ядерный реактор

Радиоизотопные источники энергии, работающие на альфа-распаде плутония-238, уже более шестидесяти лет питают кардиостимуляторы и космические аппараты. Однако сырья для них критически мало: мировое производство плутония-238 составляет лишь несколько килограммов в год, что едва покрывает потребности ключевых миссий.

Атомное ядро обычно представляют как плотный шар, в котором протоны и нейтроны перемешаны. Однако у некоторых изотопов нейтроны могут выступать далеко за пределы этого шара, образуя разреженную оболочку — нейтронное гало. Это явление особенно характерно для ядер с большим избытком нейтронов над протонами.

В 1976 году физики предсказали: электрон может не просто пролететь мимо ядра, а врезаться в него и передать энергию, заставив ядро «вздрогнуть». Эффект назвали NEEC — ядерное возбуждение путём захвата электрона (Nuclear Excitation by Electron Capture). Но за почти пятьдесят лет его так и не смогли увидеть в эксперименте.

Гонка за термоядерной энергией напоминает попытку удержать молнию в бутылке. Десятилетиями физики бьются над тем, чтобы воссоздать на Земле процессы, питающие Солнце.

Пустое пространство не так пусто, как кажется. Согласно квантовой теории, вакуум наполнен непрерывно рождающимися и исчезающими частицами. В 1976 году физик Билл Унру показал: если наблюдатель движется с ускорением, этот «квантовый бульон» превращается для него в настоящую тёплую ванну — эффект Унру.

В недрах нейтронной звезды вещество сжато так сильно, что привычные протоны и нейтроны уступают место новым игрокам. Там рождаются гипероны — частицы, внутри которых живёт странный кварк. Вопрос о том, сколько энергии нужно, чтобы выдавить такой гиперон из ядерной среды, не праздный: от ответа зависит, устоит ли звезда или схлопнется в чёрную дыру.

Самый точный маятник в мире — не стальной стержень, а крошечное атомное ядро. У изотопа тория-229 есть особое возбуждённое состояние: чтобы перевести ядро в него, нужно совсем немного энергии — примерно как у ультрафиолетового лазера.

Маятник, который почти ничто не может сбить, не боится ни тряски, ни тепла, ни магнитных полей — потому что спрятан в самой сердцевине атома. Именно такой маятник использовали физики, впервые запустив ядерные часы. Раньше лучшие часы — оптические — работали на переходах электронов. Но электроны живут на периферии атома, как бабочки на ветру: любое внешнее воздействие их тревожит.

Самые точные современные часы — атомные — отсчитывают время по переходам электронов между энергетическими уровнями. Однако их ход можно нарушить: подобно тому, как тряска сбивает ритм механического маятника, внешние поля влияют на электронные оболочки. Физики нашли более стабильный осциллятор — атомное ядро.

Электронные облака вокруг атомных ядер можно представить как пушистые шубы: они не дают ядрам сблизиться для слияния. Но замените лёгкий электрон на мюон — тяжёлый аналог электрона из стандартной модели элементарных частиц, — и картина меняется. Мюон формирует компактную «шубу», сжимая электронное облако почти в 200 раз.

Атомное ядро — это природная пружина колоссальной силы. Когда протоны и нейтроны внутри него перестраиваются, оно переходит в особое долгоживущее состояние — ядерный изомер (метастабильное состояние ядра с избыточной энергией). В нём запасена энергия, словно пружина сжата до предела.

Стандартная модель физики элементарных частиц — это теоретический каркас, описывающий все известные фундаментальные частицы и их взаимодействия. Однако она не объясняет природу тёмной материи, на которую приходится около четверти массы-энергии Вселенной. Для поиска её проявлений не всегда нужны гигантские ускорители.

Качели раскачиваются, только если толкать их в такт. Чуть собьёшься с ритма — и усилия пропадают даром. Примерно так же свет взаимодействует с атомным ядром: обычно фотон поглощается, лишь когда его энергия точно совпадает с разницей между ядерными уровнями. Но что делать, если энергия фотона не подходит? Авторы новой работы нашли обходной путь.

Лазер бьёт по мишени из тонких проволочек — и за десятки фемтосекунд (миллиардных долей миллиардной доли секунды) выбивает из них поток протонов. Эти протоны влетают в конвертер из лития и дейтерия, где рождаются нейтроны.

Ядро атома тория-229 подобно натянутой гитарной струне: оно вибрирует на строго определённой частоте. Чтобы «извлечь звук», нужен точный удар — луч лазера строго определённого цвета. Сама идея уходит корнями к открытию радиоактивности Эрнестом Резерфордом и Марией Кюри.

Река течёт к водовороту, но на пути стоит дамба с прорезью. Большая часть воды скапливается перед дамбой, но часть, набрав высоту, перелетает через неё и падает прямо в воронку. Так и газ в галактике: он стекает к центру, но упирается в кольцо из звёзд и газа — оно как дамба. Обычно там всё и останавливается, закручиваясь в плотный вихрь.

Лазерный луч, по мощности сопоставимый с шёпотом света, перевёл ядро тория-229 в возбуждённое состояние с более высокой энергией.

Нейтрино — крошечные частицы, которые проходят сквозь толщу планеты, как свет сквозь оконное стекло. Каждую секунду через ноготь вашего мизинца пролетают миллиарды таких частиц, но поймать хотя бы одну — задача не из лёгких. Для этого в Канаде вырыли шахту глубиной два километра и поставили там детектор SNO+. Глубина нужна, чтобы спрятаться от космических лучей, которые создают помехи.

При столкновении тяжелых ядер на ускорителях рождается множество частиц, и физики хотят понять, как в этом хаосе перемещается электрический заряд. Два поезда врезаются друг в друга: пассажиры (кварки) разлетаются, но их багаж (заряд) может оказаться далеко от места крушения.

Внутри Солнца каждую секунду идут невидимые ядерные превращения. Одно из них — рождение бора-8: ядро бериллия-7 ловит пролетающий протон и на мгновение становится новым элементом. Этот шаг запускает цепочку, которая заканчивается вылетом нейтрино — частицы, способной пролететь сквозь Землю насквозь.

Обычный ядерный реактор похож на котёл, где топливо сгорает равномерно по всему объёму. Здесь другая картина: по цилиндрическому стержню из карбида урана медленно ползёт волна деления — узкая зона, где атомы расщепляются и выделяют тепло. Впереди волны топливо ещё не тронуто, позади — уже отработало. Так огонь бежит по фитилю свечи, оставляя за собой воск.

Таможенник не может разобрать чемодан на части, чтобы узнать, что внутри. Он просвечивает его рентгеном и по теням на экране понимает: вот металл, вот органика. Примерно так же инспектор будущих договоров о ядерном разоружении должен проверять боеголовку — не открывая её и не видя секретной начинки. Нейтроны для такой проверки подходят лучше рентгена.

В тёмной камере, где температура лишь на четыре градуса выше абсолютного нуля, лежит кристалл сапфира размером с рисовое зерно. Когда сквозь него пролетает нейтрино — частица-призрак, почти не замечающая вещество, — кристалл вздрагивает и нагревается на ничтожную долю градуса. Этот тепловой отклик ловят сверхчувствительные датчики на краях кристалла.

В недрах умирающей звезды перед взрывом сверхновой идут ядерные реакции, которые определяют, какие химические элементы разлетятся по космосу. Одна из таких реакций — столкновение ядра кислорода с протоном, после которого рождается ядро азота и альфа-частица (ядро гелия).

Каждый раз, когда дейтерий и тритий сливаются в термоядерном реакторе, вылетает быстрый нейтрон. Он может превращать одни вещества в другие — например, создавать ценные изотопы для медицины. Сегодня такие нейтроны стоят баснословно дорого, потому что экспериментальных установок мало и работают они редко.

Внутри будущего термоядерного реактора будет парить магнит весом с небольшой автомобиль. Он удерживает раскалённую плазму, как невидимая рука держит облако. Раньше такой магнит считался непригодным для топлива из дейтерия и трития: потоки нейтронов быстро разрушали его. Теперь инженеры придумали, как защитить магнит и заменить повреждённую часть.

В апреле 2023 года японские спутники зарегистрировали сверхмощную рентгеновскую вспышку на нейтронной звезде MAXI J1752–457. Примечательно, что звезда остыла за 4 дня — впятеро быстрее типичного сценария. Это похоже на внезапно распахнутую космическую форточку, через которую тепло стремительно уходит прочь.

Антипротон — близнец протона, только с отрицательным зарядом. Когда такой близнец подлетает к ядру, он не просто отскакивает: между ними возникает целый танец притяжения и отталкивания. Физики из ЦЕРНа научились рассчитывать этот танец для самых лёгких ядер — дейтерия (протон плюс нейтрон), трития и гелия-3.

Атомное ядро обычно живёт в одном энергетическом состоянии, как мяч, лежащий на полу. Но у тория-229 есть редкое исключение: ядро может застрять на крошечной ступеньке над полом — в так называемом изомерном состоянии. Эта ступенька настолько низкая, что её можно задеть обычным светом, а не жёстким излучением.

Каждый год в одних только Соединённых Штатах врачи проводят больше 16 миллионов обследований с радиоактивным изотопом технецием-99m. Он подсвечивает на снимках сердце, кости, лёгкие, помогает найти опухоль или проверить кровоток. Но сам изотоп живёт всего шесть часов, поэтому его нельзя накопить впрок — нужен постоянный подвоз.

Зажечь миниатюрное солнце — давняя мечта человечества. Обычно учёные пытаются удержать раскалённую плазму (газ из заряженных частиц) при температурах в сотни миллионов градусов. Но плазма норовит вырваться из магнитных ловушек, и удержание стоит огромных затрат.

Умирающая звезда похожа на многоэтажный дом, который складывается внутрь себя. Ядро сжимается до немыслимой плотности, а внешние слои падают на него со скоростью в десятки тысяч километров в секунду. В этот момент рождаются нейтрино — частицы, которые почти не замечают обычное вещество и уносят энергию прочь. Но иногда они не просто улетают, а вмешиваются в ход взрыва.

Алюминий-26 — это изотоп, который живёт недолго по космическим меркам: всего около миллиона лет. Когда массивная звезда взрывается как сверхновая, она выбрасывает этот алюминий в космос. Позже он распадается, испуская гамма-лучи, которые можно поймать телескопами.

Чтобы два атомных ядра слились, необходимо преодолеть их яростное электрическое отталкивание — кулоновский барьер, словно свести двух разъярённых быков. В обычных условиях помогает лишь чудовищная энергия, как в звёздных ядрах, где ещё в 1930-х годах Ганс Бете объяснил механизм термоядерного синтеза.

В недрах звёзд лёгкие ядра сливаются, рождая гелий и потоки нейтронов. На Земле этот процесс воспроизводят, соединяя дейтерий и тритий — особые изотопы водорода, содержащие один и два нейтрона соответственно.

Воздушный шар ATIC поднялся над Антарктидой и поймал частицы, которые старше самой Земли. Среди них — ядра атомов от серы до хрома, и чем выше их энергия, тем больше их доля по сравнению с железом. Стандартная модель «дырявого ящика» предсказывала обратное: тяжёлые ядра должны были растворяться, как соль в воде. Но данные упрямо росли.