Мир на пике – Мир в пике

И вот тут мы подходим к одному интересному моменту, который часто не осознается многими людьми, которые слышали о термоядерной энергии только в рамках школьного курса физики.

Поясню, в чем состоит тонкий момент термоядерной реакции, которую сейчас хотят запустить в экспериментальном реакторе ITER.

Как вы поняли, напрямую повторить реакции по слиянию ядер протия, которые идут в недрах нашего Солнца, или же сложный CNO-цикл, который тоже понемногу превращает «легкий» водород в гелий, в земных условиях невозможно. Хотя бы потому, что размеры реактора для таких циклов и реакций необходимы просто безумные – речь идет о том, что термоядерные реакции на легком водороде нуждаются в реакторе размером с наше Солнце.

^{Рис. 178. Схема CNO-цикл, который тоже греет наше Солнце вместе с вездесущим протием.}

А в целом, если мы начнем в известном нам космосе искать варианты минимальных условий для создания самоподдерживающейся ядерной реакции на легких элементах (так, чтобы ничего не строить, а только смотреть на готовое, созданное самой природой), то мы упремся в такие необычные объекты, как коричневые карлики.

Коричневый карлик – это звездоподобный объект, размеры которого будут сравнимы с размерами нашего Юпитера, но масса будет уже в 10–30 раз больше, что позволит коричневому карлику ненадолго зажечь в своих недрах эрзац-реакцию на легких элементах.

По размеру небольшой коричневый карлик лишь немногим больше Юпитера. Основное его отличие – это плотность и масса. Большая масса коричневого карлика создает более сильное гравитационное поле, гравитация сжимает карлик, плотность и температура внутри него растут, и voilà – в нем начинается термоядерная реакция.

Если красные карлики – это все еще полноценные звезды (хоть и очень маленькие), то коричневые карлики – это что-то среднее между планетами типа Юпитера и настоящими светилами. Из-за своей наружной температуры около 1200 К (900 °С) коричневые карлики светятся темно-вишневым светом. Самые яркие и самые массивные из них могут даже разгореться до темно-красного свечения, набрав на пике своей «мощности» температуру до 3000 К (или около 2700 °С).

Отличаются от настоящих звезд главной последовательности и реакции, которые идут в коричневых карликах. В нашем Солнце реакции «протий+протий» и CNO-цикл вносят где-то по 60 и 40 % в общее энерговыделение нашего светила. Но проблема в том, что реакция «протий+протий» стартует в звездах где-то от температуры в 4 млн К, а CNO-цикл и при того более высоких температурах – при 12 млн К.

^{Рис. 179. График, отражающий условия «запуска» реакций «протий+протий» и CNO-цикла.}

При температурах же, характерных для коричневых карликов, ни реакцию «протий-протий» ни тем более CNO-цикл не зажечь. Совершенно так же невозможно для коричневого карлика зажечь и реакцию синтеза углерода из ядер гелия-4, которую предстоит пройти и нашему Солнцу где-то через 3,5 млрд лет, в момент его превращения в красный гигант. Для реакции синтеза гелия в углерод надо поднять температуру внутри звезды «всего лишь» до 100 миллионов градусов Кельвина, чем даже наше Солнце пока, к счастью, похвастаться не может. И слава Богу. Иначе бы граница Солнца начиналась бы где-то на орбите Марса. Отсюда промежуточный вывод – лучше пока подождать еще где-то 3,5 млрд лет.

Что же жгут в своих недрах коричневые карлики? Ведь их уже нашли больше трех десятков, в основном, по понятным причинам, у ближайших к нам звезд. А жечь протий или что-то другое у себя в недрах они физически не могут.

Для того чтобы понять, что жгут коричневые карлики, посмотрим на несколько диаграмм. Первая – это энергия связи ядер различных химических элементов в расчете на один нуклон – нейтрон или протон.

^{Рис. 180. График энергии связи ядер в расчете на 1 нуклон.}

График начинается с ядра дейтерия, нелегкое образование которого из протия мы рассмотрели чуть выше. Сам протий – это ядро ¹H, или одиночный протон. На этом графике он не показан по понятной причине – энергия связи одиночного протона по определению равна нулю.

Энергия связи ядра «тяжелого водорода» – дейтрона составляет около 1 МэВ на нуклон. А уже для следующего химического преображения гелия, энергия связи в расчете на один нуклон резко возрастает до 7,03 МэВ. Такая энергия связи характерна для «магической частицы» всей ядерной физики – ядра гелия-4 или ⁴He, часто называемого еще и альфа-частицей (α-частица).

Альфа-частица – это сверхустойчивый ядерный организм. Как я уже сказал, превращаться во что-либо иное она согласна только при температурах более 100 млн градусов, в недрах достаточно массивных звезд. Кроме того, альфа-частица – это постоянный спутник многих радиоактивных распадов тяжелых ядер.