Самой известной физической формулой в мире является знаменитая эйнштейновская E= mc2. Многие, увидев её, вспоминают о теории относительности, некоторые могут сказать, что она связывает вместе материю и энергию, и лишь немногие добавят, что благодаря этому уравнению человечество смогло создать самое разрушительное в мире оружие: термоядерную бомбу. Но как именно обычное уравнение смогло совершить такое?
Смысл использования любой бомбы заключается в том, чтобы за минимально короткое время высвободить максимально возможное количество энергии, заключенное в веществе. В обычных боеприпасах взрывчатое вещество моментально превращается в газы, которые расширяются в пространство очень быстро и создается ударная волна. Атомное оружие использует кинетическую энергию деления тяжелых ядер химических элементов – урана и плутония. И только при взрыве термоядерной бомбы высвобождается практически чистая энергия.
В основу водородной бомбы положен тот же процесс, который происходит в звездах: четыре атома водорода (точнее, их ядра – протоны) соединяются в атом гелия. Протоны имеют положительный заряд, и, по идее, должны отталкиваться друг от друга, как отталкиваются два магнита, если поднести их друг к другу одинаковыми полюсами.
Чтобы преодолеть это сопротивление, протоны разгоняются до очень больших скоростей с помощью температуры (вспомните школу: температура – это энергия движения атомов и молекул). Когда протоны сталкиваются, то начинает действовать другая сила – сильное взаимодействие, которое и удерживает эти элементарные частицы вместе. Оно настолько сильное, что атомы могут существовать очень долго – вспомните, что и мы состоим из атомов.
Проблема заключается в том, что ядро гелия состоит и из нейтронов, которых в природе в свободном состоянии практически не существует (они «живут» максимум 15 минут). Они получаются тут же, на месте, из протона, электрона и небольшого количества энергии.
Но откуда получается энергия, если процесс требует нагрева, а в итоге просто образуется новое вещество? Ведь вы затратите на нагрев гораздо больше, разве не так? Так, да не так. Вся прелесть термоядерной реакции заключается в том, что вы получаете больше энергии, чем затрачиваете на неё.
Всё дело в том, что нейтроны и протоны при соединении в ядре становятся немного легче. Это явление получило название «дефект массы». Вот эта масса и превращается в энергию согласно знаменитому уравнению Эйнштейна.
В земных условиях воссоздать этот процесс полностью не получится. Причина этого кроется в том, что на звездах превращение водорода в гелий происходит в несколько стадий. Сначала получаются нейтроны, а уже затем они вместе с протонами соединяются в ядро гелия. Сами протоны очень маленькие, и ждать, пока они «найдут» друг друга, придется очень долго. Вот почему звезды существуют на протяжении миллионов и миллиардов лет – чтобы столкнулись все протоны, должно пройти очень много времени.
Чтобы обойти это, ученые решили начать процесс на полпути, то есть с того момента, когда нейтроны уже созданы – такие ядра несколько больше, и вероятность их столкновения повышается. В обычном водороде, который есть у нас на Земле, на каждые 7-8 тысяч атомов «обычного» вещества попадается «необычный»: у него, помимо протона, есть еще и нейтрон. Такой изотоп водорода назвали «дейтерий». Но и тут есть небольшой нюанс: чтобы реакция началась, дейтерий должен прореагировать еще с одним изотопом водорода – тритием, у которого уже два нейтрона. Проблема в том, что на Земле его не достать, да и разрушается он очень быстро – приблизительно за 25 лет. Вопрос: где достать тритий?
Обойти это препятствие получилось с помощью вещества под названием дейтерид лития-6. С одной стороны, это твердое вещество, и его удобно хранить, в отличие от газообразного дейтерия, а с другой – литий, если его бомбардировать нейтронами, распадается на нужный нам тритий, ненужный гелий и нейтрон.
Теперь поговорим об устройстве бомбы. Она представляет собой «слоеный пирог». Снаружи у неё плутониевый заряд. Его задача – обжать внутреннюю часть бомбы, где хранится термоядерное горючее, чтобы создать давление и высокую температуру, и послужить источником нейтронов для получения трития. Эта внутренняя камера имеет в сердцевине еще один кусочек плутония, который начинает сжимать его изнутри наружу. Зажатый между двумя атомными зарядами, как кусок железа между молотом и наковальней, горючее начинает термоядерную реакцию.
Такой пирог можно покрывать новыми слоями, которые будут обжимать внутренности всё сильнее и сильнее, обеспечивая продолжение реакции внутри бомбы. Так что теоретически можно создать термоядерную бомбу с какой-угодно мощностью – здесь нет «потолка».
Доля атомного заряда в итоговой мощности невелика, ведь он служит только для активации процесса. Но сколько же термоядерного горючего закладывается в бомбу?
30 октября 1961 года СССР взорвал самую мощную термоядерную бомбу в истории человечества – её мощность эквивалента взрыву «кубика» тротила со стороной в 312 метров – это почти десять девятиэтажек, поставленных друг на друга. Столько же энергии выделится, если перевести в энергию … 2,65 кг вещества. Это и есть тот самый дефект массы, который превратился в энергию взрыва. Если пересчитать это значение на водород, то получится, что при взрыве Царь-бомбы 372,2 кг водорода превратилось в 369,5 кг гелия. При этом учтите, что не весь дейтерид прореагировал, то есть горючего закладывали больше.
К счастью, человек создает не только оружие, но и энергетику на основе термоядерной реакции. Для неё уже не подойдет дейтерид лития, так как в реактор будут добавлять «реагенты» постепенно, чтобы удержать реакцию под контролем – ведь нам нужно медленное горение, а не взрыв. В качестве горючего будет использоваться чистый тритий, который получают в специальных реакторах, где облучают изотоп лития. Выход его небольшой: всего лишь несколько килограммов в год, в то время как для запуска термоядерного реактора понадобятся уже сотни «кэгэ».
Многие связывают прорыв в термоядерной энергетике с добычей на Луне гелия-3 – изотопа гелия только с одним нейтроном. Если соединить его с дейтерием, то получится обычный гелий и энергия. Плюс этого метода заключается в том, что горючее для него легко хранить, а сам процесс не так радиоактивен.
