Александр Проценко - Энергия будущего
Ведь ядра атомов несут положительный электрический заряд, а всякие одноименно заряженные частицы отталкиваются, и чем меньше расстояние между ними, тем больше силы отталкивания. Для преодоления этих сил отталкивания и нужно придать ядрам колоссальные скорости порядка 500–800 километров в секунду! Такую большую скорость ядра дейтерия приобретут только при температуре 100–150 миллионов градусов.
Таков первый путь освобождения энергии ядра. Второй путь — деление ядер. А есть ли еще какие-либо способы высвобождения энергии ядра? Пока, к сожалению, нет, или, точнее, мы их пока не знаем.
Аннигиляция
В реакциях деления и синтеза ядер в тепло и излучение превращается от 0,1 до 0,5 процента вещества. При химических реакциях, как мы уже говорили, эта величина составляет всего лишь одну десятимиллионную (10-7) часть. Значит, овладев энергией деления и синтеза, человечество увеличит калорийность (теплотворную способность) топлива в миллионы раз. Это очень важный и своевременно взятый рубеж. Но, овладев им, человек начинает думать о взятии нового. Это и не удивительно.
«Человек создан затем, чтобы идти вперед и выше», — говорил Максим Горький, поэтизируя это качество людей.
Если же думать о практическом значении такого «опережения событий», то, пожалуй, не скажешь лучше известного польского писателя-фантаста С. Лема: «…в предыстории практика, естественно, опережала теорию, ныне же теория обязана провидеть пути практики, ибо за всякое невежество, проявленное сейчас, человечеству придется дорого уплатить потом».
Итак, стоит вопрос, который задают и ученые-теоретики, и экспериментаторы, занимающиеся физикой ядра — существуют ли пути превращения в энергию большего количества вещества, чем реакции деления и синтеза ядер. Возможны ли они в принципе?
В принципе такие пути возможны. Нужно только найти законы, управляющие процессами большего превращения вещества в энергию.
Один из таких возможных процессов называется аннигиляцией. Это слово образовано от латинского «nihil» — ничто. Буквальный перевод: превращение в ничто, уничтожение. Физики называют аннигиляцией превращение элементарных частиц (протонов, нейтронов, электронов), обладающих в неподвижном состоянии массой, в другие формы материи, например в гамма-кванты, имеющие массу покоя, равную нулю (электромагнитное излучение). Ясно, что речь не идет об уничтожении материи, а о превращении одного ее вида движения в другой. Только простоты ради мы иногда будем называть этот процесс превращением вещества в энергию.
Аннигиляция происходит при столкновении какой-либо элементарной частицы, например, протона, с ее античастицей — антипротоном. Обладая той же массой, что и протон, она имеет не положительный, а отрицательный заряд и отличается рядом других свойств.
Эта ядерная реакция найдена не только на бумаге, но и осуществлена во многих экспериментальных установках. Если аннигиляция протона и антипротона происходит в вакууме — образуются гамма-кванты, несущие 34 процента энергии; электрон и его положительно заряженный антипод позитрон с 16 процентами энергий. Половину энергии уносят нейтрино частицы с весьма большой проникающей способностью. Удержать их невозможно: свою долю энергии они уносят в необозримые просторы вселенной. Однако другую половину удержать удается. Если аннигиляция будет происходить в плотной среде, то энергия, уносимая нейтрино, уменьшается до 9 процентов.
Казалось бы, все обстоит ладно. Но есть один неприятный факт: на Земле, да и, кажется, во всей Солнечной системе антивещества нет. В распоряжении людей есть только технические способы получения искусственного антивещества. Здесь уже есть некоторые успехи. В лабораториях получены антипротоны, антиэлектроны (позитроны), даже созданы атомы антивещества: антиводород, антигелий. Однако задача — значительное уменьшение количества энергии, необходимой для создания античастиц, — еще не решена. В существующих способах на создание антипротонов или антиэлектронов бомбардировкой ядер ускоренными электронами или протонами тратится почти столько же энергии, сколько получается потом при аннигиляции полученных античастиц с частицами. Коэффициент полезного действия в такой схеме составляет не более 0,1 процента. Следовательно, чтобы получить одну килокалорию аннигиляционной энергии, надо предварительно затратить 999 килокалорий энергии того вида, которым мы располагаем, например электроэнергии.
Может ли устроить человека процесс, когда в конце концов энергии получается меньше, чем ее затрачивается? Принципиально может. В жизни мы пользуемся такими процессами. Например, на получение одной килокалории электроэнергии затрачивается 2,5 килокалории тепла сжигаемого топлива. Зато в результате получается качественно новый вид энергии, который можно эффективно использовать в промышленности, быту.
Для чего же нужна аннигиляционная энергия антивещества с калорийностью, в 100–300 раз превышающей калорийность ядерного топлива? Возможно, в далеком будущем она понадобится только для космических аппаратов. Для земной энергетики такой процесс не подходит.
Пожалуй, стоит рассказать еще об одной идее, которая родилась на заре работ по термоядерному синтезу.
Напомним: чтобы осуществить термоядерную реакцию, нужно разогреть плазму до 100–150 миллионов градусов. Лишь такая температура может обеспечить высокие скорости ядер, достаточные для преодоления силы отталкивания их положительных зарядов. Но допустим, что удалось бы нейтрализовать заряд одной из взаимодействующих частиц. При таком условии отпала бы необходимость в высокой температуре.
В природе существует некая элементарная частица, которая называется отрицательным мю-мезоном. Его заряд равен электронному, а масса в 212 раз больше. Если этот мю-мезон соединить, например, с дейтерием, то может образоваться новый атом, в котором электрон атома дейтерия будет заменен мю-мезоном. Поскольку масса мю-мезона в две сотни раз больше массы электрона, то вокруг ядра он будет вращаться по орбите, лежащей во столько же раз ближе к ядру, чем орбита электрона. Благодаря тому, что эта система нейтральна и очень мала, она может очень близко подойти к другому ядру дейтерия, лишенному электрона (иону), и образовать молекулярный ион дейтерия, в котором вокруг двух очень близко расположенных ядер дейтерия вместо электрона будет вращаться мю-мезон. Расчеты показывают, что в этом случае очень велика вероятность того, что даже при не очень высокой температуре ядра дейтерия вступят в реакцию синтеза и начнет выделяться энергия. При этом процессе мю-мезон будет невредимым выброшен и сможет снова вызывать реакцию другой пары, потом третьей, потом…
К сожалению, «потом» может не быть. Время жизни мю-мезона всего несколько миллионных долей секунды. Окончив свою «деятельность», он распадается на электрон и два нейтрино. Так что за отпущенное ему время он сможет инициировать синтез всего нескольких пар ядер. Выделившаяся при этом энергия составит малую долю той энергии, которую необходимо затратить на создание самого мю-мезона. Значит, такой синтез не имеет практической ценности для энергетики.
Что же показывают эти два примера «неудачной попытки» еще более эффективного и более легкого использования энергии ядра в энергетике? Возможно, пессимист скажет, что они подтверждают сказанное ранее: пока нет других, более эффективных способов высвобождения- энергии ядра. Оптимист ответил бы по-другому: наличие таких «почти пригодных» способов позволяет надеяться и показывает, что где-то рядом, пока еще скрытые от нас, существуют процессы, познав которые человек станет обладать еще большими запасами дешевой и нужной энергии. Надо только их искать. И ученые ищут.
Теоретики считают, что если получить уран в изомерном состоянии, то при делении, по-видимому, можно будет получить не 2,5, а, скажем, 5 свободных нейтронов. Почему это важно, мы увидим позже.
Теоретически показана возможность существования сверхплотных ядер. Пока трудно говорить о возможностях их использования, но стоит обратить внимание на то, что сверхплотные ядра должны обладать запасами внутренней энергии в тысячи раз большей, чем обычные ядра.
В энергетике, по-видимому, можно было бы использовать и ядра нейтронные, то есть состоящие почти из одних этих частиц. О такой возможности говорит теория.
КАК РАЗДЕЛИТЬ ЯДРО
Ценнейшее в жизни качество — вечно юное любопытство, не утоленное годами и возрождающееся каждое утро.
Ромен РолланВ одном из номеров журнала «Иностранная литература» был напечатан памфлет «Законы Паркинсона».
В острой сатирической форме автор рассказал, в частности, о заседании парламентариев, рассматривавших новые финансовые законопроекты. Около трех часов ушло на обсуждение такого «важного» законопроекта, как выдавать ли парламентариям в перерыве между заседаниями бесплатный кофе (стоимостью в несколько пенсов). По этому поводу почти каждый счел своим долгом высказать мнение потому, что вопрос этот был известен и близок каждому депутату. Другое дело — проведение законопроекта… о строительстве ядерного реактора (стоимостью в несколько миллионов фунтов стерлингов). На это ушло меньше пяти минут, ибо высказываться не хотел никто. Не хотел? Вернее, не мог. Ведь для этого нужно обладать знаниями. А что такое ядерный реактор — парламентарии имели о нем самое общее представление.
