Прежде всего, необходимо понять, что существует четыре отдельных вида выделяемой энергии:

1)     химическая энергия, которая питает наши автомобили, а также большую часть устройств современной цивилизации;

2)     энергия ядерного расщепления, используемая для выработки около 15 % потребляемого нами электричества;

3)     энергия горячего ядерного синтеза, которая питает солнце и большинство звезд;

4)     энергия холодного ядерного синтеза, которая наблюдается некоторыми экспериментаторами при лабораторных исследованиях и существование которой отвергается большинством ученых.

Количество выделенной ядерной энергии (теплота/фунт топлива) всех трех типов в 10 миллионов раз превышает тот же показатель при выделении химической энергии. Чем отличаются эти виды энергии? Для того, чтобы разобраться в этом вопросе, необходимы некоторые знания в области химии и физики.

Воспользовавшись предложениями данного интернет магазина, продающего товары для дома, Вы без труда сможете купить любые товары по приемлемым ценам.

Урок 1

Природа дала нам два вида стабильно заряженных частиц: протоны и электроны. Протон — это тяжелая, как правило, очень маленькая, положительно заряженная частица. Электрон обычно легкий, большой, с размытыми границами и имеет отрицательный заряд. Положительный и отрицательный заряды притягиваются друг к другу, как, например, северный полюс магнита притягивает южный. Если магнит северным полюсом поднести к южному полюсу другого магнита, они столкнутся. При столкновении выделится небольшое количество энергии в виде тепла, но оно слишком мало, чтобы его легко было измерить. Чтобы разъединить магниты, придется совершить работу, то есть затратить энергию. Это примерно то же самое, что поднять камень обратно на холм.

Когда камень скатывается вниз с холма, выделяется небольшое количество тепла, процесс же подъема камня обратно потребует расхода энергии.

Точно так же положительный заряд протона сталкивается с отрицательным зарядом электрона, они «склеиваются», выделяя энергию. В результате образуется атом водорода, обозначаемый как Н. Атом водорода — это не что иное, как размытый электрон, обволакивающий маленький протон. Если выбить электрон из атома водорода, то получится положительно заряженный ион Н+, который является не более чем первоначальным протоном. «Ион»— это название, применимое к атому или молекуле, которые потеряли или приобрели один или более электронов, и вследствие этого перестали быть нейтральными.

Урок 2

Как известно, в природе существует более чем один вид атомов. У нас есть атомы кислорода, атомы азота, атомы железа, атомы гелия и другие. Чем все они отличаются? Все они имеют ядра разного типа, и все ядра содержат разное количество протонов, а значит, имеют разный положительный заряд. В ядре гелия содержится 2 протона, значит, оно имеет заряд плюс 2, и для того чтобы нейтрализовать заряд, требуется 2 электрона. Когда к нему «приклеивается» 2 электрона, образуется атом гелия. Ядро кислорода содержит 8 протонов, и имеет заряд 8. Когда к нему «приклеивается» 8 электронов, образуется атом кислорода. Атом азота имеет 7 электронов, атом железа — около 26. Тем не менее, строение всех атомов примерно совпадает: маленькое, положительно заряженное ядро, находящееся в облаке размытых электронов. Разница в размере между ядром и электронами огромна.

Диаметр Солнца всего в 100 раз больше диаметра Земли. Диаметр облака электронов в атоме в 100 000 раз превышает диаметр ядра. Для того чтобы получить разницу в объемах, необходимо возвести эти числа в куб.

Урок 3

Теперь мы готовы понять, что такое химическая энергия. Атомы, будучи электрически нейтральными, в действительности могут соединяться друг с другом, высвобождая больше энергии. Другими словами, они могут соединяться в более устойчивые конфигурации. Электроны уже в атоме пытаются распределяться так, чтобы как можно теснее приблизиться к ядру, но вследствие своей размытой природы им требуется определенное пространство. Однако, соединяясь с электронами другого атома, они обычно образуют более тесную конфигурацию, что позволяет им приблизиться к ядрам. К примеру, 2 атома водорода могут соединиться в более компактную конфигурацию, если каждый атом водорода отдаст свой электрон облаку из 2 электронов, которое делится между двумя протонами.

Таким образом, они формируют группу, состоящую из двух электронов в едином облаке и двух протонов, отделенных друг от друга пространством, но, тем не менее, находящихся внутри облака электронов. В результате происходит химическая реакция, протекающая с выделением тепла: Н+Н=>Н_Г (Знак « = >» значит «переходит в» или «становится»). Конфигурация Н₂ — это молекула водорода; когда вы покупаете баллон с водородом, то получаете не что иное как молекулы Н . Более того, соединившись, два электрона Н₂ и 8 электронов атома О могут образовать еще более компактную конфигурацию — молекулу воды Н О плюс тепло. В действительности молекула воды — это единое облако электронов, внутри которого находятся три точечных ядра. Такая молекула является минимальной энергетической конфигурацией.

Таким образом, сжигая нефть или уголь, мы перераспределяем электроны. Это приводит к образованию более устойчивых конфигураций точечных ядер внутри облаков электронов и сопровождается выделением тепла. В этом и заключается природа химической энергии.

Урок 4

В предыдущем рассуждении мы упустили из виду один момент. Почему в природе ядра изначально содержат два или более протонов? Каждый протон имеет положительный заряд, а когда расстояние между положительными зарядами настолько мало, что соизмеримо с пространством, окружающим ядро, они сильно отталкиваются друг от друга. Отталкивание одноименных зарядов подобно отталкиванию, возникающему между северными полюсами двух магнитов, когда их пытаются неправильно соединить. Должно быть нечто, преодолевающее это отталкивание, иначе существовали бы только атомы водорода. К счастью, мы видим, что это не так.

Существует сила другого типа, которая воздействует на протон. Это ядерная сила. Благодаря тому, что она очень велика, частицы крепко удерживаются практически друг на друге. Кроме того, существует второй тип тяжелых частиц, которые отличаются от протона только тем, что не имеют ни положительного, ни отрицательного заряда. Они не отталкиваются положительным зарядом протона. Эти частицы называются «нейтронами», так как являются электрически нейтральными. Особенностью является то, что неизменное состояние частиц возможно только внутри ядра. Когда частица оказывается вне ядра, в течение около 10 минут она превращается в протон, электрон и очень легкий анти­нейтрино. Однако внутри ядра она может оставаться неизменной сколь угодно долго. Как бы то ни было, нейтрон и протон очень сильно притягиваются друг к другу. Приблизившись на достаточное расстояние, они соединяются, образуя очень прочную пару, так называемый дейтрон, который обозначается D+. Одиночный дейтрон, соединяясь с одиночным электроном, образует атом тяжелого водорода, или дейтерия, обозначаемого D.

Вторая ядерная реакция происходит, когда взаимодействуют два дейтрона. Когда заставляют взаимодействовать два дейтрона, они соединяются, образуя частицу, имеющую двойной заряд. Группировка из двух протонов и двух нейтронов даже более устойчива, чем группировка протон- нейтрон в дейтроне. Новая частица, нейтрализованная 2 электронами, становится ядром атома гелия, который обозначается Не. В природе существуют и большие группировки, которые являются ядрами углерода, азота, кислорода, железа и других атомов. Существование всех этих группировок возможно благодаря ядерной силе, которая возникает между частицами, когда они взаимодействуют друг с другом или делят между собой общий объем пространства, равный размеру ядра.

Урок 5

Теперь мы можем понять природу обычной ядерной энергии, которая в действительности является энергией ядерного расщепления. На протяжении ранней истории вселенной формировались массивные звезды. Во время взрыва таких массивных звезд образовывались ядра множества типов и снова разрывались в космическом пространстве. Планеты и звезды, включая Солнце, образовывались из этой массы.

Возможно, в процессе взрыва появились все возможные устойчивые конфигурации протонов и нейтронов, а также такие практически устойчивые группировки, как ядро урана. В действительности существует три разновидности ядер атомов урана: уран-234, уран-235 и уран-238. Эти «изотопы» различаются количеством нейтронов, однако, все они содержат по 92 протона. Ядра атомов урана любого типа могут превратиться в менее энергетические конфигурации путем выброса ядер гелия, однако, этот процесс происходит настолько редко, что земной уран сохраняет свои свойства на протяжении около 4 миллиардов лет.

Тем не менее, существует и другой способ нарушить конфигурацию ядра урана. В общих чертах, группировки протонов и нейтронов являются наиболее устойчивыми, если содержат около 60 пар протон-нейтрон. Количество таких пар, содержащихся в ядре урана, в три раза превышает эту цифру. Вследствие этого, оно стремится разделиться на две части, выделив при этом большое количество тепла. Тем не менее, природа не позволяет ему разделиться. Для того чтобы это сделать, ему сначала требуется перейти в более высокоэнергетическую конфигурацию. Однако, один из видов урана — уран-235, обозначаемый ²³⁵U, — получает необходимую энергию, захватив нейтрон. Получив таким образом необходимую энергию, ядро распадается, выделяя огромное количество энергии и выпуская при этом дополнительные нейтроны. Эти дополнительные нейтроны в свою очередь могут расщеплять ядра урана-235, что приводит к цепной реакции.

Именно этот процесс и происходит на ядерных электростанциях, где тепло, являющееся конечным продуктом ядерного распада, используется для кипячения воды, образования пара и вращения электрического генератора. (Недостатком этого метода является выделение радиоактивных отходов, которые необходимо надежно устранять).

Урок 6

Теперь мы готовы к тому, чтобы понять сущность горячего ядерного синтеза. Как было сказано в уроке 5, группировки протонов и нейтронов наиболее устойчивы, когда количество протонов и нейтронов приблизительно соответствует их количеству в ядре атома железа. Подобно урану, который в нормальном состоянии содержит слишком много нейтронов-протонов, легкие элементы, такие как водород, гелий, углерод, азот и кислород, содержат слишком мало таких пар.

Если создать необходимые условия для того, чтобы эти ядра могли взаимодействовать, они соединятся в более устойчивые группировки с выделением теплоты. Так происходит процесс синтеза. В природе он встречается в таких звездах, как Солнце. В природе сжатый водород сильно нагревается, и, спустя некоторое время, происходит реакция синтеза. Если бы изначально процесс происходил с дейтронами, которые уже содержат удвоенные протон и нейтрон, реакции в звездах протекала бы относительно легко. Скорость, с которой атом каждого конкретного типа двигается внутри облака подобных атомов, напрямую зависит от температуры. Чем больше температура, тем выше скорость, и тем ближе атомы друг к другу, совершая одномоментное столкновение.

В звездах температура достаточно велика для того, чтобы электроны покинули ядра. Таким образом, можно говорить, что в реальности мы имеем дело со смешанным облаком электронов и ядер. При очень высокой температуре ядра в момент столкновения настолько приближаются друг к другу, что включается ядерная сила, притягивающая их друг к другу. Вследствие этого ядра могут «склеиться» и превратиться в более низкоэнергетическую группировку протонов и нейтронов, выпустив тепло. Горячий ядерный синтез является попыткой провести этот процесс в лабораторных условиях с использованием дейтерия и тройного водорода (ядро которого содержит 1 протон и 2 нейтрона) в виде газа. Для горячего синтеза требуется поддерживать температуру газа в сотни миллионов градусов, что при помощи магнитного поля может быть достигнуто, но только на 1-2 секунды. Есть надежда, что появится возможность сохранять температуру газа в течение более продолжительного периода времени. Пока температура достаточно высока, ядерная реакция протекает в момент столкновения ядер.

Основная форма, в которой выделяется энергия — это выпуск высокоэнергетических нейтронов и протонов. Протоны очень быстро преобразуются в тепло. Энергия нейтронов тоже может превратиться в тепло, однако, после этого оборудование становится радиоактивным. Дезактивировать оборудование представляется очень сложным, поэтому горячий синтез не годится в качестве метода для коммерческого производства энергии. В любом случае энергия горячего синтеза — это мечта, существующая уже, по крайней мере, 50 лет. Тем не менее, большинство ученых рассматривают горячий синтез как единственный способ получения энергии синтеза. В процессе горячего синтеза образуется меньше радиации, чем при расщеплении, он является экологически чистым и практически неограниченным источником топлива на Земле (относительно современного потребления энергии, было бы достаточно на многие миллионы лет).

Урок 7

Наконец, мы подошли к объяснению холодного синтеза. Холодный синтез может стать простым и нерадиоактивным способом выделения энергии синтеза. В процессе холодного синтеза протоны и нейтроны одного ядра взаимодействуют с протонами и нейтронами другого совершенно иначе.

При этом ядерная сила способствует тому, что они образуют более устойчивую конфигурацию. Для любой ядерной реакции необходимо, чтобы реагирующие ядра имели общий объем пространства. Это требование называется совмещением частиц. При горячем синтезе совмещение частиц происходит на короткое время, когда преодолевается сила отталкивания двух положительных зарядов, и ядра сталкиваются. Во время холодного синтеза условие совмещения частиц достигается путем принуждения ядер дейтерия вести себя как размытые частицы, подобные электронам, а не как крошечные точечные частицы. Когда легкий или тяжелый водород добавлен в тяжелый металл, каждый «атом» водорода занимает такую позицию, где он со всех сторон окружен атомами тяжелого металла.

Такая форма водорода называется промежуточной. Электроны атомов водорода вместе с промежуточным водородом становятся частью массы электронов в металле. Каждое ядро водорода колеблется, подобно маятнику, проходя сквозь отрицательно заряженное облако электронов металла. Такая вибрация возникает даже при очень низкой температуре, в соответствии с постулатами квантовой механики. Подобное движение называется движением нулевой точки. При этом ядра становятся размытыми объектами, как электроны в атоме. Однако, подобной нечеткости недостаточно для того, чтобы позволить одному ядру водорода взаимодействовать с другим.

Необходимо еще одно условие, чтобы у двух или более ядер водорода оказалось одно и то же общее пространство. Электрический ток, переносимый электронами в металле, ведет себя как вибрирующая вещественная волна, а не как точечные частицы. Если бы электроны не вели себя в твердых телах подобно волнам, сегодня не существовало бы ни транзисторов, ни современных компьютеров. Электрон в виде волны называется электроном блоховской функции. Секрет холодного синтеза в необходимости получения дейтрона блоховской функции. Для того, чтобы два или более дейтронов имели общий объем пространства, внутри или на поверхности твердого вещества требуется получить волновые дейтроны. Как только создаются дейтроны блоховской функции, начинает действовать ядерная сила, и протоны и нейтроны, входящие в состав дейтрона, переорганизуются в более устойчивую конфигурацию гелия блоховской функции, что сопровождается выделением тепла.

Для изучения холодного синтеза экспериментатору нужно заставить дейтроны перейти в волновое состояние и поддерживать их в таком состоянии. Эксперименты по холодному синтезу, демонстрирующие выделение избыточного тепла, доказывают, что это возможно. Однако, до сих пор никто не знает как можно провести подобный процесс наиболее надежным способом. Использование холодного синтеза обещает получение энергетического ресурса, которого хватит на миллионы лет, при этом не будет ни проблем глобального потепления, ни радиоактивности — вот почему следует приложить серьезные усилия для изучения этого явления.

Талбот Чабб