§ 31. Термоядерні реакції. Енергія сонця і зір

Термоядерні реакції — це реакції синтезу (злиття) легких ядер за дуже високої температури.

Щоб такі ядра, наприклад Гідрогену, злилися, вони мають наблизитися на відстань приблизно 10^-15 м, тобто потрапити у сферу дії ядерних сил. Цьому наближенню протидіє кулонівське відштовхування ядер, яке вони можуть подолати лише тоді, коли матимуть велику кінетичну енергію теплового руху.

Енергія, яка виділяється під час термоядерних реакцій в одному акті синтезу з розрахунку на один нуклон, більша від такої, що виділяється в ланцюгових реакціях поділу ядер. Так, під час злиття важкого Гідрогену - Дейтерію з ізотопом Гідрогену - Тритієм виділяється близько 3,5 МеВ на один нуклон, тоді як під час поділу Урану на один нуклон виділяється енергія, що дорівнює приблизно 1 МеВ.

Термоядерні реакції відіграють вирішальну роль в еволюції Всесвіту. Енергія випромінювання Сонця та інших зір - термоядерного походження. За сучасними уявленнями, на ранній стадії розвитку зоря складається переважно з водню. Температура всередині зорі така велика, що в ній відбуваються реакції злиття протонів й утворюється Гелій. Потім від злиття ядер Гелію утворюються важчі елементи. Усі ці реакції супроводжуються виділенням енергії, завдяки якій зорі випромінюють світло протягом мільярдів років. На Землі некерована термоядерна реакція відбувається під час вибуху водневої бомби.

Здійснення керованих термоядерних реакцій на Землі дасть людству нове, практично невичерпне джерело енергії. Найбільш перспективні щодо цього реакції злиття Дейтерію з Тритієм:

²₁Н + ³₁Н → ⁴₂Не + ¹₀n.

У цій реакції виділяється енергія 17,6 МеВ на один нуклон. Оскільки Тритію у природі немає, його потрібно виробляти в самому термоядерному реакторі з літію.

Згідно з проєктом ІТЕР (ITER, International Thermonuclear Experimental Reactor) у м. Кадараш (Франція) ведеться будівництво першого у світі міжнародного експериментального термоядерного реактора. Мета цього проекту - продемонструвати наукову і технічну можливість вироблення теплової та електричної енергії на основі термоядерного синтезу. За прогнозами фахівців, за 30-40 років може розпочатися ера промислового використання термоядерної енергії.

Кожного разу, як тільки у фізиці робили якесь серйозне відкриття, астрономи починали «приміряти» його до своїх проблем. Так, наприкінці XIX ст. майже одразу після того, як Беккерель відкрив явище радіоактивності, було висунуто гіпотезу, що світність Сонця підтримується за рахунок розпаду ядер важких хімічних елементів, наприклад Радію (відкритий у 1898 р.) або Урану.

Період піврозпаду Радію дорівнює 1620 років, а ізотопу Урану ²³⁸₉₂U, який на 99,27 % складає природний Уран, - 4,51 млрд років. Отже, наприклад, радієве Сонце висвітило б основну частину своєї енергії усього за кілька тисяч років, а уранове Сонце було б істотно слабкішим за сучасне.

До того уранове Сонце спалахнуло б як велетенська ядерна бомба відразу під час свого утворення (слід зазначити, що ланцюгові реакції та існування критичної маси було виявлено значно пізніше). Нині відомо, що в сучасному природному урані, який містить усього 0,72 % ²³⁵₉₂U, ланцюгова реакція неможлива (в існуючих ядерних реакторах вона відбувається тільки за умови використання уповільнювачів нейтронів). Але 5 млрд років тому вона обов’язково розпочалася б, оскільки період піврозпаду ²³⁵₉₂U становить усього 713 млн років, тому його частка тоді була ≈ 30 % (для ланцюгової реакції достатньо 3 %).

Ідея про термоядерне джерело зоряної енергії за рахунок синтезу гелію з водню має довгий і складний шлях становлення. Початок цієї історії можна датувати 1919 р., коли англійський фізик і хімік Френсіс Астон сконструював мас-спектрограф. За його допомогою він знайшов точні значення мас атомів Гідрогену і Гелію. Це якраз один з яскравих прикладів в історії науки, коли точність вимірювання мала вирішальне значення. Виявилося, що маса атома Гелію становить 3,97 від маси атома Гідрогену, безпосереднього його сусіда в таблиці Менделєєва. Цілком природно було припустити, що за певної температури чотири ядра атома Гідрогену можуть об’єднуватися в ядро атома Гелію.

Слід зазначити, що термоядерне «горіння» водню відрізняється найвищою ефективністю порівняно з іншими хімічними елементами.

Синтез гелію з водню як джерело енергії зір запропонував у 1920 р. Артур Еддінгтон - один із творців теорії внутрішньої будови зір. У книжці «Зорі й атоми» він писав: «Точка зору, за якою енергія зорі виникає під час побудови інших елементів з водню, має велику перевагу, бо не існує сумнівів відносно можливості цього процесу, оскільки ми не маємо доказів того, що у природі може відбуватися анігіляція матерії... На мою думку, існування гелію є найкращим доказом того, що гелій може утворюватися...». Щоправда, тут Еддінгтон помилявся. На сьогодні загальновизнаним є те, що існуюча кількість гелію не могла утворитися в зорях, а виникла в результаті первісного нуклеосинтезу на ранніх етапах еволюції нашого Всесвіту.

Сонячні, та й загалом зоряні надра здавалися фізикам 20-х років XX ст. занадто холодними, щоб там могло відбуватися перетворення водню в гелій.

Еддінгтон уважав, що фізики мають продовжувати дослідження і тоді із часом зрозуміють, як за порівняно низьких температур водень може перетворюватись у гелій. Так і сталося. Цю проблему розв’язали фізики Роберт Аткінсон і Фрідріх Гоутерманс. Вони скористались уявленнями Георгія Гамова про тунельний ефект (1928 р.). З нової фізичної теорії - квантової механіки, яка якраз створювалась у ті часи, випливало, що мікрочастинки завдяки своїм хвильовим властивостям можуть проникати під потенціальні бар’єри і просочуватися крізь них.

Гамов розв’язав проблему розпаду радіоактивних ядер, а Аткінсон і Гоутерманс, скориставшись цим, розв’язали обернену задачу. У березні 1929 р. вони надіслали в редакцію німецького журналу статтю під назвою «До питання про можливість утворення елементів у надрах зір». У цій статті вони довели, що хоча в межах класичної фізики протони можуть зливатися один з одним лише за температур у кілька десятків мільярдів кельвінів, тунельний ефект допускає імовірність такого процесу вже за відносно низьких температур, що існують у надрах зір.

Гоутерманс писав у своїй книжці «Яскравіше за тисячу сонць» (1961 р.): «У той самий вечір, після того як ми закінчили нашу статтю, я пішов гуляти із чарівною дівчиною. Коли стемніло і одна за одною стали з’являтися зорі в усій їхній величі, моя супутниця вигукнула: «Як чудово вони виблискують! Справді?» Я випнув груди і вимовив поважно: «Зі вчорашнього вечора я знаю, чому вони виблискують».

Доля Гоутерманса пов’язана з Україною. Його, уже як видатного фізика і німецького комуніста, у 1934 р. запросили працювати в Радянський Союз. З 1935 по 1937 р. він був співробітником Українського фізико-технічного інституту (м. Харків), де вже з 1932 р. працював Лев Ландау. У 1937 р. Гоутерманс був заарештований НКВС як німецький шпигун. Його жорстоко били і катували багатоденними конвеєрними допитами, але він не втратив гідності й не дав брехливих свідчень на своїх колег. Можна вважати, що йому пощастило - у 1940 р. його звільнили і вислали з СРСР як «небажаного іноземця».

Отже, після статті Аткінсона і Гоутерманса стало зрозумілим, що джерелом енергії зір все ж таки можуть бути термоядерні реакції. Але які саме? За якими каналами? Конкретна відповідь на ці запитання з’явилася лише через 10 років.

Першу відповідь на ці запитання знайшли незалежно один від одного Карл Вейцзеккер у Німеччині і Ганс Бете в США. У 1938 р. вони виявили перший цикл послідовної трансформації гідрогену в гелій, який ми на сьогодні називаємо карбоно-нітрогеновим. Інший варіант перетворення водню в гелій відомий нині як протон-протонний цикл, який запропонували в тому-таки 1938 р. Ганс Бете і Чарльз Критчфілд.

ЗАПИТАННЯ ДО ВИВЧЕНОГО