Гелий-2 был экспериментально найден в опытах, включающих в себя распад неона-18 в кислород-16 только в 2008 году. Поскольку получающийся в результате этой реакции дипротон был, как и положено дипротону, жутко нестабильным, его нашли исключительно по факту вылета двух протонов одновременно и в одном направлении из ядра распадающегося неона.
Конечно же, собрать килограмм ядер 2He в условиях их крайней нестабильности практически невозможно. Это как собирать «килограмм комариных крылышек». Как же наше Солнце умудряется нарабатывать энергию, заставляя упрямые протоны превращаться в дейтроны, и светит нам вот уже 4,5 млрд лет?
Все дело в том, что у дипротона есть еще один вариант дальнейшей судьбы, кроме тривиального «прощай, нам не жить вместе, я полетел дальше». У дипротона есть очень маленькая вероятность превратиться в дейтрон в результате действия уже третьего, слабого взаимодействия. В силу невозможности получения самого 2He или дипротона в сколь-либо значимых количествах, вопрос точного определения этой вероятности пока открыт. Скажем так — это не просто мало, а очень мало. Поскольку до сих пор все попытки воспроизвести протон-протонный синтез где-либо в земных лабораториях не увенчались успехом. Протоны просто отскакивают друг от друга, как горох, не образуя ни дипротонов, ни тем более дейтронов.
Кроме неприятного осадка в виде невозможности «зажечь звезду» прямо у себя в синхрофазотроне, ученые убедились, кстати, и еще во многих проблемах. Например, в 1960-е годы очень активно обсуждался так называемый прямоточный двигатель Бассарда, который представлял собой просто громадный черпак, движущийся с околосветовой скоростью. Такой черпак смог бы собирать водород прямо из межзвездного газа и позволил бы не беспокоиться о запасах топлива на борту корабля.
Однако впоследствии выяснилось, что межзвездный газ, как и наша вода, состоит в основном из протия, который хрен зажжешь просто так, «на коленке».
Как же умудряется это делать наше Солнце? В Солнце, судя по всему, все же часть дипротонов успевает превратиться в дейтроны в результате слабого взаимодействия. Связано это, в первую очередь, с громадным объемом нашего светила. Все дело в том, что превращение протона в нейтрон в результате слабого взаимодействия — вещь невероятная. Нейтрон немного тяжелее протона, поэтому на преобразование свободного протона в нейтрон надо затратить энергию. Скорее уж нейтрон превратится в протон в результате β-распада.
Однако то, что невыгодно для двух протонов по отдельности, выгодно для дипротона, поскольку дейтрон (ядро дейтерия), как мы посчитали выше, все же чуть легче двух протонов. Вероятность «мутации» одного из протонов в нейтрон внутри дипротона очень маленькая. Сейчас ее оценили как 1/10−30, однако это лишь оценка. Ибо лишь малая часть соударений протонов внутри Солнца приводит к образованию дейтерия. Однако синтез протия дает нашему Солнцу около 60 % всей энергии. Оставшиеся 40 % энергии Солнца дает цикл на ядрах углерода, азота и кислорода, или CNO-цикл, но о нем — чуть ниже. В общем, для того чтобы заставить этот упрямый протий все-таки отдать нам хоть чуть-чуть вожделенного E=mc2, приходится брать молоток побольше, а газовый шарик — помассивнее. В результате такого большого скопления протонов, которые сталкиваются и разлетаются снова, в результате β+-распада одного из протонов ядра превращается в нейтрон, дипротон — в дейтрон (ядро дейтерия), а из новорожденного, уже стабильного ядра «тяжелого» водорода вылетают антиэлектрон (или позитрон) и нейтрино. Короче, все не совсем и просто в этих реакциях.
Ожидаемо, по закону сохранения энергии, часть энергии такой реакции уносится с нейтрино, которое уже очень трудно поймать, а основная часть из E=mc2, полученного за счет дефекта массы, улетает вместе с позитроном.
После этого, обычно очень быстро, позитрон полностью аннигилирует с каким-нибудь соседним электроном, образуя два гамма-кванта с энергией в 0,51 МэВ.
Вот так. Основная начальная реакция, которая разогревает наше Солнце, наряду с другими, которые уже идут на основе полученного дейтерия, это аннигиляция.
Отсюда, если приматывать протон-протонный цикл где-нибудь синей изолентой к бетонному фундаменту у нас на матушке-Земле, то надо быть готовым к жесткому гамма-излучению от аннигиляции излучаемых позитронов. А она целебна (точнее не совсем вредна) только в очень-очень малых количествах. Например, позитронная томография использует именно β+-распад многих искусственных изотопов и позволяет детально рассмотреть многие мягкие ткани человека.
В общем, не получается собрать термоядерный реактор, как на Солнце, в наших убогих земных условиях. То ли мы не Тони Старки, то ли синяя изолента у нас слабовата.
Ну и пусть слабовата. Зато мы живы и с нормальной «легкой» водой. А не с гелием-2 в какой-то непонятной, безжизненной Вселенной.
Ладно, звезду не зажгли. Ну а что там можно сделать дальше, с дейтерием?
Многие из читателей слышали о токамаках и о том, что ими пытаются «зажечь» термоядерную энергию у нас, на Земле. К сожалению, понимание проблем токамакостроения и плазмоудержания у современных обывателей, находится на весьма убогом уровне. Те светлые времена, когда журнал «Наука и Жизнь» выходил тиражом в 3 миллиона экземпляров и нес просвещение в массы, уже позади. Сейчас тираж «Науки и Жизни» скатился до жалких 40 000 экземпляров, а сам журнал представляет собой убогую тень своего славного прошлого — с «юбилейными» статьями и колонкой «на заметку домохозяйке».
Я попробую рассказать вам об инженерных проблемах термоядерной энергетики максимально доступно, но в то же время — с сохранением всего объема технической информации, необходимого для понимания того, во что и где уперлись ученые, инженеры и строители в деле создания «рукотворного Солнца» на Земле.
Вначале о понятном простым людям — о размерах. Вот сравнение (чисто в рамках геометрии установок!) того пути, который уже был пройден и который еще предстоит пройти термоядерной энергетике.
Рис. 176. Данные для компаративного анализа размеров термоядерных установок.
Блоха в левом нижнем углу рисунка — это первый настоящий токамак Т-3, созданный в СССР в 1960-е годы и продемонстрировавший миру принципиальную возможность создания электростанции, основанной на магнитном удержании высокотемпературной плазмы для создания термоядерной реакции. Маленькая палочка под трубой большого ITERa (справа), который сейчас строит весь мир, это человек. Вот он же в сравнении с токамаком Т-3 на старом архивном фото для понимания размеров ITERa.
Рис. 177. Архивная фотография работы человека на установке Т-3.
Как видите, наши отцы даже и не представляли, насколько трудная и масштабная задача предстоит им в деле будущего покорения термоядерной энергии.
Причем если кто-либо думает, что путь прогресса от Т-3 до ITERа — это лишь вопрос нахождения молотка побольше и организации рабов на заливку бетонного основания токамака, то он глубоко ошибается.
ITER гораздо технологичнее самого последнего и самого большого современного токамака JET во столько же раз, во сколько раз и сам JET технологичнее старого, доброго, «лампового» Т-3.
Надо сказать, что даже ITER еще будет, несмотря на всю свою технологичность, всего лишь «наскоро сделанным на коленке» прототипом. Конечно, не на коленке, конечно не наскоро, но именно прототипом. Например, охлаждение первой стенки реактора в нем будет вестись с помощью обычной воды, в то время как в серийной термоядерной станции DEMO, строительство которой начнут сразу же после постройки и успешного пуска ITERа, первая стенка плазменной камеры будет охлаждаться уже жидким гелием. То есть ученые спешат. Ученые очень спешат, пытаясь сделать реакторы на термоядерной энергии, но это отнюдь не так просто, как это представляется многим.
