Термоядерная мощь. Сила солнца в наших руках?
Солнце настолько мощное, что за 1 секунду могло бы обеспечить весь мир энергией на миллион лет вперёд . Внутри Солнца спрятан источник энергии с огромной мощностью и такой же источник находится в каждой из 100 млрд. звезд нашей галактики.
Наша вселенная бурлит от чистой мощной безграничной энергии.
Но можно ли получать такую энергию на Земле?
Исходя из знаний физики, вполне можно производить энергию точно так же, как ее производят звезды — с помощью термоядерного синтеза. И здесь важно обратить внимание на встречающиеся в разговорном языке закрепившиеся выражения — термоядерный чеснок и т.п. т т.д. :). От чего же слово термоядерный демонстрируется таким мощным?
Термоядерный синтез простым языком
Термоядерный синтез — это процесс, который позволяет Солнцу гореть вот уже 5 млрд. лет. Это мощный природный источник чистой энергии.
Когда мы рассматривали явление радиоактивности и изучали понятие радиации , мы узнали, что можно получать энергию от распада вещества. Вещество распадается на частички и энергия высвобождается. При этом появляется много вредного излучения.
Термоядерный синтез же не создает эффекта глобального потепления и не производит никаких вредных выбросов. Это процесс, по сути дела, обратный процессу радиоактивного распада. Да, сейчас найдутся те, кто будут критиковать эту формулировку и будут правы. Но пока нам надо понять логику процесса и такое упрощение допустимо.
Поэтому, упростим и скажем, что термоядерный синтез — это процесс, в котором ядра легких атомов сливаются друг с другом образуя тяжелые атомы (ну или более тяжелые) . Именно в момент слияния происходит выделение огромного количества энергии.
Ну и понятно наверное, что для того, чтобы слить ядра таким образом нужно некоторое отклонение от баланса. В данном случае — нужна сверх-высокая температура, соизмеримая с температурой солнца. Именно потому есть слово ТЕРМО.
Сила солнца в моих руках
Если кто-то смотрел великолепный фильм Человек Паук (кстати, здесь мы рассматривали , смог бы человек-паук лазить по стенам или нет), то возможно помнит эпизод, где доктор-осьминог держал в механических руках ядро, внешне напоминающее солнце и приговаривал «сила солнца в моих руках». От этого крыша ученого и поехала :). Но не о том речь. Нас интересует, возможна ли термоядерная реакция на Земле и можно ли её создать?
В центре Оксфордшира вот уже 30 лет зажигают маленькие звезды.
Joint European Torus (JET) — самый большой в мире термоядерный реактор. Каждый день здесь происходят термоядерные реакции.
Самым трудным было создать необходимые условия. Чтобы запустить ядерную реакцию, требовалась температура в 10 раз выше, чем в центре Солнца. Исследования в Оксофордшире идут уже несколько десятков лет.
Однако, все, что пока получается — это короткие энергетические вспышки .
Электричество здесь не вырабатывается, пока мы не умеем получать из термоядерного синтеза реальную энергию . В природе такой процесс идет только в одном месте — в центре звезд, огромных небесных генераторов, таких, как наше Солнце.
Ученые поняли из чего состоят Солнце и звезды. Но это их лишь запутало.
Водород и гелий — самые легкие элементы во Вселенной.
Получается так, что Солнце состоит из самых легких элементов . Как же при этом получается невероятное количество энергии?
Отметим, что абсолютно любой предмет вокруг нас — это чистый сгусток энергии. В одной денежной банкноте содержится столько же энергии в чистом виде, сколько в водородной бомбе. То есть в каждой денежной бумажке находится по водородной бомбе.
Когда Эйнштейн вывел свое знаменитое уравнение, поначалу никто и не подозревал, что это ключ к изучению Солнца. Это стало ясно лишь через 15 лет, когда британский физик Артур Эддингтон сделал открытие.
Эддингтон обратил внимание на очень известный факт — если соединить 4 ядра водорода, то получается гелий. Гелий очень легкий, он легче, чем 4 ядра водорода по отдельности.
Куда же девается эта разница?
Эддингтон предположил, что внутри Солнца ядра водорода соединяются в гелий. А оставшаяся масса излучается в виде энергии. Вот эта энергия и есть солнечный свет. И теперь нам известно, что каждую секунду Солнце теряет около 4 млн. тонн массы в виде энергии.
Эддингтон был прав, однако, в свое время над ним посмеялись. А ведь на самом деле это он открыл процесс, который сейчас называется термоядерный синтез. Эддингтон утверждал, что именно термоядерный синтез подкармливает Солнце. Но коллеги ему возразили, что в центре солнца для процессов синтеза не достаточно горячо.
В то время физикам просто-напросто не хватало знаний, чтобы понять, что синтез возможен.
Однако, Эддингтон был настолько уверен, что сказал: «Если вы считаете, что в центре звезды не достаточно жарко для синтеза, поищите место погорячее». Он попросту вежливо, по-британски послал их в ад.
Конечно, место погорячее никто не нашел, теорию Эддингтона в конце концов приняли, развили и уточнили.
Но она не объясняла один ключевой вопрос — каким образом Солнце зажглось?
13 млрд. лет назад звезды еще не существовали. Невероятно, но астрономы смогли собрать свет той эпохи. Они засекли свет, который Вселенная излучала сразу после рождения. Ученые запустили специальный зонд, который сделал фотографию Вселенной в детстве.
Сначала Вселенная представляла собой гигантское облако газа. Но внутри облаков были уплотнения, поэтому облака начали разваливаться. Так появились галактики, а уже в них — звезды. Зажглись первые поколения звезд. Внутри них пошел процесс термоядерного синтеза — эпоха темной Вселенной закончилась. Тут полезно вспомнить, что такое темная материя .
Многие из первых звезд были гигантами, в сотни раз тяжелее Солнца. Они очень быстро израсходовали весь свой водород, взорвались и погибли. Эти звезды были первыми химическими заводами Вселенной.
Всего только из гелия и водорода они создали все химические элементы, которые известны человечеству сегодня.
Звезды — это термоядерные реакторы, они создали элементы, из которых созданы мы.
Сегодня перед учеными стоит главная проблема: как преодолеть силу сопротивления ядер, как создать необычайно высокую температуру и давление, но в меньших масштабах ?
Для этого нужно устроить контролируемый взрыв на базе термоядерного горючего. Ключевое слово «контролируемый» . Вот с этим пока главная проблема.
Ну и тут важно отметить, что вместе с совершенствованием технологий неплохо было бы и повысить ответственность человечества. Ни в коем случае нельзя допускать, чтобы подобные работы попали ни в те руки и были использованы для чего-то, кроме как для получения чистой недорогой энергии .
Источник
Обзорная статья о нуклеосинтезе в звёздах, звёздной эволюции и сверхновых
Остатки сверхновой в созвездии Тельца, вспыхнувшей в 1054 году нашей эры и зарегистрированной китайскими астрономами.
Всем многообразием химических элементов существующих в природе мы обязаны звёздам. Ведь в самом начале существования Вселенной первичный ядерный синтез подарил Вселенной только водород и гелий.
Спустя сотни тысяч лет зажглись первые звёзды, внутри которых начался синтез ядер более тяжёлых элементов. Ведь что такое звезда? Звезда — это баланс между энергией, выделяющейся при нуклеосинтезе в её ядре, и гравитационной силой, сжимающей звезду. В конечном итоге, гравитация всегда побеждает — это только вопрос времени.
Как работает внутризвёздная алхимия?
Первичным ресурсом для термоядерного синтеза являются ядра водорода, из которых более чем на 90% и состоят звёзды. В результате реакции термоядерного синтеза из четырех протонов в конечном итоге образуется ядро гелия, с выделением ряда разнообразных элементарных частиц. В конечном состоянии суммарная масса образовавшихся частиц меньше массы четырех исходных протонов, а значит, в процессе реакции выделяется свободная энергия. Из-за этого внутренне ядро новорожденной звезды быстро разогревается до сверхвысоких температур, и его избыточная энергия начинает выплескиваться по направлению к ее менее горячей поверхности. Одновременно с этим нарастает и давление в центре звезды (уравнение Менделеева-Клапейрона). Таким образом, «сжигая» водород в процессе термоядерной реакции, звезда не дает силам гравитации сжать себя до сверхплотного состояния, противопоставляя гравитационному коллапсу непрерывно возобновляемое внутреннее термическое давление, в результате чего возникает устойчивое энергетическое равновесие. Этот период жизни звезды называется главной последовательностью (на диаграмме Герцшпрунга-Рассела) и является самым продолжительным. В частности, Солнце находится на активной стадии сжигания водорода в процессе активного нуклеосинтеза уже около 5 миллиардов лет, и запасов водорода в ядре для его продолжения нашему светилу должно хватить еще на 5,5 миллиардов лет.
Диаграмма Герцшпрунга-Рассела
Надо сказать, что определяющим свойством звезды является, конечно же, её масса. Большинство звёзд лежит в пределах от 0,1 до 100 масс Солнца. Мы, как патриоты, естественно, измеряем массу звёзд в солнечных массах.
Основные фазы звёзд разнятся по свойствам и продолжительности в зависимости от массы, но начало конца у всех одинаково.
По мере истощения запасов водорода в недрах звезды силы гравитационного сжатия, терпеливо ожидавшие этого часа с самого момента зарождения светила, начинают одерживать верх — и под их воздействием звезда начинает сжиматься и уплотняться. Этот процесс приводит к двоякому эффекту: температура в слоях, окружающих ядро, звезды повышается до уровня, при котором содержащийся там водород вступает в реакцию термоядерного синтеза с образованием гелия. В то же время температура в самом ядре, состоящем теперь практически из одного гелия, повышается настолько, что уже сам гелий — своего рода «пепел» затухающей первичной реакции нуклеосинтеза — вступает в новую реакцию термоядерного синтеза: из трех ядер гелия образуется одно ядро углерода. Этот процесс вторичной реакции термоядерного синтеза, топливом для которого служат продукты первичной реакции, — один из ключевых моментов жизненного цикла звезд.
При вторичном сгорании гелия в ядре звезды выделяется так много энергии, что звезда начинает буквально раздуваться. В частности, оболочка Солнца на этой стадии расширится за пределы орбиты Венеры. При этом совокупная энергия излучения звезды остается примерно на том же уровне, что и в течение основной фазы ее жизни, но, поскольку излучается эта энергия теперь через значительно большую площадь поверхности, внешний слой звезды остывает до красной части спектра. Звезда превращается в красный гигант.
Для звезд класса Солнца после истощения топлива, питающего вторичную реакцию нуклеосинтеза, снова наступает стадия гравитационного коллапса — на этот раз окончательного. Температура внутри ядра больше не способна подняться до уровня, необходимого для начала очередной термоядерной реакции синтеза. Поэтому звезда сжимается до тех пор, пока силы гравитационного притяжения не будут уравновешены давлением вырожденного электронного газа. Электроны, до этого момента не игравшие видную роль в эволюции звезды, на определенной стадии сжатия из-за высокого давления и температуры внутри ядра почти все покидают свои ядерные орбитали. Находясь в таком высокоэнергетическом состоянии они уже сами оказывают сопротивление гравитационному сжатию. Состояние звезды стабилизируется, и она превращается в белого карлика, который будет излучать в пространство остаточное тепло, пока не остынет окончательно.
Звезды более массивные, чем Солнце, ждет куда более зрелищный конец. После сгорания гелия их масса при сжатии оказывается достаточной для разогрева ядра и оболочки до температур, необходимых для запуска следующих реакций нуклеосинтеза — углерода, затем кремния, магния — и так далее, по мере роста ядерных масс. При этом, при начале каждой новой реакции в ядре звезды предыдущая продолжается в его оболочке. Таким образом звезда начинает напоминать луковицу с разными реакциями синтеза в определённых слоях. На самом деле, все химические элементы вплоть до железа, из которых состоит Вселенная, образовались именно в результате нуклеосинтеза в недрах умирающих звезд этого типа. Но железо — это предел; оно не может служить топливом для реакций ядерного синтеза или распада ни при каких температурах и давлениях, поскольку как для его распада, так и для добавления к нему дополнительных нуклонов необходим приток внешней энергии. В результате массивная звезда постепенно накапливает внутри себя железное ядро, не способное послужить топливом ни для каких дальнейших ядерных реакций.
Как только температура и давление внутри ядра достигают определенного уровня, электроны начинают вдавливаться в протоны ядер железа, в результате чего образуются нейтроны. И за очень короткий отрезок времени — некоторые теоретики полагают, что на это уходят считанные секунды, электроны буквально растворяются в протонах ядер железа, и всё вещество ядра звезды превращается в сплошной сгусток нейтронов и начинает стремительно сжиматься в гравитационном коллапсе, поскольку противодействовавшее ему давление вырожденного электронного газа падает до нуля. Внешняя оболочка звезды, из под которой оказывается выбита всякая опора, обрушивается к центру. Энергия столкновения обрушившейся внешней оболочки с нейтронным ядром столь высока, что она с огромной скоростью отскакивает и разлетается во все стороны от ядра — и звезда буквально взрывается в ослепительной вспышке сверхновой звезды. За считанные секунды при вспышке сверхновой может выделиться в пространство больше энергии, чем выделяют за это же время все звезды галактики вместе взятые.
После вспышки сверхновой и разлета оболочки у звезд массой порядка 10-30 солнечных масс продолжающийся гравитационный коллапс приводит к образованию нейтронной звезды, вещество которой сжимается до тех пор, пока не начинает давать о себе знать давление вырожденных нейтронов — иными словами, теперь уже нейтроны (подобно тому, как ранее это делали электроны) начинают противиться дальнейшему сжатию.
Наконец, если масса ядра звезды превышает 30 солнечных масс, ничто не в силах остановить ее дальнейший гравитационный коллапс, и в результате вспышки сверхновой образуется черная дыра.
Почему сверхновые так важны?
Недавно, благодаря наблюдательным данным, подтвердилась гипотеза о том, что термоядерный синтез происходит также и в сам момент вспышки сверхновой — ударная волна проходит через все слои звезды, на мгновение значительно повышая давление, и запускает кратковременый синтез самых тяжелых элементов таблицы Менделеева.
Более того, сверхновые являются главными распространителями элементов по Вселенной, разбрасывая их на многие сотни световых лет от места их рождения. А давление излучения на окружающие газопылевые облака запускает процесс рождения новых звёзд.
Как же мы узнаем о химическом составе таких объектов как звёзды?
Дело в том, что атомы каждого химического элемента имеют строго определённые резонансные частоты, в результате чего именно на этих частотах они излучают или поглощают свет. Это приводит к тому, что в спектроскопе на спектрах видны линии (тёмные или светлые) в определённых местах, характерных для каждого вещества. Интенсивность линий зависит от количества вещества и его состояния.
Оптическая спектроскопия зародилась в 1802 году, когда были обнаружены темные линии в спектре Солнца. Эти линии заново открыл и описал Фраунгофер в 1814 году. В 60-е годы XIX века Кирхгоф дал почти правильную трактовку этих линий, считая что это линии поглощения, обусловленные наличием в атмосфере Солнца различных газов, и что с каждым газом связана определенная линия.
Целенаправленная научная спектроскопия началась в 1853 году, когда Ангстрем сопоставил линии излучения газов с различными химическими элементами — так зародился новый метод получения информации о составе веществ — спектральный анализ. Сейчас это один из мощнейших инструментов современной науки. Этот чувствительный метод широко применяется в аналитической химии, астрофизике, металлургии, машиностроении, геологической разведке, археологии и других отраслях науки.
Источник