненадолго зажечь в своих недрах эрзац-реакцию на легких элементах.

По размеру небольшой коричневый карлик лишь немногим больше Юпитера. Основное его отличие — это плотность и масса. Большая масса коричневого карлика создает более сильное гравитационное поле, гравитация сжимает карлик, плотность и температура внутри него растут, и voila — в нем начинается термоядерная реакция.

Если красные карлики — это все еще полноценные звезды (хоть и очень маленькие), то коричневые карлики — это что-то среднее между планетами типа Юпитера и настоящими светилами. Из-за своей наружной температуры около 1200 К (900 °С) коричневые карлики светятся темно-вишневым светом. Самые яркие и самые массивные из них могут даже разгореться до темно-красного свечения, набрав на пике своей «мощности» температуру до 3000 К (или около 2700 °С).

Отличаются от настоящих звезд главной последовательности и реакции, которые идут в коричневых карликах. В нашем Солнце реакции «протий+протий» и CNO-цикл вносят где-то по 60 и 40 % в общее энерговыделение нашего светила. Но проблема в том, что реакция «протий+протий» стартует в звездах где-то от температуры в 4 млн К, а CNO-цикл и при того более высоких температурах — при 12 млн К.

Рис. 179. График, отражающий условия «запуска» реакций «протий+протий» и CNO-цикла.

При температурах же, характерных для коричневых карликов, ни реакцию «протий-протий» ни тем более CNO-цикл не зажечь. Совершенно так же невозможно для коричневого карлика зажечь и реакцию синтеза углерода из ядер гелия-4, которую предстоит пройти и нашему Солнцу где-то через 3,5 млрд лет,

в момент его превращения в красный гигант. Для реакции синтеза гелия в углерод надо поднять температуру внутри звезды «всего лишь» до 100 миллионов градусов Кельвина, чем даже наше Солнце пока, к счастью, похвастаться не может. И слава Богу. Иначе бы граница Солнца начиналась бы где-то на орбите Марса. Отсюда промежуточный вывод — лучше пока подождать еще где-то 3,5 млрд лет.

Что же жгут в своих недрах коричневые карлики? Ведь их уже нашли больше трех десятков, в основном, по понятным причинам, у ближайших к нам звезд. А жечь протий или что-то другое у себя в недрах они физически не могут.

Для того чтобы понять, что жгут коричневые карлики, посмотрим на несколько диаграмм. Первая — это энергия связи ядер различных химических элементов в расчете на один нуклон — нейтрон или протон.

Рис. 180. График энергии связи ядер в расчете на 1 нуклон.

График начинается с ядра дейтерия, нелегкое образование которого из протия мы рассмотрели чуть выше. Сам протий — это ядро ¹H, или одиночный протон. На этом графике он не показан по понятной причине — энергия связи одиночного протона по определению равна нулю.

Энергия связи ядра «тяжелого водорода» — дейтрона составляет около 1 МэВ на нуклон. А уже для следующего химического преображения гелия, энергия связи в расчете на один нуклон резко возрастает до 7,03 МэВ. Такая энергия связи характерна для «магической частицы» всей ядерной физики — ядра гелия-4 или ⁴He, часто называемого еще и альфа-частицей (?-частица).

Альфа-частица — это сверхустойчивый ядерный организм. Как я уже сказал, превращаться во что-либо иное она согласна только при температурах более 100 млн градусов, в недрах достаточно массивных звезд. Кроме того, альфа-частица — это постоянный спутник многих радиоактивных распадов тяжелых ядер.

Почему? Это тоже очень легко наблюдать на графике. Энергия связи атома урана, например, составляет всего 7,6 МэВ на один нуклон. Разница между энергией связи нуклонов в уране и в альфа-частице — всего около 0,57 МэВ. Рано или поздно ядро урана не выдерживает ужасов социалистического общежития и скученности 238 нуклонов на ограниченной жилплощади — и выталкивает из себя альфа-частицу. Альфа-частица, со своим «блэкджеком и поэтессами», успешно улетает, ну а ²³⁸U превращается через пару быстрых ?-распадов… в тот же уран, изотопа ²³⁴U. В то же самое социалистическое общежитие, но уже с 234 жителями.

Исходя из такой мощной энергии связи альфа-частицы, мы можем теперь по-настоящему понять график распространенности химических элементов во Вселенной.

Рис. 181. Графики распространенности химических элементов во Вселенной.

Как видите, «магистральное шоссе» синтеза ядер у нас четкое и однозначное.

Водород горит в гелий, гелий горит в углерод и кислород, кислород и углерод горят в кремний, а кремний горит в железо.