Слово «энергия» встречается повсюду — на страницах газет и научных журналов, на щитках электрических машин и приборов, в быту. Чтобы добывать воду, вести поезда, освещать города, необходимо затрачивать энергию. Потребление энергии человеком растет быстрее, чем горная лавина, — за последние 50 лет люди израсходовали ее больше, чем за всю свою предыдущую историю.

К 2000 году, по некоторым расчетам, население Земли должно удвоиться — достигнуть 7 миллиардов человек. И чтобы обеспечить этих новых людей всем необходимым, нужны дополнительные источники энергии.

Альберт Эйнштейн в начале нашего века открыл закон, согласно которому масса вещества М эквивалентна энергии Е(Е = Мс²). В этой знаменитой формуле с² — постоянная величина — квадрат скорости света. Если один грамм массы полностью переходит в энергию, то должно выделиться 25 миллионов киловатт-часов. Столько же энергии получается, если в топках сжечь целый эшелон каменного угля.

Однако не так просто освободить скованную веществом энергию, пустить ее в дело.

Во всех химических превращениях, которыми пользуется человек, чтобы добыть энергию, и которые с ее выделением протекают в природных условиях, только очень малая доля вещества преобразуется в энергию.

Допустим, в топке парового котла сгорел килограмм нефти. Сложные молекулы углеводородов превратились в углекислый газ и воду и связали 1700 граммов кислорода: нефть + кислород = вода + углекислота + энергия. Вес продуктов сгорания, воды и углекислоты будет меньше веса исходного вещества (нефти и кислорода), потому что часть массы перешла в энергию. Но убыли не отметят даже точнейшие весы, — меньше миллионной доли грамма из 2700 граммов трансформировалось в энергию.

Потому-то на практике изменение массы вещества в химических реакциях никогда не учитывают.

«Зола» одного килограмма урана, сгоревшего в ядер-ном реакторе, весит 999 граммов. В энергию уже переходит ощутимое количество — миллиардные доли превратились в тысячные. Эффективность ядерного горючего в миллионы раз выше обычного, химического. Почему так происходит, нетрудно понять в свете упомянутого закона Эйнштейна.

Масса вещества, а следовательно, и его энергия, почти полностью заключена в атомных ядрах. На долю остальной части атома — электронной оболочки — приходится менее двухтысячной доли атомной массы. В химических реакциях, когда перестраиваются электронные оболочки, изменения массы на каждый реагирующий атом незначительны (ведь процесс протекает в легкой части атома!) по сравнению с убылью в ядерных превращениях, в которых преобразуется тяжелая атомная сердцевина.

Непрерывно убывает масса нашего Солнца. Ее уносит в пространство Вселенной световой поток, рождаемый ядерными процессами. В недрах Солнца ядра водорода — протоны — становятся ядрами гелия.

Уже в середине двадцатых годов нашего века ученые знали, что из одного килограмма водорода получится только 988 граммов гелия. Дело в том, что масса ядра солнечного элемента меньше массы четырех водородных ядер, из которых можно «сделать» гелиевое ядро. «Массовый» избыток при переходе водорода в гелий и обеспечивает энергией Солнце.

В старых физических журналах можно прочитать удивительные статьи. Они посвящены попыткам превратить водород в гелий. Авторы пытались в обычных лабораторных условиях того времени получить из водорода гелий. Им казалось, что стоит только найти подходящий катализатор, например палладий, — и пойдет желанная реакция. Ставились опыты. В сосуде с водородом находили примесь гелия! Получалось, что реакция протекает уже при комнатных температурах, но слишком медленно... Сегодня, просматривая такую статью, трудно сдержать улыбку — ученые твердо установили: водород становится гелием при температуре порядка 20 миллионов градусов. Очевидно, в тех опытах солнечный газ попадал в сосуд из атмосферы, а не рождался из водорода.

Высокие температуры нужны потому, что водород переходит в гелий по сложной цепи ядерных реакций. В отличие от атомов, ядра реагируют между собой лишь в том случае, когда они движутся с очень большими скоростями, существующими в сильно нагретом веществе. Только тогда они преодолевают силы отталкивания, препятствующие их сближению и взаимодействию между собой.

В нашу эпоху водород — основное вещество, из которого состоит Солнце. Однако на Солнце в незначительных концентрациях есть и другие элементы. Особую роль играет углерод. Атомное ядро обычного углерода захватывает протон и становится родоначальником циклической цепи превращений: после захвата протонов в цепи трижды появляются разные сорта атомов азота, один раз тяжелый изотоп углерода с массой 15 атомных единиц и, наконец, богатый нейтронами изотоп кислорода. Его ядро очень неустойчиво и мгновенно распадается на гелий и обычный углерод, с которого все начиналось. Углерод опять начинает захватывать протоны, и цикл превращений повторяется. В результате количество углерода не изменяется, а в каждом цикле исчезают четыре протона, возродившись в форме гелиевых ядер и дополнительной энергии, уносимой гамма-лучами. К счастью для землян, гелий рождается в центральной области Солнца — только там температура достигает подходящей для его появления величины, и гамма-лучи не достигают поверхности Солнца. Рассеиваясь на своем пути солнечным веществом, они дробятся на менее энергичные кванты электромагнитного излучения и во внешних слоях светила становятся потоком носителей света — фотонов.

На Солнце гелий образуется и по другим цепочкам ядерных превращений. В одной из них вначале из протонов получаются тяжелые атомы водорода, а потом из них — гелий. И все же главная роль — за углеродной цепочкой, остальные вносят сравнительно малый вклад в энергетику Солнца.

Процесс синтеза гелия приводит к тому, что каждую секунду Солнце теряет 4,3 миллиона тонн своей массы, которая превращается в энергию и уносится в пространство световым потоком. Мизерную часть солнечной энергии — 0,4 миллиардной доли — перехватывает земная поверхность. И вот эти крохи, падающие на Землю с поверхности нашего светила, миллиарды лет поддерживают развитие земной жизни, рождают ветры, разрушают горы.

Ядерная энергия солнечного вещества приходит на Землю слишком рассеянной. Чтобы получить скромную мощность в один киловатт, нужно в солнечный день в средних широтах собрать энергию с поверхности, равной квадратному метру. Да и работать на нас Солнце может нерегулярно, с большими перерывами, — то наступает ночь, то небо затягивают облака. Меняется световой поток и от времени года. А нельзя ли у нас дома, на Земле, построить искусственное Солнце?

Осуществить в земных условиях управляемый синтез гелия из простейших ядер водорода протонов гораздо сложнее, чем из ядер тяжелого водорода дейтерия. Даже на Солнце протоны очень медленно переходят в ядра гелия. На каждую тонну солнечной массы выделяется всего 0,2 ватта. За сто тысяч лет в тонне солнечного вещества один грамм протонов превратится в гелий. Только большой объем нашего светила — естественного термоядерного реактора — спасает положение, и мощность, излучаемая квадратным сантиметром поверхности, достигает 7 киловатт — на каждый квадратный сантиметр работает 35 тысяч тонн солнечной массы.

Пока в современных лабораториях исследователи нагревают тяжелый водород до высоких температур мощными электрическими разрядами. Трудности велики. Плазму — нагретую до миллионов градусов смесь электронов и атомных ядер — трудно удержать в ограниченной части пространства. Плазма не должна соприкасаться со стенками какого-либо сосуда — нет и не будет материалов, которые выдержат столь высокие температуры, да и холодные стенки отводили бы слишком много тепла от зоны термоядерной реакции и она бы глохла. Поэтому горячую водородную плазму удерживают в определенном объеме с помощью сильных магнитных полей. И хотя в наши дни достигнуты большие успехи в изучении способов получения высокотемпературной плазмы, промышленный энергетический термоядерный реактор, по-видимому, появится еще нескоро.

Но есть другой не менее обильный и уже доступный нам источник ядерной энергии — источник, которым человек уже овладел в полной мере.

Водород и гелий самые легкие элементы. В другом конце таблицы Менделеева, в его девяносто второй клетке, стоит символ урана — элемента, открытого в 1789 году Мартином Клапротом и названного им в честь самой далекой из известных тогда планет. Вот эти граничные элементы и служат источником энергии.

В 1939 году опытным путем было показано, что ядра урана делятся нейтронами. Два изотопа урана — уран-235 и уран-238 — альфа и омега современной ядерной энергетики.

Если в термоядерных реакциях энергия освобождается при образовании из легких протонов более тяжелых ядер гелия, то внутренняя энергия урана, напротив, выделяется после его превращения в сравнительно легкие ядра — в процессе деления. Чтобы разделился уран, высокие температуры не нужны.

Нейтрон — частица нейтральная, и положительно заряженное ядро не отталкивает летящий в его направлении нейтрон. Изотоп уран-235 делится нейтронами очень малой энергии. Чем меньше скорость или, что равнозначно, температура нейтронов, тем с большей вероятностью они прилипают к ядру. Когда медленный нейтрон проходит на небольшом расстоянии от ядра урана, мощные силы притяжения втягивают его в ядро: Нейтрон вносит в урановое ядро энергию и нагревает его. Меняется форма, вместо шара ядро становится похожим на гимнастическую гантель, колеблется и делится затем на две части — ядра-осколки. Ядра-осколки испускают новые нейтроны, иногда два, иногда три, а в среднем на одно деление приходится две с половиной частицы.

Цепной процесс развивается по тем же законам, что и горная лавина. Если в композицию урана и замедлителя нейтронов попадает «случайный» космический нейтрон, то после его столкновения с ядром урана возникает два или три нейтрона. Новые нейтроны порождают, как минимум, четыре, четыре — по меньшей мере восемь... Наконец, когда нужный уровень мощности достигнут, развитие цепной реакции задерживают, иначе в зоне, где протекает реакция, выделится слишком много тепла и ядерный реактор будет разрушен. Как правило, мощность реактора поддерживают неизменной — как, скажем, мощность паровой турбины электростанции. Мощность цепной реакции остается постоянной, если процесс ведут так, чтобы нейтроны, рожденные при делении одного ядра, расщепляли бы также только одно ядро. Этого добиваются, исключая часть нейтронов из участия в цепной реакции. В зону реакции вводят регулирующие стержни, которые и поглощают лишние нейтроны.

Теоретически возможность осуществления цепной ядерной реакции на тяжелых атомных ядрах впервые была показана советскими физиками Я. Б. Зельдовичем и Ю. Б. Харитоном. На опыте первыми в этом убедились французские ученые. Работами руководил Фредерик Жолио-Кюри. Французским физикам, однако, осуществить незатухающую реакцию не удалось: едва из зоны реакции извлекался посторонний нейтронный источник, реакция глохла. Самоподдерживающаяся цепная реакция пошла в 1942 году на установке знаменитого итальянского физика Энрико Ферми, построенной в США. Мощная американская промышленность, удаленность от фронтов мировой войны способствовали пуску в США первых атомных реакторов, созданных на основе исследований Ферми. Американские реакторы предназначались для накопления ядерной взрывчатки — плутония, которым были начинены первые атомные бомбы, варварски сброшенные на японские города в 1945 году.

Советские ученые раньше других начали работать по применению ядерной энергии в народном хозяйстве.

С пуском первой атомной электростанции в Советском Союзе в июне 1954 года был сделан первый важнейший шаг к использованию энергии атомного ядра в мирных целях, к огромным запасам ядерного топлива, скрытого в горных породах.

В земной коре в среднем на тонну породы приходится четыре грамма урана. Количество громадное. Если бы удалось извлечь весь уран, скажем, до глубины два километра, то получилась бы фантастическая цифра — 16 триллионов тонн! Энергии, заключенной в таком количестве урана, человечеству хватило бы на сотни тысячелетий. Однако в наши дни только небольшая доля урана может быть с выгодой пущена в дело. Пока убыточно добывать руду с малым содержанием урана, на его извлечение пришлось бы затратить больше энергии, чем ее получают в современных энергетических ядерных установках. Ныне на Земле во всех пригодных для экономически выгодной разработки месторождениях урановой руды, по данным зарубежной печати, содержится только восемь миллионов тонн металла. Энергетическая емкость восьми миллионов тонн тяжелых ядер всего в пять раз больше запасов, содержащихся в разведанных источниках обычного топлива. И то при условии, что будет использована полностью энергия тяжелых ядер урана.

Освободить энергию основной массы урана — задача не из простых. Дело в том, что цепную ядерную реакцию поддерживает только легкий изотоп уран-235, а уран-238 — своеобразный балласт ядерного топлива — поглощает часть нейтронов, возникающих при делении легкого изотопа. Вместе с тем основная масса природного урана — уран-238. На долю урана-235 приходится только одна стосороковая часть.

К счастью, есть путь преобразования балластного урана-238 в отличное ядерное топливо, искусственный трансурановый элемент плутоний. Для этого лучше всего подходят специальные реакторы-размножители.

Кроме урана, энергию может дать и другой тяжелый элемент — торий. Из тория — он занимает девяностую клетку в таблице Менделеева — в ядерном реакторе образуется искусственный изотоп уран-233, который ни в чем не уступает урану-235: делится тепловыми нейтронами и хорошо поддерживает цепную реакцию.

Еще в начале нашего века многие ученые предсказывали, что в недалеком будущем запасы нефти, газа, угля будут израсходованы и наш мир начнет ощущать энергетический голод. В наши дни мрачные опасения оставлены: проникновение в тайны атомного ядра навсегда избавило человека от страха перед грядущим истощением топливных ресурсов. Энергетические установки, в которых сгорает уран-235, многие года дают ток в электрические сети Советского Союза, и число их будет расти.

Уже в девятой пятилетке в нашей стране начнется осуществление широкой программы строительства атомных электростанций, прежде всего в Европейской части, где ресурсы природного топлива ограничены. Эта программа рассчитана на 10–12 лет. После ввода в строй намеченных к строительству атомных электростанций паше народное хозяйство получит дополнительно 30 миллионов киловатт («Материалы XXIV съезда КПСС»» М., Политиздат, 1971, стр. 147).

Пока для промышленных и иных целей будет идти энергетический поток освоенных источников, на Земле создадут искусственное Солнце — термоядерный реактор, а может быть, освоят и другой, еще более эффективный источник. Запасов энергии, скрытых в ядрах дейтерия, трития, хватит человечеству поистине па вечные времена.