Ответить на этот вопрос можно только языком цифр и формул.
Вот значения очень точно измеренных масс изотопных атомов водорода:
Между легкими атомами, в том числе между атомами дейтерия, возможна ядерная реакция.
1D2 + 1D2 = 1H1+ 1T3
К такой реакции неприменим закон сохранения веса, каким представляла его старая химия:
2 x2,014102 ≠1,007 825 + 3,016049
Разница в массах «недостача» равна 0,00433 грамма. Это означает, что при реакции между двумя грамм-атомами тяжелого водорода можно получить, согласно уравнению Эйнштейна Е = Δm×с2, энергию:
0,00433 × (3,0 × 1010)2=3,9×1018 эрг.
Эта величина эквивалентна энергии, получаемой в наше время от сжигания в топках 13,5 тонн первосортного угля.
Итак: полвагона угля или два грамм-атома дейтерия, которые содержатся в одной грамм-молекуле тяжелой воды. А тяжелая вода есть в любой природной воде, один атом дейтерия на 6700 атомов протия. Следовательно, простой воды потребуется:
6700 ×18 = 120 500 грамм или 120 литров.
Иначе говоря, один литр обычной воды может дать больше энергии, чем 100 кг хорошего угля… Но перейдем к трудностям, которые будут лучше всего понятны тоже на примере простого расчета.
Чтобы два атома могли вступить в ядерную реакцию, их ядра должны столкнуться, т. е. сблизиться до расстояния, на котором начинают действовать межъядерные силы — примерно до 10-12 см. Найдем энергию, необходимую для того, чтобы преодолеть их взаимное отталкивание. Из закона Кулона следует, что потенциальная энергия двух ядер, сблизившихся на расстояние 10-12 см, должна быть равна
если между собой сталкиваются элементы с атомными номерами Z1 и Z2.
Представить себе, мала или не очень мала эта энергия, неспециалисту затруднительно. Гораздо легче понять, с какой скоростью должны сталкиваться атомы( чтобы преодолеть потенциальную энергию электростатического отталкивания. Они должны обладать большей или по крайней мере равной кинетической энергией.
На языке формул это означает:
Массу одного атома m можно выразить через атомный вес, зная, сколько атомов содержится в грамм-атоме:
После этого уже можно вычислять скорость V, с которой должны столкнуться атомы, чтобы могла начаться ядерная реакция.
Из двух предыдущих формул получим:
У дейтерия атомный номер Z=1. Масса изотопа А = 2. Значит, v = 5,3×1018 ×0,50,5 = 3,8×108 см/сек. Скорость атомов должна быть равна 3800 километров в секунду.
Средняя скорость теплового движения атомов дейтерия три комнатной температуре (293° К) равна всего 1,9 км/сек. Кинетическая энергия молекул возрастает (пропорционально абсолютной температуре, или, что то же самое, пропорционально квадрату спорости. Следовательно, чтобы средняя скорость молекул дейтерия была достаточной для реакции между ядрами, нужно нагреть тяжелый водород до температуры:
Итак, сталкиваться и реагировать между собой могут только ядра дейтерия, «нагретые» до температуры более миллиарда градусов. Так формулируется цифрами трудность, которую мы обсуждаем.
Быть может, тяжелую воду можно чем-нибудь заменить? Ничем. Тяжелая вода, как источник тяжелого водорода для термоядерных реакций с целью получения энергии, по-видимому незаменима. Это следует из того, что необходимая для начала реакции температура чрезвычайно сильно, как легко увидеть, вернувшись к нашим формулам, возрастает по мере увеличения атомного номера элемента Z. Часть дейтерия можно было бы заменить на тритий, но этого изотопа в природе почти нет.
Возможно ли преодолеть эти трудности? Вероятно, да. Во-первых, для того, чтобы началась реакция, не нужно весь водород нагревать до такой немыслимо чудовищной температуры. Достаточно, если хотя бы отдельные атомы будут обладать нужной энергией. Во всяком газе при любой температуре есть частицы с разными скоростями, от очень малых до очень больших. Благо даря этому реакция между атомами дейтерия будет идти с достаточной скоростью даже и при температуре в несколько раз меньшей, чем 109 градусов. Это намного облегчает задачу.
Во-вторых, существует так называемый туннельный эффект, благодаря которому всегда есть некоторая вероятность, что реакция между ядрами все же может (произойти, даже если их кинетическая энергия будет несколько ниже, чем необходимо для преодоления электростатического отталкивания.
Поэтому для начала термоядерного процесса между ядрами тяжелого водорода будет достаточна температура «всего» только в 300 миллионов градусов. Если же вести реакцию между дейтерием и тритием, то будет достаточно и 40 миллионов градусов.
Нужен не взрыв, а управляемая реакция. Нужна термоядерная «топка» с температурой в сотню миллионов градусов. И хотя в природе нет и не может быть материала, способного выдержать такую температуру, физики нащупывают путь — первыми на него ступили советские ученые — к созданию термоядерного реактора.
Ведутся опыты: «стенками» камеры могут быть мощные электромагнитные поля.
Сколько понадобится времени, чтобы термоядерная энергетика, настоящая «гидроэнергетика будущего» стала из фантазии физиков реальностью — этого сегодня не знает никто. Но ведь и электричество казалось когда-то (кстати, не так давно — каких-нибудь двести лет, назад,— величина, ничтожная в истории человечества!) забавным явлением — и ничем больше…