Драконоборцы. 100 научных сказок - Николай Николаевич Горькавый

Земные запасы угля, нефти и газа не бесконечны. Поэтому роль атомной и термоядерной энергетики будет нарастать…

– Если только не будет открыт какой-то иной источник энергии, – сказал Андрей.

– Да, но, пока он не открыт, надо рассчитывать только на то, что известно. И среди известных источников энергии ядерная энергетика обладает наибольшими перспективами. Нынешние автомобили – это керосинки на колёсах. Пока они работают на бензине и солярке, но уже скоро станут электромобилями. Это означает, что потребность в электрической энергии будет быстро расти, – и здесь мирный атом станет главным помощником человечества. Надо только, чтобы политики не экономили на системах безопасности атомных станций и на обучении атомщиков – как они это делали раньше, – что приводило к серьёзным авариям ядерных реакторов.

Многократное радиоактивное облучение не прошло даром для Курчатова – его здоровье было подорвано, и в 1960 году он умер. Более десятка памятников в разных городах было воздвигнуто для увековечивания памяти этого выдающегося учёного. В честь его названы два города, лунный кратер, астероид, корабль, научный центр, несколько улиц и школ.

В Челябинской области существует Научное общество учащихся. Два раза в год школьники из НОУ собираются в летний и зимний лагерь, который называется «Курчатовец». Из этого общества вышло немало известных учёных – возможно, именно там вырастет физик, который прочно поставит термоядерное электричество на службу человечеству.

Игорь Васильевич Курчатов (1903–1960) – выдающийся советский учёный-атомщик, создавший первый в СССР циклотрон и атомный реактор. Предложил проект по получению термоядерной энергии.

Энрико Ферми (1901–1954) – выдающийся итальянско-американский физик-ядерщик, которые руководил в США созданием первого искусственного атомного реактора. Лауреат Нобелевской премии (1938).

Сказка о термоядерной молнии, свёрнутой в кольцо

Термоядерная реакция знакома каждому землянину, который любит погреться в солнечных лучах.

– Всем известно, что наше Солнце – это большой термоядерный реактор! – сказала Галатея.

– Да, Солнце и остальные звёзды светят миллиарды лет благодаря медленному термоядерному горению водорода и гелия в центре звёзд, – подтвердила Дзинтара.

– Как может там гореть гелий? Да и водород тоже – ведь там нет кислорода? – заинтересовалась Галатея.

– Термин «горение» в данном случае подразумевает совсем не тот огонь, который возникает в костре или камине. Вот пример термоядерной реакции: берём четыре ядра атома водорода, или четыре протона, и пытаемся сблизить их так, чтобы они соединились в одно ядро атома гелия. Если нам удастся это трудное дело, то в ходе слияния этих протонов выделится много энергии в виде гамма-квантов и позитронов – античастиц электрона.

– А почему это дело трудное? И если мы тратим силы на это сближение, то откуда потом возникает энергия? – спросила Галатея.

– Та задаешь отличные вопросы! – похвалила Дзинтара дочь. – Почему трудно сблизить протоны? Потому что они заряжены положительно, и при их сближении, согласно закону Кулона, они начинают отталкиваться друг от друга электрическими силами.

– Но ведь можно сближать не протоны, а атомы водорода, которые нейтральны! – нашёл выход Андрей.

– В этом предложении есть рациональное зерно, но беда в том, что электроны, которые могут нейтрализовать заряд протона, располагаются далеко от него. Для превращения протонов в гелий, их надо сближать очень сильно – на расстояние, гораздо меньшее, чем радиус первой электронной оболочки. На таких расстояниях нейтрализация электронами уже не работает. Если нам всё-таки удаётся сблизить протоны на такое маленькое расстояние, то дальше вступают в дело ядерные силы притяжения – они настолько могучи, что легко преодолевают электрическое отталкивание протонов и прочно склеивают их друг с другом.

Чтобы лучше понять баланс двух сил – электростатической и ядерной, представьте себе кратер глубиной в километр – он будет аналогом потенциальной ямы ядерного притяжения – вокруг которого существует пологий вал выброшенного вещества, который будет аналогом электростатического отталкивания. Этот вал – невысокий, как холм, но если нам нужно закатить на этот холм тяжёлый шар, то придётся потрудиться. А вот с вершины вала шар сам покатится внутрь глубокого кратера, где будет сталкиваться с другими шарами и производить сильный шум – то есть испускать сильные звуковые волны, которые в нашем примере будут аналогами гамма-квантов.

– А как Солнцу удаётся преодолеть электростатическое отталкивание протонов и запустить термоядерную реакцию? – спросил Андрей.

– Солнцу помогает его огромная масса и размер: благодаря им в центре Солнца достигаются огромная температура и давление. Для термоядерной реакции в дейтериево-тритиевой смеси должен выполняться так называемый критерий Лоусона: если взять и перемножить количество протонов в кубическом сантиметре на время удержания плазмы в секундах, то термоядерная реакция начнется, когда это произведение будет больше десяти в 14-й степени.

– Это сколько будет в миллиардах? – спросила Галатея.

– Это будет сто тысяч миллиардов. Критерий Лоусона говорит, что для реакции вы должны создать очень плотную и горячую плазму – или плотную и очень горячую. На Земле создать солнечное давление и температуру очень непросто. Пытаться сжимать горячую плазму – это как воздушный шарик в ладонях сжимать – он где-нибудь да вылезет маленьким пузырём. Для сжатия плазмы и удержания её в нагретом состоянии пришлось создавать специальные установки, которые должны были повторить условия на Солнце, но в сравнительно компактном объёме.

Самым перспективным термоядерным реактором оказался токамак.

Что такое токамак? Давайте рассмотрим молнию: она возникает, когда электрическая искра пробивает атмосферную толщу от земли до облака. Эта искра ионизирует воздух, создавая воздушный канал с повышенной проводимостью. По этому каналу немедленно устремляется избыток электронов, то есть у нас в воздухе возникает раскалённый шнур, по которому мчится лавина электронов. Температура внутри молнии более 20 тысяч градусов. Вокруг шнура закручивается магнитное поле, которое не даёт электронам и ионам разбредаться: оно сжимает их в тонкий жгут. Молния выполняет свою задачу по выравниванию электрических зарядов облака и земли; одновременно разогретый воздух канала расширяется и вызывает мощные звуковые волны – то есть гром, который всегда слышен после молнии, потому что звук движется медленнее света.

Теперь возьмём этот плазменный шнур молнии и свернём его в кольцо, чтобы ток не кончался, а всё время тёк по замкнутому кольцу, создавая одновременно магнитное поле, стабилизирующее кольцо.

– Так, значит, учёные решили свернуть электрического дракона в бараний рог? – покачала головой Галатея. – Смело!

– Токамак представляет собой такую свёрнутую в кольцо молнию, которая дополнительно стабилизируется мощным внешним магнитным полем, порождённым сверхпроводящими магнитами.

Токамак был придуман в 1950 году. А началась эта история в 1942 году, во время тяжёлой войны. Несмотря ни на