Солнце как термоядерная установка

С конца второй мировой войны, т. е. с тех пор как были взорваны первые атомные бобмы, человек начал осваивать ту ,энергию, которая в огромных количествах выделяется при взаимодействиях атомных ядер. Атомная эра началась с воспроизведения реакций распада, приводящих к расщеплению тяжелых атомов, таких, как уран, на более легкие и на субатомные частицы, Теперь, однако, в исследованиях по атомной энергии упор делается в основном на реакции синтеза, в которых более мелкие частицы, например протоны (ядра водорода), сливаются с образованием более крупных единиц, например альфа-частиц (ядер гелия). Синтез ядер гелия из ядер водорода - реакция, лежащая в основе водородной бомбы, - изучается в настоящее время также и для того, чтобы найти способы осуществлять управляемый термоядерный синтез и использовать его как источник промышленной энергии.

Солнце - это, в сущности, водородная бомба. Оно представляет собой как бы термоядерный "реактор", в котором из атомов водорода синтезируются атомы гелия; в результате сложной последовательности реакций четыре атома водорода с массой, близкой к 1, сливаются в атом гелия с массой, близкой к 4 (рис. 1.2.):

4H → He,

причем в качестве промежуточных продуктов в этой последовательности реакций участвуют ядра других атомов. Точная масса каждого из четырех атомов водорода, участвующих в этом термоядерном синтезе, равна 1,008, а точная масса продукта синтеза - атома гелия - равна 4,003. Масса, вступающая в реакцию (4 X 1,008 = 4,032), оказывается, таким образом, больше массы продукта реакции (1 X 4,003 = 4,003), а это значит, что приведенное выше уравнение не сбалансировано. Разности масс (0,029) - ее называют дефектом массы - соответствует, по закону Эйнштейна, энергия E = mc², где E - выделяющаяся энергия (в эргах), m - дефект массы (в граммах) и c - скорость света (3•10¹⁰ см/с). Хотя эрг - очень малая единица (одна калория равна 40•10⁶ эрг), из формулы Эйнштейна следует, что при превращении в энергию даже самых ничтожных количеств массы высвобождаются большие количества энергии. Согласно оценкам в недрах Солнца вещество исчезает со скоростью 120 миллионов тонн в минуту, и это сопровождается излучением в космическое пространство колоссальных количеств энергии.

Рис. 1.2. Синтез гелия из атомов водорода

Из всей солнечной радиации поверхности Земли достигает ежегодно около 5,5•10²³ кал, или 100000 кал/см²/год. Примерно одна треть всего этого количества расходуется на испарение воды, так что на фотосинтез и на некоторые другие процессы остается около 67 000 кал/cм²/год. Ежегодно зелеными растениями связывается в процессе фотосинтеза - в виде сахаров - 200 млрд. т углерода из атмосферной CO₂, а это приблизительно в 100 раз превышает массу всего того, что за год производит человек. Однако, хотя фотосинтез - самый распространенный химический процесс на Земле, зеленые растения используют солнечную энергию, вообще говоря, малоэффективно. В среднем по всей земной поверхности на фотосинтез ежегодно затрачивается всего лишь около 33 кал/см², т. е. около 1/2000 всей наличной энергии. Правда, эти цифры не очень точно отражают эффективность фотосинтеза, поскольку существенная часть солнечной радиации достигает поверхности Земли в тех местах, где растительность отсутствует. Если включить в расчет только то количество солнечной радиации, которое действительно поглощается зелеными растениями, то общая эффективность фотосинтеза (отношение запасенной лучистой энергии к поглощенной) окажется более высокой - порядка нескольких процентов.