Когда ядра сливаются

Человек с незапамятных времен использует энергию, выделяющуюся в реакциях слияния, соединения. С тех пор, как он научился пользоваться огнем. Но это — химическое «слияние»: соединение атомов кислорода с атомами и молекулами горючего. Почему здесь выделяется энергия? Почему, например, таким жарким пламенем горит (а иногда и взрывается) смесь водорода и кислорода? Да просто потому, что у атомов кислорода и водорода, взятых в отдельности, энергия больше, чем у молекул воды, которые образуются при их соединении. Эта-то разница в энергии и освобождается, выделяется при горении.

Легко убедиться в возможности аналогичного «ядерного горения». Для этого нужно только проанализировать, при каких условиях может происходить слияние ядер.

Проще всего, на первый взгляд, добиться слияния нейтронов. Ведь между ними действуют только силы притяжения. Но нейтроны невозможно хранить, они проникают через любые стенки (или поглощаются в их толще), да, кроме того, нельзя забывать и об их нестабильности. Слияние двух протонов также вряд ли стоит обсуждать. Слишком большую роль играет здесь электрическое отталкивание. А вот ядра дейтерия (тяжелого водорода) — дейтоны находятся в совсем ином положении. Они стабильны. Это устойчивая система из одного протона и одного нейтрона. Но еще более устойчиво ядро гелия, которое должно получиться при слиянии двух дейтонов. Недаром при радиоактивном распаде вылетают именно α-частицы, а не дейтоны. Да и мезонная модель взаимодействия качественно приводит к такому выводу. В дейтоне только две частицы обмениваются мезонами и при этом имеются «скованные возможности». Если, например, протон испустил π+ -мезон и превратился в нейтрон, то этому нейтрону нужно подождать, пока его партнер, поглотив испущенный π+ -мезон, превратится в протон. Только после этого снова оказывается возможным обмен заряженными мезонами. Совершенно очевидно, что в ядре гелия возможности обмена значительно богаче. Но чем оживленнее обмен мезонами, тем крепче спаяна система. Значит, два дейтона, столкнувшись, действительно могут слиться. При этом должна освободиться энергия (и немалая, нужно добавить), подобно тому, как она выделяется при любом химическом слиянии.

А как же электрическое отталкивание? — спросит читатель. Разумеется, оно существует. Больше того, из-за этого отталкивания очень трудно сблизить два дейтона. Но если все же удается преодолеть электрические силы (а они начинают сказываться уже на больших расстояниях) и свести дейтоны настолько близко, что в игру вступают короткодействующие ядерные притяжения, то они совершенно подавляют отталкивание.

Важно, таким образом, сблизить дейтоны — и если это удастся, затраченная работа окупится буквально сторицей. Но как это сделать, как сблизить дейтоны?

Один из способов — нагреть тяжелый водород до температур в десятки миллионов градусов. При таких температурах энергия теплового движения становится достаточной, чтобы преодолеть броню электрических сил. Ядра при соударениях сближаются настолько, что мезонные взаимодействия успевают сковывать их. Происходит термоядерная реакция — слияние за счет сверхвысоких температур. И, как уже говорилось, при этом выделяются огромные энергии, отчего температуры становятся еще больше. Процесс ядерного горения становится самоподдерживающимся, пока не иссякнет топливо.

1 2