Чтение онлайн

Атомный усилитель запускает в земной коре реакцию распада урана и тория с выбранной и заранее установленной скоростью (Айзек Азимов "Роботы и империя"). Наиболее эффективный путь деления природных урана и тория - облучение нейтронами с их поглощением атомными ядрами и распадом образуемых нестабильных ядер. Из-за низкой концентрации делящихся атомов даже в самых богатых рудах подавляющая часть нейтронов будет поглощаться ядрами других элементов, что приведет к возникновению наведенной посторонней радиоактивности. Опуская детали, можно сказать, что для запуска реакции деления с нужными скоростями понадобятся столь высокие интенсивности потока нейтронов, что облучение ими самими и посторонними радиоактивными продуктами вызовет более серьезные последствия, чем радиоактивность продуктов распада одних только делящихся атомов. Чтобы, к примеру, такое не происходило в ядерных реакторах, в них применяются концентрированные смеси делящихся изотопов, стойкие к действию нейтронов конструкционные материалы, а активная зона окружается слоем вещества, отражающего нейтроны обратно в эту зону. То же самое можно сказать о попытках делить содержащиеся в земных породах уран и торий другими гипотетическими частицами. Магический "атомный усилитель" тут ничем не поможет.

"...Твердый раствор трансплутониевых изотопов.., эквивалент первичного протовещества, давшего начало Вселенной" (Альфред Бестер "Тигр! Тигр!"). Инфляционная модель появления Вселенной предполагает ее рождение со всем содержимым из квантовых флуктуаций вакуума, а не из какой-либо разновидности обычного вещества, которое до начала жизни Вселенной не могло существовать.

Оставшиеся на Земле от давних посещений галактов износостойкие изделия изготовлены из трансуранового элемента с порядковым атомным номером 161 (Джек Макдевит "Звездный портал"). Последним элементом периодической таблицы, имеющим стабильные изотопы, является уран с порядковым номером 92. Атомные ядра более тяжелых элементов неустойчивы по отношению к распаду. Поэтому такие элементы могут встретиться в природе лишь спустя небольшое время после порождающих их звездных катастроф, а их искусственно получаемые атомы живут короткое время, и чем больше атомный номер, тем это время в среднем короче.

Трансмутацию - целевое превращение одних химических элементов в другие (Айзек Азимов "Основание", "Основание и империя", Пол Андерсон "Сатанинские игры", Ларри Нивен "Мир-Кольцо")– настолько редко можно представить происходящей через последовательность одних лишь стабильных изотопов, как пытался утверждать Роберт Хайнлайн в романе "Шестая колонна", что с этой возможностью не стоит даже считаться. Практически всегда возможная цепочка превращений, например, последовательность вторичных звездных термоядерных реакций, должна включать в себя промежуточные нестабильные изотопы, распадающиеся с выделением того или иного опасного для жизни радиоактивного излучения, как это верно подметил Пол Андерсон в романе "Три сердца и три льва". Поэтому широкое применение трансмутации потребовало бы не только избытка дешевой энергии, но и развитой технологии очистки конечного продукта от радиоактивных примесей. Сложностей возникает не меньше, чем у средневековых алхимиков с их поисками волшебного философского камня, якобы способного проделывать такое превращение.

В романе "Уолдо" Роберт Хайнлайн предлагает почти неисчерпаемый источник энергии на основе ядерной реакции превращения меди в фосфор, кремний и гелий-3. Это не очень удачный пример, так как медь находится недалеко от максимума удельной связи нуклонов в периодической таблице элементов и поэтому деление прочно связанных ядер ее стабильных изотопов требует либо высочайших температур внутризвездного уровня, либо эквивалентных энергий налетающих на ядро быстрых частиц. С учетом ненамного меньших энергий связи в ядрах фосфора и кремния и то, и другое не позволяет надеяться на более или менее пристойную эффективность подобной реакции. При подсчете полного баланса нельзя ориентироваться только на высокую исходную энергию связи, надо обязательно учитывать, сколько придется затратить на ее разрыв и сколько требуется на формирование ядер конечных продуктов. Не зря же на атомных электростанциях для деления атомных ядер на одинаковые в среднем "половинки" используют наиболее тяжелые, неустойчивые элементы периодической системы. Несмотря на малую удельную энергию связи в их ядрах, конечная эффективность здесь может быть выше, чем в случаях гипотетических "средних" альтернатив. В том числе потому, что тяжелые ядра могут делиться нейтронами, рождающимися в предшествующих актах деления, а это позволяет организовать цепную, самоподдерживающуюся реакцию без дополнительного приложения внешней энергии. По той же причине вряд ли при обычных условиях существует катализатор, расщепляющий атомы железа (Альфред Бестер "Адам без Евы"), которые отличаются максимальной энергией связи нуклонов.

Чарлз Шеффилд описал будущее конца XXI века, когда малогабаритные и надежные термоядерные модули обеспечивают основные энергетические потребности промышленности и транспорта ("Холоднее льда", "Темнее дня"). В наиболее распространенной звездной реакции термоядерного синтеза сливаются ядра самого легкого элемента - водорода, образуя ядра следующего элемента, гелия (Роджер Желязны, Томас Т. Томас "Вспышка"). Ядро основного изотопа водорода состоит из единственного протона, а ядро гелия-4 - уже из двух протонов и двух нейтронов, поэтому разница удельных энергий связи между ними очень высока. Соответственно, энергетический выход реакции синтеза гелия из водорода в десятки раз больше, чем в случаях реакций деления тяжелых ядер. Дополнительным преимуществом "термояда" является отсутствие долгоживущих радиоактивных продуктов, характерных для процессов деления. Недостаток его вытекает из того же достоинства - это необходимость создания сверхвысоких температур и давлений для протекания реакций синтеза. Сейчас в нескольких странах ведутся эксперименты по искусственному термоядерному синтезу, который, как можно надеяться, в будущем станет важным источником энергии.

Катализируемые мюонами термоядерные реакции стали источником дешевой энергии и вызвали массовое строительство миниатюрных реакторов, пригодных для применения на транспорте (Артур Кларк "2061: Одиссея Три"). Отрицательно заряженные мюоны (мю-мезоны) действительно способны ускорять термоядерные реакции за счет образования мезоатомов, в которых мюон занимает место электрона. Так как мюон в двести с лишним раз тяжелее электрона, атомы мезоводорода имеют гораздо меньшие эффективные размеры, чем нормальные "электронные" атомы, что заметно облегчает достижение температур, при которых начинаются термоядерные реакции со столкновением и последующим слиянием ядер таких мезоатомов. Нерешенная до сих пор проблема состоит в том, что затраты энергии на получение мюонов пока в сотни раз превышают тот выход реакций, который достигается с их участием. Похоже, здесь фантасты опередили реальный график.

Для долгосрочных космических путешествий полезна "безнейтронная" термоядерная реакция изотопа гелий– 3 с тяжелым изотопом водорода, дейтерием, дающая только электрически заряженные частицы, которыми легко управлять при формировании выхлопа реактивных двигателей (Чарлз Шеффилд "Холоднее льда", Бен Бова "Колония"). Предложение последней реакции вполне естественно, в ней исключаются трудности, связанные с управлением не имеющими заряда нейтральными продуктами. При этом сложность переносится на другой уровень - содержание гелия-3 в природе чрезвычайно мало. Его концентрация несколько выше в поверхностных породах Луны за счет долгого воздействия на них солнечного ветра, отсюда возникают предложения по его добыче при освоении спутника нашей планеты.

Почти случайно в космосе обнаруживается небесное тело с необычайно высоким содержанием сверхтяжелых элементов, остаток дальней планеты сверхновой звезды (Пол Андерсон "Путеводная звезда"). Когда в звезде главной последовательности выгорает основная часть содержащегося в ней водорода, температура ее центральных областей падает, нарушая равновесие между давлением выделяемого при реакции излучения и гравитационным притяжением. Звезда начинает сжиматься с повышением давления и температуры в центре. Как только их значения станут достаточными для синтеза ядер углерода из ядер гелия, термоядерные реакции начнут протекать по этому пути. Для этого звезда должна иметь достаточно большую массу, иначе гравитация будет слаба и не сожмет вещество до нужной степени. Если звезда обладает начальной массой, примерно в десять и более раз превышающей массу нашего Солнца, то при выгорании в ней основной части водорода гравитация может "схлопнуть" ее выгоревшее ядро до малого размера с почти мгновенным превращением высвободившейся потенциальной энергии в огромное количество тепла. Это тепло инициирует быстропротекающие термоядерные реакции, в том числе во внешних слоях звезды, в которых из-за более низких температур еще сохраняется водород. В результате процесс приобретает характер взрыва с моментальным "пробегом" цепочек термоядерных реакций и синтезом тяжелых элементов. Обогащенная ими наружная оболочка звезды "отскакивает" от сжатого квазитвердого ядра и выбрасывается в окружающее пространство, а интенсивность испускаемого излучения резко возрастает в миллионы и миллиарды раз. Это один из двух наиболее вероятных механизмов вспышек сверхновых звезд, насыщающих космос тяжелыми элементами (Пол Андерсон "Путеводная звезда", Аластер Рейнольдс "Пространство откровения") наряду со слиянием нейтронных звезд, при котором синтезируются наиболее массивные атомные ядра. Оставшееся после этого ядро сжимается до состояния нейтронной звезды или, при достаточно большой массе - до "черной дыры".

Второй механизм - термоядерные взрывы углеродно-кислородных белых карликов в двойных системах. Как уже упоминалось, звезды эволюционируют вплоть до почти полного выгорания ядер водорода (протонов) в их центральных областях с его превращением в ядра гелия (альфа-частицы), если масса звезды порядка солнечной или ниже. В звездах с несколько большими массами происходит дальнейшее горение альфа-частиц с образованием ядер углерода и более тяжелых элементов (Джек Макдевит "Послание Геркулеса"). По мере выгорания термоядерного топлива в центре звезда превращается в красного гиганта с изотермическим ядром, состоящим из гелия для менее массивных и углерода для тяжелых звезд. Термоядерные реакции в такой звезде протекают в удаленных от центра слоях. "Когда по меньшей мере три миллиона лет назад бывшая звезда G2 завершила первый этап своей эволюции, пепел образовавшихся гелиевых ядер начал сгорать в процессах вторичного высокотемпературного цикла термоядерных реакций, а исходное горение ядер водорода продолжалось в тонкой оболочке, находившейся далеко от центра звезды. В результате образовывались ядра атомов углерода и кислорода, также вступавшие в реакции, и звезда быстро переродилась в красного гиганта" (Дэн Симмонс "Небесные странники"). Гравитация в наружных слоях слабее и не полностью компенсирует давление излучения, что в конце концов приводит к раздуванию и сбросу наружу остатков этих слоев. После сброса, если оставшаяся масса не превышает предела Чандрасекара (примерно 1,4 массы Солнца), звезда становится белым карликом из плотной электронно-ядерной плазмы, в которой электронный газ вырожден. Если подобный карлик образует тесную двойную систему с обычной звездой-компаньоном, перетекающий с этой звезды газ попадает в состояние вырождения с медленной зависимостью давления от температуры. В результате начавшаяся на поверхности карлика термоядерная реакция протекает в крайне неравновесных условиях и вызывает формирование ударной волны и взрывной сброс поверхностных слоев с внезапным увеличением излучаемой энергии на несколько порядков величины. Со стороны это воспринимается как вспышка новой (Артур Кларк "Последняя теорема").

Присутствие углерода в звездном веществе запускает так называемый CNO-цикл, в котором протоны превращаются в альфа-частицы через последовательное поглощение протонов ядрами углерода, образующимися ядрами азота и далее - кислорода с высвобождением ядер углерода и гелия в конце такой цепочки реакций. Здесь углерод служит катализатором, ускоряющим термоядерное горение водорода по сравнению с обычным протонным циклом. В обычных равновесных условиях это сказывается на более массивных звездах, в которых в результате такое горение идет быстрее. Кроме того, реакции слияния ядер углерода и кислорода с образованием ядер кремния и их дальнейшее слияние с синтезом ядер никеля происходят с выделением большой энергии. Поэтому если белый карлик двойной системы является углеродно-кислородным, а его масса вместе с перетекшим газом достигает предела Чандрасекара или выше, все в нем взрывается сразу, с огромным выходом энергии и выбросом остатка звезды-компаньона из системы, результат чего виден как намного более сильная вспышка сверхновой.

После прохождения неожиданно появившегося нового портала сети космических сообщений корабль оказывается в океане из тяжелой воды (оксида дейтерия), что обнаруживается при сравнении масс одного и того же объема забортной жидкости с водой из корабельных запасов, выполненном с помощью пружинных весов. Предполагается, что корабль попал в иную вселенную, в которой место легкого изотопа водорода занимает дейтерий (Чарлз Шеффилд "Небесные сферы"). В нашей Вселенной образование протонов из предшествующей кварк-глюонной плазмы привело к их рекомбинации с электронами и появлению атомов водорода, гравитационной конденсации последних в сгустки, рождению звезд из больших сгустков, запуску в них основанных на участии протонов термоядерных реакций и производству гелия, а по цепочкам вторичных реакций - более тяжелых элементов. Нейтроны при этом рождаются в столкновениях протонов между собой и в свободном состоянии живут недолго, что ограничивает содержание дейтронов. Для преобладания дейтерия над обычным водородом необходимо значительное количество нейтронов в исходной смеси с протонами, а, следовательно, намного большее, чем в известной нам Вселенной, время их жизни в свободном состоянии. Такая ситуация должна в корне изменить распределение химических элементов и их изотопов, потому что если термоядерные реакции начинаются не с протонов, а с дейтронов, их продукты, а также продукты последующих реакций будут другими. В итоге условия и возможная жизнь в такой вселенной должны сильно отличаться от привычных для нас, включая вероятное отсутствие кислорода в атмосферах планет. Как почти всегда, одним фантастическим отклонением не отделаться.