Praeitą savaitę pristačiau pirmą pusę (termo)branduolinių procesų – branduolių dalijimąsi (angl. fission), kuriuo paremtas atominių bombų ir elektrinių veikimas. Taip pat užsiminiau apie skilimą (decay), kurio būna trys tipai – alfa, beta ir gama. Šįkart papasakosiu, kaip branduoliai gali jungtis į didesnius, kodėl vieni jungiasi, o kiti dalijasi, ir kodėl alfa dalelės yra helio branduoliai.

Pradėsiu ir vėl nuo paprasto teiginio – jei du branduolius suartinsime labai arti vieną prie kito, tai jie gali imti ir susijungti į vieną. Tačiau tam, kad pavyktų šitai padaryti, reikia įveikti tų branduolių tarpusavio stūmos jėgą ir juos suartinti tiek, kad elektrinę stūmą įveiktų stiprioji branduolinė trauka. Šitą padaryti paprastai yra labai sudėtinga, nes branduolinė trauka veikia tik nedideliu nuotoliu, o elektrinė stūma – dideliu. Jei du branduoliai paleidžiami vienas į kitą, tai menkiausias jų trajektorijų nuokrypis nuo krypties tiksliai vienas kito link staigiai išaugs ir dalelės tiesiog prasilenks.

Šitą situaciją pagerinti galima dviem būdais. Pirmasis – naudoti daug branduolių, ne tik du. Kuo jų daugiau, tuo daugiau šansų, kad paleidus vieną papildomą į jų tarpą, šis pataikys į kurį nors tiksliai taip, kaip reikia. Antrasis, ir kažkiek svarbesnis, – padidinti temperatūrą. Kuo didesnė temperatūra, tuo greičiau tie branduoliai juda ir tuo daugiau energijos turi. O būtent energijos ir reikia, norint įveikti elektrinės stūmos barjerą. Na o dar geresnis variantas yra padidinti abu šiuos dydžius.

Dalelių tankis ir temperatūra labai dideli yra žvaigždžių centruose. Žvaigždės formavimosi metu tankis jos centre vis didėja, ir sustoja tik tada, kai pasiekia kritinę degeneracinę ribą (taip atsitinka rudųjų nykštukių ar dujinių planetų atveju), arba kai gali įsižiebti branduolių sintezės (nuclear fusion) reakcijos. Temperatūra formavimosi metu taip pat auga, o reakcijos intensyviai prasideda tada, kai vidutinė branduolių energija tampa panaši dydžiu į „aukštį“ to elektrinės stūmos barjero. Tiksli temperatūra priklauso nuo to, kokie branduoliai jungiasi ir į ką.

Žvaigždžių širdyse dažniausiai vyksta vienas iš dviejų reakcijų tipų. Jei žvaigždės masė neviršija Saulės masės daugiau nei dešimčia procentų, vyksta vadinamoji PP-grandinės reakcija. Ji prasideda, temperatūrai viršijus 4 milijonus laipsnių, ir susideda iš trijų žingsnių – pirmiausia du vandenilio branduoliai, t.y. protonai (iš čia ir pavadinimas) susiduria ir tuo pat metu vienas jų skyla atvirkštiniu beta skilimu, pavirsdamas neutronu. Taip susiformuoja deuterio branduolys (1 protonas, 1 neutronas). Tada prie jo prisijungia dar vienas protonas ir viskas pavirsta helio-3 branduoliu. Galiausiai du helio-3 branduoliai susiduria ir susijungia į helio-4 (2 protonai ir 2 neutronai) branduolį, dar išmesdami du atliekamus protonus. Šioje vietoje galimos variacijos – priklausomai nuo temperatūros gali atsirasti ir ličio bei berilio, bet tai jau tik detalės; vis tiek galiausiai bendroje sumoje iš keturių protonų susidaro helio branduolys ir pora pozitronų. Reakcijos metu taip pat išsiskiria daug energijos – kelios dešimtys megaelektronvoltų (MeV) iš vieno helio branduolio susiformavimo, arba keli šimtai teradžaulių iš vieno kilogramo. Palyginimui iš vieno kilogramo besidalijančio urano gaunama maždaug 10 kartų mažiau energijos. Arba lyginant kitaip, vieno kilogramo vandenilio, virstančio heliu, užtektų, kad viso pasaulio energijos poreikis būtų patenkintas beveik vieną minutę.

Kitas reakcijos tipas, vykstantis sunkesnėse žvaigždėse – tai CNO ciklas, prasidedantis temperatūrai pasiekus maždaug 13 milijonų laipsnių, o viršijus 17 milijonų pradedantis gaminti daugiau energijos, nei PP-grandinė. Jo pavadinimas sudėtas iš cheminių elementų simbolių: anglies, azoto ir deguonies. Šie trys elementai veikia kaip reakcijos katalizatorius: protonas prisijungia prie anglies, šią paversdamas azotu-13 (7 protonai ir 6 neutronai), šis skyla anti-beta skilimu į anglį-13; tada vienas po kito prisijungia du protonai, taip paversdami atomą deguonimi-15 (8 protonai ir 7 neutronai), kuris vėlgi skyla į azotą-15. Galiausiai tas prisijungia dar vieną protoną, tampa nestabilus ir pasidalija į pradiniam identišką anglies-12 branduolį ir helio branduolį. Šitos reakcijos metu taip pat išsikiria kelios dešimtys MeV energijos, tačiau ji vyksta sparčiau.

Žvaigždėse vyksta ir daugiau termobranduolinės sintezės reakcijos tipų, tačiau jie ima dominuoti kai žvaigždė pasitraukia iš pagrindinės sekos. Visų jų bendras bruožas – degimo „kuras“ yra nebe vandenilis, o sunkesni elementai. Štai pirmieji PP-grandinės ir CNO ciklo „pelenai“, helio branduoliai, dažniausiai dega trigubo-alfa procese, kurio metu trys helio branduoliai susijungia į anglį; šio proceso metu anglis gali prisijungti dar vieną helio branduolį ir pavirsti deguonimi. Būtent trigubo-alfa proceso dėka susiformavo didžioji dalis Visatoje aptinkamų anglies ir deguonies, be kurių neįsivaizduojama žemiška gyvybė. Daugelyje žvaigždžių šis procesas iš esmės paskutinis branduolinių reakcijų epizodas, po kurio seka pavirtimas baltąja nykštuke. Tačiau sunkiose žvaigždėse alfa degimai tęsiasi toliau: deguonis prisijungia dar vieną helio branduolį ir pavirsta neonu, šis – magniu ir taip toliau, žvaigždės širdies sudėtis šokinėja per Mendelejevo lentelę, praleisdama kas antrą elementą, kol pasiekia anglį. Pakeliui gali susiformuoti ir tarpinių elementų, t.y. turinčių nelyginį protonų kiekį, tačiau tai įvyksta labai retai, nes tam reikia vandenilio, o jo žvaigždės centre jau nebėra. Taip pat kiekvieno degimo periodo produktai po truputį „migruoja“ tolyn nuo centro (paprasčiausiai dėl skirtingų tankių – lengvesni elementai „išplaukia“ į paviršių, o sunkesni – „skęsta“ gilyn). Taip masyvi žvaigždė, prieš sprogdama supernova, yra sluoksniuota: pačiame paviršiuje likę šiek tiek vandenilio, giliau – helis, dar giliau – truputis ličio su beriliu, ir taip toliau.

Pasakiau, kad degimo procesas vyksta iki tol, kol pasiekiama geležis, ir viskas. Tą esu minėjęs jau ne kartą, taigi pats metas paaiškinti, kodėl. Visa paslaptis glūdi tokiame dalyke, kuris vadinamas branduolio ryšio energija (angl. „nuclear binding energy“). Grubiai tariant, tai yra energijos kiekis, kurį reikia suteikti branduoliui, kad jį suskaldytum į pavienius protonus ir neutronus. Kuo didesnė ryšio energija, tuo branduolys stabilesnis. Ji dar gali būti išreiškiama kaip ryšio energija, tenkanti vienam nukleonui (= protonui arba neutronui branduolio sudėtyje). Tokiu atveju ji parodo, kiek energijos reikia suteikti branduoliui, norint nuo jo atskelti vieną nukleoną. Ir štai gausybės eksperimentų ir įvairių teorinių modelių dėka mes visai neblogai žinome, koks yra visų cheminių elementų branduolių ryšio energijos vienam nukleonui dydis. Šiuo grafiku galite pasigrožėti paveiksliuke:

Jame verta atkreipti dėmesį į keletą dalykų. Pirma, geležies ryšio energija, tenkanti vienam nukleonui, yra pati didžiausia. Prisipažinsiu, kad nesu tikras, kodėl taip yra, bet greičiausiai tai kažkaip susiję su praeitame įraše minėtu stipriosios branduolinės sąveikos veikimo „burbulo“ dydžiu ir tuo, kad didesni branduoliai ima pildyti tą „burbulą“ greičiui, nei pastarasis didėja. Bet detaliau apie tai galvoti nelabai ir būtina, svarbu žinoti, kad taip yra. Antras svarbus dalykas – helio-4, anglies ir deguonies ryšio energijos yra gerokai didesnės, nei jų kaimynų. Kodėl šitie dalykai svarbūs, tuojau ir paaiškinsiu.

Bet kokia reakcija, bet koks procesas, ar tai būtų planetų judėjimas galaktikose, ar cheminių jungčių trūkinėjimas degant, ar dar kas nors, gali būti endoterminis (sugeriantis šilumą, t.y. suvartojantis daugiau energijos, nei išsiskiria jo metu), egzoterminis (skleidžiantis šilumą) arba energiją išlaikantis tiksliai nekintamą. Paskutinis variantas šiuo atveju mūsų nedomina, o įdomūs tik pirmi du. Jei proceso metu sunaudojama energijos daugiau, nei jos gaunama, vadinasi ta energija turi būti paimama kažkur „iš išorės“ – toks procesas pats savaime vykti negali. Ir atvirkščiai, jei proceso metu energijos išskiriama daugiau, nei suvartojama, tai perteklinė energija gali būti perduodama kur nors kitur ir panaudojama kitiems procesams, ar tiesiog išspinduliuojama. Dabar pagalvokime apie kokį nors branduolį, kuris turi konkrečią ryšio energiją. Jeigu tas branduolys pasidalija į du, tai bendras nukleonų kiekis nepakinta, tačiau bendra ryšio energija pakisti gali. Ir jei pasidalijimo liekanų ryšio energija yra didesnė, nei pradinio branduolio (t.y. liekanos yra stipriau „susirišusios“), tai reiškia, kad norint suskaldyti liekanas, reikia suvartoti daugiau energijos, nei norint suskaldyti pradinį branduolį. Vadinasi, bendra sistemos energija, branduoliui pasidalijus, sumažėjo. Tai reiškia, kad proceso metu išsiskyrė kažkiek energijos. Procesas buvo egzoterminis ir galėjo vykti savaime. Panašiai mąstant, galima suprasti, kad ir branduolių jungimasis įmanomas tik tada, kai junginio ryšio energija yra didesnė už pradinių dalių. Vadinasi bet kokia savaiminė branduolių reakcija vyks taip, kad jos metu atsiradę branduoliai turėtų didesnę ryšio energiją, nei reagentai. Arba, žiūrint į tą grafiką, galima teigti, jog bet kokia branduolinė reakcija „stumia“ branduolius ta kreive aukštyn. Taigi, neskaitant lokalių helio, anglies ir deguonies atvejų, bet kokios reakcijos produktai bus arčiau geležies, nei reagentai. Iš to ir atsiranda tas skirtumas, jog sunkūs branduoliai dalijasi, o lengvi – jungiasi. Ir dar besijungdami lengvi branduoliai labai „mėgsta“ pavirsti heliu, anglimi ar deguonimi, o ne jų kaimynais. Todėl šie branduoliai yra labai stabilūs ir todėl jų Visatoje yra gerokai daugiau, nei daugumos kitų lengvųjų elementų (išskyrus, aišku, vandenilį).

Ši diagrama taip pat paaiškina, kodėl branduolinio skilimo metu iš sunkaus branduolio gali išskristi alfa dalelė, ir kodėl ji yra helio branduolys. Kiekviename branduolyje esantys nukleonai šiek tiek vibruoja, o masyviuose branduoliuose jų vibracijų energija gali būti panašaus dydžio į ryšio energiją. Tokiu atveju kartais grupelė iš dviejų protonų ir dviejų neutronų sukimba šiek tiek stipriau, nei aplinkiniai nukleonai, ir taip įgyja dar šiek tiek papildomos energijos, kuri leidžia įveikti („pratuneliuoti“ – apie šį kvantinės mechanikos reiškinį gal kada kitą kartą) branduolinės traukos ir elektrinės stūmos barjerus ir išlėkti tolyn. Kitokia nukleonų grupuotė, neatitinkanti helio branduolio, turės gerokai mažesnę tarpusavio ryšio energiją, arba bus žymiai masyvesnė, taigi jai įveikti barjerus bus gerokai sunkiau. Kartais pasitaiko, kad panašiai iš didelių branduolių išlekia anglis arba deguonis, bet toks procesas yra gerokai retesnis nei alfa skilimas. Teoriškai šis skilimas gali įvykti bet kuriame už nikelį sunkesniame branduolyje, t.y. tokiame, kuriam skilus dar liktų geležis arba sunkesnis branduolys. Tačiau praktiškai alfa skilimai stebimi tik gerokai sunkesniuose branduoliuose, pradedant nuo telūro, kuris už anglį sunkesnis net dvigubai.

Šiame pasakojime apie branduolines orkaites beliko vienas dalykas – branduolių sintezė Žemėje. Turint omeny, kad energijos iš sintezės išsiskiria žymiai daugiau, nei iš dalijimosi, o ir kenksmingų atliekų nelieka (helis – inertinės dujos, su niekuo nereaguoja, galima surinkti ir naudoti lempoms užpildyti), tokios reakcijos atrodo labai patrauklus energijos gavybos būdas. Deja, yra problema. Iš esmės ją paminėjau dar įrašo pradžioje – tai labai didelės temperatūros ir tankio poreikis. Dar šis poreikis būna išreiškiamas Losono (Lawson) kriterijumi, kuris iš principo teigia, jog palaikomos termobranduolinės reakcijos energijos gaminimo greitis turi būti didesnis, nei energijos praradimo iš reaktoriaus greitis. Jis išreiškiamas kaip dalelių tankio ir tipinio energijos praradimo laiko (šiame laike, galima sakyti, užkoduota temperatūros sąlyga, nes kuo didesnė energija, tuo ilgesnis ir praradimo laikas) sandauga, ir ši sandauga visada yra labai didelė. Vadinasi, reikia rasti būdų, kaip sukoncentruoti vandenilio (ar kokio kito kuro, bet paprastai naudojamas vandenilis) branduolius labai mažoje erdvėje, ir kaip juos pakankamai smarkiai įkaitinti. Kol kas šitą padaryti pavyko tik nekontroliuojamų reakcijų sąlygomis, t.y. termobranduolinėse bombose. Joms sprogstant, besidalijantis uranas ir kiti sunkūs elementai išskiria pakankamai energijos, kad prasidėtų vandenilio izotopų deuterio (1 protonas ir 1 neutronas) ir tričio (1 protonas ir 2 neutronai) sintezė į helį.

Tačiau suvaldyti branduolių sintezės kol kas žmonijai nepavyko. Na, jei jau labai tiksliai kalbėtume, tai pavyko – po keletą sekundžių išlaikyti vykstančią reakciją įmanoma. Tačiau reakcijos, t.y. sintezei tinkamų sąlygų, išlaikymui reikia gerokai daugiau energijos, nei išsiskiria pačios reakcijos metu. Jei neklystu, kol kas geriausias pasiektas reakcijos naudingumo koeficientas (t.y. pagamintos ir sunaudotos energijos santykis) yra 65 procentai. Tiesa, naujas ITER reaktorius, jei viskas pasiseks, turėtų jau viršyti 100 procentų naudingumą, tad galbūt atsivers ir sintezės energijos praktinio panaudojimo perspektyvos. O tai būtų labai šaunu – reakcijoms naudojami deuteris ir tritis, kurių pilna „sunkiame vandenyje“ vandenynų gelmėse. Juos iš ten pasiimti – problema nedidelė. Reakcijos atliekos, kaip minėjau – tik helis, kuris yra visiškai nekenksmingas ir netgi naudingas. Belieka tikėtis, kad eksperimentai bus sėkmingi.

Ir jau pats paskutinis dalykas – tai šaltoji branduolių sintezė. Nors pagal Losono kriterijų sintezei reikalingas didžiulis tankis ir temperatūra, tačiau 1989-aisiais metais grupė mokslininkų paskelbė, kad jiems pavyko išgauti milžiniškus energijos kiekius žemos temperatūros sąlygomis, vykdant paprasčiausią sunkaus vandens elektrolizę. Šie teiginiai buvo ištirti ir, nepavykus rezultatų pakartoti bei išsiaiškinus galimas pradinio tyrimo paklaidas, atmesti. Ažiotažas, trukęs maždaug pusmetį, nurimo ir tik nedaugelis mokslininkų vis dar tikėjo, kad kažką iš „šaltosios sintezės“ išpešti įmanoma. Tokie mokslininkai vis karts nuo karto pateikia bandymų paaiškinti, kaip galėtų vykti šaltoji sintezė, tačiau kol kas niekam nepavyko to pademonstruoti praktiškai ir taip, kad būtų aišku, jog ten vyksta sintezė, o ne kažkas kito. Ši idėja susilaukė daug populiarumo tarp įvairaus plauko pseudomokslininkų – berods atsimenu prieš keletą metų matytą reportažą apie lietuvį, kuris šlapias malkas degino ir aiškino, kad ten branduolių sintezė vyksta. Prieš kelias savaites šaltąją sintezę atradę pareiškė du italų mokslininkai, tačiau ir jų teiginiai mokslo bendruomenės bent kol kas nėra priimti. Tai nereiškia, kad didžioji mokslininkų dalis dalyvauja baisioje superkonspiracijoje – tiesiog italų teoriniai paaiškinimai yra pernelyg nekonkretūs, o jų eksperimentas kol kas nepakartotas niekur kitur. Bendra situacija su „šaltąja sinteze“ lieka nepakitusi – teoriškai tai neįmanoma, praktiškai neužfiksuota, neskaitant įvairių išaiškintų keistenybių. Beveik neabejoju, kad tai ir liks „ezoterine“ mokslo šaka ir jokios naudos iš to nebus.

Tad štai ir viskas, ką norėjau papasakoti apie branduolines reakcijas. Tikiuosi, kažką supratote ir didelių klaidų neprivėliau.