Довольно удивительно, но есть люди, которые не знают разницы между ядерной бомбой и термоядерной, равно как и между соответствующими реакторами и реакциями. А ещё бомбы есть атомные и водородные...
Ядерная реакция в широком смысле подразумевает изменение ядра. Могут взаимодействовать два ядра, может одно ядро разделиться на два поменьше, могут два ядра слиться в одно, ядро может захватить частицу и стать больше. Важно, что при химическом взаимодействии веществ ядра остаются неизменными.
Однако когда речь идет об оружии или энергетике, под ядерной реакцией подразумевается реакция деления. Радиоактивное ядро делится на два ядра поменьше, при этом выделяется энергия.
Источник энергии — дефект масс: сумма масс продуктов реакции меньше, чем масса исходного ядра. Разница выделяется в виде энергии разного вида.
Участвуют в ядерной реакции тяжелые элементы: уран (не всякий, а радиоактивный U₂₃₅), плутоний, торий. Продукты реакции могут быть сами радиоактивны и делиться дальше. Но кончается всё стабильными изотопами, которые намного легче исходных ядер — но все равно сравнительно тяжелые. Свинец, например.
Понять логику процесса позволяет капельная модель ядра, описанная в книжке Гегузина "Капля". Дело в том, что ядро можно считать жидкостью. Из нее состоят нейтронные звезды. У нее очень высокая плотность и поверхностное натяжение. И она электрически заряжена. Но в остальном это просто капля. Говорить о плотности позволяет то, что атомный вес ядра пропорционален его объему, то есть плотность разных ядер примерно одинакова.
Что такое поверхностное натяжение? Если частицы (элементарные объемы) внутри капли притягиваются, так или иначе, то частицы на поверхности тянутся внутрь, а извне некому компенсировать это притяжение. Получается давление, которое стремится сжать каплю, стянуть частицы с поверхности внутрь. Именно оно стремится придать капле сферическую форму.
Поверхностное натяжение, как видно из описания, прямо пропорционально (средней) кривизне поверхности и, следовательно, обратно пропорционально радиусам кривизны. Для сферической капли - просто ее радиусу. Для маленьких капель обычной воды это давление весьма велико. Так, для воды коэффициент равен примерно 0.073 Н/м, так что капля размером в 1мм (0.001м) сжата давлением почти 15Па (на 2 надо умножить), а капля в 0.01 микрон сжата давлением 150 атмосфер.
Ядро, мягко говоря, маленькое, и поверхностное натяжение на много порядков больше. Так что и давление, которое сжимает ядро, поистине колоссально. Оно обеспечивается, конечно, сильным ядерным взаимодействием.
Но взаимодействие это короткодействующее, оно быстро ослабевает с расстоянием. Намного быстрее "обратных квадратов". Впрочем, это не так важно сейчас. А важно то, что ядро электрически заряжено и, следовательно, части ядра подвержены кулоновскому отталкиванию. Оно частично компенсирует давление поверхностного натяжения.
Если мы мысленно увеличиваем сферическую каплю, то давление натяжения ослабевает, а вот кулоновское растет: ведь объемы условных полусфер растут как кубы радиуса, а закон обратных квадратов ослабляет притяжение в квадрате. В итоге достаточно большая капля становится неустойчивой: малейшее нарушение симметрии, и ее разорвет на две половины.
Эта модель очень наглядная, но она позволяет, например, вычислить, что последний стабильный элемент — это уран. Именно его ядро имеет пограничный размер.
Заодно модель объясняет, почему уран-238 стабильнее урана-235, хотя тяжелее него. Плотность заряда у первого ниже, а размеры почти такие же. У урана-235 кулоновское давление сильнее, вот он и может самопроизвольно распасться.
Далее много чего может быть. Например, можно помочь ядру разделиться, ударив по нему нейтроном. А так как при развале из ядра вылетит несколько нейтронов высокой энергии, то реакция пойдет ускоряться. Это цепная реакция. В атомной бомбе она помогает быстренько развалить все ядра и выделить энергию быстро и эффективно, а в реакторе она же позволяет выделять энергию эффективно, но контролируемо (контроль за счет отлова лишних нейтронов). И есть понятие критической массы: это такое количество вещества, при котором цепная реакция идет с ускорением.
Почему весь уран сам не распался? Потому что период полураспада у него довольно большой, 0.7 млрд лет. Возраст Земли около 4.5 млрд лет, то есть около 7 периодов полураспада. За это время осталось 1/128 часть всего урана (235-го). Ну его и имеется 0.7% в урановых рудах. Изначально, наверное, поровну было.
Теперь термоядерная реакция. Это реакция слияния легких ядер в одно более тяжелое. Но оно все равно сравнительно легкое. Тритий, сверхтяжелый водород (в ядре, кроме протона, еще два нейтрона) может образовывать гелий. При этом тоже выделяется энергия, и тоже из-за дефекта масс. Однако чтобы ядра слились, их надо сблизить, а они сопротивляются. Возникает весьма существенный барьер, который надо преодолеть: нужны высокие температуры и большие давления. В недрах звезд это обеспечивает гравитация, в термоядерных реакторах это надо как-то обеспечить, а в водородной бомбе взрывателем служит атомный взрыв. Но он покажется мелочью по сравнению с взрывом термоядерным, который спровоцирует...
В звездах реакция идет поэтапно. Сначала "горит" водород, давая гелий. При достаточно адских условиях и чистый водород может участвовать в реакциях, производя необходимые нейтроны по ходу дела. Потом, когда водорода кончается, гравитация сжимает звезду так, что "загорается" гелий, и так далее. Каждая следующая реакция идет быстрее: ее труднее запустить, зато и протекает она стремительнее. Кончается процесс на железе: ядро железа таково, что выхода энергии при слиянии ядер железа нет. Они и не сливаются.
Кстати, любопытный момент: любая термоядерная реакция имеет положительный выход энергии! Нагрел дейтерий, что-то там синтезировалось, выделилась энергия, температура еще подросла. Другое дело, что — потери. В них всё упирается. Их можно обойти, если делать всё быстро; в бомбе быстро и делается.
Происхождение более тяжелых, чем железо, элементов, до конца не ясно. Один из источников — столкновения нейтронных звезд. Их осколки, по сути макроскопические ядра, распадаются на ядра обычные, и по понятным причинам там будет много именно тяжелых.
К счастью, у нас на Земле урана достаточно много. К счастью, у нас в России прекрасно развита атомная энергетика и есть атомное оружие.
Что до термоядерной энергетики... как шутят, до нее всегда 20-25 лет. И в 80-ых было лет 20, и в 2000-ых, и сейчас. Я не сомневаюсь, что она когда-нибудь будет, и уж точно надо пытаться. И нефть, и газ, и уран кончатся, рано или поздно. Может, лет на сто или двести даже запасов хватит, но — сами понимаете. В космосе нефти точно нет, а уран еще надо найти, добыть, привезти, да так, чтобы не через сто лет и так, чтобы не потратить больше, чем добыть. А трития на Земле много. Даже не то чтобы много: он образуется в атмосфере из азота под воздействием космических лучей (это тоже ядерная реакция в широком смысле). Период полураспада около 12 лет, то есть сразу не распадается. Перспективы заманчивые. Но...
Капельная модель и здесь может быть полезной. Капельки-ядра охотно сольются в одну каплю побольше, так как объем такой капли будет равен сумме, а вот радиус — кубическому корню из суммы, так что площадь поверхности, которая степень 2/3 от суммы объемов, меньше, чем просто сумма. Так что поверхностное натяжение одной большой капли меньше, чем двух маленьких. Излишек энергии будет выделен, куда ему деваться. Но для этого капли надо привести в соприкосновение, а они заряжены. Поэтому будут сопротивляться.
Совсем простыми словами, термоядерная реакция, это как sesso, а ядерная — это роды. Кое-что общее усмотреть можно, конечно: женщина и там и там играет важную роль, второй персонаж имеется, и ещё нюансы. Но процессы, конечно, разные. В одном случае тяжелая (беременная, то есть с бременем) женщина разделяется на (ту же, но уже без бремени, то есть более легкую) женщину и ребенка, в другом имеет место слияние, позвольте мне эту тему здесь не развивать.
Но прошу впредь не путать.